0 引言

汶川M_S 8.0地震是我国大陆近年来发生的一次巨大灾难性地震，震中位于南北地震带次级地震带龙门山断裂带中段。四川省地震局1986年起即在该区建立了流动重力监测网（30°—32°N，100°—103°E），并使用高精度LCR-G型重力仪进行每年不少于1期的重力监测。地震的孕育过程伴随着地下物质的运移及质量再分布，能够导致地球重力场数千千米的空间变化及数秒到数十年的时间变化。利用地表流动重力测量，能观测到构造活动和局部地壳应力集中而引起的地壳形变（高程）和密度（质量）变化（陈运泰等，1980；贾民育等，1995；李辉等，2009）。GRACE卫星重力观测具有空间范围广阔及快速重复观测等优点，可捕捉大区域、长时间的重力变化（邹正波等，2016），能有效弥补地面观测在时间和空间上的不足。利用上述2种观测方法，均能监测到因地震孕育而引起的重力变化，只是将两者进行有效对比和联合分析的相关文献较少。因此，选择GRACE和流动重力资料对汶川地区重力变化开展对比和联合研究，以提高星地重力一体化应用效能，对于深入理解该区构造活动及地球物理特征具有一定参考价值。

1 重力资料及处理 1.1 流动重力资料处理

选取四川2003—2007年共6期流动重力资料，进行如下处理：①用LGADJ软件(贾民育等，1994；祝意青等，2005)进行拟稳平差，统一起算基准，拟稳点（郑兵等，2014）采用1998年以来点位稳定且受外界干扰比较小的测点；②对多期观测结果进行整体分析，了解并合理确定各台仪器的观测精度和先验方差，以得到最佳解算结果；③用最小二乘配置，对重力观测数据进行拟合推估，确定网格化地表重力值，以突出显示构造困素的重力效应（孙少安等，1999）。数据处理结果表明，流动重力资料具有较高精度，各期点值的平均精度在（±10.5—±15.8）μGal之间。

1.2 GRACE星重力资料处理

选取GFZ提供的GRACE LEVEL-2（RL05）引力位系数（2002—2009年），时间分辨率为一个月。数据为截至90阶的正则化球谐系数，已利用背景模型扣除非潮汐大气和高频海洋信号以及各种潮汐（包括海潮、固体潮和极潮等）的影响，主要反映重力场的非潮汐、非大气和非海洋的时变信号（邹正波等，2013）。所用时间基准与流动重力相同，不做去条带处理，对重力数据进行DDK2、DDK5、DDK8滤波，与未做滤波的预处理数据进行对比。鉴于GRACE双星系统对位系数C20项不敏感，计算时将C20作为常数，通过差分消除其影响。

已知地球重力场模型时间序列，求解地球上某点（r, θ, λ）的重力变化Δg（邹正波等，2010），公式如下

$ \Delta g = \frac{{GM}}{{{a^2}}}\sum {_{l = 2}^{{l_{\max }}}} \left({l - 1} \right){\left({\frac{a}{r}} \right)^l}\sum {_{m = 0}^l} {\overline P _{lm}}\left({\cos \theta } \right){W_l}\left({\Delta {{\overline C }_{lm}}\cos \left({m\lambda } \right) + \Delta {{\overline S }_{lm}}\sin \left({m\lambda } \right)} \right) $

(1)

式中，Δg为重力异常，${\Delta {{\overline C }_{lm}}}$、${\Delta {{\overline S }_{lm}}}$为相关重力场球谐系数与正常重力场的完全规格化球谐系数之差，${\overline P _{lm}}\left({\cos \theta } \right)$为完全规格化缔合勒让德多项式，l_max是位系数最大阶数，r是观测点与地球质心的距离，l、m为球谐系数对应的阶数和次数，λ、θ分别对应于观测点的经度和余纬，W_l为高斯滤波函数。

2 汶川地区星地重力段差变化

重力段差是指两点之间重力值的差异。跨断裂的两点重力段差时间序列变化反映了在构造应力场作用下活动断裂两盘构造变形和物质变迁所产生的重力效应（祝意青等，2010）。考虑到卫星重力NS向条带误差影响，选取2条近EW走向、跨不同断裂的测线，其中茂县—安昌测线跨越茂县—汶川断裂和北川—映秀断裂，彻底关—什邡测线跨越北川—映秀断裂和灌县—安县断裂，对比分析汶川M_S 8.0地震前6年汶川地区卫星和地表流动重力观测所求测线两端点重力段差的时序变化。

2.1 星地重力段差对比

以2003年4月为基准，截至2007年6月，得到6期流动重力观测数据，计算茂县—安昌测线和彻底关—什邡测线的地表流动重力段差值。选择与各期流动重力同时期的月卫星重力数据计算不同滤波半径下的上述测线卫星重力段差值，绘制卫星和地表流动重力段差时序变化图，结果见图 1，可见近EW走向的2条重力测线的重力段差时间序列变化特征一致，体现在：①GRACE卫星重力段差结果受滤波半径影响显著。滤波半径越大，GRACE星重力段差变化越趋于稳定，不滤波或经DDK8小半径滤波的卫星观测结果与流动重力观测结果较为一致；②在变化率上，星地重力段差变化有一定可比性，卫星与地面重力变化率结果表现为变化率同步增大或减小。

由图 1可见，滤波对卫星重力观测影响显著。究其原因，可能与重力模型截取到90阶，仅反映重力变化的中长波部分有关。去相关滤波和平滑处理在一定程度上降低了重力场的变化量值（Kusche et al，2009）。有研究表明，滤波方法在削弱噪声的同时，会对重力时变信号产生削弱，在诸多情况下，滤波导致的信号损失较严重（郭飞霄等，2018）。此外，测线所跨区域空间范围较小，认为区域内各卫星重力观测点的总误差是相等的，在利用段差求差分时可有效消除这些误差。

2.2 跨断裂段差时序变化分析

重力段差时序变化能够较好地反映跨断裂地段的重力动态变化。流动重力重复观测需要固定点位，汶川地震后道路和房屋毁坏严重，汶川地区大部分重力点位无法继续观测(郑兵等，2008)，缺少有效的震后地表流动重力观测数据。卫星重力可以有效弥补地面重力在时间分辨率上的不足。选取点位稳定的茂县、安昌、彻底关、什邡4个地表重力观测点作为卫星重力观测特征点，反演特征点间的卫星重力观测值，计算对应的重力段差值。鉴于滤波算法在消除误差的同时会损失真实重力时变信号，将地表流动重力观测结果结合未滤波卫星重力观测数据，分析龙门山中段在汶川地震前的重力段差时序变化。以2002年地表重力观测时间（2002年4月）为基准，以月为采样间隔，计算并绘制2条测线在汶川地震前后的重力段差变化时序变化图，结果见图 2。

由图 2可见，汶川地震发生前5年，星地重力段差变化呈现加速—减速—稳定的规律，反映了断裂活动剧烈—减速—稳定的演化过程，表现为2002—2003年变化剧烈增加，2004—2005年减速变化，2006—2007年变化量稳定在30 μGal以内。2007年6月以后缺少流动重力观测资料，由卫星重力观测结果看，在2008年2月重力变化有一次20 μGal的反向调整，汶川地震发生后，重力段差经1年的缓慢调整后基本恢复至震前水平。汶川地震前，龙门山中段2条测线的重力段差变化均经历了“加速—减速—稳定”的过程，表明该时段断裂带中段不同断裂的构造活动分布规律较为一致。重力段差变化清晰反映了研究区构造活动具有剧烈—减弱—震前稳定—震前反向调整—发震—震后调整的特征。

3 汶川地震前川滇地区卫星重力动态变化

地球重力场变化图像是地震监测预报的基本信息源（宁津生，2002；申重阳等，2008）。2008年以前四川地表流动重力测网未优化，地表流动重力观测与卫星重力观测难以有效进行联合对比。选取2003年1月至2008年4月的卫星重力数据，经高斯滤波（300 km），提取汶川地震前该时段重力变化。选取对应时间尺度的水文模型（GLDAS）进行水文信息数据提取和球谐系数展开，采用与重力变化提取相同的方法，得到因陆地水质量变化引起的重力变化，并在卫星重力结果中扣除，以扣除水文因素的影响。以2003年为基准，绘制川滇地区卫星重力场差分变化图像和累积变化动态图像（图 3，图 4），探索汶川地震前卫星观测的重力时空变化。考虑到汶川地震对重力场的同震影响，2008年重力变化以2008年1—4月卫星重力数据计算。

由重力场差分动态变化图像（图 3）可见，川滇地区2003—2008年重力场变化剧烈，表明该区域在汶川地震前5年构造运动较为强烈，其中：2003—2004年，基本以26°N为界，形成南边强烈的负重力变化、北边弱正重力变化的格局；2004—2005年，重力变化更加剧烈，变化幅度约±2 μGal；2005—2006年，川滇棱形块体呈弱负重力变化，块体南侧及四川盆地NE部呈弱正重力变化，重力变化零值线穿越汶川地区；2006—2007年，川滇地区整体呈弱正重力变化，包括龙门山次级块体、阿坝次级块体在内的四川地区整体重力正值变化小于0.5 μGal；2007年至汶川地震发生前，重力场变化近似呈现以川滇棱形块体为中心的“四象限分布”现象，汶川地区处于重力变化零值线附近。

由重力累积动态变化图像（图 4）可见，2003—2005年重力累积变化呈增大态势，但2006年开始呈近似四象限分布，只是高值区和低值区中心和量值存在一定的动态变化；2006年至汶川地震发生前，若尔盖—汶川一带东西两侧出现重力累积变化高值区，且累积值不断增大，川滇棱形块体以南出现重力累积变化低值区，且负变化逐渐变小。汶川地震孕育过程中，卫星重力场变化表现出“增大—减速增大—减小”的特征，且震前2年形成近似垂直于龙门山断裂带的重力变化梯度带，与姜永涛（2017）的研究结果一致。

4 结论

利用GRACE卫星和地表流动重力数据，计算位于龙门山断裂带中段2条测线2002—2009年的重力段差变化，绘制汶川M_S 8.0地震前6年川滇地区卫星重力差分、累积重力变化图像。重力段差分析时，缺少2008—2009年地表流动重力段差值，但卫星重力清晰反映了该时期重力段差的调整变化，可见卫星重力与地表流动观测在时间空分辨率上可以有效融合。卫星重力动态变化图像显示，汶川M_S 8.0地震前川滇地区重力场出现“近似四象限分布”“增大—减速增大—减小”等变化特征。综合分析龙门山断裂中段重力段差变化及川滇地区卫星重力场动态变化，可以发现：①卫星与地面的重力段差值难以建立有效联系，未经滤波处理的卫星重力段差变化与流动重力观测结果较符合。研究小范围的重力段差变化时，采用未经滤波的卫星重力数据是否可以有效减小重力信号的滤波损失，值得进一步探讨；②星地重力段差变化显示，在汶川地震发生前，龙门山断裂中段不同断裂的构造活动具有“加速—减速—稳定”的特征。卫星重力等值线图较清晰地反映了汶川地震孕育中重力场演化过程。

卫星重力具有探测大地震发生前重力变化的能力（邹正波等，2012），相信随着科技的进步及监测精度的提高，卫星重力将会更好地和地面重力相融合，在地震监测和预测研究中发挥更大作用。

文中部分图件采用GMT绘制，在撰写过程中得到邹正波副研究员的帮助，在此表示衷心感谢。