邢樂林，李　輝，李建國，張為民，何志堂

1. 中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室，湖北 武漢 430071； 2. 61365部隊，天津 300211； 3. 中國科學院測量與地球物理研究所，湖北 武漢 430077； 4. 陜西測繪地理信息局，陜西 西安 710054

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陸態(tài)網絡絕對重力基準的建立及應用

邢樂林1，李輝1，李建國2，張為民3，何志堂4

1. 中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室，湖北 武漢 430071； 2. 61365部隊，天津 300211； 3. 中國科學院測量與地球物理研究所，湖北 武漢 430077； 4. 陜西測繪地理信息局，陜西 西安 710054

Foundationsupport：KeyDirectorFoundationofInstituteofSeismology,CEA(No.IS201326130);SpecialFoundationforEarthquakeResearch,CEA(No.201508006);TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.41204019)

利用陸態(tài)網絡100個基準站的首期觀測數據，建立了基本覆蓋我國大陸范圍的高精度絕對重力基準，各基準站點值精度均小于5.0 μGal/a，為相對重力聯(lián)測提供了高精度起算基準點，可獲得真實的相對重力聯(lián)測平差結果，避免重復重力觀測獲得的重力場動態(tài)變化圖出現畸變。成都基準臺重復重力觀測獲得的重力變化規(guī)律表明，汶川地震前長期重力變化率達5.01±0.7 μGal/a，如此大的震前重力變化很可能是由于地下物質運移引起的。聯(lián)合絕對重力和GRACE衛(wèi)星長期測量數據，根據二者系統(tǒng)偏差確定了武漢地區(qū)的地殼沉降速率，為-3.27±0.65mm/a。

重力基準；陸態(tài)網絡；絕對重力測量；重力變化；形變

1957年，我國建成了第一個國家重力基本網，簡稱“57網”，屬于波茨坦系統(tǒng)，由22個基本點和80個一等點構成，基本點點值平均精度為150.0μGal(1Gal=10-2m/s2)，一等點點值平均精度為250.0μGal。57網精度偏低，且含大約13.5mGal的系統(tǒng)偏差[1]。

為了適應國防、科研和國民經濟的發(fā)展需求，1983—1985年，由國家測繪局等單位重新建立了中國重力基本網，簡稱“85網”，該網由6個絕對重力基準點、46個基本點和5個引點構成，采用LCR-G型相對重力儀進行聯(lián)測，絕對重力基準點重力值采用意大利IMGC絕對重力儀進行測定，其中昆明重力值還同時用我國計量院NIM2絕對重力儀進行測定，并作為起算基準，并與巴黎A3點進行國際聯(lián)測，點值平均精度為25.0μGal[2]。

2002年，在85網的基礎上，我國建成了又一個國家重力基本網，簡稱“2000網”，該網由21個基準點、126個基本點和112個引點組成，采用LCR-G型相對重力儀進行聯(lián)測，絕對重力觀測首次使用FG5絕對重力儀，平差時采用弱基準原則，基本點點值平均精度為6.6μGal，基準點的點值平均精度為2.3μGal[3]。

自1998年起，隨著國家重大科學工程項目中國地殼運動觀測網絡(簡稱“網絡工程”)的開展，每2—3年對覆蓋中國大陸范圍內的25個基準站進行一期絕對重力觀測[4]，由中國科學院承擔實施，至2010年開始運行的中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網絡(簡稱“陸態(tài)網絡”)增加了另外75個基準站，共由100個基準點構成，該絕對重力觀測網是我國目前精度最高、覆蓋范圍最廣的重力基準網，由中國地震局、總參測繪導航局、中國科學院和國家測繪地理信息局聯(lián)合承擔實施。

本文利用陸態(tài)網絡100個基準站的絕對重力觀測數據，建立了基本覆蓋中國大陸范圍的高精度絕對重力基準，對重力值及其點值精度進行了統(tǒng)計分析，并對南北地震帶重力測量數據在不同控制基準下的結果進行了研究，利用長期絕對重力重復測量資料，分析汶川和蘆山地震前后重力變化規(guī)律，聯(lián)合GRACE衛(wèi)星長期數據根據二者的系統(tǒng)差確定了武漢地區(qū)的地殼垂直運動速率。

1　絕對重力基準確定

1.1絕對重力測定

2010—2011年，中國地震局、總參測繪導航局、中國科學院和國家測繪地理信息局利用FG5絕對重力儀對陸態(tài)網絡絕對重力網的100個測站進行了測量，見表1。其中，重力垂直梯度測定精度小于0.03μGal/cm，絕對重力儀在每個測點上至少觀測25組，每組100次下落，利用g軟件對落體數據進行重力固體潮、海潮負荷、大氣壓力、極移和重力垂直梯度等改正，測定絕對重力值的組間精度應小于5.0μGal[5]。

表1　絕對重力測量任務

1.2基準總的不確定度

絕對重力儀的誤差源主要由4部分組成：系統(tǒng)單元與模式、環(huán)境噪聲、安裝調試和改正計算模型，前3部分為重力儀本身能產生的相應測量誤差，第4部分包括計算固體潮、海潮負荷、大氣壓力、極移和重力垂直梯度等改正項采用公式的誤差[5]，各改正項計算公式的精度見表2。

表2　影響絕對重力儀測量精度的各改正項計算公式及精度

表2中，固體潮改正精度mT=0.3 μGal，大氣壓力改正精度mB=1 μGal，極移改正精度mP=0.05 μGal，激光改正精度ml=0.05 Gal，Rb鐘改正精度mR=0.05 μGal，重力垂直梯度改正精度mgrod=h(cm)·0.03 μGal/cm，系統(tǒng)設計精度ms=1 μGal，系統(tǒng)設置精度mss=1 Gal，則總的不確定度T的計算公式為

(1)

式中,σ為組間精度；N為觀測組數；m為測量精度。式(1)即為絕對重力儀測定地面重力值的總的不確定度計算公式。

將組間精度σ取測定要求的限差5.0 μGal，根據式(1)由T=4.4 μGal，故當組間精度σ小于5.0 μGal時，建立的絕對重力基準精度小于4.4 μGal。

1.3武漢站絕對重力基準的建立

2012年4月，中國地震局利用FG5-232絕對重力儀在武漢引力與固體潮野外觀測站進行了連續(xù)25組觀測，每小時觀測1組，每組100次下落，單次下落時間間隔為10 s，每次下落共獲得700個時間、距離對(ti,zi,i=1～700)，根據2500次下落的時間、距離對(ti,zi,i=20～619)利用最小二乘擬合計算每次下落測定的有效高度處的重力值，并對其進行固體潮、海潮負荷、大氣壓力、極移和重力垂直梯度等改正后，絕對重力均值及其精度如圖1所示。

圖1　絕對重力值及其精度Fig.1　The absolute gravity value and its error

由圖1可以看出，武漢基準站的絕對重力基準總的不確定度為4.3 μGal，組間精度為1.7 μGal。

2　基準初步分析

按照1.3節(jié)所示的方法，對100個測站的重力觀測數據進行了處理，獲得了各基準站的絕對重力值及其精度。從整體來看，100個基準站的絕對重力值呈現北高南低的形態(tài)，這是由于絕對重力值的大小主要受基準站的緯度和高程兩方面的影響，其中，重力值最大的為緯度最高的漠河，最小的為緯度較低、高程很高的仲巴，二者差值超過3000 mGal。

100個基準站的重力點值精度均小于5.0 μGal，平均精度為2.2 μGal，小于2.0 μGal的為53個，比例達50%以上。整體而言，鄂爾多斯和東北地塊的基準站精度稍差，主要受點位觀測環(huán)境噪聲的影響；對于沿海地區(qū)，由于海潮負荷影響較大，永興島和廈門的精度最差，其他基準站的精度經海潮負荷改正后精度也難以達到2.0 μGal。隨著陸態(tài)網絡的進一步實施，將對100個基準站進行2—3年周期的絕對重力復測，其絕對重力變化能夠體現重力基準的穩(wěn)定性，反映區(qū)域地殼垂直形變和地下物質重新分布等特性。

較“85網”先進的“2000網”，利用FG5建立了21個絕對重力基準，并以此為控制進行了相對重力聯(lián)測，平差后獲得了基本覆蓋中國大陸范圍內的重力基準，基本點點值平均精度為6.6 μGal，基準點的點值平均精度為2.3 μGal，而陸態(tài)網絡利用FG5絕對重力儀直接建立了覆蓋中國大陸范圍的絕對重力基準，點值平均精度為2.2 μGal。

3　基準應用

3.1控制測量

理論上，重力網中有一個重力基準即可解決秩虧問題，而在實踐中需要多個基準進行附和平差，這就要求重力網中盡可能有多個基準，否則將會扭曲平差結果，且平差后對應低精度的基準[6-7]。隨著網絡工程、2000網的實施，特別是陸態(tài)網絡的實施，我國的重力網體系解決了之前存在的問題：絕對重力基準較少，不能有效地消除相對重力儀標定系統(tǒng)引起的測量系統(tǒng)誤差，獲得的整體重力場動態(tài)變化圖像在絕對重力控制較弱的地區(qū)會發(fā)生一定的畸變。

以南北地震帶2014年9月的重力測量數據為例，共1349個相對重力聯(lián)測點，包括21個絕對應力基準點，其中4個為網絡工程的重力基準。利用陸態(tài)網絡的21個重力基準值和網絡工程的4個重力基準值分別對相對重力聯(lián)測數據進行弱基準原則的平差[7]，即絕對重力基準中誤差為5.0 μGal，相對重力中誤差為15.0 μGal。平差結果表明，點值平均精度分別為11.9 μGal和14.1 μGal。

根據誤差傳播規(guī)律，差值的精度為±18.0 μGal，當差值大于一倍中誤差的點為由基準控制引起的顯著畸變，則大于18.0 μGal的點共49個，小于-18.0 μGal的點共74個，顯著畸變點個數共123個，約占總點數1349的9%。

顯著畸變點主要位于南北地震帶的西部和東南部區(qū)域，而在網絡工程重力基準點區(qū)域不存在顯著畸變，這主要因為川西高原、云貴高原與其鄰區(qū)地形差異較大，網絡工程的重力基準點的控制范圍未到達整體區(qū)域所需要的重力量程，而陸態(tài)網絡的基準點則能夠覆蓋其量程范圍。

3.2地震前后絕對重力變化

成都基準站是距離汶川和蘆山地震震中最近的基準站，兩次地震發(fā)生前后，特別是汶川地震發(fā)生前后，中國地震局利用FG5絕對重力儀進行了多期絕對重力測量。為提取構造運動引起的重力變化，利用顧及全球主要河流的水位變化狀況的陸地水儲量模型[8](land surface discharge model,LSDM)，該模型的時間分辨率為24 h，空間分辨率為0.5°×0.5°，由GFZ基于ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecasts)模型解算提供，經積分負荷格林函數法[9]消除負荷影響后的長期重力變化，如圖2所示。

圖2　成都基準站絕對重力變化Fig.2　The absolute gravity variation at Chengdu station

由圖2可知，絕對重力變化有如下特征：自2002年9月至汶川地震發(fā)生前，絕對重力變化呈增大趨勢，直至2008年1月，重力變化率為5.01±0.7 μGal/a；2002年9月至2004年1月，絕對重力變化十分顯著，約增大15.8 μGal；2008年5月汶川地震后，絕對重力變化呈下降恢復趨勢直至2011年11月，恢復至2008年1月水平，重力變化率為-1.66±0.48 μGal/a，但仍未恢復。2011年11月至2013年4月蘆山地震前的2期絕對重力呈增大趨勢，蘆山地震前的最后一期絕對重力增大至2008年5月水平。理論研究表明[10]，由位錯模型正演的大地震同震重力變化較為顯著，可達幾十甚至幾百微伽，但汶川地震前后的絕對重力觀測并未觀測到明顯的同震重力變化，這與該基準站恰好處于理論同震重力變化非常微弱的區(qū)域有關[11]。

汶川地震前僅進行了4期絕對重力觀測，且2004至2007年期間未進行觀測，對長期重力變化率的擬合精度有一定的影響，但對明顯的變化率影響不大，而震前GPS結果表明震前活動性并不強的龍門山斷裂帶區(qū)域的水平位移并不明顯，形成強烈的閉鎖帶，整個斷裂帶的強閉鎖導致了慢應變但高應力積累，從而形成震前滑動虧損區(qū)或地震空區(qū)。水準測量結果表明與位于穩(wěn)定的四川盆地的成都測點相比，龍門山斷裂帶區(qū)域的垂直位移也不明顯，僅幾個毫米，處于虧損帶[12]。因此地殼垂直位移引起的重力變化遠小于絕對重力觀測到的重力變化，如此大的震前重力變化很可能是由于地下物質運移或地殼密度變化引起的。

長期絕對重力變化與1976年唐山地震前的重力變化類似[13]，即在地震孕育過程中會引起震區(qū)周圍重力變化，強震的應力與能量積累具有10年以上的時間尺度。區(qū)域巖體存在巨大應力可能是發(fā)生地震的直接原因，震前重力變化呈明顯的增大趨勢，可通過擴容膨脹理論加以解釋。

3.3聯(lián)合GRACE衛(wèi)星資料確定區(qū)域長期地殼垂直形變速率

與武漢引力與固體潮站距離最近的GPS連續(xù)觀測站，其連續(xù)觀測結果表明武漢地區(qū)的長期地殼垂直運動具有明顯的下沉趨勢[14-16]，約為-3.0 mm/a。

隨著GRACE重力衛(wèi)星資料的累積，地表物質再分布及其重力效應的長期變化規(guī)律得以應用，地面和GRACE衛(wèi)星長期重力變化的一致性存在以下區(qū)別：GRACE衛(wèi)星重力屬于空固坐標系下，而地面重力觀測屬于地固坐標系下，因此GRACE與地面重力變化的差異主要為地面垂直形變部分，即GRACE觀測不到因地固坐標系下自由空氣梯度引起的重力變化[17-18]，這與利用位錯理論模擬GRACE衛(wèi)星檢測到的同震重力變化具有一致性[19]。

(2)

圖3　武漢基準站絕對重力變化Fig.3　The absolute gravity change at Wuhan station

圖4　GRACE觀測到的武漢區(qū)域重力變化Fig.4　Gravity change of Wuhan area detected by GRACE

2002至2010年大地站的GPS連續(xù)觀測數據處理結果表明地面垂直形變速率為-3.49±0.3mm/a[15]，與本文聯(lián)合絕對重力觀測和GRACE衛(wèi)星重力測量獲得的區(qū)域地殼垂直形變速率相差約0.2mm/a，這表明該方法在研究區(qū)域地殼垂直形變速率時的有效性。

圖5　水負荷引起的武漢基準站重力變化Fig.5　Gravity change of Wuhan station caused by water loading

4　結　論

利用陸態(tài)網絡100個絕對重力基準站的觀測數據，建立了高精度絕對重力基準，滿足相對重力聯(lián)測對起算基準要求。

成都基準站長期絕對重力變化表明，自2002年9月至汶川地震發(fā)生前，絕對重力變化呈增大趨勢直至2008年1月；2002年9月至2004年1月，絕對重力變化十分顯著； 2008年5月汶川地震后，絕對重力變化呈下降恢復趨勢直至2011年11月，恢復至2008年1月水平，但仍未恢復。2011年11月至2013年4月蘆山地震前的2期絕對重力呈增大趨勢，蘆山地震前的最后一期絕對重力增大至2008年5月水平。

在汶川地震和蘆山地震的孕育過程均引起震區(qū)周圍的重力變化呈上升趨勢，震后重力變化呈下降恢復趨勢，強震的應力與能量積累具有10年以上的時間尺度。

對武漢基準站長期絕對重力觀測數據進行處理，并將水文負荷重力效應進行改正，對GRACE衛(wèi)星數據進行去相關和扇形濾波后，確定了武漢地區(qū)的地殼垂直形變速率。

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(責任編輯：張艷玲)

EstablishmentofAbsoluteGravityDatuminCMONOCandItsApplication

XINGLelin1,LIHui1,LIJianguo2,ZHANGWeimin3,HEZhitang4

1.KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy,InstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Wuhan430071,China; 2. 61365Troops,Tianjin300211,China; 3.InstituteofGeodesyandGeophysics,ChinaAcademyofSciences,Wuhan430077,China; 4.ShaanxiAdministrationofSurveying,MappingandGeoinformation,Xi’an710054,China

ThehighaccuracyabsolutegravitydatumcoveredtheChinesemainlandareaisestablishedbyusingabsolutegravitymeasurementdataofonehundredstationsinCMONOC(CrustalMovementObservationNetworkofChina),theaccuracyofeachstationisbetterthan5.0 μGal/a.Thehighaccuracygravitydatumcanbeusedforrelativegravitymeasurementsinadjustment,andtherealgravityvaluecanbedeterminedfromrelativegravitymeasurementdataofadjustmentbyusingthegravitydatumtoavoiddistortionoftherealfigureofgravitychange.ThetrendofabsolutegravitychangefromseveralobservationsatChengdustationshowsthattheseculartrendofgravitychangeislargerthan5.01±0.7 μGal/a,whichisprobablycausedbythedistributionofmassbelowtheearth.TherateoflandsubsidenceofWuhanareais3.27±0.65mm/adeterminedfromcombinedlong-termabsolutegravitymeasurementsandGRACEsatellitedataaccordingtothetwosystemdifference.

gravitydatum;CMONOC;absolutegravitymeasurements;gravitychange;deformation

2015-01-01

2015-10-15

邢樂林(1979—)，男，博士，副研究員，研究方向為重力變化觀測與解釋。Firstauthor：XINGLelin(1979—)，male,PhD,associateresearcher,majorsinobservationofgravitychangeanditsapplication.

E-mail：xinglelin@163.com

P229

A

1001-1595(2016)05-0538-06

中國地震局基本科研業(yè)務專項(IS201326130)；中國地震局地震行業(yè)科研專項(201508006)；國家自然科學基金(41204019)

引文格式：邢樂林，李輝，李建國,等.陸態(tài)網絡絕對重力基準的建立及應用[J].測繪學報，2016,45(5)：538-543.DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20140653.

XINGLelin,LIHui,LIJianguo,etal.EstablishmentofAbsoluteGravityDatuminCMONOCandItsApplication[J].ActaGeodaeticaetCartographicaSinica,2016,45(5):538-543.DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20140653.