北天山流動重力測網(wǎng)場源分辨能力

艾力夏提·玉山 劉代芹 阿卜杜塔伊爾·亞森 陳 麗 李 杰,4 趙 磊 李秉燁

1 新疆維吾爾自治區(qū)地震局,烏魯木齊市科學(xué)二街338號,830011 2 新疆帕米爾陸內(nèi)俯沖國家野外科學(xué)觀測研究站,烏魯木齊市科學(xué)二街338號,830011 3 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院,合肥市金寨路96號,230026 4 中國地震局烏魯木齊中亞地震研究所,烏魯木齊市科學(xué)二街338號,830011

地震是地殼運(yùn)動的強(qiáng)烈表現(xiàn)形式,地震的孕育是應(yīng)力持續(xù)增加到釋放的過程,該過程伴隨著物質(zhì)運(yùn)動和質(zhì)量遷移,會引起震區(qū)周圍重力場的變化[1-3]。近年來,隨著重力儀器性能的不斷提高和觀測網(wǎng)絡(luò)的不斷完善,通過地表重復(fù)重力觀測探索地震前后的時(shí)變重力場研究取得新進(jìn)展[4]。時(shí)變重力信號通常由衛(wèi)星重力、航空重力測量和陸地重力觀測獲得。衛(wèi)星重力測量具有全天候、觀測范圍廣、不受地形和氣象等自然條件的影響等優(yōu)勢,但其軌道離地面較遠(yuǎn),觀測到的重力場信號會大幅衰減[5]。航空重力測量雖然能夠得到較大量級的重力信號,且不受地形條件限制,但只能用于局部地區(qū)的重力測量,而且會受到氣候條件的影響。陸地重力觀測利用重力儀對地表觀測點(diǎn)進(jìn)行直接測量,相比于衛(wèi)星重力和航空重力,具有重力信號衰減幅度小、空間分辨率高、觀測位置可重復(fù)性強(qiáng)以及觀測儀器精度高的優(yōu)點(diǎn)[6]。因此,地面重力測量有利于發(fā)現(xiàn)與地殼內(nèi)部強(qiáng)震孕育有關(guān)的物質(zhì)運(yùn)移信號[7]。但地面重力觀測受地形、交通條件以及觀測環(huán)境等多種因素的影響,觀測點(diǎn)位無法形成均勻分布的測網(wǎng),導(dǎo)致局部地區(qū)點(diǎn)位間距大,降低了對地殼內(nèi)部重力信號的分辨能力。如何從空間非均勻分布的有限重力測點(diǎn)數(shù)據(jù)中提取地殼深部場源信號,一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題之一[8]。通過對流動重力測點(diǎn)分布的場源分辨能力進(jìn)行評估,能夠獲取地面重力測網(wǎng)在不同區(qū)域?qū)Φ貧っ芏茸兓臀镔|(zhì)運(yùn)移等物理變量的敏感程度,對重力測網(wǎng)監(jiān)測能力評價(jià)、測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與布局、場源信號不確定性等工作具有科學(xué)指導(dǎo)意義[9],可為地震孕育有關(guān)重力信號的識別提供重要精度參考。本文擬對北天山流動重力測網(wǎng)場源分辨能力進(jìn)行評估。

1 北天山流動重力測網(wǎng)概況

新疆地震重力測網(wǎng)共經(jīng)歷3個(gè)發(fā)展階段:第1階段為1978～2004年,稱為起步階段,該時(shí)段新疆地震重力測量以測線形式開展,測線主要分布在烏魯木齊、呼圖壁、石河子、烏蘇等地區(qū);第2階段為2005～2013年,稱為組網(wǎng)階段,該時(shí)段新疆地震重力測線改造成局部測網(wǎng),分別形成喀什-伽師測網(wǎng)(喀伽網(wǎng))和北天山測網(wǎng),其中喀伽網(wǎng)覆蓋范圍主要為庫車以西的南天山一帶、帕米爾高原東北緣以及塔里木盆地西部等地區(qū),北天山測網(wǎng)覆蓋范圍主要為烏魯木齊以西、獨(dú)山子以東的北天山中段地區(qū);第3階段為2014年至今,稱為整合發(fā)展階段,該時(shí)段繼續(xù)對重力測網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)喀伽網(wǎng)(南疆)和北天山網(wǎng)(北疆)的連接,形成統(tǒng)一的新疆地震重力測網(wǎng),觀測范圍覆蓋北天山、南天山、帕米爾高原東北緣、塔里木盆地西部等地區(qū)。

北天山位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣,是天山重力梯度帶的重要組成部分,該地區(qū)構(gòu)造活動較為活躍,是中國大陸構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈、地震活動頻度較高的地區(qū)[10]。歷史上北天山地區(qū)曾發(fā)生1812年尼勒克8級、1906年瑪納斯7.7級、2012年新源-和靜6.6級、2016年呼圖壁6.2級、2017年精河6.6級地震[11]。鑒于北天山地區(qū)中強(qiáng)地震頻發(fā),新疆維吾爾自治區(qū)地震局以烏魯木齊為起點(diǎn)布設(shè)重力測網(wǎng)[12],并通過擴(kuò)網(wǎng)優(yōu)化改造,形成迄今為止覆蓋整個(gè)北天山中西段的流動重力測網(wǎng)(圖1)。目前北天山測網(wǎng)共有100個(gè)測點(diǎn),但受到地形和交通條件限制,重力測點(diǎn)分布不均勻。烏魯木齊地區(qū)點(diǎn)位分布較密集,點(diǎn)間距約為10 km;位于北天山中段的呼圖壁、石河子、烏蘇等地區(qū)重力測點(diǎn)間距約為30 km;北天山西段、伊犁盆地以及吐魯番盆地西部地區(qū)重力測點(diǎn)較為稀疏,點(diǎn)間距約為40～50 km。北天山測網(wǎng)分布在山地、平原、盆地等不同地貌區(qū)域,整個(gè)測網(wǎng)海拔落差超過3 000 m,單個(gè)測段最大段差超過300 mGal,最小段差不到100 μGal。

圖1 北天山地區(qū)重力測網(wǎng)分布

2 檢測板實(shí)驗(yàn)方法

北天山地區(qū)流動重力測網(wǎng)共有100個(gè)測點(diǎn),由于受到地形地貌和交通條件的影響,測點(diǎn)分布不均勻(圖1),導(dǎo)致測網(wǎng)在不同區(qū)域?qū)χ亓Ξ惓５淖R別能力不同。本文通過設(shè)計(jì)不同分辨率的檢測板反演方法來評估非均勻分布的北天山重力測網(wǎng)的場源分辨能力。北天山流動重力測網(wǎng)東西跨度近9°,如采用常規(guī)的直立長方體組合網(wǎng)格模型來設(shè)計(jì)檢測板,需要考慮地球曲率的影響,因此在設(shè)計(jì)檢測板時(shí)選擇基于球坐標(biāo)系的球六面體(tesseroid)單元模型[13],可有效減少地球曲率和坐標(biāo)投影變換帶來的影響。由于僅靠重力手段無法識別垂向密度變化,因此本文只進(jìn)行水平分辨率的檢測板實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理是假設(shè)在地下某深度存在一組正負(fù)相間的相同尺度場源體,首先通過正演方法得到不均勻分布的實(shí)際地表重力測網(wǎng)所能觀測到的理論重力異常值,然后利用反演方法獲得場源模型參數(shù),與初始設(shè)置的場源參數(shù)進(jìn)行對比可判斷實(shí)際地表觀測點(diǎn)對場源異常體的分辨能力[8]。

實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)地下埋深10 km處存在一組由正負(fù)密度異常體組成的場源,其厚度為1 km,每個(gè)相間異常體密度差為±1×10-3g/cm3。北天山流動重力測網(wǎng)東西寬度約9°,南北寬度約4°,將研究區(qū)劃分成1°×1°正負(fù)相間的密度異常體(圖2),通過實(shí)際地表重力觀測網(wǎng)對密度異常場源的還原程度來評估測網(wǎng)場源分辨能力,然后將密度異常體大小調(diào)整為0.75°×0.75°、0.5°×0.5°和0.25°× 0.25°,重復(fù)以上步驟,評估北天山重力測網(wǎng)對不同大小場源的分辨能力。

圖2 密度異常體場源模型及其地表理論重力值

3 北天山重力測網(wǎng)監(jiān)測能力評估

根據(jù)上節(jié)檢測板實(shí)驗(yàn)方法,對北天山流動重力測網(wǎng)進(jìn)行場源恢復(fù)能力測試。首先設(shè)定空間尺寸為1°×1°的場源異常體,通過理論計(jì)算得到每個(gè)異常體在地表可觀測到的最大重力異常范圍約為±31 μGal,通過正演得到不均勻分布的地表實(shí)際重力測點(diǎn)所能觀測到的理論重力值如圖3所示。基于上述原理,分別對尺寸大小為1°×1°、0.75°×0.75°、0.5°×0.5°和0.25°×0.25°的場源異常體在地表產(chǎn)生的理論重力異常進(jìn)行正演,結(jié)果如表1所示。可以看出,地表可觀測到的理論重力信號范圍隨著場源異常體尺寸的減小而減小。

表1 不同尺寸場源異常體在地表引起的重力異常理論值

圖3 地表實(shí)際重力測點(diǎn)理論重力異常

圖4為利用不同大小檢測板對場源參數(shù)的反演結(jié)果。從圖4(a)和4(b)可以看出,除測網(wǎng)外圍較大范圍的無測點(diǎn)區(qū)域以外,反演結(jié)果能較好地恢復(fù)初始設(shè)置的場源密度,說明北天山流動重力測網(wǎng)具備1°×1°和0.75°×0.75°以上的場源監(jiān)測能力。0.5°×0.5°檢測板反演得到的場源恢復(fù)結(jié)果顯示(圖4(c)),在測網(wǎng)外圍以及測網(wǎng)內(nèi)部與測點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的環(huán)形區(qū)域無法恢復(fù)初始設(shè)定的場源密度,從而可以判斷測網(wǎng)內(nèi)吐魯番盆地西部、輪臺至巴音布魯克之間山區(qū)、尼勒克至精河一帶的環(huán)形測點(diǎn)空區(qū)無法識別0.5°×0.5°場源密度異常,而沿測線周邊以及測點(diǎn)較為密集的區(qū)域具備0.5°×0.5°場源監(jiān)測能力。0.25°×0.25°檢測板反演結(jié)果顯示(圖4(d)),測點(diǎn)分布最為密集的烏魯木齊地區(qū)能較好地恢復(fù)初始設(shè)定的場源密度,此外,測點(diǎn)較密的獨(dú)山子和庫車地區(qū)也具有一定的場源恢復(fù)能力,而其他區(qū)域無法恢復(fù)初始設(shè)定的場源密度參數(shù),說明北天山流動重力測網(wǎng)僅在烏魯木齊、獨(dú)山子、庫車等地區(qū)具備0.25°×0.25°場源監(jiān)測能力。北天山流動重力測網(wǎng)場源分辨能力如表2所示。

表2 北天山流動重力測網(wǎng)場源分辨能力

圖4 不同分辨率檢測板對場源參數(shù)的反演結(jié)果

4 北天山重力測網(wǎng)優(yōu)化方案

根據(jù)北天山流動重力測網(wǎng)場源分辨能力評估結(jié)果,現(xiàn)有的北天山重力測網(wǎng)在部分地區(qū)不具備0.5°×0.5°和0.25°×0.25°場源密度異常體監(jiān)測能力。本節(jié)主要嘗試對現(xiàn)有的北天山重力測網(wǎng)進(jìn)行模擬優(yōu)化,利用上述檢測板實(shí)驗(yàn)方法重復(fù)反演不同形狀優(yōu)化測網(wǎng)對場源的分辨程度,最終以場源分辨能力、測網(wǎng)密度、測點(diǎn)間交通條件、新增測點(diǎn)數(shù)量等作為選擇最優(yōu)方案的主要考慮因素,確定使用最少測點(diǎn)達(dá)到最佳場源分辨能力的測網(wǎng)優(yōu)化方案。

圖5為對比不同優(yōu)化方案后最終確定的北天山地區(qū)具備0.5°×0.5°場源密度異常監(jiān)測能力的測網(wǎng)分布以及反演結(jié)果。根據(jù)圖5中道路交通條件,如在測網(wǎng)東部的托克遜至巴倫臺一帶增加5個(gè)測點(diǎn),可使該區(qū)域具備0.5°×0.5°場源密度異常識別能力。此外,通過在和靜至巴音布魯克一帶增加6個(gè)測點(diǎn),能使該區(qū)域具備0.5°×0.5°場源密度異常監(jiān)測能力。測網(wǎng)西部的精河以南地區(qū)存在0.5°×0.5°場源分辨盲區(qū),由于該區(qū)域不具備交通條件,不再對該區(qū)域進(jìn)行測網(wǎng)優(yōu)化嘗試。綜上所述,通過在目前的北天山流動重力測網(wǎng)中增加11個(gè)測點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)北天山重力網(wǎng)中東部地區(qū)0.5°×0.5°場源分辨能力。

圖5 北天山流動重力測網(wǎng)最佳優(yōu)化方案

5 結(jié) 語

1)不同尺度的檢測板反演結(jié)果表明,北天山重力測網(wǎng)完全具備空間分辨率為0.75°×0.75°及以上場源異常體識別能力,等效地表可觀測到的重力異常約為29 μGal。除測環(huán)范圍較大的精河-尼勒克、吐魯番盆地以西和輪臺-巴音布魯克以外,其他區(qū)域測網(wǎng)具備0.5°×0.5°場源異常體識別能力,等效地表可觀測到的重力異常約為23 μGal。僅在測點(diǎn)分布較密集的烏魯木齊、獨(dú)山子、庫車地區(qū)具備0.25°×0.25°場源異常體識別能力,等效地表可觀測到的重力異常約為11 μGal。

2)根據(jù)北天山重力測網(wǎng)場源識別能力評估結(jié)果,綜合考慮現(xiàn)有網(wǎng)形、地形、交通條件等因素,最終確定0.5°×0.5°分辨率測網(wǎng)的最佳優(yōu)化方案。通過在托克遜及和靜以西2個(gè)0.5°×0.5°場源監(jiān)測盲區(qū)布設(shè)11個(gè)測點(diǎn),可有效提升北天山重力測網(wǎng)識別場源異常的能力,將測網(wǎng)中東部地區(qū)的場源異常識別提升到23 μGal。

致謝：中國地震局地球物理研究所陳石研究員為本研究提供技術(shù)指導(dǎo),GEOIST開源Python軟件包為本文模型正反演提供技術(shù)支持,在此一并表示感謝!