时变重力在地震研究方面的进展与展望

祝意青，张 勇，杨 雄，刘 芳，张国庆，赵云峰，隗寿春，毛经伦，张 松

1 中国地震局第二监测中心，西安 710054

2 武汉大学，武汉 430079

0 引 言

时变重力场是反应物质迁移的基本物理场，直接反映地球内部构造运动、地表质量迁移的本质和过程，而地震与重力的相互关系主要是以地球内部构造运动和质量（密度）变化而紧密地联系在一起的. 因此，我们可以定期进行地面重力重复观测，并对其重力场的动态变化进行深入分析与研究，有利于及时捕捉到某些强震前的重力前兆信息，这就是以时变重力为观测手段，从而深入探索地震发生机理和开展地震危险性预测的基本出发点.

地震活动与重力变化关系的研究由来已久，尽管20世纪早期就有发现强震前重力场变化的报道，但是直到高精度重力仪应用后，1960年代在苏联、美国、日本等才开始进行地震重力变化的监测与研究，同时将开展重力时变研究当作地震预报分析的一种重要手段. 1964年美国阿拉斯加地震、1965～1967年日本松代震群、1974年日本伊豆地震和1976年苏联加兹利震群前后（毛经伦等，2018），均观测到震前重力时变信息. 其标志性研究成果就是著名地质学者卡尔·巴恩斯在1966年期间明确提出的在地震前后，由于断层运动引起地壳内的局部应力场改变，导致断层处的地下介质密度发生变化，同时介质变形也会产生新的裂缝使已有的介质裂缝增大，这样，流体介质例如地下水或者火山岩浆就可能会直接流进（或者直接流出），引起观测点附近的流体介质密度发生变化，从而可能会直接影响区域重力场时间变化（Walsh, 1975;Chen et al., 1979）.

地震科学是一门观测科学，地震研究不仅依赖于相关基础理论的发展，更依赖于地震前后时空完整的高精度观测资料. 近年研究结果表明，强震前区域重力场可能会观测到显著的重力异常变化信息（卢造勋等, 1978; Chen et al., 1979; 申重阳等, 2009;陈石等, 2015; Chen, 2016; 祝意青等, 2008a, 2008c,2013, 2017）. 利用高精度重力测量数据分析震前重力异常变化的空间分布特征，有助于判定未来大震的高风险区域. 最近，研究者们通过重力异常变化数据，结合研究区域的地震历史资料，对一些大震进行了比较准确的中期预测（祝意青等，2008a,2008c，2013，2017；申重阳等，2020）. 本文简要综述时变重力在地震预测中的应用情况以及取得的研究成果.

1 区域重力场动态变化研究（流动重力）

中国受西部印度—欧亚板块碰撞和东部太平洋板块俯冲作用，使大陆内部强震频发、地震灾害严重（ Zhang et al., 2009; 周硕愚等, 2017）. 因此，积极开展地震监测预报在内的防震减灾工作，最大限度地减轻地震风险是我国的一项基本国策，我国也是目前全球唯一以地震监测预报工作为主要目的、建设了大规模地面重力监测网、并积极开展定期重力复测和地震预报工作实践的国家（江在森等，2005；申重阳等，2020）.

1.1 探索开展阶段

为探索重力时变与地震活动的关系，1966年邢台地震之后，我国开始流动重力监测网的布设，在华北、川滇等地区主要断裂带布设了各类跨断层的流动重力测线，并在辽宁北镇至庄河重力测线上观测到了1975年海城7.3级地震前盖县一东荒地测段一年出现约180×10-8ms-2的重力变化（卢造勋等，1978），且通过对北京—天津—唐山—山海关的长基线重力联测获得了1976年唐山7.8级地震前后的重力场变化，发现震前有100×10-8ms-2重力异常（Li, 1983; 李瑞浩, 1997），佐证了震前重力异常的存在. Chen等（1979）在分析1975年海城地震和1976年唐山地震前后的重力变化时指出：重力变化与地震孕育发生过程有着密切关系，依据重复水准测量资料所估计的地面高程变化引起的重力变化比观测到的重力变化小得多，因此，推测某些大震的孕育发生可能与地壳和上地慢内的质量迁移有关，认为所观测到的重力变化大部分是由质量迁移引起的，同时对形变和质量迁移引起的重力变化效应进行了理论分析，但对质量迁移的物理过程并未完全给出明确解释. 同样也通过对唐山地震前后重力场变化资料的分析，李瑞浩等（1997）通过采用扩容模式来解释唐山地震前后区域重力场变化过程，认为唐山地震前后震中区经历了重力增大（应力积累压缩）—重力减小（膨胀扩容）—地震发生—震后反向恢复变化的过程，而且理论计算的重力变化值与实际观测值有较好的一致性（胡敏章等，2021）. 海城地震和唐山地震前后的重力测量也表明，大震前重力会出现显著异常变化，这为通过利用重力测量方法进行地震预测预报研究提供了典型震例.

1.2 观测实践阶段

1981年之前，重力仪主要是石英弹簧型，其测量精度在30×10-8ms-2左右. 1981年之后，由于引进Lacoste-Romberg （G）（简称LCR-G）型金属弹簧重力仪，其测量精度在10×10-8ms-2内，与石英弹簧重力仪相比其测量精度大大提高（祝意青等，2008b）. 中国地震局陆续开展了地震重力重复观测（流动重力），在全国布设了一批测网或测线，基本以省级（直辖市、自治区）的属地为单元，其自成体系，彼此独立（申重阳等，2020）.

1981年，中国地震局地球物理研究所利用中美国际合作研究项目美方提供的3台 LCR-G型重力仪，在京津唐张地区每年进行 2～3期的地震重力观测，探索与强震孕育发生过程中的重力变化及其机理（Gu et al., 1998）. 京津唐张地区地震重力测量资料显示，该地区的重力场具有明显的分区变化特征，最为显著的是测区南部出现较大范围的重力增加变化，这一变化的主要原因是，测区南部大量利用地下水资源导致地面沉降而引起的重力增加（卢红艳等，2004）；测区北部山区重力变化呈趋势性减小，减小变化幅值与香山绝对重力点的变化量基本一致，大面积山区继承性、同步性的构造运动是导致地表重力变化呈趋势性减小变化的主要原因；测区东部重力变化主要是1990年 6月至1994年 6月期间，重力变化呈现出快速下降然后快速上升的过程，这可能是与1995年l0月滦县MS5.9地震孕育发生相关的重力变化（卢红艳等，2004）.

1984年，中国地震局地震研究所与德国汉诺威大学等合作，在滇西地震预报实验场布设了地震重力测量网，并开展了每年2～3期的定期复测，观测到1988年云南澜沧耿马7.6级地震前出现约70×10-8ms-2的重力异常（吴国华等，1995），1995年中缅边界7.3级地震前出现约110×10-8ms-2的重力异常（吴国华等，1998），1996年丽江7.0级地震前震中附近出现约120×10-8ms-2的重力异常（吴国华等，1997），并认识到与地震孕育相关的重力变化不局限于断层，而呈现“场”的特征. 贾民育等（1995）研究了1985～1994年期间滇西地震实验场的重力场动态图象及其与9次MS＞5.0地震的对应关系. 在观测期间，测区及其邻区累计发生了9次MS＞5.0地震，地震均发生在正负异常区转换带的零值线附近，震前总有一个正异常区出现，震级越大异常区的范围与幅值也越大；震前重力场出现异常变化的时间长度大约为3年，完整规律是先上升后下降，在下降过程中发震，从转折到发震的时间在1年之内. 进一步对1992年12月永胜MS5.1和MS5.4、1993年2月大姚MS5.3地震前的重力场变化图象与1996年2月丽江MS7.0地震前的重力场变化图象进行对比分析，认为1992年12月永胜MS5.1和MS5.4及1993年2月大姚MS5.3地震前的正异常区是明显而完整的，其西南和东北的重力变化梯度带和负异常区清晰可见，是两个易发震的地区，并结合其它相关资料，在永胜和大姚地震前提出了基本准确的预报意见（贾民育等，2000）. 1996年丽江MS7.0地震前的重力正异常区变化量级是1993年大姚MS5.3地震前的7倍，异常区的范围较大，然而异常形态却不完整，这与滇西实验场区测网比较小有关. 因此，明确提出准确判断7级大震震前的震中位置，需要测区有900 km×900 km的范围，而滇西地震重力测网的范围只300 km×300 km. 事实上云南地震局重力研究人员对1996年丽江地震前的重力异常变化早有察觉，并对此次地震曾进行了一定程度的预测（吴国华，1997；申重阳等，2003）.

1990年前后，我国在大华北、南北地震带、东南沿海等地区建成了以省、直辖市、自治区的属地为单元相互独立的区域重力测网，有20个单位展开流动重力野外监测工作. 它们有的呈网状，有的呈条状，平均范围小于300 km×300 km（申重阳等，2020；祝意青等，2020）. 监测到1998年河北张北MS6.2地震前后出现在震中外围地区的重力异常变化（张晶，2001）和1999年山西大同MS5.6地震前后震中区附近重力场出现的异常变化（李清林，2001）, 也监测到1995年山东苍山MS5.2地震前苏鲁皖交界地区重力场出现的异常变化（刘长海，1997）. 1995年甘肃永登MS5.8和2000年甘肃景泰MS5.9地震前，北祁连河西地区也观测到明显的重力异常变化，并对这两次地震均进行了一定程度的中期预测（江在森等，1998；祝意青等，2001）. 1992～1994年期间，古浪、武威一带出现显著的重力异常变化，重力变化幅值大于50×10-8ms-2的空间范围直径达100多千米，古浪—天祝—永登一带是与重力变化高值区相连的重力变化高梯度带地区，1995年7月22日发生的永登5.8级地震震中位于这一重力变化高梯度带地区的边缘（江在森等，1998）. 2000年6月景泰MS5.9地震前，重力场于1998～1999年期间出现了类似于永登地震前的2项变化：（1）区域重力场呈现出较大范围的趋势性异常，沿祁连山主要断裂构造带出现重力变化高梯度带，山区重力负值变化、盆地相对正值变化；（2）测区东部景泰MS5.9震中附近出现空间变化不均的多点局部异常区（祝意青等，2001）. 祝意青等（2004）进一步扩大研究范围，利用统一起算基准获得的青藏块体东北缘重力观测数据，分析了1992～2001年期间区域重力场的动态演化特征及其与永登MS5.8和景泰MS5.9地震孕育发生的关系. 认为整体计算获得的青藏块体东北缘重力观测资料更能完整地反映出永登MS5.8和景泰MS5.9孕震过程中出现的重力场变化的完整前兆信息，重力场动态图像能清晰地反映区域重力场的有序性演化过程与地震活动的关系（祝意青等，2004）.

1.3 应用提升阶段

1998年，中国地震局联合国家测绘局、总参测绘局和中国科学院等四部委共建了“中国地壳运动观测网络”工程（简称网络工程），网络工程的实施，建成了中国大陆统一的全国地震重力基本网，对25个基准站、56个基本站及300多个区域站（或过渡点）进行了重力联测，同时对25个基准站还进行了绝对重力值测定. 网络工程于1998年以来，每隔2～3年进行一期中国大陆重力基本网联测. 在川滇、青藏高原东北缘等多震地区，中国地震局地震研究所和第二监测中心共同完成对区域重力测网内的网络GNSS站点联测. 把一个个孤立的省区重力网连成较大的区域重力网（祝意青等，2008b；申重阳等，2020），观测并研究区域重力场动态变化及其与强震孕育发生关系.

李辉等（2009）利用网络工程重力观测资料，获得的1998年以来中国大陆2～3年尺度重力场的动态变化图像，较好地反映了中国大陆地壳构造运动和主要强震活动的基本轮廓. 祝意青等（2012）利用网络工程1998～2008年期间的重力观测数据，获得了中国大陆地区以绝对重力为统一起算基准的重力场动态变化图像，认为中国大陆重力场变化既具有时空分布的不均匀性和重力变化分区化的现象，同时也与活动断裂构造密切相关和与地震孕育发展有着密切内在联系. 江在森等（2003）分析认为，在2001年青海昆仑山口西MS8.1地震震中附近的五道梁—阿尔金地区重力差异变化达100×10-8ms-2.王勇等（2004）利用重复重力观测数据对丽江7.0级地震的同震位错与重力变化之间的关系，进行了有参考价值的分析. 张永志等（2000）基于多孔介质中的力学理论、乘法分解理论和数值模拟对丽江7.0级地震过程的重力变化进行分析，提出丽江地震孕育发生过程中重力变化经历了基体的弹性阶段、基体与孔洞变形的弹塑性阶段和同震时应力释放进而孔洞重新闭合（毛经伦等，2018）. 申重阳等（2011）对2009年云南姚安6.0级地震前重力场变化特征并结合震源机制解进行分析，指出：震中区相对重力变化四象限分布图像反映出震前孕震源存在剪应力（申重阳等，2020），并提出“闭锁剪力”前兆模式. 祝意青等（2009, 2012, 2015b）研究分析表明，强震易发生在沿构造活动断裂出现的重力变化正、负异常区过渡的高梯度带上，重力变化等值线的拐弯部位，构造活动断裂带由于其差异运动强烈而构造变形非连续性最强，易产生剧烈的重力变化，利于应力的高度积累而孕育地震. 并对2008年新疆于田7.3级和四川汶川8.0级等大震做出了一定程度的预测. 2008年3月21日新疆于田MS7.3地震，重力资料预测的时、空、强三要素基本准确（祝意青等，2008b），预测的震中位置距离实际发生的震中149 km，这对于在地震监测能力较弱的地区来说是很准确的（震中附近区域测点间距100～200 km，测点较稀）. 新藏交界地区出现显著重力异常变化，最大重力变化强度差异量为100×10-8ms-2，并形成四象限分布特征，是2008年新疆于田7.3级地震预测的主要参考依据（祝意青等，2020）. 2008年5月12日汶川MS8.0地震，预测震中位于映秀与北川2个极震区之间的地震主破裂带上，预测的震中距离实际发生的震中72 km，与地震宏观震中完全一致（祝意青等，2008a）. 川滇块体一带呈现重力高值变化异常，川北出现较大范围的重力低值异常，重力最大差异变化量值高达130×10-8ms-2，并沿四川汶川—北川—成都环绕龙门山断裂带出现重力变化高值异常区及梯度带，是2008年汶川地震预测的主要参考依据（祝意青等，2020）. 申重阳等（2009）利用1998～2007年中国大陆重力观测数据，对2008年汶川MS8.0地震区域重力场的动态变化和孕震机理研究表明：震中西南出现持续多年的正重力变化和较大范围的重力变化梯度带，区域重力场的变化总体呈现增大—加速增大—减速增大—发震的过程（毛经伦等，2018）.

1.4 整体优化阶段

2008年汶川8.0级地震后，中国地震局总结与反思了中国地震重力场观测的优势和局限，认为有必要将区域重力测网连接成整体，并形成统一观测基准，按照“全国成场、区域成网”的思路，统筹现有的常规重力观测任务（祝意青等，2020），地震重力监测网建设和观测技术得到了快速发展. 于2009年启动“华北地区强震强化监视跟踪”专项任务，对华北地区分散的省区地震重力网进行调整、优化和改造，对相关省区地震局自成体系的重力测网进行了有效连接，并加强绝对重力控制，构成新的、华北地区整体的重力监测网（祝意青等，2018）. 2010年启动地震行业科研重点专项“中国综合地球物理场观测”重力场变化加密监测网，该网以全国重力基本网为总体构架，分期对青藏高原东缘地区、鄂尔多斯周缘地区、大华北地区原有的地震重力监测网进行成场成网优化改造，把分散的区域重力网连接起来（郝洪涛等，2015；胡敏章等，2015；祝意青等，2018）. 2010年《中国大陆构造环境监测网络》在《中国地壳运动观测网络》的基础上对重力测网进行优化升级改造，将中国大陆地区的100个基准站（绝对重力测量点）和600多个联测点（邢乐林等，2016；申重阳等，2020）进行联测. 通过中国大陆构造环境监测网络、中国综合地球物理场观测、华北强震等大型重点地震监测项目，对 “零散分布”的地震重力监测网进行了多次整体结构优化改造，在中国大陆逐步构建成由相对重力联测网和绝对重力控制网组成的中国大陆流动重力地震监测网（图1），每年定期开展观测，并对南北地震带地壳结构开展了重力探测工作（祝意青等，2018；申重阳等，2020）. 根据统一基准下获得的全国重力场变化图像，在年度地震预测特别是地点预测中发挥了重要作用，李辉、祝意青、申重阳、陈石、胡敏章等对重力场变化图像与地震关系进行了深入总结（李辉等, 2009, 2010; Zhu et al., 2010; 祝意青等, 2012, 2014, 2015a; 陈石等,2015; 胡敏章等, 2019; 申重阳等, 2020）. 图1标示了2001年昆仑山口西8.1级地震以来，中国大陆发生的2008年汶川8.0级、于田7.3级、2010年玉树7.1级、2013年芦山7.0级、2014年于田7.3级、2017年九寨沟7.0级和2021年玛多7.4级等8次7级以上地震的震中. 可以看出除了位于青藏高原腹地的2001年昆仑山口西8.1级震中附近没有重力测点外，其它7次大震震中附近均有一定的重力测点，尤其是2008年汶川8.0级、2013年芦山7.0级和2017年九寨沟7.0级地震震中四周均有重力监测点，这为可靠地提取强震前的重力变化前兆信息打下了良好基础. 近年来我国多次强震前流动重力均观测到显著的重力异常变化，虽然异常的表现形式并不一致，有些发生在重力变化正、负异常区过渡的高梯度带、零值线地区，有些发生在重力异常四象限分布中心，但可以根据重力变化异常区的范围和幅度、重力异常变化梯度的大小及其特征，研究潜在强震可能分布的地点和震级（祝意青等，2018）；Chen等（2016）研究了重力场变化机理，观测到2015年尼泊尔8.1级地震前后可靠的重力变化，给出了绝对重力观测到的震前重力变化及震质中解释结果；胡敏章等（2019）以及祝意青等（2018）提出了利用重力场变化预测地震的指标体系，对2013年四川芦山7.0级和甘肃岷县6.6级、2014年新疆于田7.3级和云南鲁甸6.5级、2016年青海门源6.4级和新疆呼图壁6.2级、2017年四川九寨沟7.0级等强震/大震均做出了较好的年度中期预测（祝意青等，2013，2015b，2016，2017；隗寿春等，2020）.

图1 中国大陆流动重力地震监测网Fig. 1 Seismic gravity monitoring network in China Continental

地震作为地壳内部介质变形、破裂的一种表现形式，对孕震期重力场变化的观测，可研究地壳介质弹性应变积累与发震之间的关系（申重阳等，2009；陈石等，2015）；通过对地震前后重力场动态变化的分析，可研究震源参数和破裂过程以及震后恢复黏弹性变形等问题（付广裕等，2017，2020）. 目前，以地表流动重力观测为基础手段获取的重力场变化数据逐渐增多，并随着仪器性能指标的不断改进和重力测网覆盖程度的不断提高，通过地表重力重复观测获取的重力场动态变化与构造活动之间关系的研究取得了很多新的进展（陈石等，2015；申重阳等，2020；祝意青等，2020）.

2 重力场潮汐变化研究（定点连续重力）

国际上有计划在固定台站上开展重力场潮汐变化观测是从1957年国际地球物理年开始的. 日本学者Mikumo（1977）对坎达拉肯州附近的两次6级以上的地震研究发现，在震前可观测到10%幅度的潮汐变化. Kai（1988）在研究总结1976年唐山7.8级地震的发震机制时，提出了潮汐应力是诱发唐山大震的一个重要因素，并认为1966年3月河北邢台7.2地震、1967年3月河北河间6.3级地震也都与潮汐应力激发相关. Sachiko（2004）研究潮汐与地震活动的相关性时发现，不同区域的浅源构造地震与潮汐应力及区域断裂构造带的应力水平相关，当区域断裂构造带的主压应力轴与震源机制解的P轴基本一致时，潮汐应力对区域构造活动的应力积累有较大贡献，并有可能触发地震事件发生.Cochran等（2004）在《Science》上发表论文“潮汐能够诱发浅层逆冲断层地震”，将Sachiko的结果运用到了全球范围内的构造地震事件进行研究，同时结合在地震破裂事件方面的重要研究成果，发现地球浅部构造地震事件与潮汐相关，而且这种相关性与假设地壳内部的摩擦系数有关. 这些研究引起了国内外地球物理学家的极大关注和热烈学术讨论.

我国在地球潮汐与地震活动关系研究方面也开展了大量的工作. 1959年，以中苏国际合作观测方式在甘肃兰州地震台进行重力场潮汐变化观测研究. 1966年邢台地震发生后，在北京北安河建立了第一个为监测地震活动服务的重力固体潮观测台站. 1980年，中国地震局地球物理研究所与美国哥伦比亚大学进行了局部重力场变化与地震活动关系的国际合作，在京津唐张等地区建立7个定点连续重力站（卢红艳等，2004）. 经过“九五”、“十五”、“十一五”、“陆态网络”等建设，我国逐步建成了80多个连续重力站.

吴庆鹏等（1978）利用北安河和密云重力台站1976年1月1日至9月16日的重力固体潮观测资料，对唐山地震前M2波重力潮汐因子的变化趋势进行了分析，对如何利用重力资料进行地震预报进行了探讨. 陈益惠（1979）、唐伯雄（1980）分别利用调和分析法、勒卡拉兹和维涅第科夫方法，对北京地区、昆明地区重力固体潮观测的结果进行了分析. Gu等（1998）分析了1982～1998年在京津唐张地区的16个M4～5地震前重力变化图像，并从理论模型上进行了解释. 吴雪芳等（1984,1991, 1996）利用重力潮汐因子变化分析研究了地震预报的可能和条件；在利用潮汐参数进行云南澜沧、耿马等地震预测实践过程中，提出了固体潮预报地震的理论基础和方法，阐明了重力方法在地震预测工作中的作用. 魏望生等（1990）对滇西下关和弥渡两个台站进行了重力固体潮变化研究，确定了滇西地区主波潮汐因子的最佳值，并分析了澜沧地震前后潮汐和非潮汐变化特征. 吴翼麟等（1995）的研究结果认为我国对重力固体潮观测台网的观测环境、观测精度已初步达到国际先进水平，可广泛应用于地震预报，根据全国30个台站3年的观测资料统计，倾斜潮汐因子出现异常后1～6个月内，距台站100 km范围内发生5级地震、200 km范围内发生6级地震、400 km范围内发生7级地震的平均概率为0.39. 何翔等（1996）研究认为潮汐因子异常既有地震“源兆”信息，也有地震“场兆”信息，7级大震可观测到400多千米的倾斜潮汐因子振幅显著变化. 杨又陵（1990）发现乌鲁木齐红山重力台站在1983年新疆和静东北MS5.2、1987年罗布泊MS5.7地震前，重力潮汐出现明显的异常.

2000年以来，随着仪器观测精度的提高，微弱信号的提取分析方法也开始崭露头角. 周挚等（2008）利用HHT方法获取了昆明、下关重力固体潮的地震前兆信息，认为重力固体潮在大震前存在频率分化异常现象，为进一步深化固体潮理论预报地震提供了新的分析方法. 2001年昆仑山口西8.1级巨震前，重力仪观测到重力扰动异常（王武星等，2007）. 2008年汶川8.0级、2013年芦山7.0级以及2014年于田7.3级等多次大震前，全国范围内的台站重力仪也检测到了大震前的重力扰动异常（胡小刚等，2010；王新胜等，2013，2014）.Wei等（2013）基于郫县GS15型重力仪捕捉到距离震中约50 km的芦山7.0级大震产生的约0.5×10-8ms-2的同震重力异常信号，这与位错模型模拟结果具有较好的一致性. 杨锦玲等（2017）分析了2008年3月和2014年2月新疆于田两次MS7.3地震前重力短临异常信号，认为2008年大震前牡丹江台、沈阳台和漳州台三个重力台站记录到高频扰动信号；2014年大震前8个台站记录到两组不同频段的重力扰动信号，震前6天的第一组信号出现在东北台站，震前3天的第二组扰动信号集中在东南台站，两组扰动信号振幅呈现从北到南、从东到西逐步衰减的一种时空分布规律. 申重阳等（2020）认为芦山地震前1个月，南北地震带的区域潮汐因子（2008年1月至2013年2月）趋势变化呈四象限分布特征，地震发生在四象限分布中心附近，可能与闭锁剪力模式有关. 然而在利用固体潮或潮汐参数进行地震预测预报时，虽然提出了一些预测指标和部分理论，但仍停留在经验预报的层面上.

3 卫星重力变化研究

传统的地面重力测量虽然观测精度高，但存在空间分布不均匀和时间分辨率低等不足，且受观测条件的限制，难以捕获到发生在海域的大震造成的重力变化，而卫星重力测量，其空间分布覆盖均匀，可以有效弥补海洋一侧常规重力观测方法的不足，对于深入研究海洋俯冲带上的大震形变具有重要意义（郑增记，2020）. 相比地面连续重力和流动重力观测，卫星重力可以全天候、全球覆盖、连续性、成本低及不受地域地形限制等诸多优点，作为空间对地观测手段监视地球重力场变化得到了快速的发展. 自2002年3月GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiments）重力卫星发射以来，随着观测数据的积累和地震位错理论、模型的不断完善，通过GRACE重力卫星来监测大震的技术手段越来越成熟.

早在GRACE重力卫星发射之前，Wahr（1998）就给出了时变重力场的基本理论和方法，并进行数值模拟计算. Sun和Okubo（2004）对发震断层模型进行参数反演，结合GRACE观测精度特点认为，GRACE重力卫星在理论上能够检测出大于MW9.0的剪切型地震或者大于MW7.5的拉张型地震的同震形变信号，该理论随后被许多学者利用近些年发生的大地震数据所验证. Mikhailov等（2004）利用GRACE重力卫星时变重力场模型数据，基于数值模拟的方法，计算了不同震级地震构造活动引起的重力场变化. Han等（2006）使用GRACE提取出了2004苏门答腊造成的同震重力变化，提出强震造成海洋地壳膨胀现象，是世界上第一个利用卫星重力探测到同震变化的学者，具有划时代意义.美国地质调查局Pollitz（2006）在《Science》上撰文指出GRACE卫星重力对地震监测具有重大意义.Chen等（2007）对GRACE RL04重力数据加上去相关和300 km高斯滤波获得了苏门答腊地震同震重力变化信号，研究了地震前后的重力变化时间序列. Panet等（2007）基于连续小波方法分析了GRACE时变重力场模型数据，认为地下深部物质密度变化及其地壳垂向运动是同震形变的主要原因. 段虎荣等（2009）利用GRACE卫星重力资料，分析了2008年汶川MS8.0地震前后中国大陆区域重力场变化，并利用地壳膨胀模型理论对同震重力变化现象进行了阐述. 邢乐林等（2009, 2010, 2011 ）利用GRACE重力卫星数据结合向上延拓技术和位错模型等理论验证手段，分析了一些典型地震发震断层的深部构造活动特征. 邹正波等（2012, 2013,2015, 2016 ）利用GRACE重力卫星数据对中国汶川MS8.0、日本MW9.0、尼泊尔MS8.1等大震的区域重力场变化进行了分析与研究. Cambiotti等（2012）联合Sumatra-Andaman大震震源机制及GNSS观测结果，给出了结合GRACE约束条件下的改进有限断层模型. Cambiotti（2013）提出了一种基于GRACE卫星重力数据反演地震参数的方法，并应用于2011年日本MW9.0地震（安东东，2018）. 姜永涛等（2015）对2010年智利MW8.8地震的同震重力变化和重力梯度变化做了研究.Fuchs等（2016）利用GRACE、GOCE重力梯度观测数据，并结合GNSS观测结果，反演了2011年日本MW9.0地震发震断层分布. 瞿伟等（2017）扣除水文因素的影响，分析了尼泊尔8.1级地震前后震中及周缘区域重力场变化和震源区特征点的重力变化特征.

以探测时变重力场为主要科学目标的GRACE重力卫星可以从观测周期与空间覆盖等方面补充地面重力观测的不足. GRACE重力卫星在轨运行15年（2002年3月17日至2017年10月10日）获得了大量的300 km空间分辨率、月时间分辨率的动态重力场，为水文学、冰川学、气象学及地震学研究做出了重要的贡献（Tapley et al., 2019）. 已成功提取到多次地震相关的重力变化（Han et al.,2006; 王武星等, 2010, 2014; 张克亮等, 2014; Dai et al., 2016; Zheng et al., 2018; 邹正波等, 2021），最小震级（鄂霍次克海）可达MW8.3地震（Zhang et al., 2013），为地震孕育发生过程的重力场动态变化提供了科学样本，具备开展大震研究的潜力.GRACE-FO（GRACE Follow-on，2018年5月22日发射）是GRACE的后续卫星，它在复制GRACE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（Boergens et al., 2020）. 当前GRACE-FO高精度星间激光测距技术的采用并没有有效提高月重力场模型精度，且加速度计及大气海洋模型精度有待于进一步提高，同时卫星星座的采用将是提高卫星重力精度的有效方法. 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，将为探测更多地震事件提供了新的契机（邹正波等，2021）.

4 问题与展望

4.1 问题

在我国，重力测量作为一种研究、预测地震的手段，已走了50多年的历程，通过不断地探索实践，逐渐认识和捕捉到了与强震孕育发生相关的典型重力变化特征，为中国地震局年中、年度地震趋势会商提供了重要依据，并取得了多次中期预测成功的案例（毛经伦等，2018；申重阳等，2020）.在强震来临前呈现出上升与下降变化的四象限分布或沿主要构造带出现重力变化梯度带等特征，震中往往落于重力等值线的低值区，这也是近20年来运用重力监测手段进行地震研究、预测的成功经验. 申重阳等（2011, 2012, 2020）从能量积累和破裂角度提出了大震判别基本准则和闭锁剪力模式，为地震预测和机理解释提供了理论依据. 还有诸多研究人员基于对以往震例重力变化异常范围、量级、持续时间与强震关系，进行了大量的数理统计与分析研究（贾民育等，2000；祝意青等，2018；胡敏章等，2019；申重阳等，2020），为地震预测提供了方法经验. 虽然重力时变监测目前已在中国大陆的地震监测与研究中获取了较为成功的经验，但距离地震预测预防等减灾需求，尚有不足，主要存在以下问题：

（1）重力的实际监测能力直接决定了对我国大陆重点地区重力场演化及其与地震活动关系的研究能力，我国现行监测网布局分布不均匀，重力监测点主要分布于大华北与南北地震带，而在青藏高原及其周边地区分布较少，时空分辨率不够，所得到的信息是残缺不全的，对6级强震仍不具备监测能力，不能有效地捕捉到强震孕育发生过程中出现的完整前兆信息.

（2）绝对重力标定和控制程度较低、绝对重力与相对重力没有进行准同步测量，不能很好地消除相对重力仪格值标定引起的系统误差. 连续重力与流动重力的融合程度较低，以超导重力仪为代表的微漂移、高稳定性仪器装备数量匮乏. 连续重力仪数量少、站网台站空间分辨率低，仪器零漂大，缺乏绝对标定，难以实现对中国大陆重点地区的有效监测.

（3）重力时变测量是当前地震监测中最精密和困难的工作，地震重力监测获取的是微伽级变化. 观测技术很重要，数据处理的及时性也十分关键. 中国大陆重力基本网由多个部委共同完成重力观测任务. 由于观测不同步，野外作业时长达7～8个月，甚至更长，不能及时有效融合所有监测数据. 因此，数据处理的及时性显得格外重要，由于目前主要以绝对重力控制下的相对重力测量为主，不同的人采用不同的数据处理方法可能会获取不同的计算结果，应确保计算结果的可靠性.

（4）时变重力研究中，构造和水的影响是造成地面重力变化最大的因素，如何扣除掉地表冰雪、湖泊和地下水等质量对重力变化的影响和贡献，有效提取反映构造和动力学变化的信号是亟待加强的工作.

（5）在深入认识震前重力场变化特征方面，虽然先后提出过质量迁移、密度变化、断层位错和蠕动、联合膨胀、闭锁剪力等模式，在揭示重力场变化的物理机制等方面取得了一定的进展，但在实际地震预测中仍受制于重力观测网布局及测量技术.

4.2 展望

在各种自然灾害中, 地震是对人类生活影响最严重的一种自然灾害. 可想而知，如果通过地震监测预报能准确预测大震何时何地发生，对于造福人类来讲是非常重要的. 但是，预测地震又是非常困难的. 地震预报一直是世界公认的科学难题，地震机理极其复杂，但并不是完全不可知的. 地震的发生本是地下构造运动由慢变快的变形过程，问题在于是否能观测、记录到，即使观测到了，又能否识别（马瑾，2016）.

近年来，受益于中国大陆地震重力观测网的不断优化完善，重力技术管理部及各个省局地震重力监测预报队伍的不断加强与人才培养，流动重力发挥着越来越重的作用，取得了多次中期预测成功案例. 但目前绝对重力仪偏少，相对重力仪存在一定的零漂，使地面流动观测和台站定点连续观测数据效能大打折扣. 因此，从长远发展来看，应发展高精度绝对重力观测技术代替流动相对重力观测技术；发展低漂移（超导）或无漂移式定点连续观测技术代替弹簧式定点连续观测技术；发展低空卫星重力观测技术弥补地面重力观测技术的不足（祝意青等，2020）. 未来，随着观测技术的进步、重力场时空监测分辨力的增强，基于多源重力观测数据的融合及重力异常与地震活动关系研究进一步深入，时变重力在地震预测与研究中的作用会越发显著.