高精度的时变重力场测量有助于研究地球内外部系统的质量迁移和重分布过程。近年来，随着高精度绝对重力仪器的快速发展，通过绝对和相对重力建立的混合重力观测系统可以获得的高精度的时变重力信号，广泛应用于活动构造区的地壳形变、密度变化和地壳深部流体运动等研究。然而，地表观测的重力变化通常包含地表和地下多个场源过程产生的信号，而与地壳内部地震活动相关的地表可观测重力信号相对较弱，且变化机理尚不清楚，使得提取与深部构造运动相关的重力存在巨大挑战。因此，亟需探索科学的方法提取与深部场源过程相关的重力信号，并进行深部场源定量解释，有利于理解地震孕震的深部物理过程。

为了解决以上问题，中国地震局地球物理研究所的陈石研究员团队与日本统计数理研究所的庄建仓教授，采用新研发的贝叶斯重力数据处理方法体系用于2013年芦山MS7.0地震前后的流动重力观测数据，构建了可能与地表重力变化相关的深部场源物质运移模型，并对芦山地震的发震机制进行了探讨，相关成果发表在Nature旗下杂志《Communications Earth & Environment》 。

 
1.高精度陆地时变重力数据解算

研究中基于四川重力测网2010年至2013年的绝对和相对重力观测数据，采用贝叶斯重力平差方法获得了高精度的多期重力点值结果，并量化了仪器性能参数的不确定性。该方法适用于大尺度陆地时变重力数据解算，可有效提高重力测量数据的解算精度（Chen et al., 2019; Wang et al., 2022）。采用含有时空正则化约束的贝叶斯视密度反演方法实现多期地壳视密度同步反演(Yang et al., 2021; Chen et al., 2022)，获得了多期模型同化的累积重力变化。发现2013年芦山MS7.0地震前在震中以南重力显著增加，可达23微伽/年，震后逐渐减小，如图1所示。

图1 由地壳视密度模型获得的多期模型同化的累积重力变化

震前：(a) 2010-08~2011-03, (b) 2010-08~2011-10, (c) 2010-08~2012-05, (d) 2010-08~2012-10; 震后：(e) 2010-08 ~2013-05 (f) 2010-08~2013-09. 黑色虚线标记重力变化增加的区域。

 
2.水文和地壳形变效应改正

根据收集的气象站观测降水蒸发数据，GLDAS和WGHM水文模型，以及多个连续GNSS台站观测数据，计算了由陆地水变化和地壳形变引起的重力变化约为-2微伽/年，如图2所示，不足以解释该区域重力增加变化。

图2 研究区水文重力效应与地壳垂直形变

(a) WGHM 模型中与地下水位变化相关的重力变化率。 (b) 与 GLDAS 的陆地水储量相关的重力变化率。 (c) 气象站降水、蒸发变化引起的重力变化率。 (d) GRACE 卫星重力观测的重力变化率。 (e) 连续 GPS 测量的垂直速度。 图(c)中蓝色箭头的位置表示气象站的位置。

 
3.重力变化的深部等效质量源反演

基于“地下物质迁移”假说(Chen et al., 1979)和“震质源/中”的概念模型（Kuo et al., 1993; Chen et al., 2016; Jia et al., 2023），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。因此，研究中假设震源区以南的重力增加可能与深部地壳中的物质转移有关，采用简化的密度均匀的圆盘形等效场源模型来量化深部物质变化范围。基于MCMC方法估计圆盘模型参数，并进行不确定分析，如图3所示，相较于未同化的重力结果，采用模型同化的重力变化率反演获得的圆盘模型参数不确定性更小，反演残差较小。

图3 模型同化前后的重力变化与相应圆盘模型

（a）      和（b）表示分别采用平差的重力点值和模型同化的重力率反演获得的圆盘模型参数；（c）模型同化的重力变化率与相应的圆盘模型。

 
4.震源区地震学和地热观测结果

选取该圆盘区域内2010年8月至芦山地震前10公里以下的2级以上地震，发现小震震中随时间从圆盘中心向芦山地震震源迁移，与假设地下流体扩散速率约为10 m2/s的理论结果较为一致（Yukutake et al., 2011），如图4（a-c）所示。根据地表流体观测站以及卫星观测结果，发现了在龙门山断裂带南部存在 3He/4He 和 CH4 的异常释放(Cui et al., 2017; Zhang et al., 2021)，如图5（a）所示，而且采用SWChinaCVM-1.0三维壳幔速度模型（Liu et al., 2021），发现圆盘形等效场源模型位于低速带区域内，如图5（b-d）所示，小震沿高低速度带边界分布。

图4芦山 MS7.0 地震前小震活动的时空特征

图(b-c)和(d-e)分别给出了蓝色和绿色阴影区域内震中距、震源深度与地震发生时间的相关关系。

图5 3He/4He, CH4 and CO释放异常区和过圆盘中心与震中的三条速度剖面

 
5.地表重力变化的深部场源建模

最后，本文构建了融合多种观测结果的深部场源模型，如图6所示，推测芦山地震前的重力增加可能与震源区大规模的深部物质（流体）迁移有关(Liu et al., 2022)。论文研究成果可以为如何有效提高大规模陆地高精度重力测量数据的精度提供系统性解算流程，并为地震时变重力场建模和定量解释提供了新的研究思路。依托该成果应用于地震前兆异常的探索，可以为国家防灾减灾体系建设提供关键的科学技术支撑。

图6 芦山地震震源区与地表重力变化相关的深部场源模型

研究成果在2023年发表于学术期刊《Communications Earth & Environment》。研究受地震科学联合基金（批准号：U1939205）、中国地震局地球物理研究所基本科研业务费专项（批准号：DQJB22K42, DQJB21R30）、国家自然科学基金（批准号42004069, 42104090）、日本地震数据研究创新项目（STAR-E) (JPJ010217）共同资助。

【文献引用】

Wang, L., Chen, S., Zhuang, J. et al. Gravity field changes reveal deep mass transfer before and after the 2013 Lushan earthquake. Commun Earth Environ 4, 194 (2023). https://doi.org/10.1038/s43247-023-00860-z

【作者简介】

王林海，重力与地壳形变研究室助理研究员，主要从事时变重力数据处理与场源建模研究。Email: wlh@cea-igp.ac.cn

陈石(通讯作者)，重力与地壳形变研究室研究员，主要从事重磁位场方法与地球动力学研究工作。Email: chenshi@cea-igp.ac.cn