卫星重力测量与全球物质平衡问题研究＊

郝晓光 方 剑 刘根友 胡小刚 刘成恕

(1)中国科学院测量与地球物理研究所,武汉 430077 2)中国科学院动力大地测量学重点实验室,武汉 430077)

卫星重力测量与全球物质平衡问题研究＊

郝晓光1,2)方 剑1,2)刘根友1,2)胡小刚1,2)刘成恕1)

(1)中国科学院测量与地球物理研究所,武汉 430077 2)中国科学院动力大地测量学重点实验室,武汉 430077)

介绍卫星重力场在固体地球科学中的应用前景,讨论“地球正常密度假说”和“板块运动重力学机制”在“全球物质平衡问题”研究中可能发挥的作用。

卫星重力测量;物质平衡;地球正常密度假说;板块运动;重力学机制

1 引言

自 1996年起,作者等采用地球重力学的理论与方法对“地球质量异常迁移”和“全球物质平衡”等问题进行了深入研究,系统提出了“参数椭球理论”、“纬向密度理论”、“地球正常密度假说”和“板块运动地球重力学机制”等基本理论和观点[1-11]。2004年,德国波恩理论大地测量研究所、慕尼黑天文物理大地测量研究所、波兹坦地球科学研究中心(GFZ)、慕尼黑德国大地测量研究所、魏格纳极地和海洋研究所等 9个科研机构的 17位地球科学家提出了“地球系统中的质量迁移和质量分布”的国家优先研究计划 (Priority Research Program)[12]。该项研究计划中的一项重要内容是地球质量异常迁移、质量交换等。地球重力场及其变化的测量与之密切相关,本文介绍卫星重力场在固体地球科学中的应用前景,讨论“正常密度理论”在“全球物质平衡问题”研究中可能发挥的作用。

2 卫星重力场在固体地球科学中的应用

在 Priority Research Program中,“地球重力与全球物质平衡问题”是围绕 CHAMP、GRACE和GOCE3颗重力卫星展开的[13,14]。

卫星重力测量不同于地面重力测量,具有全球性和整体性。在地面测量中,由于不同国家、不同时期采用的高程、重力基准以及重力归算、改正方法的不同,导致各国间的重力场存在系统误差;海洋和大陆也同样会出现这样的问题。卫星重力场在不同国家之间、海陆之间是连续无间断过渡的,使得重力场全球统一连贯,对于长波长重力大地水准面资料更体现了卫星重力测量的优势。卫星重力场可在以下方面发挥重要作用。

地壳表面是由不同的板块组成的,各板块边界在重力场中有着明显的表现,在大洋中脊、海沟、板块碰撞边界等处显示出巨幅的重力异常条带。由此可见,重力异常可以有效地划分板块构造。在板块内部也存在着二、三级构造单元,这些构造单元的边界通常是由一些大型断裂带组成或构造单元间的物质组分有差异。这样通过重力异常的研究可以区分不同的构造单元。

地球科学家从地震、重力、地磁、大地测量和地球自转等地球物理观测资料的分析和研究中初步揭示出了地球内部不同尺度横向不均匀的图像,认识到不仅上地幔存在横向不均匀,而且下地幔与地核都存在不同程度、不同尺度的横向不均匀性。地球内部是由许多不同密度的物质圈层组成,由于地球内部的构造运动使各物质圈层间的界面起伏变化。密度界面的起伏变化会产生重力异常,通过重力反演可以确定地球内部各界面的起伏。如：中国大陆东部受西太平洋板块俯冲、消减的影响,造成一系列与弧后扩张有关的陆缘海伸展和断陷盆地;西部和西南部由于印度板块与青藏块体陆壳碰撞的构造效应,形成巨厚的地壳。这些地壳结构特征在重力场中能够清晰地体现出来。另外,地球内部的物质密度也存在横向不均匀,通过联合重力和地震层析成像资料反演可以获得地球内部密度分布状况,并由此建立三维地球圈层结构模型。

作为地球动力过程的结果,大陆碰撞、下插以及复杂的地壳岩石圈结构都是地球历史或现今演化的产物。这些动力结果在地表产生重力异常是各种地质演化模型的重要约束条件。可以利用高精度中长波重力资料研究岩石圈弹性特征、参数,地壳均衡补偿调整状态,动力地形和地幔对流形态等。结合其他地球物理方法还可以获得地幔粘滞度、地幔柱、拆层板片、俯冲带的详细结构、板块碰撞、下插的深度形态等动力学特征。地球内部结构的横向不均匀和我们理解的地球内部的许多动力学过程又紧密地联系起来,例如地震层析技术揭示的上地幔和全地幔横向不均匀可能直接与板块构造相联系。地震层析结果表明,相应板块构造学说所表述的在大洋中脊的下部存在上升的热地幔物质,在海沟存在冷却下降的地幔物质,它构成了上地幔动力学过程的基本图像。同时地震层析还显示出了一些超级热柱从核-幔边界上涌穿过地幔而上升到地球表层的可能性。但人们对地球内部的这些认识尚存争议,需要地球科学家在这些领域作更深入的研究,也需要高精度高分辨率的资料去验证。

特别重要的是,CHAMP、GRACE和GOCE重力卫星所提供的时变地球重力场信息为研究地球内部的质量分布和迁移提供了崭新的方法和研究空间。当时变重力卫星资料达到相当的精度和分辨率时,可以检测到板块运动等地球表面动力学过程,甚至可以检测到地幔黏滞度横向变化、对流形态趋势、消退俯冲带、拆层板片及地幔柱活动等地球深部物质运移和动力过程;促进板块构造理论研究的发展、揭示地幔对流过程。

板块构造理论促进了地球科学研究的重大发展。板块构造和板块运动理论的验证,有赖于全球板块相对运动可靠的直接测量结果。另一方面,板块构造和板块运动理论的发展现状尚不能解释一些重大的地学问题：一是板块运动的动力学机制尚未解决;二是板内和板缘运动的复杂性尚未取得精确描述,特别是板块内部非均匀微动态信息的精细监测更为不足;三是板块构造理论已出现多样化的发展趋势,表明这一理论还需要进一步修正、完善和深化。这些基本问题的解决,都有赖于对可靠的定量数据和由此获得的更清晰的地壳运动图像和内部物质运移的研究。GPS技术发展和应用已经积累了大量的地壳形变观测资料,使得现今全球构造运动研究有了很大的发展,但是由于 GPS观测的只是地表层的几何形变量,对于板块运动的内部过程和动力机制不能给出答案。时变重力场可以给出地球内部物质的质量变化和运移信息。

固体地球存在一些高速移动质量的地球动力学过程,板块边缘(例如退缩的 Tonga俯冲带)移动速率达 20 cm/a;印度板块与青藏块体陆壳碰撞的构造效应,水平运动达 10 cm/a,垂直运动达 1 cm/a。在造山带、隆升和剥失不平衡的地区,几毫米差异可产生几微伽重力信号。在碰撞带或上升地幔柱、拆沉的岩石圈板块根引起的垂直流速度达 1～100 cm/a,激发的时变大地水准面可达 0.001～0.01 mm/a。短期的地球动力学和板块构造过程具有间歇性,小于 100 km断层受地震激发的同震和震后变形、火山,其时变重力为每年几微伽。这些板块运动和构造运动产生的重力信号应该能被重力卫星识别,并利用这些重力信息进行动力学机制研究。例如：青藏高原是我国大陆地壳水平和垂直运动最为强烈的地区,也是全球陆内地震活动最为强烈的地区。与世界上其他一些构造活动的典型地区,例如阿尔卑斯和北美相比,这里的现代地壳运动类型复杂、性质多样、变形强烈、地貌清晰,是全球地球动力学研究中具有特殊重要地位的实验场。迄今为止,与这些根本性的地学问题有关的直接观测证据极为缺乏,重力卫星所观测到的动态重力信号对于青藏高原隆升的动力机制研究将会起到极其重要的作用。利用时变重力场资料结合 GPS观测结果可以获得青藏高原的应变、应力状态,板块碰撞模式以及壳内物质运移过程。

科学家已经认识到不仅上地幔存在横向不均匀,而且下地幔与地核都存在不同程度、不同尺度的横向不均匀性。地幔内物质密度、温度不均匀,板块的下插、拆沉和地幔柱活动都会导致地幔对流产生。地幔对流导致了地球表面的板块运动、重力大地水准面以及它们随时间的变化。当我们知道了地球内部驱动对流的密度异常分布和地球外部重力场,地球内部的流变特征和地幔对流状态就可定量确定了。利用高精度高分辨率卫星重力大地水准面资料结合全球地震层析成像模型和高温高压矿物试验结果我们可以获得地幔密度分布结果。地幔密度异常产生地幔浮力变化导致物质流动和应力场,使得地球内外各边界变形,形成动力地形和大地水准面异常。长波大地水准面异常通常被解释为黏滞地幔对流结果,因此,随着重力卫星资料的积累利用长波长重力大地水准面及其变化资料,与地震学和动力地形数据结合,有可能推算地幔黏滞度和大尺度地幔对流形态。

3 关于“地球正常密度假说”的讨论

“地球正常密度假说”的基本观点是：在地球自身重力的作用下,相对于地球的正常密度来说,“密度异常高”的地区的物质,会以某种方式向“密度异常低”的地区流动。这样,“地球正常密度假说”就把“板块运动机制问题”和“全球物质平衡问题”融合在一起。也就是说,“板块运动机制问题”与“全球物质平衡问题”是同一个科学问题,板块运动是“全球物质平衡”的过程,“全球物质平衡”则是板块运动的结果,而卫星重力测量的发展则为研究和解决这一科学问题提供了有力的观测手段。

实际上,与其说“地球正常密度假说”是一种科学观点、倒不如说它是一种哲学观点。首先,“地球正常密度假说”认为驱动岩石圈与软流圈运动的“水平重力”是地球自身的重力引起的,这就是哲学上的“内因说”。其次,“地球正常密度假说”认为地幔密度异常是板块运动的动力,当地幔物质蠕动使重力位平衡之后,也就达到了“全球物质平衡”,板块运动不会周而复始、无限循环,这就是哲学上的“有限论”。

重力与密度以及构造之间的关系已有不少研究工作[15-20],而“地球正常密度假说”的基本观点也得到了我国学者相关研究的支持[21-25]。一些地质学家认为,山脉褶皱是由于地壳的水平运动挤压所产生的,构造运动的动力是水平力;但另一些地质学家却认为,山脉隆起是由于地壳的垂直运动所产生的,构造运动的动力是垂直力;还没有一种动力理论能够同时解释这两种不同类型的构造运动[26]。“地球正常密度假说”则阐述地壳水平运动与垂直运动的辨证关系：一方面,岩石圈沿水平方向由密度异常高的地区向密度异常低的地区运动、造成大陆漂移和板块运动;另一方面,软流圈物质沿水平方向由密度异常高的地区向密度异常低的地区运动,进而使得岩石圈沿垂直方向发生运动、造成山脉隆升和盆地沉陷。

1 郝晓光.参数椭球表面的重力 [J].地球科学,1997,22 (2)：223-226.(Hao Xiaoguang.The gravity of parameter ellipsoid[J].Earth Science,1997,22(2)：223-226)

2 郝晓光,许厚泽,刘大杰.地球的重力聚点及参数椭球的地球重力学性质[J].测绘学报,2000,29(2)：109-113. (Hao Xiaoguang,Xu Houze and Liu Dajie.Gravity assembly points of the Earth and gravitative features of the parameter ellipsoid[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2000, 29(2)：109-113)

3 郝晓光,许厚泽,刘大杰.参数椭球数学性质的初步研究[J].测绘学报,2001,30(3)：203-207.(Hao Xiaoguang, Xu Houze and Liu Dajie.A preli minary study of mathematical properties of the parameter ellipsoid[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2000,30(3)：203-207)

4 郝晓光,许厚泽.水准椭球的纬向密度分布 [J].测绘学报,1998,27(4)：345-351.(Hao Xiaoguang and Hsu Houtze.Latitudinal normal density of the level ellipsoid[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,1998,27(4)：345 -351)

5 郝晓光,刘根友.地球纬向正常密度函数系数的修正[J].大地测量与地球动力学,2002,(2)：53-56.(Hao Xiaoguang and Liu Genyou.Modification of coefficient of the earth latitudinal normal density function[J].Journal of Ge-odesy and Geodynamics,2002,(2)：53-56)

6 郝晓光,刘根友.地幔纬向正常密度函数[J].测绘学报, 2004,33(2)：105-109.(Hao Xiaoguang and Liu Genyou. Latitudinal normal density function of mantle[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2004,33(2)：105-109)

7 郝晓光,许厚泽,刘大杰.地球的密度扁率与纬向正常密度假说[J].中国科学D辑,2000,30(4)：436-441.(Hao Xiaoguang,Xu Houze and Liu Dajie.Earth’s density flattening and hypothesis of latitudinal normal density[J].Science in China(SeriesD),2000,30(4)：436-441)

8 郝晓光,刘根友.板块运动地球重力学机制研究[J].地学前缘,2004,11(1)：84.(Hao Xiaoguang and Liu Genyou. Discuss on Earth gravity mechanism of plate motion[J]. Earth Science Frontiers,2004,11(1)：84)

9 郝晓光,方剑,刘根友.纬向正常密度假说与内波假说的比较[J].地球物理学进展,2005,20(4)：991-996.(Hao Xiaoguang,Fang Jian and Liu Genyou.Comparison between latitudinal nor mal density hypothesis and internal wave hypothesis[J].Progress in Geophysics,2005,20(4)：991-996)

10 郝晓光,等.再论纬向正常密度假说与内波假说的比较[J].地球物理学进展,2007,22(1)：312-316.(Hao Xiaoguang,et al.Discussion on latitudinal nor mal density hypothesis and internalwave hypothesis[J].Progress in Geophysics,2007,22(1)：312-316)

11 郝晓光,等.地球正常密度假说——重力学的参数椭球与纬向密度理论 [M].北京：测绘出版社,2009.(Hao Xiaoguang,et al.Hypothesis of the Earth’s normal density——the gravity theory of parameter ellipsoid and latitudinal density[M].Beijing：Surveying and Mapping Press, 2009)

12 Ilk K H,et al.Mass transport and mass distribution in the Earth system.Proposal for a Ger man priority research program[M].GOCE-Projektburo Deutchland,Technische Universitat Munchen,GeoForschungsZentrum Potsdam, Februar 2004.

13 宁津生.跟踪世界发展动态致力地球重力场研究[J].武汉大学学报 (信息科学版),2001,26(6)：471-467. (Ning Jinsheng.Following the developments of the world devoting to the study on the Earth gravity field[J].Editoral Board of Geomatics and Information Science ofWuhan University,2001,26(6)：471-467)

14 孙文科.低轨人造卫星(CHAMP、GRACE、GOCE)与高精度地球重力场——卫星重力大地测量的最新发展及其对地球科学的重大影响[J].大地测量与地球动力学, 2002,(1)：92-100.(Sun Wenke.Satellite in low orbit (CHAMP,GRACE,GOCE)and high precision Earth gravity field：the latest progress of satellite gravity geodesy and its great influence on geoscience[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2002,(1)：92-100)

15 方剑,许厚泽.青藏高原及其邻区岩石层三维密度结构[J].地球物理学报,1997,40(5)：660-666.(Fang Jian and Hsu Houze.Three-dimensional lithospheric density structure beneath Qinghai-Tibet and its adjacent aera[J]. Chinese Journal of Geophysics,1997,40(5)：660-666)

16 方剑,许厚泽.中国及邻区岩石层三维密度结构[J].地球物理学进展,1999,14(2)：88-93.(Fang Jian and Hsu Houze.Three dimensional distribution of lithosperic density beneath the China and its adjacent region[J].Progress in Geophysics,1999,14(2)：88-93)

17 方剑,许厚泽.中国及邻区岩石层大地水准面场源深度探讨 [J].地球物理学报,2002,45(1)：42-48.(Fang Jian and Hsu Houze.The studyof the depth of geoid anomalies sources in China and its adjacent regions[J].Chinese Journal of Geophysics,2002,45(1)：42-48)

18 方剑.中国海及邻近海域重力场特征及其构造意义[J].地球物理学进展,2002,17(1)：42-49.(Fang Jian.Gravity feature and tectonic interpretation in China sea and its adjacent regions[J].Progress in Geophysics,2002,17(1)：42-49)

19 方剑.中国海及邻域岩石层三维密度分布[J].地球物理学进展,2003,18(2)：306-311.(Fang Jian.Three-dimensional lithosphere density distribution beneath Chinese sea and its adjacent regions[J].Progress in Geophysics, 2003,18(2)：306-311)

20 方剑,马宗晋,许厚泽.地形-均衡补偿重力、大地水准面异常频谱分析[J].地球物理学进展,2006,21(1)：25-30.(Fang Jian,Ma Zongjin and Hsu Houze.Frequency analysis of topography-isostasy compensative gravity and geoid anomaly[J].Progress in Geophysics,2006,21(1)：25 -30)

21 池顺良,骆鸣津.海陆的起源[M].北京：地震出版社, 2002.(Chi Shunliang and Luo Mingjin.Origin of continent and ocean[M].Beijing：Seis m Press,2002)

22 李四光.地壳构造与地壳运动 [J].中国科学,1973, (4)：400-429.(Li Siguang.Earth crustal tectonics and movements[J].Science in China,1973,(4)：400-429)

23 李四光.地质力学概论[M].北京：科学出版社,1973. (Li Siguang.The outline of geomechanics[M].Beijing：Science Press,1973)

24 梁元博.海底构造[M].北京：科学出版社,1983.(Liang Yuanbo.Benthonic tectonics[M].Beijing：Science Press, 1983)

25 白文吉,等.山系的形成与板块构造碰撞无关[J].地质论评,1993,39(2)：111-117.(BaiWenji,et al.No relationship between mountain-building and collision for plate tectonics[J].Geological review,1993,39(2)：111-117)

26 曾融生.固体地球物理学导论[M].北京：科学出版社, 1984.(Zeng Rongsheng.An introduction to solid-earth physics[M].Beijing：Science Press,1984)

SATELL ITE GRAVITY M EASUREM ENT AND STUDY ON GLOBAL MATERIAL BALANCE

Hao Xiaoguang1,2),Fang Jian1,2),Liu Genyou1,2),Hu Xiaogang1,2)and Liu Chengshu1)

(1)Institute of Geodesy and Geophysics of CAS,W uhan 430077 2)The Key Laboratory of Dynam ical Geodesy,CAS,W uhan 430077)

The application prospect of satellite gravitymeasurements in the science of solid earth is introduced and the role of earth normal density hypothesis and gravitymechanim of plate movement in the study of globalmaterial balance is discussed aswell.

satellite gravitymeasurement;material balance;earth normal density hypothesis;platemovement;gravitymechanism

1671-5942(2010)05-0038-04

2009-12-24

国家自然科学基金(90814009);质检公益性行业科研专项基金(数字化地震前兆地壳形变观测方法标准研究,10-215);国家科技支撑计划项目(2008BAC35B05)

郝晓光,男,1958年生,研究员,理学博士,主要从事地球重力学的理论研究.E-mail：hxg@whigg.ac.cn

P312.3

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