利用重力卫星研究青海玛多及云南漾濞地震周边2002—2021年重力变化

邹正波 张 毅 谈洪波 崔立鲁 尹 鹏 吴桂桔

1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)防灾科技学院，三河 065201 3)引力与固体潮国家野外观测研究站，武汉 430071 4)湖北省地震局，武汉 430071 5)成都大学，建筑与土木工程学院，成都 610106

0 引言

重力监测作为地震监测的重要手段之一，为地震科学提供了重要的基础研究资料。 中国以地震监测预报为目的的地面重力监测工作始于邢台地震，并在之后的几十a中取得了飞速发展，在地震监测、 预测特别是中长期预测中发挥了重要作用(祝意青等，2018； 胡敏章等，2019)。 总结基于地面观测的地震震例发现： 7～8级地震震前地表重力变化时间长达0.5～3a(褚庆忠等，2014)； 胡敏章等(2019)通过研究重力变化的量级与震级关系，发现6、 7、 8级地震的震前异常可达70μGal、 90μGal、 120μGal(1μGal=1×10-8m·s-2)，与对流动重力网及震例分析的结果基本一致(祝意青等，2018)； 地面重力虽具备观测空间分辨率及精度高的优点，也存在观测周期长，观测成本高，受地面交通、 气候等条件影响覆盖范围有限等不足。 青海玛多地震发生于中国的西部地区，该区地面重力测点相对稀疏，采用重力卫星技术可为玛多地震相关研究提供月时间尺度的观测补充，为更好地发挥重力学科作用提供支持。

重力卫星作为一种新的观测技术，可从观测周期与空间覆盖等方面弥补地面重力观测的不足，更好地发挥重力学科在地震监测方面的优势。 以探测时变重力场为主要科学目标的重力卫星计划GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiments)在轨运行15a(2002年3月17日—2017年10月10日)，已获取了大量空间分辨率为300km、 时间分辨率为月的动态重力场，为水文学、 冰川学、 气象学及地震学研究做出了特有的贡献(Tapleyetal.，2019)。 目前，已基于其所返回的数据成功提取到多次与地震相关的重力变化(Hanetal.，2006； 王武星等，2010，2014； 邹正波等，2012； 张克亮等，2014； Daietal.，2016； 邹正波，2016； Panetetal.，2018； Zhengetal.，2018； Chaoetal.，2019)，最小震级可达MW8.3(2013年鄂霍次克海地震)，为地震过程的重力动态演变提供了科学样本，具备开展地震研究的潜力。 GRACE-FO(GRACE Follow-on，2018年5月22日发射)是GRACE的后续卫星，其在复制GRACE设备的基础上配备了更高精度的星间激光测距仪，已在全球范围内成功延续了GRACE卫星计划(Boergensetal.，2020)。 然而，其探测地震的能力是否有所增强、 是否能探测到青海玛多MS7.4地震，仍需通过理论模拟其同震重力变化并加以评估。

1 研究区域

表1 2002年3月—2021年3月研究区域内MS≥7.0地震的信息Table1 The MS≥7.0 earthquake data during 2002—2021 in the study area

图 1 给出了研究区域的基本信息，蓝色及粉红色线条分别为一级和二级块体边界，红色圆点代表2002—2021年研究区域内的MS≥7.0地震及云南漾濞MS6.4地震的震中，底图颜色代表海拔。

图1 研究区域Fig. 1 Map of the study area.

2 数据与方法

2.1 卫星重力数据及其处理方法

GRACE、 GRACE-FO卫星主要通过高精度星间测距技术(K波段微波测距技术及LRI激光测距技术)实现低低卫卫跟踪测量，可极大限度地提取地球质量变化信息，进而提供高精度的时变重力场模型产品。 本文选取美国德州大学奥斯汀分校空间研究中心发布的GRACE及GRACE-FO的RL06月重力场模型计算研究区的重力变化。 该模型已经扣除了大气、 海洋、 潮汐等效应的影响，最高阶次为60，覆盖时长为2002年4月—2021年3月(部分月份存在缺数)。

利用卫星重力场球谐模型提取震中区周边的时空变化处理步骤包括： 1)用SLR卫星的J2数据替换同期的GRACE、 GRACE-FO的C20数据(Suetal.，2020)； 2)从模型中扣除冰后回弹效应的影响； 3)对模型进行300km扇形滤波平滑，以减少南北异常条带的影响； 4)扣除周期效应影响； 4)获取研究区域重力场时空变化。

2.2 GLDAS数据及水文信号的提取

陆地水储量变化在重力卫星监测的地球重力场变化中贡献巨大，需要考虑分析并加以扣除，选择与GRACE数据相同时段的1°×1°月模型进行计算。 获取GLDAS陆地水储量变化可以从水平衡方程入手，即为降水、 蒸发及径流之差，也可直接选取地表水湿度、 雪水质量及植冠表面水质量之和。 本文用第2种方法进行提取，具体方法为： 1)利用GLDAS提取格网化的月陆地水储量变化； 2)将格网化数据转化成同期的最高阶次为60的球谐系数，提取GLDAS月重力场模型； 3)对模型进行与重力卫星相同的去南北条带处理； 4)提取与卫星重力观测同时、 同区域的重力场变化； 5)在进行重力变化数据处理分析前，将该结果从卫星重力数值中剔除。

2.3 断层模型及基于位错理论的同震重力变化

3 结果与讨论

3.1 重力长期变化率

图2 2002—2021年研究区域的重力变化趋势Fig. 2 The trend of gravity variation in study area during 2002—2021.

通过2002年4月—2021年3月重力长期变化率分布结果不难发现： 1)重力变化的空间分布与中国大陆活动块体的分块有一定的相关性，且呈明显的四象限分区特征： 东北部的鄂尔多斯块体整体呈重力减小的态势，西南边界地区—青藏高原东触角(缅甸、 尼泊尔与中国交界的地区)重力沿EW向减小，西北的青藏高原中部(新疆、西藏、青海交界)的重力以0.2×10-8μGal·a-1的速率增加，华南地块的重力以正变化为主，其他地区的重力变化较弱。 研究区域整体形成负—正—负—正大四象限空间分布特征； 2)一级或次级块体的边界区域重力变化均极小或为0，如华南地块W侧、 鄂尔多斯地块周缘等均存在这一现象，玉树地震、 芦山地震、 缅甸地震、 九寨沟地震、 玛多地震等均发生在块体边界地区，与地面重力观测震例芦山地震、 玉树地震、 九寨沟等的结论相似，这一研究可为地震预报的地点判定提供大尺度背景依据，也为地面重力监测预测提供了更多的震例样本。

3.2 重力累积变化及差分变化

由于GRACE-FO是GRACE卫星计划的延续，尽管在全球范围内未出现明显的偏移(Boergensetal.，2020)，但两者之间存在约1a的数据空白(2017年7月—2018年5月)，且2015年以后数据缺失较多，虽然可以通过数学方法和SWARM卫星的数据填补这些空白，但与直接观测结果相比仍存在差距，因此本文只给出了基于观测的重力变化结果。

卫星重力变化结果可为地震的孕震背景及孕震过程研究提供大尺度依据，具有重要的参考价值。 本文利用重力卫星数据及水文模型提取到不受陆地水储量变化影响的重力信号，并以此为基础得到2002—2020年累积重力变化及差分重力变化。 考虑到7级地震的孕育时间尺度达不到20a，因此只选择了最近10a的结果进行展示和分析(图3，4)，图中红点表示云南漾濞和青海玛多地震的震中，绿点则为相应时段内发生地震的震中。 分析图 3、 图 4 不难发现：

图3 2010—2020年累积重力变化Fig. 3 The cumulative gravity changes from 2010 to 2020.

图4 2010—2020差分年重力变化Fig. 4 The annual differential gravity changes from 2010 to 2020.

(1)累积重力变化的四象限分区特征很显著，这与长期重力变化中(图 2)负—正—负—正的空间分布格局基本一致，局部区域在不同年份存在小幅度差异变化。 具体而言，鄂尔多斯块体以重力减少为主，2010—2020年重力减少的范围和振幅都逐步增大； 青藏地块则保持重力增加的态势； 印度板块以北、 西藏与尼泊尔交界区域的重力沿NE向减少； 华南地块则以重力正变化为主，且空间变化较大。

(2)自2010年以来，研究区发生了玉树MS7.1、 缅甸MS7.6、 芦山MS7.0、 于田MS7.3、 尼泊尔MS8.1、 九寨沟MS7.0、 玛多MS7.4等多次大地震，将这些地震的震中位置与局部重力变化结果进行比较可发现，地震均发生在卫星重力变化的零值区或极小值区域(正、 负转换带上)，这与已有的大地震孕震过程中地面重力时变特征研究的结果一致(祝意青等，2018； 胡敏章等，2019)。

(3)从图 3 所示的多年重力变化可见，青海玛多7.4级和云南漾濞6.4级地震的震中区均处于重力正、 负交界区，幅度变化也很小，几乎为0，云南漾濞地震震区从2011年以来几乎都位于重力正变化高梯度带的低值处(图 3， 4)，而青海玛多地震震区多年来也一直位于研究区大四象限分布的中心低值区内。 另外，无论从空间分布还是振幅变化程度来看，2019—2020年与之前10a的结果均有显著差异，四象限程度明显增强，正、 负振幅均明显增加。 从图 4 所示的差分重力变化结果可见，相对于2019年，2020年玛多北部出现了1μGal的重力增加，而漾濞地震震区以北则出现3μGal的重力减少。 大地震的空间位置与局部重力场变化的对应关系反映了大地震孕育过程中震中周边物质流与应力场的迁移变化规律。

(4)研究区四象限分布的正、 负交界线与一级或次级板块边界基本吻合，表明重力变化分区能为板块边界的划分提供重要依据，也从侧面证明了卫星重力变化与构造运动(板块运动)有关。 卫星重力变化(空间固定点)来源于质量迁移，且重力变化与质量变化成正比，因此年重力变化能够展示研究区域物质流动的动态演化状态，这种动态变化蕴含着大地震的孕震背景及孕震过程信息，能为大地震监测及预测提供重要的研判依据，同时也反映了重力卫星具有探测大地震重力变化的能力。

3.3 区域重力变化的时间序列

选取2次地震震中区周边一定范围的数据，利用盆地函数方法(即范围内为1，范围外为0)进行区域平均，计算出2次地震震中区周边的重力时间演变过程。 由于GRACE提取的重力变化时间序列存在周期性特征，且模型不能完全扣除，为研究与地震相关的重力变化，本文首先进行了去周期信号处理，获取了相应的重力变化时间序列(图 5 中蓝色线条)，再对时序结果进行12个月的滑动平均处理(图 5 中红色线条)，以减少数据的无序震荡。

图5 青海玛多及云南漾濞地震震区2002—2021年重力变化时间序列Fig. 5 The time series of gravity changes of seismic zone for Qinghai Maduo earhquake and Yunnan Yangbi earthquake.

青海玛多地震时间变化序列(图 5)结果表明： 1)采用滑动平均方法能有效减少时序结果中的无序波动，更能反映其长期的变化特征； 2)GRACE观测期间(2002年4月—2017年6月)区域重力变化趋势性特征显著，2002年4月—2005年5月该区重力以0.83μGal·a-1的速率出现趋势性增加； 经过2a的重力下降后，又开始缓慢上升，随后重力快速增加，2012年5月—2017年期间重力以0.66μGal·a-1的速率持续减少； 3)在GRACE-FO观测时段(2018年6月—2021年3月)该区重力变化的幅度较大(-2～3μGal)，进行滑动平均后数据震荡相对减弱，且捕捉到主要的特征变化，2018年6月—2021年3月重力变化经历了增加(2019年6月—2020年6月)—减少(2020年7月—2020年10月)—增加(2020年11月—2021年3月)的变化过程，这与唐山地震前的重力变化过程类似。

3.4 理论同震重力变化

图6 模拟同震重力变化Fig. 6 Simulated coseismic gravity variation.

图7 处理后的同震重力变化Fig. 7 Processed simulated co-seismic gravity variation.

同震重力变化的理论模拟研究为重力卫星的精度提出了更具体的要求： 只有在重力卫星的时变重力探测精度提高1～2个数量级的前提下，方有可能探测到青海玛多MS7.4地震的同震重力变化； 本研究为重力卫星地震的需求论证提供了理论依据。

4 结论

GRACE及GRACE-FO卫星长期对地观测为研究全球及区域质量迁移及重力变化提供了宝贵的科学数据，为地震重力场研究提供了特有的长尺度、 近连续的静态及时变观测资料，具有重要的参考价值。 本文利用近20a的卫星重力资料提取到2021年青海玛多地震及云南漾濞地震震区周边大尺度的背景重力场时变信息，得到以下结论：

(1)研究区域的重力变化分区明显，长期存在负—正—负—正的大四象限空间布局，即鄂尔多斯块体以重力减少为主，青藏地块则保持重力增加态势，印度板块以北、 西藏与尼泊尔交界区域重力沿NE向减少，华南地块则以重力的正变化为主，且板块边界的重力变化较小。

(2)2002年以来的MS≥7.0地震，如汶川地震、 玉树地震、 芦山地震、 九寨沟地震、 玛多地震和尼泊尔地震等都发生在负—正—负—正大四象限的中心区域或与构造相关的高梯度带的拐角处，与地面重力地点预测的结论一致。 本工作为地面重力地震预测研究提供了更多的震例样本。

(3)云南漾濞地震震区自2010年以来几乎都位于重力正变化高梯度带的低值带，青海玛多地震震区多年来也位于研究区大四象限分布的中心低值区内。 且这2次地震震前2a的变化较之前10a的结果在空间和振幅上均有显著空间增强异常，四象限程度明显增强。 其重力异常变化与根据地面重力观测结果总结的震例异常的结论一致。 本研究为云南漾濞和青海玛多地震的孕震背景提供了大尺度及长时间的数据支持。

(4)青海玛多震前2a重力经过了1a的持续增加—4个月的减少—再次增加的过程，这与唐山地震前的重力变化过程相似。 云南漾濞地区的重力值在汶川地震及青海玉树地震发震时均有显著的跳变，然而这些跳变是否与这2次地震相关，还需要后续开展深入研究。

当前GRACE-FO采用的高精度星间激光测距技术并未有效提高卫星重力场模型的精度，且星间测距技术并非当前重力卫星模式的瓶颈。 而采用卫星星座将是比较现实的提高卫星重力探测精度的方法。 目前国内的天琴二号卫星及未来通过国际合作建立的卫星星座，将为探测更多地震提供新的契机。

此外，由于青海地震震中区位于黄河的源头且在青藏高原上，冰川消融、 湖泊水位等变化会对区域重力场产生影响，在后续的研究中将对该问题做进一步探讨。