賈路路，王林海，陳石

在地球上任何有質量的物體都會受到重力作用。由于地球形狀和質量分布并不均勻，相同質量的物體在地球上不同位置受到的力并不一樣，這是因為重力加速度隨空間位置都會發生一定的變化，導致其在地球兩極相比赤道受到的重力更大。精確測量地球上不同位置重力加速度的量值，并研究其變化規律，則可作為研究地球動力學過程和質量分布規律的一種物理手段。

地球上的板塊運動和火山噴發等動力學過程，會產生一系列的應力釋放，地震就是這些過程的必然產物。地震的孕育和發生往往會產生地球質量的重新分布，而產生的地表微弱可觀測的重力加速度變化就是自然給人類留下的重要線索。如何高精度地獲取地球重力加速度及其變化規律，是人類解決地震預報難題、破解自然現象密碼的關鍵。

何為時變微重力？

所謂時變是說對地表同一個位置的重力每隔一段時間重復測量一次，觀察其變化及規律，就像人們每隔一段時間測一次體重一樣?！拔⒅亓Α笔侵肝①ぜ?1微伽=10-8m/s2)的重力加速度變化。大家知道，地球平均重力值大約為9.8 m/s2。微伽級重力變化監測，其精度大約相當于測量一頭成年鯨魚掉落一根胡須后的體重變化。

根據測量原理不同，重力測量可分為：基于自由落體運動的絕對重力測量和基于胡克定律原理的相對重力測量，對應的觀測儀器叫做絕對重力儀和相對重力儀。絕對重力測量可以測出重力值及其變化，而相對重力測量只能測出重力值（相對某一時刻或地點）的變化。打個比方，絕對重力儀就好比鐘表，能夠給出具體時刻的時分秒時間及其變化，而相對重力儀好比沙漏，只能給出時間相對流逝了多少。

如何獲取大范圍、高精度的時變微重力數據

總體而言，絕對重力測量精度高但造價昂貴，相對重力測量成本相對較低。所以，大范圍的重力觀測網一般采用高時空密度的相對重力測量、輔以少量絕對重力基準控制的觀測模式，測網數據需要后期解算處理（平差）。這稱之為混合重力觀測。

與地震孕育發生相關的重力變化多為微重力信號。所以，想要開展地震重力研究，一方面需要高精度的重力觀測儀器采集數據；另一方面也需要科學完善的重力觀測數據解算方法和體系。

隨著我國陸地時變重力監測網絡規模不斷擴大，重力觀測時間跨度大，觀測儀器種類繁多，觀測質量參差不齊，現有的數據產品解算方法已經不能滿足研究時變重力信號的高精度需求。在沒有國內外成功案例和算法參考的情況下，我們提出了適用于大尺度陸地時變重力數據處理方法——貝葉斯平差方法。該算法解決了上述問題造成的數據處理困難這一最基礎、但影響學科發展的重要技術問題（圖1），并已經成功地應用于解決地震重力監測數據算法不完善等制約行業發展的瓶頸性問題。該算法還可以定量計算出相對重力儀的格值因子（儀器格值與重力的對應關系，相當于沙漏中沙子流量與時間流逝量的關系）。而傳統的相對重力儀格值因子確定，需要儀器在基線場中標定測量，存在工作量大、人力物力耗費多的問題。所以，該方法不僅提高了數據解算精度和利用率，還具有節約測量經費的潛力。此外，為了檢驗和評估重力觀測數據的質量，我們進一步研發了針對多時空尺度重力數據質量控制體系，有助于提高中國大陸時變重力場數據精度。

圖1 大尺度陸地時變重力數據解算方法體系

子圖1：貝葉斯平差方法可以有效估計儀器的非線性漂移，并獲得弱相關性的段差互差；子圖2：相較于經典平差，貝葉斯平差獲得的段差殘差更小，隨機性明顯，且點值偏差更小，精度更高；子圖3：通過高精度絕對重力測量結果驗證貝葉斯平差獲取的點值可靠性更高。

基于該方法體系，我們對青藏高原東北緣和東南緣絕對與相對測量聯合的重力觀測網的數據質量和測網的場源分辨能力進行有效評估。這些結果可以為區域重力測網建設提供指導和技術支撐。

助力判斷強震早期風險源

我國以解決地震監測和預測預報為目的的區域重力場觀測系統，其規模和數據產出已經成為世界第一。在對區域重力場變化與地震發生關系的問題研究方面，我們利用“陸態網絡”2002-2008年間的相對重力重復觀測結果，客觀地對中國大陸西部 6 級以上地震發生前的重力場變化與地震發生之間關系進行了效能評估（圖2）。通過對比重力場變化、重力梯度等信號的預報效能發現，現有地表重力觀測數據可用于判定6級以上強震早期風險源。研究成果可用于指導地球物理監測臺網和觀測系統的建設，對強震早期風險源的判斷具有重要意義。

圖2 青藏高原周邊6級以上地震分布與震前重力變化及Molchan檢驗

Molchan圖表法（Molchan Error Diagram）最早是對20世紀80-90年代開展的經驗性地震預測進行科學總結，解決固定研究區強震時間預測問題，并試圖給出概率解釋而逐漸發展起來的統計檢驗方法

震前深部物質運移的場源模型

地震的孕育和發生往往伴隨著地殼內部質量變化和運移，會引起區域重力場的變化。20世紀70年代以來，陳運泰院士等科學家提出了“地下物質遷移”假說，認為由構造應力驅動的深地殼物質（流體）運移可能引起與地震孕育和發生相關的“等效質量源”信號。但受限于當時相對重力觀測儀器的精度和缺少絕對重力基準約束，測網覆蓋能力弱等因素，使得準確提取與地震孕育過程相關的重力前兆信號存在較大挑戰。

21 世紀以來，高精度絕對重力測量技術逐漸實用化。例如，目前廣泛使用的FG5/FG5X型絕對重力儀，其觀測精度可達2微伽。這使得研究重力場的時間變化信號可以獲得更加準確的基準約束。我們陸續跟蹤研究了青藏高原周邊多次大地震前后的微重力變化(圖3)，包括2008年汶川MS8.0地震，2013年蘆山MS7.0地震，2015年尼泊爾MW7.8地震和2022年門源MS6.9地震，提出了幾次大地震前深部物質（流體）遷移的場源模型，研究結果為證明震前深部物質遷移假說提供了有力的高精度絕對重力觀測證據。

圖3 青藏高原周邊多次大地震前后的絕對重力觀測微重力變化

構建多手段綜合地球物理陣列

進一步，為了評估深部流體引起的地表重力變化，我們通過數值模擬實驗評估高壓地殼流體侵入地下數公里后所引起的重力變化信號。深部高壓流體侵位可產生十年左右的重力正異常，侵位的最初2-3年重力場變化速率非?？欤ù笥?微伽/年），是最佳的觀測窗口。研究成果可為重力測網觀測和布局提供理論支撐，為研究與地殼內部物質（流體）運移引起的地表重力變化提供了理論依據。此外，我們從地下流體運移過程與斷層運動之間的關系角度出發，提出多手段綜合地球物理陣列的設想（圖4），推動地球物理觀測手段從單一走向交叉；從單次觀測，走向時變；提高信噪比、提高精度，量化不確定性；以數值模擬方法，評估地表可觀測到的變化特征和量級，指導觀測系統布設和數據解釋。

圖4 多手段綜合地球物理陣列設想

近期，我們基于四川重力測網的絕對和相對重力觀測結果，利用自研的開源地球物理計算軟件“地學家-GEOIST”中的貝葉斯重力方法體系，提取了2013年蘆山MS7.0地震前后高精度的時變重力信號，并結合小震時空分布特征、流體觀測結果（He同位素，甲烷等）以及殼幔速度模型等多種地球物理和地球化學觀測手段，構建了融合多學科研究結果的深部場源模型（圖5）。該研究成果在地震時變重力場建模和定量解釋方面提供了非常有意思的新思路。

圖5 融合多學科觀測結果的蘆山地震深部場源模型

子圖1：地表重力觀測獲取的震源區重力變化；子圖2：震源區內震前小震活動遷移與流體擴散模型較為一致；子圖3：地表和衛星觀測的震源區及附近斷層的幔源氣體釋放異常；子圖4：震源區位于低速層內。

上述成果可以為如何有效提高大規模陸地重力測量數據的精度、高精度時變微重力數據應用于地震前兆異常的探索以及震前信號的建模和定量解釋提供了新的研究思路和有意義的參考。

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