【探索地球的“心跳”】中国大陆时变重力观测：技术探索、挑战与应用展望

你感觉到地球的“心跳”吗？每一场地震、每一次火山喷发，都是地球内部力量的释放。而我们，正在学习如何“倾听”这些来自地球深处的信号。中国大陆时变重力观测技术的研究为我们打开了一扇窗口，让我们能够更加深入地理解地球的“脉搏”。

 研究背景地球内部物质迁移和地壳变形过程引起的地表重力场和电磁场的时空变化信号在大地震深部孕育环境变化研究中发挥着关键作用。探究这些变化的规律和物理机制有助于深入理解地球系统的动力学过程，同时根据这些物理规律来推断潜在的地球系统灾变现象。近年来，光纤技术、量子技术、高稳定激光技术和低温超导技术等新兴技术的发展极大地提升了地球物理核心传感器检测地球深部微弱信号的能力。这些新技术的引入为科学家们重新审视经典的断层破裂、大地震孕育模型与假说以及精确地监测地震深部潜在风险源的状态变化与运动过程提供了更有效的时变物理过程监测方法。

陆地时变重力测量技术是以高精度绝对重力的重复观测为基准，通过相对重力组网联测扩展其空间分辨率，实现对微伽级重力场时变信号的监测。经过40多年的发展，该技术在测网建设、数据处理和模型解释方面逐步形成技术体系，为应用不同时空尺度微重力变化研究地学问题提供了新的机遇与挑战。上世纪七十年代，根据海城和唐山地震前观测到的重力场变化现象，陈运泰等[1]提出了“地下物质迁移”假说。随后，通过在京津唐张地区的重力组网观测结果，顾功叙等[2]认为地壳内部多个深度内的流体物质运动对局部重力场变化有显著影响，并与地震孕育密切相关。然而，当时相对重力观测仪器的观测精度不够，缺少绝对重力基准约束，且测网覆盖有限，导致对“地下物质迁移”假说的验证面临巨大的挑战。在陆地上获取具有一定时空分辨能力的高精度时变重力数据一直是制约重力学方法研究大地震孕育物理机制的“卡脖子”难题。

随着地球物理学的发展，对地壳深部动力学机制的研究需求日益增长，时变重力观测作为探测地球内部物质迁移的重要手段，其技术发展对于深入理解地球系统内部多个深度内的流体物质运动具有重要意义。

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。“微重力”是指微伽级(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。

陆地重力观测系统的核心在于重力仪器，其观测数据的质量直接决定了重力场模型的可靠性和准确性。为保证重力仪器的性能符合标准，通常需要按照国家标准和技术规范进行严格的检验和校准。在实际的重力观测过程中，仪器类型的多样性和观测本身相关的不确定性较大。如何有效地消除或减小这些不确定性对数据处理的干扰仍然是一个亟待解决的难题。为了解决这个难题，国际上已经开发了很多处理重力数据的软件产品，如gravnet、Tsoft、GSadjust、pyGrav、GraProcess以及gTOOLS等。这些软件采用不同的方法处理重力数据，生成静态或动态的重力场模型。然而，实际上，时变重力观测数据的处理流程不仅仅生成重力场图像，还应包括对场源信号的解释和未来趋势的推测。总体上分为六个处理阶段：观测、平差、建模、反演、模拟和预测（图1）。这六个阶段涵盖了时变重力数据处理的基础步骤和数据应用拓展步骤。基础步骤通过时变重力数据认识场源属性，包括产出L0级原始数据、L1级点值数据和L2级模型数据。应用步骤在基础步骤基础上进行重力时变反演、构建场源模型，并利用物理和概率模型对场源变化进行预测。应用步骤产出L3级场源解、L4级模拟数据和L5级推估模型。在地震趋势判断和预报业务中，通过将L5级重力场推估模型与观测结果进行对比，能够确定重力变化的异常信号，为强震危险源判定和预报提供科学指导。

问题与展望这篇文章系统地综述了陆地时变重力的基本概念、观测方法、数据处理和技术方法、模型产品和应用领域等方面的研究进展。相较于卫星重力、航空重力等观测方式，陆地时变重力具有不可替代的优势，同时也面临着机遇和挑战。为提升场源监测能力，以实现对深部地壳介质变化的准确、连续和物理一致的描述，未来新一代陆地时变重力观测系统的设计和布局需兼顾当前重力观测技术前沿趋势和工程可操作性。

在现有的全国重力监测网络基础上，应围绕中国地震科学实验场，选择具备较佳观测条件的场地，加强重点区域观测。通过综合应用多技术和多变量数据，分离不同深部场源引起的重力变化信号，建立对深部介质物性变化的监测能力，以获取更准确的信号，可用于研究地震引起的重力变化，特别是震前重力扰动。同时，聚焦潜在的发震构造位置和深部介质场源信号，为研究深地壳介质变形和可靠地震前兆提供重要的基础观测资料。

从单一手段到多手段综合地球物理阵列观测由于重力时间变化量级小，场源因素更加复杂。局部降雨、地下水开采、地表形变都可能引起不同程度重力变化。为了排除这些潜在的场源因素，获得深部介质变化的重力信号，必须依靠多手段综合观测。如图2所示，通过综合应用形变场（GNSS与InSAR）、重力场、电磁场和地震波场的地球物理参数，可以监测断层闭锁状态、提取视密度和视电阻率变化以及地震学成像异常结果等，进而反演分析地下介质物性，揭示其与地震活动的内在联系。因此未来陆地时变重力观测系统应整合多种观测手段，构建多手段综合地球物理阵列观测系统。这样的综合观测能够从不同角度和尺度反映地球内部的物理性质和动态变化，推动地球物理观测从单一走向交叉、从单点走向阵列、从静态走向动态，提高信噪比、提高精度，量化不确定性，获得更加高可靠深部时变微重力信号，进一步拓展研究对象、深化研究内容、加强跨学科的交叉融合，实现对地球动态过程的深入理解和有效预测。

从平面观测走向立体深部地壳介质的场源特征需要通过反演问题来研究，而反演问题从数学上看属于不适定问题。从观测角度，解决不适定问题的关键在于改进观测系统。从地表的平面观测到近地空、陆地、井下的立体观测可以提高场源监测能力。因此，构建空、地、井一体化的高精度重力观测系统，是提高场源观测能力以及改进台网监测能力的有效方法。