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）

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 10 μGal（1 μGal=1×10−8m/s2）级重力场异常变化[9]。地表 μGal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： ① 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； ② 缺乏有效的重力场源识别能力； ③ 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：

（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12262 m，而这个超深钻井深度和地球平均半径（6370 km）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（Δ=590 km）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（Δ=155.1 km）所处地块发生的预滑导致高导层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μGal（图1b）[17-18]。

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） [17-18]Fig.1 Recordings from water-level meter in Zhouzhi station （a） and relative gravimeter in Guza station （b） before the Wenchuan earthquake[17-18]

2002年9月至汶川MS8.0地震前，在距震中约50 km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（5.01±0.7）μGal/a。特别是2002年9月——2004年1月，显著增大约15.8 μGal[19]。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8 km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 μGal是明确的同震重力异常。Chen等[21]利用2002——2008年西藏——青海——新疆——四川地区重力场测量数据，确定了重力场异常数据与2007——2010年13个MS＞6.0的地震之间的统计相关性。Kao等[22]利用台湾地区24个点位2004——2016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Talaya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 25 μGal。

图2 Talaya 台站（上部曲线，1992-10——2014-10，最大变化 25 μGal） 与 Irkutsk 台站（下部曲线，1995-10——2006-10，±2 μGal） 的绝对重力测量结果变化[23]Fig.2 Changes of the absolute gravity measurements at Talaya（Upper curve，1992-10——2014-10，up to maximum 25 μGal changes） and Irkutsk （Lower curve，1995-10——2006-10，±2 μGal changes） observatory[23]

日本神火火山（Shinmoe-dake volcano）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#1——VE#3对应明显的火山喷发，E#4——E#5对应小规模的火山喷发，T#1——T#9对应地下岩浆的运动但未喷发[24]。

图3 连续绝对重力测量监测神火火山的孕育和喷发[24]Fig.3 Absolute gravity at the Kirisima Volcano Observatory as a function of Universal Time during the vulcanian eruption stage of Shinmoe-dake volcano in 2011[24]

基于这些高精度、高时空分辨力的绝对重力观测数据的研究表明，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的地球物理学方法之一[29-30]。

2 阵列式高精度重力与重力梯度联合观测可有效提高地下场源体重力异常信号的分辨能力

由于直接的高精度重力测量并不能有效区分地下不同埋深、水平向不同间距的场源体。针对特定目标的微重力观测需要将目标场源体的微重力信号从众多场源体微重力信号的复杂背景中有效的提取出来。一般的方法是对每种场源体的重力扰动进行建模并从观测数据中扣除，而更有效的方法是采用共模差分的方式消除长周期共模扰动[31-33]，达到提取目标场源体重力异常的目的。

这种测量模式大多用在航空/卫星重力梯度测量中[34]，基于球谐函数解算的卫星重力数据，虽然具有较大的覆盖范围，但精度相对较低[35-37]。卫星重力可观测到大于MS7.5的张裂型或者大于MS9.0的剪切型地震所产生的同震重力变化，但对于中小地震的监测能力较弱。地面上一般采用一套相对重力仪等间距闭合测量或两套相对重力仪等间距同步测量的方式来完成，这种方式一般测前需要对仪器进行大量可靠的动态测试和静态测试，并需要在尽量短的时间内完成多次复测。

如果利用高精度绝对重力观测仪器，布设阵列式的观测系统，对于分离不同深度场源体引起的地表微重力时变信号具有明显的效果。图4所示的模拟计算表明，对于单位质量场源体的重力异常，水平方向间距80 m的两台重力仪同步测量的敏感性和分辨能力明显提高[32]。图5所示，垂直方向重力梯度测量的深部场源探测能力明显提高（图中的单位可以等比例放大，但不影响仿真计算效果）[38]。

图4 单位质量重力异常。单台重力仪测量（a） 、两台重力仪水平间距 10 m 和 80 m （b） 测量重力场源敏感性模拟计算[32]Fig.4 Gravity change per unit mass.The simulation of source sensitivity of gravity field by a single gravimeter （a） and two gravimeters separated horizontally by 10 m and 80 m （b）[32]

图5 单位质量重力异常。垂直向不同高度的梯度测量重力场源敏感性模拟计算[38]Fig.5 Gravity change per unit mass.The simulation of source sensitivity of gravity field by gradient measurement at different heights in vertical direction[38]

由于每套相对重力仪器的格值因子标定误差和零漂误差不同，基于相对重力测量仪器的阵列式测量模式将不可避免的引入测量或计算误差，影响场源体的识别精度。随着绝对重力测量技术的不断成熟和完善[39]，以数天为时间间隔的持续高精度绝对重力观测成为现实。而重力梯度测量的优点在于反应地下密度异常体具有更高的灵敏度，能够更加直接的突出目标体的边界[40]。因此，利用陆基台站绝对意义[41]的重力与重力梯度一体化测量，同步获得绝对重力加速度与垂直向重力梯度观测数据，可有效减少相对重力测量数据由于漂移、平差等因素引入的观测误差，提高测点区域源自地球内部介质运移引起的地表重力场异常信息的观测精度[42]。此外，重力与梯度观测时间的一致性还可以更好地获取到重力场的高阶部分，约束反演过程，提高计算结果的可靠性[43]和重力场源的分辨精度。

3 绝对重力与重力梯度一体化测量技术是未来地震重力监测的新发展方向

高精度的垂直向重力梯度测量数据不仅用于直接描绘地下场源体的边界，同时也是绝对重力测量结果向不同高度归算的关键数据。在绝对重力测量之前需要完成场地重力梯度的测量，一般的测量方式是借助两套甚至多套相对重力仪，通过垂直方向不同高度位置多次往复闭合测量的方式完成垂直向重力梯度的测量[44]。由于绝对重力测量的精度一般在5 μGal以内，常用的CG5、贝尔雷斯和拉科斯特相对重力的精度为10 μGal，目前最先进的CG6型相对重力仪的标称精度为5 μGal，因此，利用相对重力测量得到的梯度值用来归算绝对重力测量结果时，梯度测量的准确度偏差会直接带入最终的绝对重力仪测量结果的误差评估之中[39]。

直接的重力梯度测量需求从1971年美国空军首次提出 1 E（1 E=0.1 μGal/m）移动级重力梯度测量仪器至今，重力梯度测量仪器的研究得到了世界科学家的高度重视，并取得了迅速发展。测量原理从旋转差分加速度计、扭力测量、静电悬浮测量、超导测量等几个方向发展[45-46]，同时其测量方式也由静态到动态，从船载到航空，由航空向着星载发展。目前唯一商用的高精度重力梯度仪采用旋转差分加速度计测量原理，具有高稳定性和测量精度[47]，成功应用于航空和航海重力梯度测量。超导重力测量原理与弹簧式相对重力测量原理相比，具有更小的零漂，是具有重要发展前景的一类静态重力梯度测量仪器[48]。而基于MEMS加速度计的重力梯度仪以其质量轻和体积小成为了未来航空重力和重力梯度测量的首选[49]。

但上述的梯度测量属于相对测量范畴，要获得高精度的重力梯度测量结果，一方面需要加速度测量传感器技术指标优于梯度测量需求和不同传感器之间测量性能指标极高的一致性，另一方面还需要对每个加速度传感器的标度因子进行定期标定以消除漂移误差累积和不一致带来的梯度测量误差。而绝对测量范畴的重力梯度测量仪器，具有无零漂、无需标定、无动态范围限制的优点，因此，20世纪末美国宇航局的火星探测计划中，就资助美国从事绝对重力仪生产的Micro-g公司，首次开展绝对测量范畴的激光干涉重力梯度测量的原理性试验，目的是用于火星的深部结构探测。随着激光干涉技术和原子干涉技术的不断发展和完善，激光干涉重力梯度仪和原子干涉重力梯度仪将是未来绝对测量范畴的重力梯度测量仪器的主要发展方向[50]。

4 结论

基于具有自主知识产权的高精度绝对重力测量技术，开展技术成熟度高、结构设计简单、便于产业化开发和台站观测试验推广的绝对重力与重力梯度一体化测量仪器的研制，可以打破国际上的行业技术垄断，有效提升试验区域重力网的绝对重力控制能力[51]。高精度和高时空分辨力的绝对重力与重力梯度一体化观测，为我国专业地震台站的重力观测技术革新提供了新发展方向。基于地区同类观测仪器的多源数据融合分析也为开展地球长时间尺度的潮汐响应、局部地区的断层参数和地壳结构研究，为区域地球动力学背景和孕震机理提供全方位的重力学支撑[52-54]，有助于发现可重复出现，且物理意义明确的前兆信号，对破坏性地震的短、临预测有 “追本溯源” 和 “临门一脚” 的作用。