连续重力数据处理与分析(精)

第1章　概述 1.1　连续重力观测的意义与台网 1.1.1　连续重力观测意义 地球时变重力场包括地球系统物质分布及运移的丰富信息，它直接反映了地球各圈层*基本的物质及其变化特性，是各种环境变化（固体地球潮汐、内部热流、固体和液体之间质量的交换、表面负荷和地震构造运动等）引起的地球动力学特征*基本、*直接和*重要的物理量之一。地球时变重力场及其频谱结构（图1.1）（Crossley and Hinderer，2008）的观测和研究为人们了解全球或局部地球动力学特征，为现代空间大地测量、航空航天和国防建设提供大尺度动力学背景知识及重要的参考和改正模型，同时也可促进地球动力学、地震学、气象学、海洋学、水文学及火山学等科学研究的发展。其中连续重力观测的潮汐观测结果反映了地球对月球、太阳及其他近地天体引潮力的响应，它取决于地球内部物质的空间分布和黏弹性特征。其结果建立的模型不仅可为重力仪提供标定基准，也可为地面重力测量提供精密潮汐改正参数，为地球内部精细结构特征提供重要约束。连续重力观测对地球内部构造环境具有重要科学意义。 图1.1　地球时变重力场及其频谱结构 1.1.2　连续重力观测台网 一套连续重力观测仪可以精细刻画仪器周边重力随时间变化的客观规律。然而由于台站单一，无法准确刻画物理事件在空间上的变化规律，因此，在特定区域内布设连续重力观测站，利用网络技术和数据库管理系统连接各连续重力观测站，完成数据采集、数据存储、数据质量监控、产品产出和数据共享等一系列功能的网络系统称为连续重力观测台网。目前国际上*为成功的连续重力观测台网是“全球地球动力学计划”（global geodynamic project，GGP）。 国际大地测量和地球物理学联合会（The International Union of Geodesy and Geophysics，IUGG）下属的地球深部研究小组和国际固体地球潮汐委员会联合倡导并组织实施的“全球地球动力学计划”，利用遍布全球的20多台超导重力仪长期、连续、稳定的同步观测资料（采用相同的数据采集格式和分析软件）研究地球动力学问题。该计划已顺利完成了三个阶段（阶段I，1997～2003年；阶段II，2003～2007年；阶段III，2007～2011年）的运行工作（Crossley and Hinderer，2008）。随着“全球地球动力学计划”的深入进行，越来越多的超导重力仪被安装在全球各地，台网建设也正逐步完善，目前超导重力仪的数量已达到30台左右，其地理分布如图1.2所示。“全球地球动力学计划”的实施及全球超导重力仪观测资料的积累和共享将对各种地球动力学现象的研究发挥更重要的作用。图1.1直观地给出了超导重力仪可检测到的地球动力学信号，包括海洋噪声、地球自由振荡、核模、地下水和大气变化、慢地震和寂静地震、长期形变及各种潮汐信号。 1.2　连续重力观测台网的任务与作用 地震是一种严重的自然灾害，正日益引起政府和公众的重视。近年来世界各地不断发生的灾害性地震，造成了大量的人员伤亡和巨大的经济损失。例如2004年12月26日印尼苏门答腊8.7级地震和次生海啸造成超过15万人死亡。随着人口密度增加和经济发展，地震灾害造成的损失已越来越大，地处世界强震带的各国政府都非常关注地震的监测工作。 我国是世界上地震灾害*为严重的国家之一。在20世纪，曾发生过两次死亡人数超过20万人的大地震。据统计，新中国成立以来，地震造成的死亡人数和经济损失量分别占自然灾害死亡总人数和经济损失总量的53%和51%。地震可谓是我国的“群灾之首”。 21世纪上半叶是我国实施现代化建设第三步战略的关键时期，社会和经济发展进入一个持续高速发展期，城市化建设进程将进一步加快。与此同时，我国的地震形势也非常严峻，无论是西部还是东部，都存在发生多次7级以上地震的可能。因此，我国的防震减灾事业面临着更加严峻的形势。 地震是一种大范围的地球物理现象，其孕育和发生过程中必然存在局部的变形和物质迁移等变化，这些变化将反映在重力场时空变化的观测中。重力场时空变化观测是我国地震预测的主要前兆手段之一。地震在地壳深处孕育发展造成地壳内部应力-应变的变化和物质密度的变化，从而在地表造成重力场变化。地表观测的重力变化包含这些与地震有关的信息，这是利用重力场变化探索地震机理预报的基本出发点。 研究和实践表明：在一次中强地震之前的3～5年内，重力场将会发生大于的重力变化；在一次7级以上强地震发生之前的数年内，地面重力观测结果的长期累积变化可达以上，震前重力变化持续时间可达几年或更长。地震预测需要获取的空间尺度比震源区大1～2数量级，震前重力变化范围可达数百至上千米。目前地面重力观测的精度在以内，潮汐参数变化测量精度已优于1%。因此，连续重力观测结果已作为一种重要的地震前兆信号，应用于地震科学研究和预报工作。 1.3　连续重力观测台网的建立 重力场是地球物理基本场之一。自1957年世界上**颗人造卫星发射后的20多年时间里，人们在观测和研究重力空间变化的领域取得了辉煌的成就。但对其时间分布的研究，直到20世纪50年代以后随着高精度重力测量的发展才逐步开展起来。经过半个多世纪的发展，目前已经形成了以弹簧重力仪为主、以少量的超导重力仪观测为辅的数字化监测台网。连续重力观测手段由早期单一的连续重力观测，发展到台网中存在高精度超导重力仪控制的连续重力观测台网。在连续重力观测仪器方面，经历了从GS11、GS12、GS15、拉科斯特（LaCoste & Romberg，LCR）、地球动力学（geodynamics，GEO）型和CG2型重力仪到代表目前世界*高水平的PET & gPhone、OSG（observatory superconducting gravimeter，天文台型超导重力仪）、iGrav、DZW等主流连续重力观测仪。 1.3.1　连续重力观测台网建设历程 1966年邢台地震以后，我国在全国范围内开展了连续重力观测工作，并以兼顾重点监测区（如京、津、唐、南北地震带）的布局模式开展观测。至1980年初，共有17个台站、18套仪器（乌鲁木齐有GS15-218和GS15-215 2套）进行观测。 直到1979年中国、比利时、卢森堡合作开展固体潮及地球动力学研究，除原有台站继续连续观测外，1979年9月～1980年9月比利时方在武汉、北京、广州、兰州、昆明、乌鲁木齐等地区进行重力固体潮观测。我国利用比利时提供的仪器于1980年10月～1985年4月在沈阳、青岛设立站点进行半年至一年的同步观测。所用仪器为LCR、GEO、CG2和GS系列重力仪。 为了打破国际上连续重力观测的垄断地位，中国地震局地震研究所研制了国内首台DZW型微伽重力仪。国家地震局（现称中国地震局）于1986年7月10～12日在北京召开了鉴定会议，对DZW型微伽重力仪进行了技术鉴定，此后的10年里在全国进行了布设。截至1995年底的观测资料统计（国家重力台网中心），有14个台站、15套连续重力观测仪器在进行连续重力观测。长期连续重力观测，GS系列、CG2、GEO和LCR型的重力仪由于仪器老化和故障，很多已经无法工作。新研制的DZW型微伽重力仪开始进入台网（十堰、武汉、西昌等地）。 “九五”期间连续重力观测台网更新改造形成的系统（以下简称“九五”技术系统），一方面更新改造老旧的GS15重力仪和DZW型微伽重力仪，另一方面实现观测数据的数字化。截至2007年底，十多年间全国累积对25个台站、26套仪器（乌鲁木齐有2套仪器）进行了连续重力观测改造。 “中国数字地震观测网络”（以下简称“十五”网络）项目于2001年7月正式立项。2004年6月，项目初步设计获国家发展和改革委员会的批复，全面开始实施。2007年底按设计完成了全部建设任务，经试运行至今，技术系统运行稳定，地震台站到区域中心、区域中心到国家中心已实现联网和实时数据传输，各类台网的功能和技术指标达到了设计要求，符合验收条件。2008年“十五”网络项目验收。其中连续重力观测台网建设任务包括：新建17个PET & gPhone重力仪、6个DZW型微伽重力仪、1个OSG连续重力观测站点，改造4套GS15重力仪共计27个台站、28套仪器（武汉九峰OSG和DZW同址观测）。2010～2011年中国地震局对历史遗留的“九五”技术系统的12个台站和12套仪器进行了网络改造。截至2011年底，我国连续重力观测台网运行台站达到了39个，仪器40套。在此期间，我国引入了当时国际上较为先进的PET & gPhone连续重力观测仪17套，并且中国地震局还引入了第1台由GWR公司制造的OSG（仪器号：SGC053）。 “十五”网络竣工运行后，从2011年至今先后有“中国大陆构造环境监测网络”（以下简称陆态网络）、“中国地震背景场探测工程”等对我国连续重力观测台网进行建设。同时，中国地震局和其他部委的合作及地方的自筹经费也加入台网建设中。 国家重大科技基础设施项目“中国大陆构造环境监测网络”于2012年3月验收，其中包含由中国地震局主导的30个连续重力观测站及中国科学院管理的2个超导重力观测站的工程建立。 “中国地震背景场探测工程”是国家地震安全计划的一个组成部分，2008年底获国家发展和改革委员会的立项批复，2016年顺利通过验收。“中国地震背景场探测工程”在“十五”网络和陆态网络的基础上，新建6个相对重力台站，改造“九五”技术系统以前的6个相对重力台站，完善2个“十五”网络建设相对重力台站观测的条件与环境。 在中国地震局仪器更新改造项目和中国科学院、教育部、中国计量科学研究院等达成协议共享等计划过程中，台网新增了宜昌、丽江、拉萨、昆明、北京、武汉6个超导重力站。此外福建、云南、广西、新疆、山东、天津等也开始自筹经费建设连续重力观测站点。 综合上述工程，截至2018年1月1日，我国初步建成由85个台站、92套仪器、数字化信息传输网络、台网运行状态监控系统及观测数据存储系统组成的连续重力观测台网。其优化和发展历程见表1.1。 1.3.2　中国数字地震观测网络连续重力观测网 中国数字地震观测网络连续重力观测网是由中国地震局在“十五”期间承担建设的中国数字地震观测网络的重要内容之一。其连续重力观测项目多数采用有人值守的观测模式。山洞观测技术、数据网络准实时传输技术、关系型数据库管理和同步技术被应用到已有的连续重力观测站中。项目新增了17套PET & gPhone重力仪和6套DZW型微伽重力仪，改造了4套GS15重力仪。联合在武汉建立的国家重力台网中心和国家重力台网中心基地（安装了1套OSG）形成了27个台站、28套仪器的网络化观测的连续重力观测台网。 PET & gPhone重力仪和OSG按1s/次采样率观测，DZW和GS15按照1min/次采样率进行观测。观测数据从台站到省级区域中心，汇入台网中心后分发至国家重力台网中心。国家重力台网中心负责数据的预处理、质量监控、评价、产品产出和服务等工作。台网的建设和运维由中国地震局及其下属单位一同承担。 2008年4月11日“十五”网络项目通过验收以来，中国数字地震观测网络连续重力观测网提供了高时间分辨率的重力变化数据，为地壳运动、地震预测会商等科研和业务领域提供了基础条件和产品服务。 1.3.3　中国大陆构造环境监测网络重力网 中国大陆构造环境监测网络重力网（以下简称为陆态网络重力网）是由中国地震局、中国人民解放军总参谋部测绘导航局、中国科学院、国家测绘地理信息局、中国气象局和教育部六大部门在“十一五”期间共同承担建设的中国大陆构造环境监测网络的重要内容之一。