青藏高原南緣絕對重力測站的非構造重力效應特征

朱傳東 劉金釗 占偉 陳兆輝 李經緯

摘要：基于2002—2017年的ECMWF Interim三維大氣再分析資料、GRACE時變重力場模型和GPS數據，分析了青藏高原南緣的拉薩、日喀則、仲巴、噶爾4個絕對重力測站的非構造重力效應。結果表明：ECMWF Interim大氣負荷重力效應主要表現為季節性變化特征，最大周年振幅可達到1.4 μGal;GRACE陸地水負荷重力效應和GPS地殼垂直位移引起的重力效應均存在較為明顯的季節性及長期趨勢變化特征，二者的最大周年振幅和長期趨勢分別達到2.6 μGal，-0.6 μGal/a和1.8 μGal，-0.3 μGal/a;GRACE與GPS的比較分析結果表明青藏高原南緣的非構造重力效應會受到局部流體質量負荷的顯著影響。

關鍵詞：青藏高原南緣;絕對重力;非構造重力效應

中圖分類號：P315.726文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2020）04-0651-07

0引言

青藏高原南緣沿喜馬拉雅山造山帶延伸分布，是印度板塊與歐亞板塊的碰撞擠壓地帶，其形成機制、隆升方式及強震孕育背景等一直備受關注。過去二十余年間，“網絡工程”和“陸態網絡”等項目先后在青藏高原南緣及其周邊地區布設了一定密度的絕對重力觀測網。與一些常規的大地測量技術相比，高精度絕對重力觀測技術不僅能給出地殼的垂直形變信息，也能揭示地殼內部質量的運動信息（王勇，張為民，1997）。因此，絕對重力測量在認識和理解青藏高原南緣的地殼運動特征及地震孕育背景方面具有十分重要的理論和實際意義。

國內外研究人員依托絕對重力觀測資料在研究青藏高原及其周邊地區地殼運動特征及地震孕育背景方面取得了一定進展。在地殼運動特征研究方面，張為民等（2000）通過對比拉薩點1999年與1993年的絕對重力觀測結果，初步證實該點的隆升速率為10 mm/a;王勇等（2004）對滇西地區和拉薩點的絕對重力重復觀測結果進行了分析，通過位錯模型證實拉薩點的重力變化是由印度板塊與歐亞大陸俯沖所引起的;Sun等（2009）和邢樂林等（2011）通過分析拉薩點等絕對重力觀測數據揭示出青藏高原地區底部的地殼增厚及物質虧損。在地震孕育背景研究方面，李輝等（2009）和祝意青等（2007，2012）利用1998年以來的絕對重力和相對重力觀測資料給出了中國大陸重力場的動態變化特征，并揭示出其與構造環境和地震孕育的內在聯系。

近年來，研究人員開始陸續關注非構造重力效應對絕對重力觀測結果的影響。康開軒等（2015）根據青藏地區的流動重力觀測結果，結合現有的冰川和湖泊水位變化估算了陸地水變化引起的水文重力效應，并給出了西藏及周邊地區的重力長期變化;Chen等（2016）利用青藏高原南緣的絕對重力觀測資料，獲得了扣除地殼垂直形變、GIA效應、地表剝蝕和地殼底部增厚影響的剩余重力變化，并發現了與尼泊爾MS8.1地震前地殼介質變化相關的重力異常信號;Yi等（2016）針對尼泊爾MS8.1地震前2年的絕對重力觀測結果，綜合湖泊、冰川、河流、降水和積雪等資料分析了各種因素的重力效應影響。

從已有的研究結果看，盡管高精度的絕對重力測量在研究青藏高原南緣的地殼運動及其動力學機制等方面表現出一定優勢，但在理論研究方面還不能將其觀測結果中所包含的地表流體質量再分布和深部物質遷移等信息完全準確分離開。考慮到青藏高原南緣復雜的構造運動與陸表環境，本文以該地區拉薩、日喀則、仲巴和噶爾4個絕對重力測站為例，聯合多源的觀測數據研究了其非構造重力效應的季節性和趨勢變化特征，以期為該地區絕對重力觀測結果中的構造運動信號分析提供參考。

1數據及其處理方法

1.1大氣再分析資料及數據處理

本文采用的大氣數據是由歐洲中期天氣預報中心生成的ECMWF Interim全球三維大氣再分析資料，包括2002—2017年共192個月的觀測數據。ECMWF Interim提供的37個大氣等壓層的高程、位勢高度、比濕、氣壓、氣溫等要素時間分辨率為1個月，水平空間分辨率為0.125°×0.125°。其中，地表及各規定等壓層的Tesseroid單元體大氣密度可利用各要素根據流體靜力平衡方程計算得到。

地震研究43卷第4期朱傳東等：青藏高原南緣絕對重力測站的非構造重力效應特征根據地表負荷函數理論（Farrell，1972），青藏高原南緣拉薩（LHAS）、日喀則（XZRK）、仲巴（XZZB）和噶爾（XZGE）4個絕對重力測站（圖1）大氣負荷重力效應可用其質量和負荷格林函數的褶積積分計算得到：L（θ，λ）=sρ（θ，λ）h（θ，λ）G（ψ）ds（1）式中：θ與λ分別表示絕對重力測站的緯度和經度;ρ表示積分面元的大氣密度;h表示積分面元的高程;ψ表示觀測點到積分面元的角距;G（ψ）表示重力負荷格林函數，可表示為：G（ψ）=GN（ψ）+GD（ψ）=gM∑∞n=0nPn（cosψ）+gM∑∞n=0-（n+1）kn+2hnPn（cosψ）（2）式中：g表示地球平均重力;M表示地球質量;Pn（cosψ）表示勒讓德函數;kn和hn表示負荷勒夫數;GN（ψ）表示牛頓引力項直接效應;GD（ψ）表示彈性地球產生的形變以及由此使地球內部質量重新分布而引起的彈性項間接效應。

在式（1）的實際計算過程中，本文將大氣數據劃分為近區（ψ<1°）、中區（1°<ψ<20°）和遠區（ψ>20°）3個部分進行計算。對于近區的Tesseroid單元體大氣質量，本文利用泰勒級數展開二階近似計算其牛頓引力項直接效應（Neumeyer et al，2004;Heck，Seitz，2007）。

1.2時變重力場模型及數據處理

本文采用的GRACE時變重力場模型是由德克薩斯大學空間中心CSR提供的Level 2 RL06版本GSM和GAC數據，包括2002年8月至2017年6月共160個月的觀測數據。其中，GRACE GSM數據在解算過程中已扣除了非潮汐大氣和海洋質量的影響，因此其反映的主要是陸地水質量重新分布引起的變化。對于GRACE時變重力場模型，本文對其一階項（Swenson et al，2008）和C20（Cheng，Tapley，2004）進行了替換，采用P5M11去相關濾波（Chen et al，2007）和300 km高斯濾波（Wahr et al，1998）的組合濾波方法以壓制高階項球諧系數誤差，絕對重力測站重力異常和垂直位移的反演公式可分別表示為：Δg（θ，λ）=GMR2∑nmaxn=0（n-1）∑nm=0Pnm（cosθ）

ΔCnmcos（mλ）+ΔSnmsin（mλ）（3）Δr（θ，λ）=R∑nmaxn=1hn1+kn∑nm=0Pnm（cosθ）

ΔCnmcos（mλ）+ΔSnmsin（mλ）（4）式中：θ和λ分別表示余緯和經度;R表示地球平均半徑;ΔC和ΔS分別表示GRACE月時變重力場模型球諧系數;Pnm（cosθ）表示正則化締合勒讓德函數。

1.3GPS數據處理

利用GAMIT/GLOBK和OQCA軟件處理2002—2017年青藏高原南緣地區“陸態網絡”GPS連續站觀測數據。除了LHAS測站以外，另外3個絕對重力測站與GPS連續站均為并址觀測。對GPS觀測數據的具體處理步驟為：①聯合青藏高原南緣及全球均勻分布的IGS站進行GAMIT基線解算，得到測站坐標單日松弛解。解算過程主要的參數設置為：天線相位中心改正采用絕對天線相位中心模型;對流層延遲映射函數采用GMF模型;全球固體潮、海潮模型改正遵循IERS 2004協議，但未進行非潮汐大氣和海洋改正。②利用QOCA軟件綜合多天的單日松弛解平差計算得到ITRF2008框架下測站坐標的時間序列。經過以上處理，對GPS連續站垂直位移時間序列中由于天線更換、強震同震位移等影響造成的階躍進行了修復，并剔除了大于3倍誤差的異常值。

1.4時間序列分析

對于絕對重力測站上的重力異常和地殼垂直位移時間序列，本文重點分析其趨勢及周年變化特征。假定其時間序列主要包含了線性趨勢項β1、周年項β2，然后基于最小二乘原理對時間序列進

行擬合分析：Δg（θ，λ，t）=β0（θ，λ）+β1（θ，λ）t+β2cos[ω1t+α1（θ，λ）]（5）式中：β0，β1，α2，β1為求解的參數;ω1=2π。

為了分析時間序列的趨勢異常特征，采用遞歸最小二乘方法對線性趨勢參數的穩定性做判斷，并利用遞歸殘差累積和檢驗識別出時間序列中結構斷點的分布位置。如果時間序列存在結構斷點，則對時間序列進行分段線性擬合。

2結果分析

2.1大氣負荷重力效應

基于2002—2017年的ECMWF Interim數據，采用負荷格林函數方法計算得到了LHAS，XZRK，XZZB和XZGE這4個測站的大氣負荷重力效應時間序列（圖2），并分別提取其周年振幅及趨勢變化特征（表1）。基于ECMWF Interim內插計算得到的4個測站的氣壓數據，本文還采用大氣導納值（-0.303 7 μGal/hPa）方法（羅少聰，2003）計算得到4個測站的大氣負荷重力效應時間序列。從圖2可以看出，采用負荷格林函數與大氣導納值方法得到的4個測站的大氣負荷重力效應較為一致，圖24個測站的大氣負荷重力效應時間序列

Fig.2Time series of atmospheric gravity effect at four stations差值標準差小于0.4 μGal。從圖2和表1可以看出，4個測站的時間序列均反映出青藏高原南緣的大氣負荷重力效應存在明顯的季節性變化特征，一般在夏季和冬季分別達到最小值和最大值，周年振幅分別為1.0，0.9，1.4和1.2 μGal。4個測站的時間序列均沒有表現出明顯的長期趨勢及趨勢異常特征，說明該地區的大氣重力效應主要表現為周年變化特征。

2.2陸地水負荷重力效應

基于2002—2017年的GRACE GSM數據，采用衛星重力反演方法計算得到了LHAS，XZRK，XZZB和XZGE這4個測站的陸地水負荷重力效應時間序列（圖3），并提取其周年振幅及趨勢變化特征（表1）。從圖3可以看出，4個測站的時間序列均反映出青藏高原南緣的陸地水負荷重力效應存在較為明顯的季節性變化特征，LHAS，XZRK，XZZB測站一般在春季和秋季分別達到最小值和最大值，而XZGE測站一般在夏季和冬季分別達到最小值和最大值，4個測站周年振幅分別為2.0，2.6，2.0和1.6 μGal。另外，LHAS和XZRK測站的時間序列表現出了較為明顯的長期趨勢特征，速率分別為-0.6和-0.4 μGal/a，而XZZB和XZGE測站時間序列的長期趨勢相對較小，速率分別為-0.1和-0.2 μGal/a。4個測站的時間序列均存在明顯的結構斷點，不同時間跨度的GRACE陸地水負荷重力效應趨勢變化呈現出明顯的差異性特征，說明該地區陸地水負荷重力效應存在較為顯著的年際變化特征，這可能與土壤水、積雪、冰川和地下水等多種陸地水文過程有關。

2.3地殼垂直位移重力效應

基于2002—2017年的GRACE GSM&GAC和GPS數據，計算得到了4個測站的地殼垂直位移時間序列（圖4）。從圖4中可以看出，4個測站的垂直位移時間序列均表現出明顯的季節性變化特征，二者給出的周年相位較為一致，但是由GRACE數據得出的周年振幅量級明顯偏小，分別為6.0，6.5，5.2和1.9 mm，而由GPS數據得出的周年振幅分別為6.5，9.2，7.0和3.6 mm，采用布格模型（-0.2 μGal/mm）換算成重力效應相當于1.3，1.8，1.4和0.7 μGal（表1）。由GRACE數據得到4個測站的垂直位移時間序列長期趨勢分別為0.4，0.3，0.2和0.2 mm/a，與之相比GPS得到的時間序列具有更加明顯的長期變化趨勢，其速率分別為1.3，0.9，1.4和0.5 mm/a，引起的重力效應相當于-0.3，-0.2，-0.3和-0.1 μGal/a（表1）。

對于青藏高原南緣的絕對重力測站而言，GRACE GSM&GAC反演得到的地殼垂直位移時間序列主要反映了大氣和陸地水等大尺度地表流體的負荷效應，與之相比GPS觀測得到的結果則更容易受到測站周邊局部區域流體質量負荷效應的影響，這可能是GRACE垂直位移時間序列量級明顯偏小的主要原因。以上比較分析結果也從側面反映出青藏高原南緣的絕對重力測站局部地區存在著顯著的地表流體質量變化，而目前的大氣再分析資料ECMWF Interim以及GRACE GSM數據還不能有效反映其非構造重力效應。

3結論與討論

本文以青藏高原南緣的4個絕對重力測站為例，基于ECMWF Interim大氣再分析資料、GRACE時變重力場模型和GPS數據系統分析了非構造重力效應的季節性和趨勢變化特征，得到以下結論：

（1）ECMWF Interim大氣負荷重力效應的趨勢變化并不明顯，其主要表現為季節性變化特征，最大周年振幅為1.4 μGal。

（2）GRACE陸地水負荷重力效應存在顯著的季節性和長期趨勢變化特征，最大周年振幅和長期趨勢分別為2.6 μGal和-0.6 μGal/a，其不同時間跨度的趨勢變化存在明顯的差異性特征。

（3）GPS地殼垂直位移引起的重力效應也存在顯著的季節性和長期趨勢變化特征，最大周年振幅和長期趨勢分別為1.8 μGal和-0.3 μGal/a。GPS和GRACE垂直位移結果的比較分析表明青藏高原南緣的絕對重力觀測會受到局部地表流體質量變化的顯著影響。

受制于大氣再分析資料及時變重力場模型數據自身的局限性，本文給出的計算結果主要還是反映了大尺度地表流體質量的負荷重力效應。盡管如此，本文的結果仍表明青藏高原南緣絕對重力觀測中的非構造重力效應周年變化的峰對峰值簡單求和最大可達到10.6 μGal（XZRK），考慮到年際變化及測站局部地區信號的影響，其相應的重力效應還會更大。對于早期的絕對重力數據，其觀測的時間跨度一般都比較大，并且是在不同月份進行的。因此，如果絕對重力觀測中的非構造重力效應未經有效改正，這不僅會扭曲相對重力聯測數據的平差結果，也會干擾構造運動信號的分離效果。鑒于此，建議今后對于相同測點上的絕對重力觀測應盡可能在相同月份或季節實施觀測，而對于出現顯著異常的絕對重力觀測數據，應盡可能地結合測站周邊的陸地水文、氣象要素等數據來準確剔除局部非構造重力效應的影響。

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Non-tectonic Gravity Effect of Absolute Gravity Observation Stations

in Southern Margin of Qinghai-Tibetan Plateau

ZHU Chuandong，LIU Jinzhao，ZHAN Wei，CHEN Zhaohui，LI Jingwei

（The First Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Tianjin 300180，China）

Abstract

Based on three-dimensional ECMWF interim reanalysis data，GRACE time variable gravity model and GPS data from 2002 to 2017，we analyzed the nontectonic gravity effects of absolute gravity observation stations in southern margin of Qinghai-Tibetan Plateau.The results show that the ECMWF Interim atmospheric gravity effect mainly presents seasonal characteristics.Its maximum annual amplitude is 1.4 μGal.The GRACE hydrological gravity effect and gravity effect caused by the vertical crustal deformation from GPS show obvious seasonal and long-term trend characteristics.The maximum annual amplitude and long-term trend can reach 2.6 μGal and -0.6 μGal/a，1.8 μGal and -0.3 μGal/a，respectively.The comparative analysis of GRACE and GPS show that the nontectonic gravity effects in southern margin of Qinghai-Tibetan Plateau can be significantly affected by the local fluid mass load.

Keywords：southern margin of Qinghai-Tibet Plateau;absolute gravity;non-tectonic gravity effect第43卷第4期2020年10月地震研究