中国地震重力研究现状及其面临的挑战

高精度重力观测是地震学研究的一个重要手段,近年来在中国地震预测预报工作中发挥了重要作用。首先简要介绍了重力观测仪器的发展现状与分类,然后从重力观测网规模、重力数据处理流程、重力观测结果解释等方面对中日两国的研究现状进行了对比,并在此基础上系统分析了中国地震重力观测研究面对的挑战,力争为后续工作提供一些借鉴与启示。     

利用重力方向的非潮汐变化监测地震的方法

提出了一种利用现代垂线偏差监测地震的方法。根据近年来发生在中国的地震大多与地壳局部倾斜有关这一事实,说明地震与地面水准面的垂直位移和倾斜(即垂线偏差)也有关联。利用地面重力测量数据和重力垂线偏差数据可以共同确定地倾斜方向。因此提出了利用"重力方向交会法"预测地震位置的设想和建议,并且进行了相关的论述和试验。初步的试验结果也证实了该方法的有效性。     

利用重力方向的非潮汐变化监测地震的方法

提出了一种利用现代垂线偏差监测地震的方法.根据近年来发生在中国的地震大多与地壳局部倾斜有关这一事实,说明地震与地面水准面的垂直位移和倾斜(即垂线偏差)也有关联.利用地面重力测量数据和重力垂线偏差数据可以共同确定地倾斜方向.因此提出了利用"重力方向交会法"预测地震位置的设想和建议,并且进行了相关的论述和试验.初步的试验结果也证实了该方法的有效性.     

三峡地区流动重力差分变化及其特征分析

针对三峡地区复杂的地质构造背景及多年来该地区中小微震活动频发,呈现高频次、低震级的特征等问题,该文通过处理2013-2019年7期流动重力数据,得到2013年4月-2019年4月6幅流动重力场差分变化图,并结合2013年12月巴东Ms5.1级地震、2014年3月秭归Ms4.5和Ms4.9级地震、2017年6月巴东Ms4.3和MS4.1级地震及2018年10月秭归Ms4.5和Ms4.1级地震4次地震发震构造特征进行分析.结果表明:①三峡地区近7年来重力场差分变化呈现明显的正负变化区域,且分界线较明显;②结合4次地震震源分布,均位于重力正负变化分界区域,分析认为重力正负变化表明地下区域物质在挤压和扩张,交界区域容易引起局部地震;③区域流动重力测量对三峡地区中小震具有一定的监测能力.     

日本Mw9.0地震前GRACE卫星重力变化

利用GRACE重力卫星月重力场数据,通过去相关与高斯滤波等方法获取日本大地震震前震源区周缘年度、季度和年度差分重力变化,以及若干点位时间序列重力变化;分析结果表明:日本大地震前5年内在震源区周边出现了比较明显的卫星重力异常正负交替和迁移现象,至震前1－2年,震区周边形成了明显正负异常区,正重力异常区重力增加现象明显;点位重力时间序列分布指出了日本MW9.0级地震前存在与1976年唐山地震类似的重力变化现象。这些结果反映了日本大地震震前震源区周边地下物质运动、质量迁移和能量积累等问题,为研究该地震的孕育过程提供了证据。     

华北地区长期重力变化监测

利用GRACE卫星重力资料,计算了华北地区的长期重力变化结果,利用6个测站的绝对重力观测资料,获取了测站的重力变化时间序列,同时获取了北京、泰安测站的GRACE卫星月重力变化时间序列。卫星重力观测结果显示华北地区地下水流失严重,绝对重力观测结果表明地面沉降严重。     

绝对重力与相对重力混合平差的基准及质量控制

绝对重力与相对重力测量混合平差是综合利用各种重力测量资料确定重力网基准，提高重力网综合质量的有效途径，文中首先从重力观测的系统误差入手，讨论重力网平差的函数模型；进而根据两类重力观测信息对重力基准的贡献，分析了不同平差方法所对应的各类基准及基统计意义与可靠性；最后对重力网平差的质量控制方法进行了讨论。     

超导重力数据检测到的2011年日本东北大地震(Mw 9.0)震前重力异常及同震重力变化

高精度的超导重力数据已广泛应用于地球动力学的研究,对大地震前重力异常和同震重力变化的探测有助于震源机制和地震预警的研究,同时高精度的同震观测数据可用于断层滑动模型的反演。本文利用日本、中国及欧洲7个超导台站2011年3月的秒采样数据研究日本东北大地震（M_w 9.0）产生的重力变化,经潮汐、气压、漂移等预处理改正后,得到改正后的重力变化。对比同时段日本岛附近发生的2861次M_b≥4级地震,分析滤波后的重力变化数据,排除非主震的影响,发现0.12 Hz≤f≤0.18 Hz频段显示了明显的震前重力异常扰动信息,所有台站在震前89 h均开始出现重力异常扰动,Medicina站的震前最大异常扰动振幅达到28×10^-8 m/s²。另外,利用球形位错理论及地震的CMT解计算得到的地表同震重力变化理论值与超导重力观测值非常接近,同震重力变化绝对值与震中距成反比,近场站点的观测值比远场站点更接近于理论计算值,前者可作为断层反演的约束条件。     

定点形变观测现状及研究进展

定点形变观测经过半个多世纪的发展,已形成一定规模的观测台网,在地震预测、地震学研究、火山和海啸等监测中得到广泛应用。从定点形变观测台网和观测仪器方面对定点形变观测的发展过程进行了回顾,详细总结了定点形变观测在地震领域的应用现状和研究成果,并介绍了近年来的高采样观测资料应用。在此基础上,讨论了目前定点形变观测在仪器、观测台网和资料应用中存在的主要问题,提出了下一步的发展建议。建议提高观测仪器标准化程度, 优化站点布设,深入开展地壳变形、地震前兆机理研究,发展以钻孔观测为主的实际应变探测研究。     

地下水变化对重力场观测的影响

正有效消除地下水影响是利用地面重力场观测监测和研究地壳运动及地下物质运移的关键步骤之一。基于超导重力仪(SG)的高精度重力观测,可建立地下水变化与重力场变化之间的关系,一方面可以利用地下水文资料消除地下水变化的影响,增强超导重力仪对地球物理学/地球动力学信号的探测能力;另一方面可以利用超导重力仪观测资料长期连续地监测与地下水质量流动相关的各种现象,并用于地下水储量变化、土壤参数估计、水文模型约束等方面的研究。本文利用拉萨和武汉九峰两个超导重力台站的高精     

连续重力观测异常模式的多分辨率识别算法

在小波多孔算法的基础上,提出了一种综合信号频率信息和幅值信息的连续重力观测数据多分辨率异常模式识别算法,利用小波分解得到高频区域的能量作为频率指标,与幅值相结合,对信号及其多孔小波分解结果进行多分辨率异常模式识别。利用模拟数据和实际超导重力观测数据对算法的有效性进行了验证,结果表明,该算法能够准确地在带有噪声的信号中识别模拟数据的异常模式,可应用于连续重力观测台网数据分析处理,对于提升台网观测数据质量以及地震预测等实际应用都具有重要意义。用此方法分析拉萨和武汉的3台超导重力仪2015-04-25尼泊尔地震前一天的秒采样数据后,得到一段27 min的在频率指标上有超过90%相似性的异常模式,这一结果的更深层次物理解释仍需要进一步研究。     

水文气象因素对中国北疆流动重力变化的影响

水文气象因素引起的重力变化是影响地震重力变化成果解释的重要因素。以中国北疆地区为研究区域,借助全球陆地数据同化系统（global land data assimilation systems,GLDAS）全球水文模型数据、大气模型数据,计算2016-01—2017-12时段内水文气象因素对研究区域的重力影响。计算结果表明,陆地水影响的年变化为1.3 μGal,两期陆地水影响空间分布的差异低于1 μGal;大气影响的年变化为8 μGal,两期大气影响空间分布的差异达到6 μGal。利用2016-04、2016-08和2017-06三期流动重力测量数据,对比扣除水文气象因素前后的重力变化,可以看出,在中国北疆流动重力数据处理中,大尺度水文因素可以不予考虑,气象因素应予考虑。同时,为更好分析流动重力变化,建议流动重力测量过程中同时开展测点附近的土壤湿度、大气气压等观测。     

Gravity changes before large earthquakes in China: 1998–2005

Although it is well known that coseismic gravity changes take place during an earthquake, previous research has not yielded convincing evidence demonstrating that significant gravity changes occur before large earthquakes. Furthermore, even if we suspect that gravity changes occur before large earthquakes, we have yet to demonstrate how to consistently observe these changes for useful earthquake forecast that would bring benefits to society. We analyzed ground gravity survey data obtained in 1998, 2000, 2002, and 2005 at stations of the Crustal Movement Observation Network of China (CMONOC) and examined gravity changes be-fore the occurrence of nine large (Ms≥6.8) earthquakes that ruptured within or near mainland China and Taiwan from November 2001 to August 2008. Results from this analysis show that significant gravity changes occurred across a large region before each of these nine large earthquakes, and these changes were detected by repeated ground gravity surveys through CMONOC. Although these gravity changes were significant, more research is needed to investigate whether these gravity changes could be viewed as precursors of large earthquakes. Limitations and uncertainties in the data include sparseness of the gravity monitoring network, long time intervals between consecutive gravity surveys, inevitable measurement errors, hydrological effects on gravity, and effects of vertical crustal movements on gravity. Based on these observations, we make several recommendations about possible future direc-tions in earthquake-related research using gravity monitoring data.     

绝对重力仪对日本海域6.0级地震的精确纪录

FG5绝对重力仪在上海佘山基准站观测前后发生了日本海域6.0级地震。数据处理分析表明,地震在该基准站引起的绝对重力值变化约为-16微伽,这对地震进行预报以及对地震造成的危害性进行评估有着积极意义。     

遥感技术在地震科学研究中的应用

介绍了遥感技术在地震科学中的一些应用成果,包括地貌研究、地壳形变、热异常及震害评估等方面。此外,近年来,随着俄罗斯和法国等国家专门用于地震研究的电磁卫星成功发射,为开展地震研究提供了丰富的电离层电磁信息,这类非成像遥感数据对地震电磁科学研究和地震短临预报具有重要意义。遥感技术(成像与非成像)在地震行业的应用将提高我国地震监测预报水平。     

利用垂直重力梯度异常反演海底地形的解析方法

目前,基于重力数据反演海底地形方法的主要原理是利用测深数据拟合出海底地形与重力（或重力梯度）数据之间的线性关系,这会导致对不同的海底地形会有不同的线性关系。为了克服这种不确定性的制约,本文基于长方体海山产生的垂直重力梯度的表达式,通过将研究海域进行格网化,建立了垂直重力梯度（vertical gravity gradient,VGG）与海深之间的函数关系,即关于海深的观测方程组,在此基础上,通过模拟计算,验证了观测方程组的解不仅唯一可解,而且具有较好的抗误差干扰性质。由于观测方程组受到研究海域外海山的影响（分为边界效应、远区影响）,因此,需要相应的数学方法来处理这些影响。本文将研究海域进行扩充得到扩展区域,然后在扩展海域上研究观测方程组,此时为了避免观测方程组出现奇异性,引入了正则化方法对扩展后的观测方程组进行求解,并从中截取研究海域上的海深。模拟试验表明,使用正则化方法后,边界效应对反演海深的均方根误差为0.48 m。最后,对南中国海真实海底地形进行了反演计算,将反演的海深与研究海域内的289个船测数据点进行对比,反演结果的均方根误差达到109 m。     

利用多源重力观测数据反演渤海湾地区构造应力场

以最小二乘配置为基础,推导了基于观测信号的自适应融合算法。对渤海湾地区航空重力、陆地重力和卫星测高3类实测数据进行了基于观测信号的自适应融合处理,提高了融合区域重力观测数据精度。采用融合后的重力异常数据反演了渤海湾地区构造应力场,并结合地震历史资料进行初步分析,总结了该地区构造应力场的总体特征。反演结果表明,渤海湾地区构造应力场方向整体上呈现朝北方向,构造应力场清晰显现出郯庐断裂带和张家口-蓬莱断裂带分布,并且在郯庐和张家口-蓬莱断裂带唐山至张家口段构造应力聚集程度高、构造应力值也较大,表明该地区构造运动活跃,与该地区地震活动历史资料相符。     

福建省重力台网对米娜台风激发的微震信号源定位

利用重力台网进行台风激发信号的源区定位研究不仅有助于提高台风监测能力,而且可从台风激发信号中区分出震前与震源有关的信号,促进地震预测研究。以2019年第18号台风米娜(MITAG)为研究对象,基于福建省重力台网观测的1 Hz采样的固体潮观测数据,利用噪声互相关函数的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)和归一化噪声能量流方法分析数据质量和微震源区方位,使用SNR≥25的Rayleigh波互相关信号走时作为定位数据,进行台风4个时段的定位研究。结果表明,在MITAG台风靠近中国大陆的过程中,定位区域能够覆盖台风中心所在位置;地震背景噪声能量辐射模型的微震垂直位移极值区域也和台风靠近中国大陆过程时段一致;通过人工剔除高速波群的互相关信号后,定位区域也能覆盖到转向远离大陆过程时段的台风轨迹。福建省重力台网对台风的追踪提供一类新的数据和方法。