GRACE揭示的现阶段青藏高原及邻域重力变化趋势
姜永涛 王丽美 高春春 杨九元
摘要：利用2003和2013年的GRACE月重力场模型，求算2003～2013年青藏高原及邻域的现今重力变化图像，利用该趋势图像中若干特征点上的月重力变化数据，由最小二乘拟合其长期重力变化，验证重力变化图像的可靠性，最后简要探讨青藏高原重力变化的原因。结果显示，现今青藏高原及邻域未呈现整体尺度的重力变化趋势；近年来青藏高原强震主要发生在重力变化呈现明显四象限分布特征的大型断裂带上；相对于地壳均衡效应不明显的青藏高原东缘地区，高原腹地的地壳均衡效应更加显著。
关键词：青藏高原及邻域；GRACE；重力场；地壳均衡效应
中图分类号：P315.726 文献标识码：A 文章编号：1000-0666（2016）04-0574-05
0 引言
青藏高原的形成源于印度板块和欧亚板块的碰撞（Harrison et al，1992；许志琴等，1999），由于强烈的构造运动，现今欧亚大陆90%以上的强震都发生在青藏高原及其边缘地区。地球重力场及其变化图像一直是地震监测预报研究的基本信息源。祝意青等（2003）利用地壳重力网1998～2000年间的两期绝对重力和相对重力观测资料，初步分析了2001年11月14日昆仑口西8.1级强震与震前青藏高原重力变化特征的关系；申重阳等（2010）研究了2008年于田MS7.3地震前重力场动态变化特征，发现此次地震孕育过程中的相关重力变化呈“增大—加速增大—减速增大”特征。不仅大震同震过程会引起地表大的重力变化，在大震孕育过程中，断层附近地壳应力和质量的变化也会产生重力场变化信号（Li等，1997）。因此，通过定点重力连续观测或定期流动重力网重复观测，有可能会捕捉到与震源变化有关的重力前兆信息。祝意青等（2008a，b）研究认为，地面重力观测资料可对汶川MS8.0地震发震三要素（地点、时间和震级）进行较好的中期预测，该中期预测方法同样适用于新疆于田MS7.3大震。
青藏高原及邻域的绝对重力观测点较少，拉萨、大理和昆明绝对重力观测点的现今重力变化呈下降趋势。Sun等（2009）利用这些测点上的绝对重力和GPS资料，研究认为这些点的负重力变化部分是由于Moho面起伏变化造成的，但在Sun的研究中仅利用青藏高原中南部和东南部边缘地带的三个绝对重力点观测资料，很难真实地反映出高原整体的重力变化趋势。因此，本文利用重力观测卫星GRACE从2003年和2013年的月重力场模型，求算2003～2013年青藏高原的现今重力变化趋势，并通过该趋势图上若干特征点的月重力变化，通过最小二乘拟合得到其长期变化趋势，验证了重力变化图像的可靠性，最后本文探讨了青藏高原重力变化的可能成因。
由图1可以看出，2003～2013年，青藏高原并非呈现整体特征的重力变化趋势。GRACE重力结果显示，现今高原内陆呈正重力变化趋势，最大可达1.2 μGal/a；青藏高原南部，如东构造结、喜马拉雅造山带和印度东北部区域呈现负重力变化，并在（78°E，30°N）和（94°E，30°N）形成了两个负重力变化高值区，变化率最大可达-1.5 μGal/a；青藏高原西北部的帕米尔高原区域呈正重力变化，量值约0.3 μGal/a；甘孜—玉树断裂带和鲜水河断裂带东北部的阿坝次级块体和四川盆地为青藏高原东缘的两个正重力变化高值区，而龙门山次级块体为相对较低的正重力变化区域；川滇块体南部区域呈现弱的负重力变化。
图1显示，2003～2013年，拉萨、大理和昆明地区的GRACE卫星重力变化率分别为-0.6、-0.2和-0.4 μGal/a，与地面绝对重力变化结果（Sun et al，2009）较为一致，量值上的差别，可能是GRACE卫星恢复重力场阶数有限（本文重力场模型为90阶）的缘故。
结合青藏高原大型走滑断裂分布可以发现，高原腹地重力变化梯度带与大型断裂带走向呈现近似正交的特征，且近年发生的几次走滑型强震，如昆仑山口西MS8.1地震、玉树MW7.1地震、新疆于田MS7.3地震均位于重力变化梯度带的零值区附近；同样，青藏高原东缘的走滑型强震，如鲁甸M6.5地震和普洱M6.6地震也发生在正负重力梯度带的零值区附近。青藏高原东缘的逆冲型地震，如汶川MW7.9地震和芦山MS7.0地震发生在两个重力变化高值区的鞍部地区，也处于重力变化梯度带上。通过2000年以来的大震震中和重力变化图像的位置关系可以看出，强震往往发生在大型断裂带上，且重力变化呈现出明显四象限分布特征的区域，这可能说明现今重力场变化模式对断层面上积累的应力有一定的触发作用，可视为强震的重力中短期前兆。
为进一步验证区域重力变化图像的可靠性，本文利用GRACE卫星2003～2013年的所有月重力场模型，计算了图1中8个特征点位置上的长期重力变化曲线，并对其进行了最小二乘拟合，结果如图2和表1所示。
3 青藏高原及邻域现今Moho起伏特征
卫星重力结果是一种空间重力异常，对地表高程变化不敏感，忽略青藏高原地区冰后回弹效应、剥蚀效应和季节性重力效应（Sun et al，2009），现今青藏高原卫星重力变化主要反映了高原地壳物质垂向迁移变化，即Moho面起伏的变化。
根据地壳均衡原理，Moho面下降区域的地表应呈现隆升特征，Moho面上升的区域地表则呈现下降特征，Liang等（2013）的GPS观测结果证实了在青藏高原中部（87°E，34°N）附近区域的地表呈现下降特征，高原其余区域呈现地壳抬升态势。青藏东缘的Moho面年变化率为抬升，而水准观测资料（Hao et al，2014）显示该区域为整体隆升（伴随个别拉张盆地的下降），这看似矛盾的特征表明青藏高原腹地的地壳均衡效应明显，而高原东缘地区的地壳均衡效应不明显。
由以上讨论可知，在印度板块和欧亚板块的碰撞作用下，高原腹地处于高温高压条件下的深部地壳在其上覆岩石的重力载荷下已作韧性流动（Ji，2008），因此地壳均衡效应显著，在受到深部地壳物质差应力和高原北部塔里木克拉通的阻挡作用，高原物质离开青藏高原腹地转向压力低的东侧逃逸。东侧逃逸的高原物质受青藏高原东缘岩石圈构造环境控制，呈现出地壳不均衡状态。
4 结论
本文获取了2003～2013年青藏高原及邻域的长期卫星重力变化图像，讨论了青藏高原及邻域的地壳运动状态，得出了以下结论：（1）现今青藏高原及邻域并非呈现整体特征的重力变化趋势；（2）2000年以来，青藏高原区域的强震主要发生在大型断裂带上，且卫星长期重力变化呈明显四象限分布的区域，这可能说明青藏高原的现今重力场变化模式对断层面上积累的应力有触发作用；（3）根据高原增厚一维模型获取的青藏高原及邻域moho面年变化率差异性较大，结合近年GPS和水准资料研究结果发现，青藏高原腹地地壳均衡效应显著，而青藏高原东缘地区的地壳均衡效应不明显。
参考文献：
姜永涛，张永志，王帅等.2014.GRACE时变重力场滤波方法研究.测绘通报，（11）：1-5.
申重阳，李辉，孙少安等.2010.2008 年于田 MS7.3 地震前重力场动态变化特征分析.大地测量与地球动力学，30（4）：1-7.
孙文科，张新林，沈嗣钧等.2011.高斯滤波在处理 GRACE 数据中的模拟研究：西藏拉萨的重力变化率.中国科学：地球科学，41（9）：1327-1333.
许志琴，杨经绥，姜被等.1999.大陆俯冲作用及青藏高原周缘造山带的幌起.地学前缘，6（3）：139-151.
祝意青，梁伟锋，徐云马.2008a.重力资料对2008年汶川 MS8.0 地震的中期预测.国际地震动态，（7）：36-39.
祝意青，王双绪，江在森等.2003.昆仑山口西 8.1 级地震前重力变化.地震学报，25（3）：291-297.
祝意青，徐云马，梁伟锋.2008b.2008 年新疆于田MS7.3 地震的中期预测.大地测量与地球动力学，28（5）：13-15.
摘要：利用2003和2013年的GRACE月重力场模型，求算2003～2013年青藏高原及邻域的现今重力变化图像，利用该趋势图像中若干特征点上的月重力变化数据，由最小二乘拟合其长期重力变化，验证重力变化图像的可靠性，最后简要探讨青藏高原重力变化的原因。结果显示，现今青藏高原及邻域未呈现整体尺度的重力变化趋势；近年来青藏高原强震主要发生在重力变化呈现明显四象限分布特征的大型断裂带上；相对于地壳均衡效应不明显的青藏高原东缘地区，高原腹地的地壳均衡效应更加显著。
关键词：青藏高原及邻域；GRACE；重力场；地壳均衡效应
中图分类号：P315.726 文献标识码：A 文章编号：1000-0666（2016）04-0574-05
0 引言
青藏高原的形成源于印度板块和欧亚板块的碰撞（Harrison et al，1992；许志琴等，1999），由于强烈的构造运动，现今欧亚大陆90%以上的强震都发生在青藏高原及其边缘地区。地球重力场及其变化图像一直是地震监测预报研究的基本信息源。祝意青等（2003）利用地壳重力网1998～2000年间的两期绝对重力和相对重力观测资料，初步分析了2001年11月14日昆仑口西8.1级强震与震前青藏高原重力变化特征的关系；申重阳等（2010）研究了2008年于田MS7.3地震前重力场动态变化特征，发现此次地震孕育过程中的相关重力变化呈“增大—加速增大—减速增大”特征。不仅大震同震过程会引起地表大的重力变化，在大震孕育过程中，断层附近地壳应力和质量的变化也会产生重力场变化信号（Li等，1997）。因此，通过定点重力连续观测或定期流动重力网重复观测，有可能会捕捉到与震源变化有关的重力前兆信息。祝意青等（2008a，b）研究认为，地面重力观测资料可对汶川MS8.0地震发震三要素（地点、时间和震级）进行较好的中期预测，该中期预测方法同样适用于新疆于田MS7.3大震。
青藏高原及邻域的绝对重力观测点较少，拉萨、大理和昆明绝对重力观测点的现今重力变化呈下降趋势。Sun等（2009）利用这些测点上的绝对重力和GPS资料，研究认为这些点的负重力变化部分是由于Moho面起伏变化造成的，但在Sun的研究中仅利用青藏高原中南部和东南部边缘地带的三个绝对重力点观测资料，很难真实地反映出高原整体的重力变化趋势。因此，本文利用重力观测卫星GRACE从2003年和2013年的月重力场模型，求算2003～2013年青藏高原的现今重力变化趋势，并通过该趋势图上若干特征点的月重力变化，通过最小二乘拟合得到其长期变化趋势，验证了重力变化图像的可靠性，最后本文探讨了青藏高原重力变化的可能成因。
由图1可以看出，2003～2013年，青藏高原并非呈现整体特征的重力变化趋势。GRACE重力结果显示，现今高原内陆呈正重力变化趋势，最大可达1.2 μGal/a；青藏高原南部，如东构造结、喜马拉雅造山带和印度东北部区域呈现负重力变化，并在（78°E，30°N）和（94°E，30°N）形成了两个负重力变化高值区，变化率最大可达-1.5 μGal/a；青藏高原西北部的帕米尔高原区域呈正重力变化，量值约0.3 μGal/a；甘孜—玉树断裂带和鲜水河断裂带东北部的阿坝次级块体和四川盆地为青藏高原东缘的两个正重力变化高值区，而龙门山次级块体为相对较低的正重力变化区域；川滇块体南部区域呈现弱的负重力变化。
图1显示，2003～2013年，拉萨、大理和昆明地区的GRACE卫星重力变化率分别为-0.6、-0.2和-0.4 μGal/a，与地面绝对重力变化结果（Sun et al，2009）较为一致，量值上的差别，可能是GRACE卫星恢复重力场阶数有限（本文重力场模型为90阶）的缘故。
结合青藏高原大型走滑断裂分布可以发现，高原腹地重力变化梯度带与大型断裂带走向呈现近似正交的特征，且近年发生的几次走滑型强震，如昆仑山口西MS8.1地震、玉树MW7.1地震、新疆于田MS7.3地震均位于重力变化梯度带的零值区附近；同样，青藏高原东缘的走滑型强震，如鲁甸M6.5地震和普洱M6.6地震也发生在正负重力梯度带的零值区附近。青藏高原东缘的逆冲型地震，如汶川MW7.9地震和芦山MS7.0地震发生在两个重力变化高值区的鞍部地区，也处于重力变化梯度带上。通过2000年以来的大震震中和重力变化图像的位置关系可以看出，强震往往发生在大型断裂带上，且重力变化呈现出明显四象限分布特征的区域，这可能说明现今重力场变化模式对断层面上积累的应力有一定的触发作用，可视为强震的重力中短期前兆。
为进一步验证区域重力变化图像的可靠性，本文利用GRACE卫星2003～2013年的所有月重力场模型，计算了图1中8个特征点位置上的长期重力变化曲线，并对其进行了最小二乘拟合，结果如图2和表1所示。
3 青藏高原及邻域现今Moho起伏特征
卫星重力结果是一种空间重力异常，对地表高程变化不敏感，忽略青藏高原地区冰后回弹效应、剥蚀效应和季节性重力效应（Sun et al，2009），现今青藏高原卫星重力变化主要反映了高原地壳物质垂向迁移变化，即Moho面起伏的变化。
根据地壳均衡原理，Moho面下降区域的地表应呈现隆升特征，Moho面上升的区域地表则呈现下降特征，Liang等（2013）的GPS观测结果证实了在青藏高原中部（87°E，34°N）附近区域的地表呈现下降特征，高原其余区域呈现地壳抬升态势。青藏东缘的Moho面年变化率为抬升，而水准观测资料（Hao et al，2014）显示该区域为整体隆升（伴随个别拉张盆地的下降），这看似矛盾的特征表明青藏高原腹地的地壳均衡效应明显，而高原东缘地区的地壳均衡效应不明显。
由以上讨论可知，在印度板块和欧亚板块的碰撞作用下，高原腹地处于高温高压条件下的深部地壳在其上覆岩石的重力载荷下已作韧性流动（Ji，2008），因此地壳均衡效应显著，在受到深部地壳物质差应力和高原北部塔里木克拉通的阻挡作用，高原物质离开青藏高原腹地转向压力低的东侧逃逸。东侧逃逸的高原物质受青藏高原东缘岩石圈构造环境控制，呈现出地壳不均衡状态。
4 结论
本文获取了2003～2013年青藏高原及邻域的长期卫星重力变化图像，讨论了青藏高原及邻域的地壳运动状态，得出了以下结论：（1）现今青藏高原及邻域并非呈现整体特征的重力变化趋势；（2）2000年以来，青藏高原区域的强震主要发生在大型断裂带上，且卫星长期重力变化呈明显四象限分布的区域，这可能说明青藏高原的现今重力场变化模式对断层面上积累的应力有触发作用；（3）根据高原增厚一维模型获取的青藏高原及邻域moho面年变化率差异性较大，结合近年GPS和水准资料研究结果发现，青藏高原腹地地壳均衡效应显著，而青藏高原东缘地区的地壳均衡效应不明显。
参考文献：
姜永涛，张永志，王帅等.2014.GRACE时变重力场滤波方法研究.测绘通报，（11）：1-5.
申重阳，李辉，孙少安等.2010.2008 年于田 MS7.3 地震前重力场动态变化特征分析.大地测量与地球动力学，30（4）：1-7.
孙文科，张新林，沈嗣钧等.2011.高斯滤波在处理 GRACE 数据中的模拟研究：西藏拉萨的重力变化率.中国科学：地球科学，41（9）：1327-1333.
许志琴，杨经绥，姜被等.1999.大陆俯冲作用及青藏高原周缘造山带的幌起.地学前缘，6（3）：139-151.
祝意青，梁伟锋，徐云马.2008a.重力资料对2008年汶川 MS8.0 地震的中期预测.国际地震动态，（7）：36-39.
祝意青，王双绪，江在森等.2003.昆仑山口西 8.1 级地震前重力变化.地震学报，25（3）：291-297.
祝意青，徐云马，梁伟锋.2008b.2008 年新疆于田MS7.3 地震的中期预测.大地测量与地球动力学，28（5）：13-15.
