1、吴琼，许健生.地震重力观测技术的新发展方向：绝对重力与重力梯度一体化观测 J.地震科学进展,2023,53(2):49-57.doi:10.19987/j.dzkxjz.2022-066WuQ,XuJS.Thenewdevelopmentdirectionofseismicgravityobservationtechnology:IntegratedmeasuringofabsolutegravityandverticalgravitygradientJ.ProgressinEarthquakeSciences,2023,53(2):49-57.doi:10.19987/j.dzkxjz.20
2、22-066综述与评述地震重力观测技术的新发展方向：绝对重力与重力梯度一体化观测*吴琼许健生（中国地震局地球物理研究所，北京100081）摘要高精度绝对重力与重力梯度一体化和阵列式观测可有效提高不同深度重力场源体的识别精度。本文基于中国地震局发布的中国地球物理站网（重力）规划（20202030）中绝对重力观测技术的不足和发展方向，提出了绝对重力与重力梯度一体化的观测技术思路。在监测中发现，强震孕育过程中壳幔热物质运移引起的微重力变化信号，有利于提升破坏性地震的中、短期和临震预测能力。有必要进一步拓展重力站网绝对重力控制能力等方面的应用，为我国专业地震台站探索重力观测技术新发展方向。关键词绝对重
3、力测量；重力梯度测量；微重力探测中图分类号：P312.1文献标识码：A文章编号:2096-7780(2023)02-0049-09doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-066The new development direction of seismic gravity observation technology:Integrated measuring of absolute gravity and vertical gravity gradientWu Qiong,Xu Jiansheng(InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdmi
4、nistration,Beijing100081,China)AbstractTheintegratedandarrayobservationofthehigh-precisionabsolutegravityandgravitygradientcaneffectivelyimprovetheidentificationaccuracyofgravityfieldsourcesatdifferentdepths.Basedontheshortcomingsanddevelopmentdirectionofabsolutegravityobservationtechnologyinthe“Chi
5、naGeophysicalStationNetwork(Gravity)Planning(20202030)”issuedbytheChinaEarthquakeAdministration，thispaperproposestheobservationtechnologyideaoftheintegrationofabsolutegravityandgravitygradient.Bymonitoringanddiscoveringthemicrogravitychangesignalscausedbythetransportofshell-mantlehotmaterialsduringt
6、heincubationofstrongearthquakes，theabilitytopredict medium-term，short-term and near-earthquakes of destructive earthquakes is improved.The application ofabsolutegravitycontrolcapabilitiesofgravitystationnetworksisfurtherexpandedtoexplorenewdevelopmentdirections*收稿日期：2022-04-22；采用日期：2022-06-06。基金项目：国
7、家重点研发专项（2018YFC1503801）资助。第一作者：吴琼（1980-），男，研究员，主要从事地球物理仪器研发工作。E-mail：wuqiongcea-。通信作者：许健生（1954-），男，研究员，主要从事地震观测和震相分析工作。E-mail：。第53卷第2期地震科学进展Vol.53No.22023年2月ProgressinEarthquakeSciencesFeb.,2023ofgravityobservationtechnologyforprofessionalseismicstationsinChina.Keywordsabsolutegravimetry;gravitygrad
8、ientmeasurement;microgravitydetection引言我国大陆地质构造复杂、边界动力多样，形成了以活动地块为主的构造格局。地震是地球内部热物质运移驱动地块运动的结果1-2，而地球时变重力场包含了丰富的地球内部热物质分布与运移信息。在强震孕育过程中，震中周边数百至数千千米范围内，常伴有壳幔热物质运移驱动地块预滑的现象3-8，此现象会引起持续数月至数年的 10Gal（1Gal=1108m/s2）级重力场异常变化9。地表 Gal 级的时变微重力场测量，可为地球内部热物质运移、地壳形变、火山、地震等地球内部动力学过程提供直接观测数据。因此，高精度、高时空分辨力的微重力观测资料能
9、精确描述强震孕育过程中活动地块的运动特征，为地震预测和地震科学研究提供有效的观测资料。目前，我国已建成以流动重力测量为主的重力站网10-12，获得了重力变化异常与地震震级之间的经验关系，开展了孕震机理探索研究，相关成果已在中强地震的中长期危险区预测和地球科学研究中发挥了重要作用13-14。但在对标国际先进水平、自然灾害防治需求和技术发展趋势等方面，目前我国重力站网在绝对重力观测方面还存在 3 个方面的明显不足：绝对重力标定与控制缺失，绝对重力控制能力弱，相对重力仪器格值因子偏离和潮汐基准不统一；缺乏有效的重力场源识别能力；新型观测技术特别是重力梯度测量技术尚未被应用于地震监测15。主要表现如下
10、：（1）观测时间的稀疏和观测点位的离散。目前中国地震局只有 5 台 FG5/A10 型绝对重力仪，承担每年150 个点位的绝对重力测量任务，每台仪器每年平均需要完成 30 个测点的观测，每个绝对重力观测点1 年只测 2 次。而绝对重力观测点之间的距离一般是几百千米甚至上千千米；（2）布设空间上的不均匀、不合理。在大地震频发的西部地区观测点稀疏，在大地震相对较少的东部地区观测点相对较密；（3）目前采用的绝对观测仪器全部依赖进口，由于价格昂贵、维修周期长、出口限制等因素的制约，不易实现大面积、高时空分辨力的观测需求。国内多个研究机构自行开发的绝对重力仪还停留在实验室阶段，不能与中国地震台网其他前兆
11、观测仪器匹配进行长期连续观测。因此，基于已有自主知识产权的高精度绝对重力测量技术，开展绝对重力与重力梯度一体化测量系统研制和阵列式观测技术研究，针对捕捉大地震前地球内部热物质运移动态和地下流体迁徙规律这个具体的科学目标，选择合适的野外台站，开展示范应用。通过与台站形变、流体和测震数据的融合分析，探索地球内部热物质运移的时空演化物理模型，获取地震孕育、发生过程中地球物理场变化的直接科学证据，具有十分重要的应用意义。1高精度绝对重力观测可为大地震孕育和短临预测提供直接观测证据由于地球的“不可入性”，迄今为止，人类对地球内部结构的直接观察仅达到地球表皮十几千米的深度。目前，世界上最深的钻井深达 12
12、262m，而这个超深钻井深度和地球平均半径（6370km）相比，只能算是“皮毛”深度。因此，地震学家对地球内部结构、大地震的孕育和发生过程的认识，主要还是间接的。尽管如此，几十年来地震学家在对地球内部结构和地震成因的研究上还是取得了长足的进步16。对汶川 MS8.0 地震的研究表明，震前的临震预滑活动在孕震区周边的地块上是普遍存在的。例如，临震前数天至数小时，在陕西省周至地震台（=590km）所处地块发生了数次预滑（位移），预滑导致周至台的深井水位发生了持续时间达 1 小时左右的“阶跃式”变化（图 1a）；临震前 20 多分钟，在四川省姑咱地震台（=155.1km）所处地块发生的预滑导致高导层
13、中的流体有一次突然释放，沿岩石裂隙流失。这种质量突然迁徙导致姑咱台附近的微重力值“阶跃式”下降约 50 多 Gal（图 1b）17-18。2002 年 9 月至汶川 MS8.0 地震前，在距震中约50km 的四川郫县地震台就观测到了绝对重力值变化呈增大的趋势，变化率为（5.010.7）Gal/a。特别是 2002 年 9 月2004 年 1 月，显著增大约 15.8Gal19。Tanaka 等20利用 FG5 绝对重力仪，在震前 1 天和震后 7 天时间段内幸运地观测到在岩手山西南 8km 处MS6.1 地震的绝对重力变化，他们结合震区 GPS、相对重力的观测数据，确认了绝对重力观测值偏大 6
14、Gal是明确的同震重力异常。Chen 等21利用 20022008年西藏青海新疆四川地区重力场测量数据，50地震科学进展2023年确定了重力场异常数据与 20072010 年 13 个 MS6.0的地震之间的统计相关性。Kao 等22利用台湾地区24 个点位 20042016 年连续绝对重力测量数据，通过扣除地下水等非地球动力学因素的误差，与 GPS观测结果对比分析确定不同点位的绝对重力测量值的变化与台风、地震、火山活动、莫霍面沉降等因素的相关关系。Timofeev 等23基于自主研发的 GABL 型绝对重力仪，通过长期的绝对重力测量，研究了不同类型地震发生前的绝对重力变化。图 2 为 Tal
15、aya 台站和 Irkutsk 台站在 2008 年 8 月 27 日 Kultuk 地震发生前后的绝对重力测量结果，距离震中地区较近的 Talaya台站绝对重力观测结果呈现明显的变化趋势，最大变化量达到了 25Gal。日本神火火山（Shinmoe-dakevolcano）的连续绝对重力观测数据（FG5 型绝对重力仪，每小时 1 组，持续观测 41 天）表明（图 3），每次火山喷发前后均有对应绝对重力观测值的线性减小和恢复过程。其中VE#1VE#3 对应明显的火山喷发，E#4E#5 对应小规模的火山喷发，T#1T#9 对应地下岩浆的运动但未喷发24。基于这些高精度、高时空分辨力的绝对重力观测数
16、据的研究表明，地球内部的热物质运移可能是地块运动的动力来源，地球内部的质量迁徙可能是地震形成的主要机制25-28。因此，地震成因的基本问题，归根结底是地球内部热物质运移在地震孕育过程中的动力学问题，获得该过程的直接观测数据是攻克地震成因问题的关键所在。而目前重力观测可能是观测地球内部十几公里以下热物质运移最有效Xpl 22:03Xpl 10日22:03Xp2 11日23:009101112135678912018-052345Xp2 23:00AB022018-052018-0546仪器故障主震Pn 12日06:288AB10024681005-12 主震Xg 05-12 06:04C0121714Xg 05-12 06:042018-05四川姑咱台相对重力=155.1 kmC（a）（b）t/dt/ht/ht/dt/dt/ht/d图1汶川 MS8.0 地震前周至台深井水位仪（a）和姑咱台相对重力仪记录（b）17-18Fig.1Recordingsfromwater-levelmeterinZhouzhistation（a）andrelativegravimeterinGuzastati