陆地时变微重力数据处理与场源模型解释

杨锦玲

1.闽江学院测绘工程系,福建 福州 350108; 2. 中国地震局地球物理研究所,北京 100081

陆地时变重力观测距离场源近,观测精度高,目前广泛应用于监测地壳内部物质的变化。陆地重力观测通过在陆地表面固定测点布设重力仪进行重力测量工作以获取地球重力场数据。但在测量过程中会受到观测仪器误差、水文和环境干扰等多种因素的综合影响。对相对重力仪的仪器参数误差、测网的场源监测能力等不确定性因素的量化和研究有助于获得更可靠的地下深部场源信号。论文基于贝叶斯重力平差方法和时变重力等效源时空平滑方法,从仪器参数的不确定性估计、测网的场源监测能力评估以及重力场源因素和模型解释方面开展了陆地时变重力观测研究。论文主要工作如下。

(1) 利用贝叶斯重力平差方法对华南地区2015—2018年的陆地多期重力观测数据质量进行评估,量化分析了相对重力仪的非线性漂移和格值系数的影响。结果表明4台相对重力仪存在非线性漂移,且仪器间差异性明显。段差的残差结果和统计参数显示贝叶斯平差结果优于经典方法。初始与优化的格值系数偏差在10-5～10-4量级。华南测网观测资料由于相对重力仪非线性漂移和格值系数不准确共可引起约20×10-8m/s2的不确定性,贝叶斯重力平差方法可以有效抑制仪器误差。开展0.25°、0.5°和1° 3种不同尺度的检测板模型试验结果表明,现今的华南重力测网可以有效识别测网内空间尺度超过0.5°×0.5°的场源体,对应的场源空间分辨率约为55 km。

(2) 对2017年九寨沟Ms 7.0地震前的时变重力场开展研究。基于2014—2017年的7期重复高精度混合重力观测数据,采用贝叶斯平差方法获得了2017年九寨沟Ms 7.0地震前震源区及周边空间分辨率优于75 km尺度的微伽级时变重力信号。绝对重力交叉验证结果表明,贝叶斯重力平差后的绝对点偏差在±20×10-8m/s2范围,贝叶斯重力平差方法可以有效减小仪器格值和漂移引起的不确定性。采用等效源时空平滑方法对青藏高原东缘重力测网的检测板测试结果显示青藏高原东缘测网的场源分辨能力优于75 km。噪声测试结果表明:在5%的噪声水平下(对应地表约12×10-8m/s2的高频噪声),等效源时空平滑方法可以有效地恢复场源参数。基于该方法将0.75°分辨率的场源体等效到15 km、深度1 km厚度水平层内,对应场源体0.59‰～0.74‰的视密度变化。在九寨沟Ms 7.0地震前,显著的重力场变化区域从西部向东北变化,逐渐出现显著的与构造方向一致的重力变化梯度带。对震中周边等效场源结果的分析表明,在震中西南区域震前两年可能存在地壳流体的迁移。视密度变化的梯度带与活动地壳边界区重合,显示出引起重力场变化的场源主要受构造控制。地壳垂向变形和近地表水变化对重力变化的影响较小。在2017年九寨沟Ms 7.0地震前,与构造相关的区域重力场空间变化过程和变化特征主要反映了该区域地壳深部的流体和物质的迁移过程。

(3) 对2016年门源Ms 6.4地震前的时变重力场开展研究。平差结果显示2016年门源Ms 6.4地震发生在重力差异变化显著的高梯度带,且位于零值线拐弯部位上。采用等效源时空平滑方法对青藏高原东缘重力测网的检测板测试和噪声测试表明,青藏高原东北缘测网的场源分辨能力约为100 km,可观测的重力异常量级约为±80×10-8m/s2。通过等效源时空平滑反演方法,1°分辨率的场源体可以等效到10 km、深度1 km厚度等效层内对应0.74‰～0.81‰的场源体视密度变化。区域GNSS速度场显示青藏高原东北缘的水平运动整体呈北东方向和东向,量级在2.6～11.8 mm/a,从西南部向东北部速度呈逐步减小的趋势。冷龙岭断裂带具有强烈的活动特征,断裂带两侧的GNSS运动速度量级差异较大,在门源震中附近应变积累较显著。区域主应变特征的优势分布为主压应变北东向,总体上表现为挤压型变形,面应变率主要为收缩和挤压的特征。门源震中位于高剪应变和高面应变的峰值附近,其最大剪应变年变化率约为1.4×10-8mm,面收缩年变化率为0.9×10-8mm。区域近土壤水和雪水等近地表水引起的重力年变化速率约为0.05×10-8m/s2。降雨引起的重力最大变化为6×10-8m/s2,最大地表垂直形变速率引起的重力变化为1.17×10-8m/s2。水文因素和地表垂直形变引起的时变重力变化大约为8×10-8m/s2。体波成像等结果显示在门源地震下方30～40 km处存在着低速层,推测该区地壳内可能存在着流体及流体的迁移。电磁测深的结果显示冷龙岭断裂处于青藏高原北东向挤压推挤作用下,断裂南北两侧存在显著的物性差异。2016年门源Ms 6.4地震前的重力场变化可能与地壳深部分布的低速层物质向浅部迁移有关。