2010—2020年云南及周缘绝对重力变化特征

张新林 汪 健 胡敏章王嘉沛 李忠亚 张 毅

1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)中国地震局地震大地测量重点实验室，武汉 430071

0 引言

自20世纪90年代以来，随着高精度绝对重力仪测量技术的发展和高精度绝对重力仪的应用，绝对重力测量在建立重力测量基准、 高精度相对重力仪的标定、 相对重力联测控制解算以及监测地壳垂直形变和地球动力学有关的重力变化方面发挥着越来越重要的作用。 高精度绝对重力观测，特别是重复绝对重力观测对重力场动态变化检测具有重要意义。 首先，高精度绝对重力测量能够探测出地球内部的质量运移和一些地球动力学事件引起的微小重力变化(Lambertetal.，2001； Williamsetal.，2001； 王勇等，2004)； 其次，重力变化的研究是地震监测的重要一环，对震前、 同震及震后的重力变化特征开展研究分析有助于我们了解震源机制、 地震孕育过程并作出地震中长期预测(Zhuetal.，2010)； 最后，重复绝对重力测量给出了重力场的长期变化趋势，为研究重力场的变化特征提供了重要的基础观测资料(祝意青等，2007，2012)。

自1998年起，以服务于地震监测为主、 兼顾其他领域应用的综合性科学工程项目 “中国地壳运动观测网络”开始实施，重力观测是其重要内容之一(牛之俊等，2002)，每2a对分布在中国大陆范围内的25个重力基准站进行绝对重力测量(许厚泽，2003)。 2010年，由中国地震局牵头，中国科学院、 国家测绘地理信息局和总参测绘导航局共同承担的中国大陆构造环境监测网络(简称 “陆态网络”)的实施，使得重力基准点扩充至100个，测量周期为2～3a一期，该绝对重力观测网是中国目前精度最高、 覆盖范围最广的重力基准网，以监测整个中国大陆强地震活动引起的重力变化为主要目的，在绝对重力控制下进行相对重力联测，获取重力变化信息(韩宇飞等，2020)。 目前已经完成了5期的观测任务，在重力基准的建立和应用上发挥了重要作用(邢乐林等，2016)。

云南地区是中国地震活动最为强烈的地区之一。 为研究与地震有关的重力变化，本文整理了陆态网络在云南及周边区域10个重力基准点(昆明、 东川、 蒙自、 思茅、 勐海、 耿马、 瑞丽、 下关、 丽江和攀枝花)2010—2020年共5期的绝对重力观测数据，统计了每期各基准点的重力值及其点值精度，提取了不同时间尺度和时段的重力变化速率，分析了不同时间段和时间尺度的重力场变化特征。

1 云南及周边陆态网络重力基准点的绝对重力重复观测结果

自2010年陆态网络项目实施至今，中国地震局地震研究所承担了云南省及邻区的陆态网络10个重力基准点的全部5期绝对重力测量任务(图 1)。 第1期为2010—2012年，第2期为2013—2014年，第3期为2015—2016年，第4期为2017—2018年，第5期为2019—2020年。 使用的仪器分别为2005年引进国内的FG5-232、 2017年引进的FG5X-255和2018年引进的FG5X-259，该型绝对重力仪器的设计精度已能达到(1～2)×10-8m·s-2(Niebaueretal.，1995； Okuboetal.，1997)，完全满足陆态网络项目的绝对重力测量设计指标要求(地壳运动监测工程研究中心，2014)。

图1 云南及邻区绝对重力测点及构造示意图Fig. 1 Absolute gravity measurement stations and tectonic map of Yunnan and its adjacent areas.黄色方框区域为本文研究区域，红色圆点代表绝对重力基准点，红色线条代表一级板块边界，蓝色线条代表二级板块边界，灰色线条代表断裂带

图 2 云南及邻区陆态网络重力基准站的绝对重力观测序列Fig. 2 Time series of absolute gravity values at gravity fundamental stations of CMONOC in Yunnan Province and the adjacent region.重力值均归算到观测墩面重力标处，竖线为观测结果标准偏差，观测结果左侧为每次使用的观测仪器编号，斜线为观测值的线性最小二乘拟合； 蓝色斜线代表第1～2期重力变化率，红色斜线代表第2～5期的重力变化率， 灰色斜线代表全部5期的重力变化率

表1为10个绝对重力观测点在2010—2020年期间的观测时间、 观测仪器、 观测结果及标准偏差。 其中，丽江测点在陆态网络实施第1期(2010—2012年)为丽江天文台站点，而在后4期任务中改为丽江地震台站点，因此本文只采用了丽江地震台的后4期观测数据。 观测结果显示，所有观测数据的标准偏差为(0.19～3.60)×10-8m·s-2，最大的标准偏差为第2期2014年11月8日瑞丽测点的3.60×10-8m·s-2，最小的标准偏差为第5期2020年8月11日勐海测点的0.19×10-8m·s-2。

表1 2010—2020年云南省及邻区陆态网络重力基准站的绝对重力观测结果

注 观测点位均为武汉(2000国家重力基本网3035号点)。

2 重力变化趋势分析

2010—2020年云南9个测点及攀枝花测点的陆态网络5期绝对重力测量使用了FG5-232、 FG5X-255和FG5X-2593种仪器，其中前3期使用的仪器均为FG5-232； 第4期使用仪器为FG5X-255； 第5期的下关和丽江测点使用了FG5X-259，其余测点均使用FG5X-255。 通常我们认为各仪器自身性能稳定、 各期任务期间仪器自身无系统误差，但仪器间往往存在轻微系统差。 因此，为确定表1 中各测点的重力变化是否由不同FG5绝对重力仪之间的仪器偏差导致，我们对比了3种仪器在2000国家重力基本网3035号点的观测结果。 由于FG5X-259自2018年7月起才引进国内，故未能参加2018年3月的绝对重力仪集中比对，而FG5-232因返厂维修升级，未能参加2020年12月的绝对重力仪集中比对。 比对结果显示，FG5-232与FG5X-255的一致性较好，而FG5X-255与FG5X-259一致性稍差，但不同的FG5型绝对重力仪之间的观测结果差异很小。 因此，使用的不同仪器测量对各测点的重力变化影响基本可以忽略不计(表2)。

表2 绝对重力仪(FG5-232、 FG5X-255和FG5X-259)比对观测结果Table2 The comparison of the observation results of absolute gravimeters(FG5-232，FG5X-255，FG5X-259)

图3 云南及邻区陆态网络重力基准站重力变化速率Fig. 3 Change rate of gravity values at gravity fundamental stations of CMONOC in Yunnan Province and the adjacent region.a 第1～2期(2010—2014年)的重力变化速率； b 第2～5期(2014—2020年)的重力变化速率； c 第1～5期(2010—2020年)的重力变化速率

3 结论与认识

覆盖中国的陆态网络绝对重力测网的重复观测，为获取与地壳运动密切相关的重力场时空变化提供了丰富可靠的研究资料。 许多学者针对中国大陆绝对重力动态变化结果开展了研究，但研究区域主要集中在构造活动活跃、 研究热点的青藏高原区域(Sunetal.，2009； 邢乐林等，2011； Chenetal.，2016)，而与其他区域的绝对重力动态变化结果相关的研究目前还少有报道。

(1)云南省内的9个重力基准点及攀枝花基准点2010—2020年的5期的绝对重力观测数据显示，除昆明测点之外，其他9个测点均呈现第1～2期(2010—2014年)重力增加，第2～5期(2014—2020年)重力减小的现象，重力变化趋势先增后减的转折出现在2014年前后。 仔细分析昆明测点的重力变化趋势，发现在文中设置的3个不同时间尺度和时段的年变化速率都很小。 杨学慧等(2016)分析了昆明站2010—2014年的降雨对形变资料的干扰结果，认为昆明测点的观测山洞岩层渗水性强，易受雨水侵蚀和渗入，且观测点位NW向的水潭储水量在不同季节各不相同，山洞受山体雨水和水潭荷载变化影响较大，特别是雨季，加载效应明显。 而昆明是10个测点中惟一位于山洞的测点，该测点5期观测数据显示重力值在雨季最大(2018年5月11日观测结果)，且其他4期非雨季观测数据非常接近，其不同于其他9个重力基准点的变化趋势的主要原因可能是受测点处山体含水和水潭荷载的影响，山体和水潭的水量加、 卸载变化对重力的影响量化分析有待进一步研究。 此外，表1 所示各测点的5期观测数据是在不同年份的不同月份观测实施所获得的，由于缺乏各测点的水文资料，均未考虑其季节性重力变化，因此剔除其影响是我们后期重要的研究工作之一。

(3)云南境内断层错综复杂、 地质构造活动活跃，区域重力场变化幅度大、 速度快、 升降转换周期短(孙少安等，2009，2015)，本文覆盖全云南及邻区的绝对重力测点的重力分时段趋势研究也正好印证此观点。 但在此背景之下，覆盖云南全境及邻区的绝对重力测点变化却统一呈现了先升后降的现象，转折发生在2014年前后，在重力变化增大至转折点时，于2014年先后发生了鲁甸MS6.5、 盈江MS6.1和景谷MS6.6地震，随后重力一直呈减小趋势，直至2021年漾濞MS6.4地震发生之前。 其重力场变化机制可能是由青藏高原受印度板块推挤向NE运移，后受四川盆地阻挡，青藏高原下的地壳物质转向SE的云南及邻近区域的运动所主导(王兴臣等，2015； Panetal.，2018)。

(4)10个测点在3个不同时段内的重力变化趋势各不相同，反转周期短，这也对绝对重力测量模式提出了新的要求，应对绝对重力测点进行加密布设并缩短观测周期，以进一步提高中国大陆绝对重力测量服务于地震监测和区域地质构造活动特征研究的能力。