朱傳東 劉金釗 占偉 陳兆輝 李經(jīng)緯

摘要：基于2002—2017年的ECMWF Interim三維大氣再分析資料、GRACE時(shí)變重力場模型和GPS數(shù)據(jù)，分析了青藏高原南緣的拉薩、日喀則、仲巴、噶爾4個(gè)絕對(duì)重力測(cè)站的非構(gòu)造重力效應(yīng)。結(jié)果表明：ECMWF Interim大氣負(fù)荷重力效應(yīng)主要表現(xiàn)為季節(jié)性變化特征，最大周年振幅可達(dá)到1.4 μGal;GRACE陸地水負(fù)荷重力效應(yīng)和GPS地殼垂直位移引起的重力效應(yīng)均存在較為明顯的季節(jié)性及長期趨勢(shì)變化特征，二者的最大周年振幅和長期趨勢(shì)分別達(dá)到2.6 μGal，-0.6 μGal/a和1.8 μGal，-0.3 μGal/a;GRACE與GPS的比較分析結(jié)果表明青藏高原南緣的非構(gòu)造重力效應(yīng)會(huì)受到局部流體質(zhì)量負(fù)荷的顯著影響。

關(guān)鍵詞：青藏高原南緣;絕對(duì)重力;非構(gòu)造重力效應(yīng)

中圖分類號(hào)：P315.726文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2020）04-0651-07

0引言

青藏高原南緣沿喜馬拉雅山造山帶延伸分布，是印度板塊與歐亞板塊的碰撞擠壓地帶，其形成機(jī)制、隆升方式及強(qiáng)震孕育背景等一直備受關(guān)注。過去二十余年間，“網(wǎng)絡(luò)工程”和“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”等項(xiàng)目先后在青藏高原南緣及其周邊地區(qū)布設(shè)了一定密度的絕對(duì)重力觀測(cè)網(wǎng)。與一些常規(guī)的大地測(cè)量技術(shù)相比，高精度絕對(duì)重力觀測(cè)技術(shù)不僅能給出地殼的垂直形變信息，也能揭示地殼內(nèi)部質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)信息（王勇，張為民，1997）。因此，絕對(duì)重力測(cè)量在認(rèn)識(shí)和理解青藏高原南緣的地殼運(yùn)動(dòng)特征及地震孕育背景方面具有十分重要的理論和實(shí)際意義。

國內(nèi)外研究人員依托絕對(duì)重力觀測(cè)資料在研究青藏高原及其周邊地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)特征及地震孕育背景方面取得了一定進(jìn)展。在地殼運(yùn)動(dòng)特征研究方面，張為民等（2000）通過對(duì)比拉薩點(diǎn)1999年與1993年的絕對(duì)重力觀測(cè)結(jié)果，初步證實(shí)該點(diǎn)的隆升速率為10 mm/a;王勇等（2004）對(duì)滇西地區(qū)和拉薩點(diǎn)的絕對(duì)重力重復(fù)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，通過位錯(cuò)模型證實(shí)拉薩點(diǎn)的重力變化是由印度板塊與歐亞大陸俯沖所引起的;Sun等（2009）和邢樂林等（2011）通過分析拉薩點(diǎn)等絕對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)揭示出青藏高原地區(qū)底部的地殼增厚及物質(zhì)虧損。在地震孕育背景研究方面，李輝等（2009）和祝意青等（2007，2012）利用1998年以來的絕對(duì)重力和相對(duì)重力觀測(cè)資料給出了中國大陸重力場的動(dòng)態(tài)變化特征，并揭示出其與構(gòu)造環(huán)境和地震孕育的內(nèi)在聯(lián)系。

近年來，研究人員開始陸續(xù)關(guān)注非構(gòu)造重力效應(yīng)對(duì)絕對(duì)重力觀測(cè)結(jié)果的影響?？甸_軒等（2015）根據(jù)青藏地區(qū)的流動(dòng)重力觀測(cè)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有的冰川和湖泊水位變化估算了陸地水變化引起的水文重力效應(yīng)，并給出了西藏及周邊地區(qū)的重力長期變化;Chen等（2016）利用青藏高原南緣的絕對(duì)重力觀測(cè)資料，獲得了扣除地殼垂直形變、GIA效應(yīng)、地表剝蝕和地殼底部增厚影響的剩余重力變化，并發(fā)現(xiàn)了與尼泊爾MS8.1地震前地殼介質(zhì)變化相關(guān)的重力異常信號(hào);Yi等（2016）針對(duì)尼泊爾MS8.1地震前2年的絕對(duì)重力觀測(cè)結(jié)果，綜合湖泊、冰川、河流、降水和積雪等資料分析了各種因素的重力效應(yīng)影響。

從已有的研究結(jié)果看，盡管高精度的絕對(duì)重力測(cè)量在研究青藏高原南緣的地殼運(yùn)動(dòng)及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制等方面表現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)，但在理論研究方面還不能將其觀測(cè)結(jié)果中所包含的地表流體質(zhì)量再分布和深部物質(zhì)遷移等信息完全準(zhǔn)確分離開。考慮到青藏高原南緣復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與陸表環(huán)境，本文以該地區(qū)拉薩、日喀則、仲巴和噶爾4個(gè)絕對(duì)重力測(cè)站為例，聯(lián)合多源的觀測(cè)數(shù)據(jù)研究了其非構(gòu)造重力效應(yīng)的季節(jié)性和趨勢(shì)變化特征，以期為該地區(qū)絕對(duì)重力觀測(cè)結(jié)果中的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)信號(hào)分析提供參考。

1數(shù)據(jù)及其處理方法

1.1大氣再分析資料及數(shù)據(jù)處理

本文采用的大氣數(shù)據(jù)是由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心生成的ECMWF Interim全球三維大氣再分析資料，包括2002—2017年共192個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)。ECMWF Interim提供的37個(gè)大氣等壓層的高程、位勢(shì)高度、比濕、氣壓、氣溫等要素時(shí)間分辨率為1個(gè)月，水平空間分辨率為0.125°×0.125°。其中，地表及各規(guī)定等壓層的Tesseroid單元體大氣密度可利用各要素根據(jù)流體靜力平衡方程計(jì)算得到。

地震研究43卷第4期朱傳東等：青藏高原南緣絕對(duì)重力測(cè)站的非構(gòu)造重力效應(yīng)特征根據(jù)地表負(fù)荷函數(shù)理論（Farrell，1972），青藏高原南緣拉薩（LHAS）、日喀則（XZRK）、仲巴（XZZB）和噶爾（XZGE）4個(gè)絕對(duì)重力測(cè)站（圖1）大氣負(fù)荷重力效應(yīng)可用其質(zhì)量和負(fù)荷格林函數(shù)的褶積積分計(jì)算得到：L（θ，λ）=sρ（θ，λ）h（θ，λ）G（ψ）ds（1）式中：θ與λ分別表示絕對(duì)重力測(cè)站的緯度和經(jīng)度;ρ表示積分面元的大氣密度;h表示積分面元的高程;ψ表示觀測(cè)點(diǎn)到積分面元的角距;G（ψ）表示重力負(fù)荷格林函數(shù)，可表示為：G（ψ）=GN（ψ）+GD（ψ）=gM∑∞n=0nPn（cosψ）+gM∑∞n=0-（n+1）kn+2hnPn（cosψ）（2）式中：g表示地球平均重力;M表示地球質(zhì)量;Pn（cosψ）表示勒讓德函數(shù);kn和hn表示負(fù)荷勒夫數(shù);GN（ψ）表示牛頓引力項(xiàng)直接效應(yīng);GD（ψ）表示彈性地球產(chǎn)生的形變以及由此使地球內(nèi)部質(zhì)量重新分布而引起的彈性項(xiàng)間接效應(yīng)。

在式（1）的實(shí)際計(jì)算過程中，本文將大氣數(shù)據(jù)劃分為近區(qū)（ψ<1°）、中區(qū)（1°<ψ<20°）和遠(yuǎn)區(qū)（ψ>20°）3個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于近區(qū)的Tesseroid單元體大氣質(zhì)量，本文利用泰勒級(jí)數(shù)展開二階近似計(jì)算其牛頓引力項(xiàng)直接效應(yīng)（Neumeyer et al，2004;Heck，Seitz，2007）。

1.2時(shí)變重力場模型及數(shù)據(jù)處理

本文采用的GRACE時(shí)變重力場模型是由德克薩斯大學(xué)空間中心CSR提供的Level 2 RL06版本GSM和GAC數(shù)據(jù)，包括2002年8月至2017年6月共160個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)。其中，GRACE GSM數(shù)據(jù)在解算過程中已扣除了非潮汐大氣和海洋質(zhì)量的影響，因此其反映的主要是陸地水質(zhì)量重新分布引起的變化。對(duì)于GRACE時(shí)變重力場模型，本文對(duì)其一階項(xiàng)（Swenson et al，2008）和C20（Cheng，Tapley，2004）進(jìn)行了替換，采用P5M11去相關(guān)濾波（Chen et al，2007）和300 km高斯濾波（Wahr et al，1998）的組合濾波方法以壓制高階項(xiàng)球諧系數(shù)誤差，絕對(duì)重力測(cè)站重力異常和垂直位移的反演公式可分別表示為：Δg（θ，λ）=GMR2∑nmaxn=0（n-1）∑nm=0Pnm（cosθ）

ΔCnmcos（mλ）+ΔSnmsin（mλ）（3）Δr（θ，λ）=R∑nmaxn=1hn1+kn∑nm=0Pnm（cosθ）

ΔCnmcos（mλ）+ΔSnmsin（mλ）（4）式中：θ和λ分別表示余緯和經(jīng)度;R表示地球平均半徑;ΔC和ΔS分別表示GRACE月時(shí)變重力場模型球諧系數(shù);Pnm（cosθ）表示正則化締合勒讓德函數(shù)。

1.3GPS數(shù)據(jù)處理

利用GAMIT/GLOBK和OQCA軟件處理2002—2017年青藏高原南緣地區(qū)“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”GPS連續(xù)站觀測(cè)數(shù)據(jù)。除了LHAS測(cè)站以外，另外3個(gè)絕對(duì)重力測(cè)站與GPS連續(xù)站均為并址觀測(cè)。對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的具體處理步驟為：①聯(lián)合青藏高原南緣及全球均勻分布的IGS站進(jìn)行GAMIT基線解算，得到測(cè)站坐標(biāo)單日松弛解。解算過程主要的參數(shù)設(shè)置為：天線相位中心改正采用絕對(duì)天線相位中心模型;對(duì)流層延遲映射函數(shù)采用GMF模型;全球固體潮、海潮模型改正遵循IERS 2004協(xié)議，但未進(jìn)行非潮汐大氣和海洋改正。②利用QOCA軟件綜合多天的單日松弛解平差計(jì)算得到ITRF2008框架下測(cè)站坐標(biāo)的時(shí)間序列。經(jīng)過以上處理，對(duì)GPS連續(xù)站垂直位移時(shí)間序列中由于天線更換、強(qiáng)震同震位移等影響造成的階躍進(jìn)行了修復(fù)，并剔除了大于3倍誤差的異常值。

1.4時(shí)間序列分析

對(duì)于絕對(duì)重力測(cè)站上的重力異常和地殼垂直位移時(shí)間序列，本文重點(diǎn)分析其趨勢(shì)及周年變化特征。假定其時(shí)間序列主要包含了線性趨勢(shì)項(xiàng)β1、周年項(xiàng)β2，然后基于最小二乘原理對(duì)時(shí)間序列進(jìn)

行擬合分析：Δg（θ，λ，t）=β0（θ，λ）+β1（θ，λ）t+β2cos[ω1t+α1（θ，λ）]（5）式中：β0，β1，α2，β1為求解的參數(shù);ω1=2π。

為了分析時(shí)間序列的趨勢(shì)異常特征，采用遞歸最小二乘方法對(duì)線性趨勢(shì)參數(shù)的穩(wěn)定性做判斷，并利用遞歸殘差累積和檢驗(yàn)識(shí)別出時(shí)間序列中結(jié)構(gòu)斷點(diǎn)的分布位置。如果時(shí)間序列存在結(jié)構(gòu)斷點(diǎn)，則對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行分段線性擬合。

2結(jié)果分析

2.1大氣負(fù)荷重力效應(yīng)

基于2002—2017年的ECMWF Interim數(shù)據(jù)，采用負(fù)荷格林函數(shù)方法計(jì)算得到了LHAS，XZRK，XZZB和XZGE這4個(gè)測(cè)站的大氣負(fù)荷重力效應(yīng)時(shí)間序列（圖2），并分別提取其周年振幅及趨勢(shì)變化特征（表1）?；贓CMWF Interim內(nèi)插計(jì)算得到的4個(gè)測(cè)站的氣壓數(shù)據(jù)，本文還采用大氣導(dǎo)納值（-0.303 7 μGal/hPa）方法（羅少聰，2003）計(jì)算得到4個(gè)測(cè)站的大氣負(fù)荷重力效應(yīng)時(shí)間序列。從圖2可以看出，采用負(fù)荷格林函數(shù)與大氣導(dǎo)納值方法得到的4個(gè)測(cè)站的大氣負(fù)荷重力效應(yīng)較為一致，圖24個(gè)測(cè)站的大氣負(fù)荷重力效應(yīng)時(shí)間序列

Fig.2Time series of atmospheric gravity effect at four stations差值標(biāo)準(zhǔn)差小于0.4 μGal。從圖2和表1可以看出，4個(gè)測(cè)站的時(shí)間序列均反映出青藏高原南緣的大氣負(fù)荷重力效應(yīng)存在明顯的季節(jié)性變化特征，一般在夏季和冬季分別達(dá)到最小值和最大值，周年振幅分別為1.0，0.9，1.4和1.2 μGal。4個(gè)測(cè)站的時(shí)間序列均沒有表現(xiàn)出明顯的長期趨勢(shì)及趨勢(shì)異常特征，說明該地區(qū)的大氣重力效應(yīng)主要表現(xiàn)為周年變化特征。

2.2陸地水負(fù)荷重力效應(yīng)

基于2002—2017年的GRACE GSM數(shù)據(jù)，采用衛(wèi)星重力反演方法計(jì)算得到了LHAS，XZRK，XZZB和XZGE這4個(gè)測(cè)站的陸地水負(fù)荷重力效應(yīng)時(shí)間序列（圖3），并提取其周年振幅及趨勢(shì)變化特征（表1）。從圖3可以看出，4個(gè)測(cè)站的時(shí)間序列均反映出青藏高原南緣的陸地水負(fù)荷重力效應(yīng)存在較為明顯的季節(jié)性變化特征，LHAS，XZRK，XZZB測(cè)站一般在春季和秋季分別達(dá)到最小值和最大值，而XZGE測(cè)站一般在夏季和冬季分別達(dá)到最小值和最大值，4個(gè)測(cè)站周年振幅分別為2.0，2.6，2.0和1.6 μGal。另外，LHAS和XZRK測(cè)站的時(shí)間序列表現(xiàn)出了較為明顯的長期趨勢(shì)特征，速率分別為-0.6和-0.4 μGal/a，而XZZB和XZGE測(cè)站時(shí)間序列的長期趨勢(shì)相對(duì)較小，速率分別為-0.1和-0.2 μGal/a。4個(gè)測(cè)站的時(shí)間序列均存在明顯的結(jié)構(gòu)斷點(diǎn)，不同時(shí)間跨度的GRACE陸地水負(fù)荷重力效應(yīng)趨勢(shì)變化呈現(xiàn)出明顯的差異性特征，說明該地區(qū)陸地水負(fù)荷重力效應(yīng)存在較為顯著的年際變化特征，這可能與土壤水、積雪、冰川和地下水等多種陸地水文過程有關(guān)。

2.3地殼垂直位移重力效應(yīng)

基于2002—2017年的GRACE GSM&GAC和GPS數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了4個(gè)測(cè)站的地殼垂直位移時(shí)間序列（圖4）。從圖4中可以看出，4個(gè)測(cè)站的垂直位移時(shí)間序列均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化特征，二者給出的周年相位較為一致，但是由GRACE數(shù)據(jù)得出的周年振幅量級(jí)明顯偏小，分別為6.0，6.5，5.2和1.9 mm，而由GPS數(shù)據(jù)得出的周年振幅分別為6.5，9.2，7.0和3.6 mm，采用布格模型（-0.2 μGal/mm）換算成重力效應(yīng)相當(dāng)于1.3，1.8，1.4和0.7 μGal（表1）。由GRACE數(shù)據(jù)得到4個(gè)測(cè)站的垂直位移時(shí)間序列長期趨勢(shì)分別為0.4，0.3，0.2和0.2 mm/a，與之相比GPS得到的時(shí)間序列具有更加明顯的長期變化趨勢(shì)，其速率分別為1.3，0.9，1.4和0.5 mm/a，引起的重力效應(yīng)相當(dāng)于-0.3，-0.2，-0.3和-0.1 μGal/a（表1）。

對(duì)于青藏高原南緣的絕對(duì)重力測(cè)站而言，GRACE GSM&GAC反演得到的地殼垂直位移時(shí)間序列主要反映了大氣和陸地水等大尺度地表流體的負(fù)荷效應(yīng)，與之相比GPS觀測(cè)得到的結(jié)果則更容易受到測(cè)站周邊局部區(qū)域流體質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)的影響，這可能是GRACE垂直位移時(shí)間序列量級(jí)明顯偏小的主要原因。以上比較分析結(jié)果也從側(cè)面反映出青藏高原南緣的絕對(duì)重力測(cè)站局部地區(qū)存在著顯著的地表流體質(zhì)量變化，而目前的大氣再分析資料ECMWF Interim以及GRACE GSM數(shù)據(jù)還不能有效反映其非構(gòu)造重力效應(yīng)。

3結(jié)論與討論

本文以青藏高原南緣的4個(gè)絕對(duì)重力測(cè)站為例，基于ECMWF Interim大氣再分析資料、GRACE時(shí)變重力場模型和GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析了非構(gòu)造重力效應(yīng)的季節(jié)性和趨勢(shì)變化特征，得到以下結(jié)論：

（1）ECMWF Interim大氣負(fù)荷重力效應(yīng)的趨勢(shì)變化并不明顯，其主要表現(xiàn)為季節(jié)性變化特征，最大周年振幅為1.4 μGal。

（2）GRACE陸地水負(fù)荷重力效應(yīng)存在顯著的季節(jié)性和長期趨勢(shì)變化特征，最大周年振幅和長期趨勢(shì)分別為2.6 μGal和-0.6 μGal/a，其不同時(shí)間跨度的趨勢(shì)變化存在明顯的差異性特征。

（3）GPS地殼垂直位移引起的重力效應(yīng)也存在顯著的季節(jié)性和長期趨勢(shì)變化特征，最大周年振幅和長期趨勢(shì)分別為1.8 μGal和-0.3 μGal/a。GPS和GRACE垂直位移結(jié)果的比較分析表明青藏高原南緣的絕對(duì)重力觀測(cè)會(huì)受到局部地表流體質(zhì)量變化的顯著影響。

受制于大氣再分析資料及時(shí)變重力場模型數(shù)據(jù)自身的局限性，本文給出的計(jì)算結(jié)果主要還是反映了大尺度地表流體質(zhì)量的負(fù)荷重力效應(yīng)。盡管如此，本文的結(jié)果仍表明青藏高原南緣絕對(duì)重力觀測(cè)中的非構(gòu)造重力效應(yīng)周年變化的峰對(duì)峰值簡單求和最大可達(dá)到10.6 μGal（XZRK），考慮到年際變化及測(cè)站局部地區(qū)信號(hào)的影響，其相應(yīng)的重力效應(yīng)還會(huì)更大。對(duì)于早期的絕對(duì)重力數(shù)據(jù)，其觀測(cè)的時(shí)間跨度一般都比較大，并且是在不同月份進(jìn)行的。因此，如果絕對(duì)重力觀測(cè)中的非構(gòu)造重力效應(yīng)未經(jīng)有效改正，這不僅會(huì)扭曲相對(duì)重力聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)的平差結(jié)果，也會(huì)干擾構(gòu)造運(yùn)動(dòng)信號(hào)的分離效果。鑒于此，建議今后對(duì)于相同測(cè)點(diǎn)上的絕對(duì)重力觀測(cè)應(yīng)盡可能在相同月份或季節(jié)實(shí)施觀測(cè)，而對(duì)于出現(xiàn)顯著異常的絕對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)盡可能地結(jié)合測(cè)站周邊的陸地水文、氣象要素等數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確剔除局部非構(gòu)造重力效應(yīng)的影響。

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Non-tectonic Gravity Effect of Absolute Gravity Observation Stations

in Southern Margin of Qinghai-Tibetan Plateau

ZHU Chuandong，LIU Jinzhao，ZHAN Wei，CHEN Zhaohui，LI Jingwei

（The First Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Tianjin 300180，China）

Abstract

Based on three-dimensional ECMWF interim reanalysis data，GRACE time variable gravity model and GPS data from 2002 to 2017，we analyzed the nontectonic gravity effects of absolute gravity observation stations in southern margin of Qinghai-Tibetan Plateau.The results show that the ECMWF Interim atmospheric gravity effect mainly presents seasonal characteristics.Its maximum annual amplitude is 1.4 μGal.The GRACE hydrological gravity effect and gravity effect caused by the vertical crustal deformation from GPS show obvious seasonal and long-term trend characteristics.The maximum annual amplitude and long-term trend can reach 2.6 μGal and -0.6 μGal/a，1.8 μGal and -0.3 μGal/a，respectively.The comparative analysis of GRACE and GPS show that the nontectonic gravity effects in southern margin of Qinghai-Tibetan Plateau can be significantly affected by the local fluid mass load.

Keywords：southern margin of Qinghai-Tibet Plateau;absolute gravity;non-tectonic gravity effect第43卷第4期2020年10月地震研究