孫和平1,2 周江存1 徐建橋1 陳曉東1 雷湘鄂1崔小明1 牛曉偉3
1 中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院 大地測量與地球動力學國家重點實驗室
2 中國科學院大學
3 中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院 武漢大地測量國家野外科學觀測研究站
1985?年以來，武漢大地測量國家野外科學觀測研究站積累了近?35?年的高精度重力觀測數據，為國家精密測繪、全球大尺度地球動力學和空間技術提供新的理論指導和背景材料。
地球重力場的時間變化綜合反映了來自其他天體的引潮力變化和地球系統(tǒng)內不同圈層質量遷移情況。而這些質量在空間分布的調整又與地球自轉、地表負荷、地震甚至地球內核運動等地球動力學現象密切相關。地球是由地表流體層、地殼、地幔、液態(tài)外核和固態(tài)內核等組成的分層旋轉橢球體，在不同圈層內部和各圈層之間耦合的動力學過程中會產生多種自由運動簡正模。它們是與地球深內部結構物性參數和內部動力學等地球科學基礎研究領域的前沿熱點問題密切相關的，并且會在地表及外部空間的重力場變化中得以體現。因此，對重力場的時間變化特征的分析與研究有助于加深我們對地球各圈層內部活動及各圈層之間的耦合等現象的認識。
目前，觀測精度達到 10-8 m/s2（微伽）的重力儀就屬于高精度重力儀的范疇。而超導重力儀的精度要比微伽標準高?1—2?個量級，具有超高的觀測精度、極低的漂移率、非常高的穩(wěn)定性和靈敏度。儀器主要部件封裝在絕緣的充滿液氦的杜瓦瓶內，一個超導小球懸浮在磁場中，磁力正好精確地平衡重力。對上部和下部線圈的電流的比例進行調整，可以使磁力梯度（等同于彈簧常數）非常微弱。因此，非常小的重力變化，會引起超導球大的移動，從而具有非常高的靈敏度。零電阻的超導性能，允許產生磁場的電流可以穩(wěn)恒流動，只要保持在臨界溫度的超導狀態(tài)下，就永遠沒有電阻帶來的損耗，因此具有極強的穩(wěn)定性。采用磁懸浮測試感應體，從根本上解決了機械彈簧重力儀的零漂問題。因此，超導重力儀是目前性能最好的相對重力儀，是研究重力固體潮及重力長期變化最理想的觀測儀器，能有效檢測地球表面和內部物質遷移，以及深內部動力學效應。
武漢大地測量國家野外科學觀測研究站（以下簡稱“武漢大地測量站”）超導重力觀測始于?1985?年，其超導重力儀在?1997?年經過了儀器廠家的升級更新。后來與比利時、英國和德國等國的重力儀進行了長期的同址比對觀測，建立了武漢國際重力潮汐基準，對早期建立的基準值進行了校正，確定了更為精密的潮汐模型，為空間和地面大地測量以及地球物理觀測提供精密的潮汐改正，它也是亞洲唯一的國際重力潮汐基準。為研究青藏高原地下結構及隆升等區(qū)域構造動力學現象，武漢大地測量站在與武漢基本處于同一緯度區(qū)的云南麗江和西藏拉薩分別安裝了新型超導重力儀，三地構成一條超導重力長期連續(xù)觀測的東西鏈條，為相關研究提供了重要的數據保障。
在對超導重力觀測資料的長期分析與研究過程中，也促進了相關理論的發(fā)展。得益于全球地球動力學計劃（GGP）的實施，基于全球超導重力儀觀測資料共享，臺站科研人員開展了重力固體潮、大氣負荷和海潮與陸地水負荷、地球自由核章動、地球自由振蕩、內核平動振蕩等全球動力學信號的研究與檢測；同時，還開展了地下水重力效應的理論模擬研究。
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建立了武漢大地測量站的背景噪聲模型
臺站背景噪聲水平是評價觀測數據質量和臺站觀測環(huán)境優(yōu)良水平的一個關鍵指標。武漢大地測量站分頻段（如地震、亞地震、潮汐頻段）定量研究了超導重力儀臺站的背景噪聲水平，發(fā)現在低頻部分超導重力儀比傳統(tǒng)地震儀的背景噪聲水平要低，同時也證實了超導臺站具有較低的噪聲水平、較高的觀測質量。定量評估了“中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網絡”30個?gPhone?連續(xù)重力臺站背景噪聲水平，探討了背景噪聲的地域分布特征，初步建立了中國大陸重力場背景噪聲模型。
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構建了精密潮汐改正模型
武漢大地測量站利用全球長期連續(xù)超導重力觀測資料，獲得了精密的重力潮汐因子和相位滯后，構建了全球固體潮實驗模型。通過對比實驗模型與實測結果，發(fā)現該實驗模型中?O1、K1、M2?和?S2 4?個主要潮波的差異平均優(yōu)于?0.2%。該實驗模型接近于非彈性、非流體靜壓力平衡初始狀態(tài)的地球模型的結果。其中，周日潮波部分與?Mathews的結果比較一致，而半日波部分與?Dehant?等的結果更加一致。
利用不同的理論固體潮模型和上述的實驗固體潮模型，結合由?NAO99b?全球海潮模型和中國近海海潮模型，基于格林函數方法計算的海潮負荷效應，構建了中國大陸精密重力潮汐改正模型。結果表明，采用不同的固體潮模型或實驗模型會對重力潮汐結果產生相對變化幅度小于?0.06%?的差異；在沿海地區(qū)，海潮負荷的影響約為整個潮汐的?4%，而中部地區(qū)約為1%；其中，中國近海潮汐模型的影響約占整個海潮負荷的?10%，內插或外推潮波的負荷約占海潮負荷的3%。通過與超導重力觀測資料進行比較表明，重力潮汐改正模型的精度遠遠優(yōu)于?5×10-9 m/s2，這說明構建的改正模型具有很好的實用性，可為中國大陸高精度重力測量提供精密的改正模型。
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改善了地表質量負荷重力效應的理論模擬
武漢大地測量站利用標準大氣模型構造了大氣重力格林函數，克服了傳統(tǒng)的計算大氣負荷效應時模型復雜、計算量大的缺點，獲得了精度較高的大氣負荷效應。根據大氣重力信號隨區(qū)域分布而變化的特征，計算了大氣重力導納值?；趶椥缘厍虮砻尕摵衫碚?，利用準三維大氣模型，建立了一套大氣負荷效應的計算系統(tǒng)。采用地表氣壓和溫度資料計算了大氣負荷效應和大氣重力導納值，為快速計算大氣負荷效應奠定了基礎。
采用由高空間分辨率的數字高程模型確定的海陸邊界來模擬沿海和島嶼的海潮負荷效應，構建了我國沿海和島嶼的重力潮汐模型。顯示了考慮高精度海陸邊界信息在計算沿海和島嶼海潮負荷的重要性，同時也指出準確的高程值在計算沿海重力海潮負荷中的重要性。
利用全球?20?個臺站高精度重力潮汐觀測序列，深入研究了目前海潮和固體潮模型的適定性及海潮負荷改正的有效性。顧及不同潮波振幅特征，提出了計算各臺站平均觀測殘差和剩余殘差矢量的“非等權均值法”，獲得了經海潮負荷改正后，全球臺站主波平均振幅因子與理論模型間的差異小于?0.3%?和儀器標定誤差不超過?0.5%?的重要結論；用地表重力實測數據證實了?Mathews?等關于周日潮?K1?和?O1?波相位滯后是正值的理論計算結果。
利用全球陸地水儲量變化模型，基于格林函數方法，模擬了全球陸地水儲量變化對重力場的影響；基于重力位理論，聯合地表絕對重力測量和空間重力測量結果反演了區(qū)域的陸地水儲量變化，并用井水位資料驗證了反演結果的正確性。從地下水滲透過程的物理機制出發(fā)，采用一維水動力學模擬，利用井水位和降雨數據模擬了武漢大地測量站附近的土壤含水率變化，在此基礎上估計了地下水變化導致的重力效應?。
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探測了與地球動力學相關的信號
自由核章動
地球自由核章動（FCN）是由于地幔與液態(tài)外核的瞬時旋轉軸不一致而在橢球形核幔邊界產生的一種自轉簡正模，它與液核的動力學扁率、核幔邊界附近的黏滯系數、電導率、磁感應強度等密切相關。
武漢大地測量站利用全球超導重力觀測數據，確定了?FCN?的本征周期為?430?天左右，精密測定了?FCN?的共振參數。估算了核幔邊界的黏滯系數和電磁耦合參數，數值結果表明液核頂部的黏滯系數應該在?6.6×102—2.6×103 Pa·s之間，這與根據地球章動、液核自由章動及日長變化等的實際觀測得到的黏滯系數結果非常吻合。結果還表明，地幔底部的電導率需要達到?2.6×106—1.0×107 S/m?才能符合實際觀測的?FCN品質因子量級，耗散耦合對?FCN?本征周期的影響僅為?1—2?恒星日。
利用模擬數據研究了周日潮波對?FCN?周期變化的敏感程度，根據?K1?和?ψ1?波的變化幅度發(fā)現?FCN?周期的變化幅度為?2.5—4?恒星日，與實際甚長基線干涉（VLBI）的觀測結果非常符合，進一步驗證了?FCN的時變特征。在此基礎之上，研究了?FCN?周期的變化，成功提取到高信噪比的地球液態(tài)地核動力學信號并發(fā)現與核幔邊界地磁急變的相關性（圖?1），從而說明地磁急變可通過核幔邊界電磁耦合影響液核與地幔相對運動。
圖 1 地磁急變時間和 FCN 周期變化（實線）關系
自由震蕩
1. 提出了解算液核共振參數的三頻譜線法。成功檢測到?2001?年秘魯里氏（Ms）8.2?級地震激發(fā)的從?0S0?到?0S48?的基頻震型，并且觀測到了?0S2?和?0S3?的譜峰分裂現象。觀測到秘魯地震與阿拉斯加地震激發(fā)的0S2?振型周期的差異，該結果有可能反映了地球內核各向異性，發(fā)現自轉方向和逆自轉方向上?1S2?振型譜線分裂不對稱因子之間存在較大差異（圖?2）。
2. 檢測到?2004?年?12?月?26?日蘇門答臘—安達曼特大地震激發(fā)的球型基頻振型和?2?個徑向振型和環(huán)型自由振蕩的耦合現象，以及譜峰分裂現象。通過自由震蕩本征模和譜峰分裂參數，有效地約束了該特大地震的破裂機制（圖?2）。
圖 2 由武漢超導重力儀檢測到的地球簡正模譜峰分裂
3. 檢測到?2—5?mHz?的背景自由振蕩信號，分析了其季節(jié)性和年際性變化特征，并結合海洋和大氣數據對其激發(fā)機制進行了定性探討。提取了?2—7?mHz?頻段范圍的長周期面波和背景自由振蕩信號，并提取到面波群速度頻散曲線，證明了超導重力儀背景噪聲觀測資料具有反演上地幔結構的潛力。
內核平動振蕩
探測了內核平動振蕩?Slichter?模三重譜線存在的可能性。結果表明，對于超導重力儀來說，目前的精度條件下有能力探測到?Slichter?模。發(fā)現了一組可能來自于內核平動震蕩的三重譜線，其周期分別為?5.310、4.995?和?4.344 h。盡管如此，Slichter?模是否存在仍然是一個爭議的話題，需要進行更進一步的深入研究。因此，在深內部結構如何影響內核平動振蕩的本征周期方面，也開展了相關的理論模擬工作，相關結果可為?Slichter?模的研究、探測及其對地球深內部結構的約束提供理論依據。
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促進了地球形變理論及數值模擬的發(fā)展
固體潮、地表質量負荷等效應在研究地球動力學現象過程中需要作為干擾信號加以扣除，這涉及到地球變形的理論模擬。武漢大地測量站研究人員發(fā)展了地球受不同力源作用下的理論變形模擬，開展了模擬方法的研究。改進了譜元法計算負荷和位錯勒夫數?，提出了計算位錯勒夫數的解析解方法。發(fā)現改正后的殘差中有明顯與太陽加熱相關的周日信號。
特別是，最近發(fā)現青藏高原拉薩站的潮汐因子與云南麗江和湖北武漢的潮汐因子之間存在非常明顯的差異。該差異是否與青藏高原非常大的晝夜溫差引起的熱負荷有關？這需要進一步加以澄清。因此，我們顧及球形地球的分層結構，考慮地球的自引力效應、地球內部介質及熱力學參數的各向異性，建立了球型分層地球在地表熱負荷作用下的形變理論，計算了表征地球變形的熱負荷勒夫數。這些新的數值計算方法和理論將會促進超導重力觀測研究，特別是觀測信號的地球動力學解釋。
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結語
35?多年來，武漢大地測量站研究人員在利用超導重力儀觀測技術研究相關科學問題方面，取得了一大批原創(chuàng)性的成果。例如：完善和發(fā)展了固體潮理論、海潮負荷計算理論，建立了地表熱負荷理論，為相關的研究提供了理論指導；構建了全球固體潮實驗模型和中國大陸精密重力潮汐改正模型，為基于地表的大地測量和地球物理的觀測提供了必要的潮汐改正模型；對目前國際上的一些熱點和前沿問題，如自由核章動、核幔耦合、地磁急變、內核平動振蕩、地球簡正模及譜峰分裂現象等，進行了深入的研究，得到了一些具有顯示度的成果。
上述成果先后獲得國家自然科學基金重點項目、中國科學院知識創(chuàng)新工程項目、國家自然科學基金創(chuàng)新群體項目、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項及其他項目的持續(xù)資助。獲得了測繪科技進步獎一等獎、湖北省自然科學獎一、二等獎。在國際和國內重要期刊上發(fā)表了超過百篇高水平研究論文（含?Science?論文?1?篇）。
孫和平 中國科學院院士。中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院研究員，中國科學院大學教授。1995年畢業(yè)于比利時魯汶大學地球物理專業(yè)，獲博士學位。長期從事地球動力學與微小形變的高精度重力信號檢測、理論模擬和力學機制解釋等工作。國際大地測量協(xié)會（IAG）會士，國際IAG固體潮與地球動力學委員會委員。曾任中國科學院測量與地球物理研究所所長，中國測繪學會與湖北省測繪學會副理事長。國家杰出青年科學基金獲得者，國家自然科學基金委員會創(chuàng)新群體項目與重點項目負責人。Journal of Geodesy、Earth and Planetary Physics，以及《地球物理學報》《測繪學報》和《地震學報》等雜志編委。獲?2007?年全國測繪科技進步獎一等獎和?2012?年湖北省自然科學獎一等獎。
文章源自：
孫和平,周江存,徐建橋,陳曉東,雷湘鄂,崔小明,牛曉偉.高精度超導重力觀測與研究為國家精密測繪和全球地球動力學提供理論基礎.中國科學院院刊,2021,36(2):216-223.
總監(jiān)制：楊柳春
責任編輯：張帆
助理編輯、校對：PAN
排版：曹藝璇
