姚華建 薛向輝 王寶善 黃顯良 吳華章

1 安徽蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站 蒙城 233500

2 中國科學技術大學 地球和空間科學學院 合肥 230026

3 安徽省地震局 合肥 230071

對地球內(nèi)部及其外部空間的各種物理場的觀測，是探索地球本體及近地環(huán)境空間的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、組成、形成和演化，研究各種自然災害發(fā)生和演化的規(guī)律，以及開展自然災害預警和預測預報工作的重要基礎。目前，世界上很多國家都建有各種地球物理觀測站點，不同區(qū)域的觀測站點聯(lián)合在一起，形成龐大的地球內(nèi)部和外部空間觀測網(wǎng)絡，可以實時獲取地球與空間的多物理場信息，包括：地球內(nèi)部的振動、形變、電磁場、重力場等信息，以及地球外部空間的風場、溫度、密度、等離子體、電磁場等多種參數(shù)。安徽蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站（以下簡稱“蒙城站”）是我國唯一同時開展地球內(nèi)部和外部空間物理場觀測和研究的國家級野外站，這在國際上也是非常少見的。

蒙城站于 2007 年在安徽省蒙城地震臺（中國地震局國家基本臺）的基礎上建成，依托中國科學技術大學與安徽省地震局共同建設，主管單位為中國科學院和中國地震局；2009 年進入科學技術部國家野外科學觀測研究站。目前，蒙城站是中國科學院日地空間環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡中的重點站，是國家重大科學工程“子午工程”（一期）的重要節(jié)點。蒙城站目前開展測震、地電、地磁、形變等固體地球物理觀測，同時開展中高層大氣風場、溫度、密度、金屬層、大氣氣輝輻射、電離層電子濃度總含量、太陽射電等多種近地空間環(huán)境參數(shù)觀測，具備良好的綜合地球物理科學觀測、儀器研發(fā)和研究能力。蒙城站還聯(lián)合安徽省內(nèi)其他臺站開展地球物理場聯(lián)合探測，同時針對郯廬—大別構(gòu)造帶開展流動地球物理觀測與研究，為中國中東部地區(qū)的地震監(jiān)測、地震災害評估、近地空間環(huán)境監(jiān)測、空間災害（如磁暴）預警等提供不可或缺的觀測資料和研究支撐。

1 通過地球物理觀測，研究發(fā)現(xiàn)郯廬—大別構(gòu)造帶巖石圈結(jié)構(gòu)與變形特征

蒙城站位于安徽西北部；安徽地處華北地塊、揚子地塊和秦嶺—大別造山帶 3 個大地構(gòu)造單元的接壤地帶，著名的北北東向郯廬斷裂帶穿過安徽境內(nèi)。郯廬斷裂帶是中國東部最為重要的深大斷裂帶，總長度超過 2 400 km，郯廬斷裂帶及其兩側(cè)附近先后發(fā)生過 1668 年的山東郯城 81/2級大地震等多次強震。而秦嶺—大別造山帶附近地震活動也比較頻繁，包括造成較大破壞和人員傷亡的 1917 年安徽霍山 61/4級地震和 2006 年江西九江里氏 5.7 級地震。此外，蒙城站所在的安徽省也位于長江中下游成礦帶區(qū)域，礦產(chǎn)資源形成的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造背景一直也是熱點研究問題。

為了更好地研究郯廬—大別構(gòu)造帶及其鄰區(qū)的巖石圈結(jié)構(gòu)和變形特征、強震孕育發(fā)生的結(jié)構(gòu)背景和礦產(chǎn)資源形成的深部構(gòu)造環(huán)境，蒙城站科研人員近年來通過固定和流動寬頻帶地震臺陣觀測資料，采用背景噪聲成像、接收函數(shù)分析等方法，獲得了郯廬斷裂帶中南段及長江中下游成礦帶區(qū)域的三維巖石圈橫波速度結(jié)構(gòu)和方位各向異性模型[1-4]，以及莫霍（Moho）界面和泊松比結(jié)構(gòu)[5]，橫向分辨率可達 50 km。

獲得的結(jié)構(gòu)模型顯示郯廬斷裂帶中南段及鄰近區(qū)域的上地殼速度結(jié)構(gòu)與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造單元具有很好的對應性：盆地區(qū)域表現(xiàn)為明顯的低速異常，在造山帶、隆起區(qū)域、成礦帶區(qū)域表現(xiàn)為明顯的高速異常。郯廬斷裂帶中南段地殼速度結(jié)構(gòu)、地殼厚度和地震活動性存在明顯的分段性：其東、西兩側(cè)的地殼厚度存在明顯差異，斷裂帶東側(cè)的揚子塊體的地殼厚度不到 30 km。成像結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在長江中下游地區(qū)的下地殼和上地幔頂部存在 V 形高速異常帶（圖 1），長江中下游成礦帶中下地殼普遍存在高速異常體隆起。這可能是來源于古太平洋板塊俯沖洋殼脫水導致上地幔巖石部分熔融，巖漿底侵至地殼下部，冷卻后形成高速異常體。方位各向異性成像模型顯示郯廬斷裂帶中南段地殼的方位各向異性快波方向基本平行于斷裂帶走向，顯示出斷裂帶兩側(cè)華南和華北塊體的相對運動對斷裂帶區(qū)域地殼介質(zhì)變形的控制作用，但巖石圈與下覆軟流圈的各向異性和變形模式顯著不同。

圖1 背景噪聲成像獲得的長江中下游成礦帶區(qū)域不同深度橫波速度結(jié)構(gòu)模型（a），以及上地幔頂部V型高速異常體地球動力學背景示意圖（b）[2]Figure 1 Shear wave velocity structure at different depths of Middle-Lower Yangtze River Metallogenic Belt from ambient noise tomography (a), and schematic diagram of geodynamic background for the uppermost mantle V-shaped high velocity anomaly (b)[2]

除了巖石圈速度結(jié)構(gòu)外，地下介質(zhì)的密度結(jié)構(gòu)及其變化也是認識地球內(nèi)部構(gòu)造運動甚至孕震過程的重要參數(shù)，而地球重力場是反映地下介質(zhì)密度分布的核心物理場，重力場的測量及其隨時間的變化反映了地下介質(zhì)密度的分布及其變化。蒙城站科研人員在安徽省內(nèi)每年開展 2 次流動重力測量工作。目前，安徽省重力測網(wǎng)由相對、絕對重力測量點及連續(xù)重力觀測站組成，共有 125 個測點。2019—2020 年及 2020—2021 年的年度尺重力場變化不大，約在 ±20 μgal（圖 2）；整個觀測區(qū)域處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。蒙城站科研人員已經(jīng)發(fā)展了地震數(shù)據(jù)與重力數(shù)據(jù)的聯(lián)合成像算法，正在開展多種地震波數(shù)據(jù)與重力數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演，從而更好地約束郯廬—大別構(gòu)造帶巖石圈物性結(jié)構(gòu)及其動力學過程。

圖2 安徽省流動重力觀測獲得的不同時間段的重力場變化分布Figure 2 Spatial variation of gravity field in different periods obtained from mobile gravity observation in Anhui Province

2 通過密集短周期地震臺陣觀測，探明了郯廬斷裂帶中南段精細地殼淺部結(jié)構(gòu)

寬頻帶地震臺站的空間分布相對較為稀疏，所得成像結(jié)果的分辨率還難以刻畫斷裂帶的精細結(jié)構(gòu)。為了更好地獲得郯廬斷裂帶中南段精細的速度結(jié)構(gòu)模型和變形特征，從 2015 年開始沿著郯廬斷裂帶中南段布設密集短周期臺陣 1 600 多臺次（圖 3），包括密集線性臺陣和面狀臺陣；臺站間距為數(shù)百米到數(shù)千米，觀測時間為 1—2 個月，獲得了一批重要的地震臺陣觀測數(shù)據(jù)。

圖3 郯廬—大別構(gòu)造帶布設的短周期流動臺陣和大地電磁臺陣Figure 3 Deployed short-period band mobile seismic arrays and MT array in Tanlu-Dabie tectonic belt

基于密集臺陣數(shù)據(jù)的背景噪聲成像等方法，蒙城站構(gòu)建了橫向分辨率達數(shù)千米的郯廬斷裂帶中南段不同區(qū)段的精細地殼淺部速度結(jié)構(gòu)模型[6-8]。基于模型對比分析和模擬得出 4 點科學結(jié)論：① 郯廬斷裂帶南段（如廬江段、巢湖段、肥東段）的斷裂帶介質(zhì)表現(xiàn)為高速異常（圖 4）；由斷裂帶區(qū)域變質(zhì)雜巖和冷卻的巖漿巖所導致，斷裂帶西側(cè)的合肥盆地顯示為明顯的低速異常。② 從張八嶺北部以北的郯廬斷裂帶區(qū)域由 4 條近于平行的北北東向斷層組成，斷裂帶東西寬度達到 50—70 km；斷裂帶地殼淺部表現(xiàn)出明顯的高低速相間的特征，主要是由于華北克拉通破壞時期的拉張作用導致一系列斷陷盆地的形成。③ 郯廬斷裂帶巢湖段上地殼三維各向異性模型揭示區(qū)域內(nèi)方位各向異性分布與主要地質(zhì)單元分布相關，主要受形狀優(yōu)勢方向（如斷裂帶走向）控制；并基于各向同性和各向異性模型提出了郯廬斷裂帶巢湖段的 4 階段構(gòu)造演化模式。④ 郯廬斷裂帶合肥段的多尺度三維地殼模型[9]顯示巢湖西側(cè)的區(qū)域沉積厚度可達 6—8 km（圖 5），顯著放大地震動和造成更大的地震災害；該多尺度模型為郯廬斷裂帶設定地震的強地面運動模擬和潛在地震災害評估工作提供了重要的基礎。

圖5 郯廬斷裂帶合肥段多尺度速度結(jié)構(gòu)模型[9]Figure 5 Multi-scale velocity model of Hefei segment of Tanlu fault zone[9]

加強大地電磁、流動重力等其他地球物理場的觀測，結(jié)合密集地震臺陣觀測資料，采用地球物理聯(lián)合成像等方法，能更好地揭示郯廬—大別構(gòu)造帶深淺部精細結(jié)構(gòu)和變形特征，研究區(qū)域地震孕育發(fā)生與結(jié)構(gòu)的關系。

3 基于流星雷達聯(lián)合觀測，揭示中間層頂中性大氣對太陽/地磁響應

中間層頂區(qū)域大氣主要成分為大氣分子；在這一高度范圍，大氣分子間的運動以碰撞為主，一般認為不受地球磁場及地磁活動的影響。太陽活動會產(chǎn)生強烈的地磁擾動，同時伴隨大量高能粒子進入地球大氣，在磁層-電離層-熱層產(chǎn)生一系列災害性空間天氣現(xiàn)象。近年研究發(fā)現(xiàn)能量粒子注入可以引起中間層痕量成分（如 O3、NOx、HOx等）變化，以及低熱層高度（95 km 以上）大氣溫度變化。但是，對于中間層的中性大氣是否受到太陽活動的影響這一問題尚不清楚。

基于流星雷達探測的流星尾跡的衰減時間（雙極擴散系數(shù)），通過排除微流星注入大氣速度對流星燒蝕峰值高度的影響，發(fā)展了中間層頂大氣密度反演算法。該方法應用于全球流星雷達觀測，獲得了不同緯度中間層頂大氣密度季節(jié)變化[10]（圖 6）。在此基礎上，發(fā)現(xiàn)極區(qū)中間層頂大氣密度與對重現(xiàn)性地磁活動的響應呈現(xiàn)明顯的負相關；即地磁活動Kp指數(shù)增強時，中間層頂大氣密度降低，反之亦然。這與此前報道的熱層大氣密度與地磁活動存在正相關性的觀測結(jié)果剛好相反。另外，還發(fā)現(xiàn)在重現(xiàn)性地磁活動期間中間層頂風場存在明顯西向增強現(xiàn)象，并伴隨顯著的潮汐幅度（特別是半日潮汐幅度）增加。進一步分析 2004—2016 年中間層頂中性大氣密度對強地磁暴（Dst<-100 nT）的緯度依賴特征，蒙城站發(fā)現(xiàn)在強磁暴期間極區(qū)中間層頂大氣密度存在明顯的下降（可超過 10%），兩極地區(qū)的中間層頂大氣密度存在相似的變化并可以延伸至中緯度地區(qū)[11]。這些發(fā)現(xiàn)揭示了強地磁活動期間伴隨的高能粒子或者熱層焦耳加熱等過程對中高層大氣動力學過程的潛在影響。

圖6 北極-南極流星雷達反演的中間層頂大氣密度季節(jié)變化特征[11]Figure 6 Seasonal variation of relative atmospheric density within mesopause region using meteor radars from Arctic to Antarctica[11]

4 基于電離層數(shù)字測高儀與衛(wèi)星聯(lián)合觀測發(fā)現(xiàn)電離層Es季節(jié)變化形成機制

電離層是距地面約 60—1 000 km 高度的大氣部分電離區(qū)域，是影響無線電波傳播最重要的媒介。在高空大氣中，流星注入形成的金屬離子是導致高空電離層突發(fā)E層（Es 層）的主要成分。Es 層是 90—130 km 垂直高度區(qū)域中稠密的電離層不均勻體。電離層不均勻體的出現(xiàn)極大地影響著無線電通信、定位、導航、航空航天等相應領域的遠程空間通訊的準確性和穩(wěn)定性。

自 20 世紀 60 年代地球電離層 Es 層被觀測發(fā)現(xiàn)以來，其形成的物理機制一直是一個長期未解決的問題，而其中最大的一個難題就是如何解釋 Es 層顯著的季節(jié)變化。通過 COSMIC 衛(wèi)星的 GPS 掩星事件對全球電離層Es層的強度進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng) Es 成因的“垂直風剪切理論”并不能很好的解釋 Es 層的全球季節(jié)變化特征[12]。在此基礎上，利用國內(nèi) 120° 子午線和英國盧瑟福 · 阿普爾頓實驗室 0° 本初子午線附近的電離層數(shù)字測高儀觀測鏈，發(fā)現(xiàn) Es 層存在顯著地從冬季半球向夏季半球的子午輸運過程，這一全球金屬離子的跨半球輸運過程主要受低熱層的大氣經(jīng)向環(huán)流控制（圖 7）。該研究成果對進一步理解 Es 層的形成機制提供了重要的觀測和理論依據(jù)[13]。

圖7 我國東經(jīng)120°子午線和格林威治本初子午線午線的電離層數(shù)字測高儀觀測臺鏈（a）；基于2個臺鏈電離層數(shù)字測高儀觀測擬合的北半球Es水平輸運速度（b）Figure 7 Location of the Ionosonde chains along 120oE meridian and Greenwich prime meridian, respectively (a); Fitted meridional transport velocity of Es in northern hemisphere using two meridional chains (b)

5 基于蒙城北斗電離層短基線觀測網(wǎng)揭示電離層中小尺度結(jié)構(gòu)變化機制

在電離層中存在復雜的不同時間尺度和空間尺度的變化和結(jié)構(gòu)。一般來說，1 000 km 及以上的大尺度電離層結(jié)構(gòu)和變化主要引起無線電信號延遲的差異，而中小尺度的電離層結(jié)構(gòu)和變化還會造成電離層閃爍，嚴重時可導致信號的中斷。由于觀測的限制，目前對中小尺度結(jié)構(gòu)和變化的認識較為缺乏。

基于 GNSS 的電離層觀測是目前應用最廣泛的電離層觀測技術。而我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)還包含 5 顆地球靜止軌道同步衛(wèi)星，與美國 GPS 等系統(tǒng)相比擁有獨特的優(yōu)勢。北斗同步衛(wèi)星電離層觀測相當于是定點的全天候觀測，能把電離層時間和空間變化效應區(qū)分。借助北斗的觀測優(yōu)勢，蒙城站創(chuàng)新地建立了中國中部區(qū)域蒙城北斗電離層短基線觀測網(wǎng)（圖 8）。該觀測網(wǎng)絡臺站間距基本在 100 km 附近，最小間距在 60 km，可以構(gòu)成兩組三角觀測網(wǎng)絡。觀測網(wǎng)除了可以接收北斗衛(wèi)星信號，還可接收 GPS 和 GLONASS 等導航衛(wèi)星信號。利用該特色觀測網(wǎng)絡，結(jié)合蒙城站布設的光學氣輝觀測，能有效觀測和監(jiān)測區(qū)域中小尺度電離層變化和結(jié)構(gòu)及其引起的閃爍，對研究和認識電離層區(qū)域結(jié)構(gòu)和變化具有重要作用。

圖8 蒙城北斗電離層短基線觀測網(wǎng)分布圖Figure 8 Location of Mengcheng ionospheric observation of Beidou Short Baseline Network

利用蒙城北斗電離層短基線觀測網(wǎng)，中國科學技術大學團隊聚焦電離層中小尺度結(jié)構(gòu)和變化開展了系列工作，取得了創(chuàng)新性成果，包括：首次發(fā)現(xiàn)區(qū)域性 100 km 尺度電離層經(jīng)度梯度（圖 9）；黃山站觀測到不同天北斗同步衛(wèi)星電離層總電子含量（TEC）變化對比，在 2016 年 3 月 8 日和 11 日不同同步衛(wèi)星 TEC 變化存在明顯不同，3 月 8 日不同同步衛(wèi)星 TEC 較為一致，而 3 月 11 日存在顯著差異，小區(qū)域變化達 100% 以上。該結(jié)果準確刻畫既揭示了電離層中尺度行進式擾動特征及其與不規(guī)則體關系，發(fā)現(xiàn)低層大氣潮汐活動導致電離層變化超過磁暴效應的現(xiàn)象等。自 2015 年該網(wǎng)絡建設起，利用其觀測數(shù)據(jù)已發(fā)表多篇重要研究論文[15-17]，得到了國內(nèi)外學界廣泛關注和認可。

圖9 黃山站觀測不同天北斗同步衛(wèi)星電離層總點子含量（TEC）[14]Figure 9 Variations of vertical TECs observed by Beidou GEO at Huangshan[14]

6 結(jié)語與展望

通過不斷努力，蒙城站構(gòu)建了從固體地球到高層大氣較為全面的地球物理觀測網(wǎng)絡，開展了一系列富有成效的地球物理野外觀測工作，取得了豐碩成果；其在郯廬斷裂帶多尺度地下結(jié)構(gòu)成像與孕震構(gòu)造研究、中緯度區(qū)域中高層大氣和電離層精細結(jié)構(gòu)和變化機制等領域的科研成果引起了國內(nèi)外的關注，為我國地球物理野外站從固體地球到行星際空間的綜合觀測和研究體系的建設起到了示范作用。

未來蒙城站的觀測和研究主要從 4 個方面展開：① 提升地球物理儀器研發(fā)和組網(wǎng)觀測能力，包括分布式光纖傳感設備[18]、絕對重力儀、實時傳輸智能地震儀、陣列式大口徑激光雷達、多站流星雷達組網(wǎng)觀測等。② 繼續(xù)開展郯廬—大別構(gòu)造帶多尺度地震、電磁、重力、形變等綜合地球物理觀測，以及多種不同數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演及聯(lián)合解釋，深入研究該構(gòu)造帶的深淺部結(jié)構(gòu)和變形、地震活動性分布和地震災害特征。③ 圍繞近地空間環(huán)境多要素協(xié)調(diào)觀測，加強近地空間環(huán)境主被動光學和無線電遙感能力建設，為理解近地空間多圈層、多尺度耦合提供觀測條件。④ 加強固體地球與近地空間的聯(lián)合觀測與融合研究，更好地約束整個地球與近地空間系統(tǒng)的物理過程。例如：太陽活動如何影響地球電離層和地球磁場的變化，大地震活動與地球電離層異常之間的關系，以及電離層變化對雷達干涉（InSAR）地表形變測量的影響等。