陸地時變微重力數據處理與場源模型解釋

楊錦玲

1.閩江學院測繪工程系,福建 福州 350108; 2. 中國地震局地球物理研究所,北京 100081

陸地時變重力觀測距離場源近,觀測精度高,目前廣泛應用于監測地殼內部物質的變化。陸地重力觀測通過在陸地表面固定測點布設重力儀進行重力測量工作以獲取地球重力場數據。但在測量過程中會受到觀測儀器誤差、水文和環境干擾等多種因素的綜合影響。對相對重力儀的儀器參數誤差、測網的場源監測能力等不確定性因素的量化和研究有助于獲得更可靠的地下深部場源信號。論文基于貝葉斯重力平差方法和時變重力等效源時空平滑方法,從儀器參數的不確定性估計、測網的場源監測能力評估以及重力場源因素和模型解釋方面開展了陸地時變重力觀測研究。論文主要工作如下。

(1) 利用貝葉斯重力平差方法對華南地區2015—2018年的陸地多期重力觀測數據質量進行評估,量化分析了相對重力儀的非線性漂移和格值系數的影響。結果表明4臺相對重力儀存在非線性漂移,且儀器間差異性明顯。段差的殘差結果和統計參數顯示貝葉斯平差結果優于經典方法。初始與優化的格值系數偏差在10-5～10-4量級。華南測網觀測資料由于相對重力儀非線性漂移和格值系數不準確共可引起約20×10-8m/s2的不確定性,貝葉斯重力平差方法可以有效抑制儀器誤差。開展0.25°、0.5°和1° 3種不同尺度的檢測板模型試驗結果表明,現今的華南重力測網可以有效識別測網內空間尺度超過0.5°×0.5°的場源體,對應的場源空間分辨率約為55 km。

(2) 對2017年九寨溝Ms 7.0地震前的時變重力場開展研究?；?014—2017年的7期重復高精度混合重力觀測數據,采用貝葉斯平差方法獲得了2017年九寨溝Ms 7.0地震前震源區及周邊空間分辨率優于75 km尺度的微伽級時變重力信號。絕對重力交叉驗證結果表明,貝葉斯重力平差后的絕對點偏差在±20×10-8m/s2范圍,貝葉斯重力平差方法可以有效減小儀器格值和漂移引起的不確定性。采用等效源時空平滑方法對青藏高原東緣重力測網的檢測板測試結果顯示青藏高原東緣測網的場源分辨能力優于75 km。噪聲測試結果表明:在5%的噪聲水平下(對應地表約12×10-8m/s2的高頻噪聲),等效源時空平滑方法可以有效地恢復場源參數?；谠摲椒▽?.75°分辨率的場源體等效到15 km、深度1 km厚度水平層內,對應場源體0.59‰～0.74‰的視密度變化。在九寨溝Ms 7.0地震前,顯著的重力場變化區域從西部向東北變化,逐漸出現顯著的與構造方向一致的重力變化梯度帶。對震中周邊等效場源結果的分析表明,在震中西南區域震前兩年可能存在地殼流體的遷移。視密度變化的梯度帶與活動地殼邊界區重合,顯示出引起重力場變化的場源主要受構造控制。地殼垂向變形和近地表水變化對重力變化的影響較小。在2017年九寨溝Ms 7.0地震前,與構造相關的區域重力場空間變化過程和變化特征主要反映了該區域地殼深部的流體和物質的遷移過程。

(3) 對2016年門源Ms 6.4地震前的時變重力場開展研究。平差結果顯示2016年門源Ms 6.4地震發生在重力差異變化顯著的高梯度帶,且位于零值線拐彎部位上。采用等效源時空平滑方法對青藏高原東緣重力測網的檢測板測試和噪聲測試表明,青藏高原東北緣測網的場源分辨能力約為100 km,可觀測的重力異常量級約為±80×10-8m/s2。通過等效源時空平滑反演方法,1°分辨率的場源體可以等效到10 km、深度1 km厚度等效層內對應0.74‰～0.81‰的場源體視密度變化。區域GNSS速度場顯示青藏高原東北緣的水平運動整體呈北東方向和東向,量級在2.6～11.8 mm/a,從西南部向東北部速度呈逐步減小的趨勢。冷龍嶺斷裂帶具有強烈的活動特征,斷裂帶兩側的GNSS運動速度量級差異較大,在門源震中附近應變積累較顯著。區域主應變特征的優勢分布為主壓應變北東向,總體上表現為擠壓型變形,面應變率主要為收縮和擠壓的特征。門源震中位于高剪應變和高面應變的峰值附近,其最大剪應變年變化率約為1.4×10-8mm,面收縮年變化率為0.9×10-8mm。區域近土壤水和雪水等近地表水引起的重力年變化速率約為0.05×10-8m/s2。降雨引起的重力最大變化為6×10-8m/s2,最大地表垂直形變速率引起的重力變化為1.17×10-8m/s2。水文因素和地表垂直形變引起的時變重力變化大約為8×10-8m/s2。體波成像等結果顯示在門源地震下方30～40 km處存在著低速層,推測該區地殼內可能存在著流體及流體的遷移。電磁測深的結果顯示冷龍嶺斷裂處于青藏高原北東向擠壓推擠作用下,斷裂南北兩側存在顯著的物性差異。2016年門源Ms 6.4地震前的重力場變化可能與地殼深部分布的低速層物質向淺部遷移有關。