劉 杰 徐克科 方 劍 張為民 杜宗亮

1 河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南省焦作市世紀(jì)大道2001號(hào)，454000 2 中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市徐東大街340號(hào)，430077

青藏高原南緣作為印度板塊與歐亞板塊碰撞的前緣地帶，其地殼形變問題一直是地學(xué)界的研究熱點(diǎn)，并且取得了顯著成果[1-4]。傳統(tǒng)的大地測(cè)量手段(如全站儀、水準(zhǔn)儀、GPS等)觀測(cè)覆蓋范圍較小、人力成本高、測(cè)站空間分布不均勻，從而使得中長(zhǎng)空間尺度重力變化估計(jì)的不確定性較大。GRACE衛(wèi)星的發(fā)射開創(chuàng)了高精度全球重力場(chǎng)觀測(cè)和氣候變化實(shí)驗(yàn)的新紀(jì)元，被認(rèn)為是當(dāng)前中長(zhǎng)空間尺度高精度地球重力場(chǎng)恢復(fù)、地球表層陸地水和海水物質(zhì)質(zhì)量空間分布和變化探測(cè)研究中極具發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ㄖ籟5-7]。

張良鏡等[8]基于GPS和衛(wèi)星重力觀測(cè)對(duì)地表形變的季節(jié)性變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明兩者周年變化的相位和振幅在大部分地區(qū)具有較好的一致性；Steffen等[9]基于GRACE時(shí)變資料和地面絕對(duì)重力數(shù)據(jù)對(duì)Fennoscandia地區(qū)的隆升速率進(jìn)行分析，認(rèn)為絕對(duì)重力結(jié)果能較好地驗(yàn)證GRACE結(jié)果。Fu等[10]和王林松等[11]分別在喜馬拉雅地區(qū)利用GPS與GRACE技術(shù)監(jiān)測(cè)地殼垂直運(yùn)動(dòng)情況和陸地水負(fù)荷導(dǎo)致的季節(jié)性水平形變，結(jié)果顯示兩者垂直分量的季節(jié)性變化具有較好的一致性。研究表明，衛(wèi)星重力結(jié)合GPS、絕對(duì)重力等傳統(tǒng)大地觀測(cè)手段可有效獲取大范圍的地表質(zhì)量負(fù)荷遷移及地殼形變信息。本文結(jié)合GRACE與GPS以及地面絕對(duì)重力技術(shù)對(duì)青藏高原南部地區(qū)地殼形變進(jìn)行探討，以期為該地區(qū)重力場(chǎng)時(shí)空演化特征提供相關(guān)參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 GRACE數(shù)據(jù)處理

本文同時(shí)采用CSR、GFZ和JPL三家機(jī)構(gòu)提供的Level(RL05)數(shù)據(jù)，并將平均結(jié)果作為最終的估計(jì)。GRACE衛(wèi)星對(duì)低階項(xiàng)不敏感，本文采用Swenson等[12]提供的一階項(xiàng)和衛(wèi)星激光測(cè)距(SLR)得到的二階項(xiàng)進(jìn)行替換。對(duì)2003～2013年所有月份的球諧系數(shù)求取平均值，然后將每個(gè)月的球諧系數(shù)與該平均值作差得到異常場(chǎng)?；赑5M15策略對(duì)高于15階的奇偶項(xiàng)分別采用5階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合并予以扣除來(lái)削弱南北條帶誤差的影響；采用200 km扇形濾波[13]削弱高階球諧系數(shù)的噪聲影響。球諧系數(shù)可轉(zhuǎn)換為分辨率為1°×1°全球分布的重力異常、等效水柱高或垂向位移[14]：

(1)

1.2 GPS數(shù)據(jù)

GPS數(shù)據(jù)由南加州綜合網(wǎng)絡(luò)(southern California integrated GPS network, SCIGN)構(gòu)建的遠(yuǎn)程連續(xù)GPS參考站(remote continuous GPS station package，RCGSP)提供，數(shù)據(jù)處理基于ITRF2005框架，由GAMIT/GLOBK軟件分析得到單日解時(shí)間序列，本文共選取LHAZ(91.1°E, 29.7°N)、TPLJ(87.7°E, 27.4°N)、CHLM(85.3°E, 28.2°N)、JMSM(83.7°E, 28.8°N)四個(gè)測(cè)站參與研究。

1.3 絕對(duì)重力數(shù)據(jù)

FG5絕對(duì)重力儀的標(biāo)稱精度優(yōu)于5 μGal，不同儀器之間的較差約為1～2 μGal，無(wú)明顯系統(tǒng)誤差。假定地球內(nèi)部無(wú)質(zhì)量遷移，1 cm地面垂直運(yùn)動(dòng)引起的重力變化約為3 μGal[15]。為得到高精度的地面絕對(duì)重力值，對(duì)各期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[16]，主要包括大氣壓力、極移、固體潮、海潮等改正。本文利用LHAZ測(cè)站1992～2014年的絕對(duì)重力資料進(jìn)行分析比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 GRACE和GPS結(jié)果比較

圖1為GPS得到的LHAZ測(cè)站長(zhǎng)期性時(shí)間變化序列，從圖中可以看出，LHAZ測(cè)站1999～2015年除具有明顯的周期性波動(dòng)變化外，還存在明顯的線性變化趨勢(shì)，主要反映出相對(duì)穩(wěn)定的垂向構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。周期性變化振幅約為15 mm，與季節(jié)變化密切相關(guān)。對(duì)于線性變化趨勢(shì)，LHAZ測(cè)站垂向速率約為1.5 mm/a，顯示出LHAZ測(cè)站持續(xù)隆升的特點(diǎn)。

圖1 LHAZ測(cè)站1999～2015年垂直位移變化

圖2為由GRACE和GPS得到的2003～2013年垂向位移長(zhǎng)期性時(shí)間變化序列，其中部分GPS資料因數(shù)據(jù)采集等因素造成缺失。從圖2可以看出，4個(gè)測(cè)站由GPS和GRACE得到的垂向位移時(shí)間序列變化中均具有明顯的周年變化特征，與季節(jié)性變化密切相關(guān)，因此認(rèn)為由相同的物理因素(同源)所激發(fā)。部分學(xué)者[10, 17-18]從加權(quán)均方根WRMS角度評(píng)價(jià)兩個(gè)時(shí)間序列之間的一致性，結(jié)果表明，大多數(shù)臺(tái)站在扣除GRACE時(shí)間序列后，GPS垂直分量明顯減小，這在某種程度上表明季節(jié)性陸地水負(fù)荷是造成形變垂直分量的主要因素。

圖2 LHAZ、CHLM、JMSM、TPLJ測(cè)站GPS與GRACE得到的垂向位移比較

對(duì)于GPS數(shù)據(jù)，選擇1σ標(biāo)準(zhǔn)偏差作為誤差估計(jì)，通過(guò)最小二乘擬合得到CHLM、JMSM、TPLJ測(cè)站的上升速率分別為3.8±0.09 mm/a、2.6±0.14 mm/a和1.4±0.08 mm/a。其中CHLM和TPLJ測(cè)站的建站時(shí)間分別為2006年和2007年，JMSM測(cè)站部分年份數(shù)據(jù)丟失，3個(gè)測(cè)站均可以看出明顯的地殼上升趨勢(shì)。對(duì)4個(gè)測(cè)站的上升速率進(jìn)行平均，得到研究區(qū)平均隆升速率為2.3±0.11 mm/a。

對(duì)于GRACE資料，考慮到其誤差為測(cè)站所在經(jīng)度加90°換算至太平洋上相應(yīng)緯度地區(qū)的數(shù)值，因此圖3中海洋地區(qū)徑向位移值(紅色空心圓)可作為相應(yīng)測(cè)站的誤差估計(jì)。從GRACE得到的時(shí)間序列變化中可以看出明顯的周年變化趨勢(shì)，基于最小二乘原理得到4個(gè)測(cè)站的上升速率分別為：0.29±0.05 mm/a(LHAZ)、0.34±0.04 mm/a(CHLM)、0.37±0.05 mm/a(JMSM)、0.39±0.04 mm/a(TPLJ)，平均上升速率為0.35 mm/a。

圖3 LHAZ測(cè)站及同緯度海洋地區(qū)的垂向位移變化

地面測(cè)站的長(zhǎng)期變化主要受大尺度板塊運(yùn)動(dòng)、局部構(gòu)造形變、負(fù)荷質(zhì)量遷移及冰川均衡調(diào)整(glacial isostatic adjustment, GIA)等因素的綜合影響，空間大地測(cè)量得到的測(cè)站速率除觀測(cè)誤差外，主要反映這些因素綜合引起的測(cè)站運(yùn)動(dòng)。如果測(cè)站位于構(gòu)造穩(wěn)定地區(qū)，則測(cè)站垂直分量主要反映構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、負(fù)荷遷移引起的形變及GIA引起的垂直運(yùn)動(dòng)。GRACE結(jié)果為全球質(zhì)量和地表彈性負(fù)荷變化導(dǎo)致固體地球重新產(chǎn)生負(fù)荷形變的綜合影響，可反映一定尺度范圍內(nèi)總體位移的變化情況，本研究為200 km扇形濾波空間尺度范圍的平滑結(jié)果。GPS結(jié)果可反映測(cè)站及周邊地區(qū)的變化情況，其更容易受到局部因素影響而表現(xiàn)出高頻變化特征；基于GRACE估算的負(fù)荷位移主要反映流體質(zhì)量遷移的影響，其長(zhǎng)期變化機(jī)理較為復(fù)雜。

2.2 絕對(duì)重力結(jié)果

高精度絕對(duì)重力測(cè)量(FG5)一方面可反映地殼上某點(diǎn)的垂直運(yùn)動(dòng)信息，即地殼內(nèi)部質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)；另一方面可測(cè)量地表相對(duì)于地心的垂直變化，可作為一種附加和獨(dú)立的與地心有關(guān)的垂直參考基準(zhǔn)。而GPS、水準(zhǔn)測(cè)量等常規(guī)大地測(cè)量技術(shù)得到的僅為純幾何高程變化，無(wú)法得到地殼內(nèi)部物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)信息。張為民等[19]通過(guò)FG5絕對(duì)重力儀監(jiān)測(cè)青藏高原的隆起，對(duì)比分析1993年和1999年LHAZ測(cè)站的重力觀測(cè)資料，結(jié)果表明，6 a內(nèi)重力值減小12 μGal，證實(shí)LHAZ處于隆升階段，并初步估計(jì)上升速率為10 mm/a。王勇等[15]對(duì)滇西地區(qū)和西藏拉薩的絕對(duì)重力重復(fù)觀測(cè)資料進(jìn)行分析，結(jié)果顯示LHAZ測(cè)站的絕對(duì)重力以-1.82±0.91 μGal/a的速率下降，從重力學(xué)角度反映出青藏高原的隆升，并通過(guò)俯沖模型計(jì)算重力變化，認(rèn)為其主要原因?yàn)橛《劝鍓K向歐亞大陸俯沖。邢樂林等[20]利用絕對(duì)重力資料和GPS結(jié)果定量分析認(rèn)為，青藏高原拉薩測(cè)站地下地殼具有增厚特征。Sun等[21]對(duì)拉薩、昆明、大理3個(gè)測(cè)站的GPS與絕對(duì)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以大地測(cè)量技術(shù)揭示了青藏高原底部質(zhì)量損失，顯示出該地區(qū)地殼增厚的特點(diǎn)。Sun 等[22]加入衛(wèi)星數(shù)據(jù)重新對(duì)拉薩、昆明、大理3個(gè)測(cè)站進(jìn)行研究，得到3個(gè)測(cè)站的平均速率為-0.66±0.49 μGal/a，地殼增厚速率為1.9±1.4 cm/a。本文按照標(biāo)準(zhǔn)絕對(duì)重力數(shù)據(jù)的處理步驟[19]，將重力觀測(cè)值均歸算至測(cè)站標(biāo)石表面高度，得到拉薩測(cè)站絕對(duì)重力變化時(shí)間序列(圖4)。

圖4 LHAZ測(cè)站1993～2014年絕對(duì)重力變化時(shí)間序列

圖4中縱軸已經(jīng)從重力觀測(cè)值中扣除一個(gè)均值，因此反映的是LHAZ測(cè)站1993～2014年重力值的相對(duì)變化情況。關(guān)于結(jié)果的誤差分析具體見王勇等[15]和張為民等[19]的研究。從圖4中可以看出，除2010-10采用A10絕對(duì)重力儀外，其余年份均采用FG5儀器。何志堂等[23]對(duì)A10與FG5絕對(duì)重力儀進(jìn)行2次比對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示兩者之間無(wú)明顯差異，一致性較好。

3 討論與分析

前文通過(guò)拉薩測(cè)站(LHAZ)和尼泊爾地區(qū)RCGSP網(wǎng)絡(luò)中3個(gè)測(cè)站(TPLJ、CHLM、JMSM)的GPS資料得到4個(gè)測(cè)站近10 a的平均上升速率為2.3±0.11 mm/a，顯示青藏高原南部地區(qū)在持續(xù)隆升。通過(guò)由GRACE得到的垂向位移時(shí)間序列可知，2003～2013年除季節(jié)性變化外還具有輕微上升趨勢(shì)，反映出負(fù)荷質(zhì)量遷移對(duì)測(cè)站周邊地區(qū)的綜合影響。

基于LHAZ測(cè)站1993～2014年的絕對(duì)重力資料，在考慮大氣壓力、極移、固體潮、海潮、儀器高歸算等因素后，通過(guò)最小二乘擬合得到LHAZ測(cè)站的重力變化速率約為-1.76 μGal/a，與王勇等[15]得到的-1.82±0.9 μGal/a和邢樂林等[20]得到的-1.85±0.79 μGal/a的結(jié)果較為一致，表明LHAZ測(cè)站絕對(duì)重力值在持續(xù)減小，且速率較穩(wěn)定。分析表明，LHAZ測(cè)站1998-09～2000-09期間下降趨勢(shì)最為顯著，約為6 μGal/a；2004-08～2013-09下降趨勢(shì)較為平緩，約為1 μGal/a。整體來(lái)說(shuō)，LHAZ測(cè)站重力值在近20 a下降了35 μGal，反映出拉薩及周邊地區(qū)地殼的垂直運(yùn)動(dòng)(隆升)和內(nèi)部質(zhì)量遷移(虧損)情況，本文認(rèn)為其主要原因?yàn)橛《劝鍓K與歐亞板塊擠壓碰撞進(jìn)而引起青藏高原地殼形變，物質(zhì)分布發(fā)生變化。王勇等[15]將重力變化全部歸因于地殼隆升，得到拉薩測(cè)站的隆升速率為8.7 mm/a。Sun等[21]認(rèn)為印度板塊向歐亞板塊俯沖不僅造成青藏高原隆升，同時(shí)也會(huì)造成地殼底部增厚，且為持續(xù)平穩(wěn)的過(guò)程。強(qiáng)調(diào)地殼的雙倍增厚是高原隆升的主導(dǎo)機(jī)制，也是目前比較合理和普遍接受的隆升機(jī)制[24]，低密度的山根擠出高密度的地幔物質(zhì)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)物質(zhì)虧損，進(jìn)而造成重力減小。對(duì)于高原隆升和底部地殼增厚，根據(jù)物理大地測(cè)量基本理論，存在如下重力變化關(guān)系[25]：

2πG(ρm-ρc)hm=δg-3.086ht+

2πGρcht-δgd-δGIA

(2)

式中，ρm為地幔平均密度，取值3.3 g/cm3；ρc為地殼平均密度，取值2.78 g/cm3；δg為某段時(shí)間內(nèi)的重力變化；δgd為侵蝕引起高原水土流失造成的重力變化；ht為地表幾何垂直位移變化量；hm為地殼底部增厚量。

將式(2)除以Δt得到地殼厚度的變化率為：

2πG(ρm-ρc)

(3)

Sun等[22]研究認(rèn)為，拉薩地區(qū)由于侵蝕引起水土流失造成的重力影響根據(jù)Bougour層改正約為-0.25±0.1 μGal/a，GIA改正約為-0.25±0.1 μGal/a。對(duì)于拉薩測(cè)站，由絕對(duì)重力得到的重力變化率為-1.76 μGal/a，由GPS結(jié)果得到的垂直位移增長(zhǎng)率為1.5 mm/a，引起的重力變化為-0.29 μGal，將剩余未解釋部分(-0.97 μGal/a)歸因?yàn)榈貧さ撞吭龊?，代入?3)可得拉薩測(cè)站地殼底部增厚速率約為4.4 cm/a。由于僅有拉薩測(cè)站的絕對(duì)重力資料，其結(jié)果并不能代表整個(gè)青藏高原南部的地殼形變。相關(guān)研究顯示，高原地殼并不是印度地殼與西藏地殼的簡(jiǎn)單疊加，地殼厚度存在約40 km的起伏，整個(gè)青藏高原地殼平均厚度約為70 km，拉薩塊體與羌塘塊體地殼厚度相對(duì)平坦，與高原地殼厚度接近。因此，拉薩測(cè)站的結(jié)果基本可反映青藏高原整體的地殼變化趨勢(shì)，即地殼隆升與底部增厚[20]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文聯(lián)合GRACE衛(wèi)星重力、GPS和絕對(duì)重力資料對(duì)青藏高原南緣地殼形變進(jìn)行分析，結(jié)果表明，GPS與GRACE得到的結(jié)果趨勢(shì)較為一致，均具有明顯的周年變化特征，并可從趨勢(shì)項(xiàng)結(jié)果中看出青藏高原南部區(qū)域在持續(xù)隆升。結(jié)合拉薩測(cè)站絕對(duì)重力數(shù)據(jù)，考慮土壤剝蝕及GIA影響，估計(jì)該測(cè)站地殼增厚速率為4.4 cm/a，反映出青藏高原南部地殼形變特征——地殼隆升與底部增厚。因搜集到的絕對(duì)重力資料較少，今后可結(jié)合更多的重力數(shù)據(jù)分析青藏高原南緣地殼形變問題，以增強(qiáng)結(jié)果的可靠性。