贾路路，王林海，陈石

在地球上任何有质量的物体都会受到重力作用。由于地球形状和质量分布并不均匀，相同质量的物体在地球上不同位置受到的力并不一样，这是因为重力加速度随空间位置都会发生一定的变化，导致其在地球两极相比赤道受到的重力更大。精确测量地球上不同位置重力加速度的量值，并研究其变化规律，则可作为研究地球动力学过程和质量分布规律的一种物理手段。

地球上的板块运动和火山喷发等动力学过程，会产生一系列的应力释放，地震就是这些过程的必然产物。地震的孕育和发生往往会产生地球质量的重新分布，而产生的地表微弱可观测的重力加速度变化就是自然给人类留下的重要线索。如何高精度地获取地球重力加速度及其变化规律，是人类解决地震预报难题、破解自然现象密码的关键。

何为时变微重力？

所谓时变是说对地表同一个位置的重力每隔一段时间重复测量一次，观察其变化及规律，就像人们每隔一段时间测一次体重一样?！拔⒅亓Α笔侵肝①ぜ?1微伽=10-8m/s2)的重力加速度变化。大家知道，地球平均重力值大约为9.8 m/s2。微伽级重力变化监测，其精度大约相当于测量一头成年鲸鱼掉落一根胡须后的体重变化。

根据测量原理不同，重力测量可分为：基于自由落体运动的绝对重力测量和基于胡克定律原理的相对重力测量，对应的观测仪器叫做绝对重力仪和相对重力仪。绝对重力测量可以测出重力值及其变化，而相对重力测量只能测出重力值（相对某一时刻或地点）的变化。打个比方，绝对重力仪就好比钟表，能够给出具体时刻的时分秒时间及其变化，而相对重力仪好比沙漏，只能给出时间相对流逝了多少。

如何获取大范围、高精度的时变微重力数据

总体而言，绝对重力测量精度高但造价昂贵，相对重力测量成本相对较低。所以，大范围的重力观测网一般采用高时空密度的相对重力测量、辅以少量绝对重力基准控制的观测模式，测网数据需要后期解算处理（平差）。这称之为混合重力观测。

与地震孕育发生相关的重力变化多为微重力信号。所以，想要开展地震重力研究，一方面需要高精度的重力观测仪器采集数据；另一方面也需要科学完善的重力观测数据解算方法和体系。

随着我国陆地时变重力监测网络规模不断扩大，重力观测时间跨度大，观测仪器种类繁多，观测质量参差不齐，现有的数据产品解算方法已经不能满足研究时变重力信号的高精度需求。在没有国内外成功案例和算法参考的情况下，我们提出了适用于大尺度陆地时变重力数据处理方法——贝叶斯平差方法。该算法解决了上述问题造成的数据处理困难这一最基础、但影响学科发展的重要技术问题（图1），并已经成功地应用于解决地震重力监测数据算法不完善等制约行业发展的瓶颈性问题。该算法还可以定量计算出相对重力仪的格值因子（仪器格值与重力的对应关系，相当于沙漏中沙子流量与时间流逝量的关系）。而传统的相对重力仪格值因子确定，需要仪器在基线场中标定测量，存在工作量大、人力物力耗费多的问题。所以，该方法不仅提高了数据解算精度和利用率，还具有节约测量经费的潜力。此外，为了检验和评估重力观测数据的质量，我们进一步研发了针对多时空尺度重力数据质量控制体系，有助于提高中国大陆时变重力场数据精度。

图1 大尺度陆地时变重力数据解算方法体系

子图1：贝叶斯平差方法可以有效估计仪器的非线性漂移，并获得弱相关性的段差互差；子图2：相较于经典平差，贝叶斯平差获得的段差残差更小，随机性明显，且点值偏差更小，精度更高；子图3：通过高精度绝对重力测量结果验证贝叶斯平差获取的点值可靠性更高。

基于该方法体系，我们对青藏高原东北缘和东南缘绝对与相对测量联合的重力观测网的数据质量和测网的场源分辨能力进行有效评估。这些结果可以为区域重力测网建设提供指导和技术支撑。

助力判断强震早期风险源

我国以解决地震监测和预测预报为目的的区域重力场观测系统，其规模和数据产出已经成为世界第一。在对区域重力场变化与地震发生关系的问题研究方面，我们利用“陆态网络”2002-2008年间的相对重力重复观测结果，客观地对中国大陆西部 6 级以上地震发生前的重力场变化与地震发生之间关系进行了效能评估（图2）。通过对比重力场变化、重力梯度等信号的预报效能发现，现有地表重力观测数据可用于判定6级以上强震早期风险源。研究成果可用于指导地球物理监测台网和观测系统的建设，对强震早期风险源的判断具有重要意义。

图2 青藏高原周边6级以上地震分布与震前重力变化及Molchan检验

Molchan图表法（Molchan Error Diagram）最早是对20世纪80-90年代开展的经验性地震预测进行科学总结，解决固定研究区强震时间预测问题，并试图给出概率解释而逐渐发展起来的统计检验方法

震前深部物质运移的场源模型

地震的孕育和发生往往伴随着地壳内部质量变化和运移，会引起区域重力场的变化。20世纪70年代以来，陈运泰院士等科学家提出了“地下物质迁移”假说，认为由构造应力驱动的深地壳物质（流体）运移可能引起与地震孕育和发生相关的“等效质量源”信号。但受限于当时相对重力观测仪器的精度和缺少绝对重力基准约束，测网覆盖能力弱等因素，使得准确提取与地震孕育过程相关的重力前兆信号存在较大挑战。

21 世纪以来，高精度绝对重力测量技术逐渐实用化。例如，目前广泛使用的FG5/FG5X型绝对重力仪，其观测精度可达2微伽。这使得研究重力场的时间变化信号可以获得更加准确的基准约束。我们陆续跟踪研究了青藏高原周边多次大地震前后的微重力变化(图3)，包括2008年汶川MS8.0地震，2013年芦山MS7.0地震，2015年尼泊尔MW7.8地震和2022年门源MS6.9地震，提出了几次大地震前深部物质（流体）迁移的场源模型，研究结果为证明震前深部物质迁移假说提供了有力的高精度绝对重力观测证据。

图3 青藏高原周边多次大地震前后的绝对重力观测微重力变化

构建多手段综合地球物理阵列

进一步，为了评估深部流体引起的地表重力变化，我们通过数值模拟实验评估高压地壳流体侵入地下数公里后所引起的重力变化信号。深部高压流体侵位可产生十年左右的重力正异常，侵位的最初2-3年重力场变化速率非?？欤ù笥?微伽/年），是最佳的观测窗口。研究成果可为重力测网观测和布局提供理论支撑，为研究与地壳内部物质（流体）运移引起的地表重力变化提供了理论依据。此外，我们从地下流体运移过程与断层运动之间的关系角度出发，提出多手段综合地球物理阵列的设想（图4），推动地球物理观测手段从单一走向交叉；从单次观测，走向时变；提高信噪比、提高精度，量化不确定性；以数值模拟方法，评估地表可观测到的变化特征和量级，指导观测系统布设和数据解释。

图4 多手段综合地球物理阵列设想

近期，我们基于四川重力测网的绝对和相对重力观测结果，利用自研的开源地球物理计算软件“地学家-GEOIST”中的贝叶斯重力方法体系，提取了2013年芦山MS7.0地震前后高精度的时变重力信号，并结合小震时空分布特征、流体观测结果（He同位素，甲烷等）以及壳幔速度模型等多种地球物理和地球化学观测手段，构建了融合多学科研究结果的深部场源模型（图5）。该研究成果在地震时变重力场建模和定量解释方面提供了非常有意思的新思路。

图5 融合多学科观测结果的芦山地震深部场源模型

子图1：地表重力观测获取的震源区重力变化；子图2：震源区内震前小震活动迁移与流体扩散模型较为一致；子图3：地表和卫星观测的震源区及附近断层的幔源气体释放异常；子图4：震源区位于低速层内。

上述成果可以为如何有效提高大规模陆地重力测量数据的精度、高精度时变微重力数据应用于地震前兆异常的探索以及震前信号的建模和定量解释提供了新的研究思路和有意义的参考。

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