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地球重力场的监测与地震预报
中国地震局地球物理研究所 陈石

 

重力是什么,简单讲任何有质量的物体都会受到地球的吸引,这个力就是重力。重力标准定义为万有引力与地球自转离心力的合力,方向总是垂直向下。在初中的物理学教科书上我们都学过万有引力定律。但在400年前,英国科学家牛顿还没有提出这个定律之前大家都不知道有这种力的存在。重力的英文Gravity这个词最早来源于拉丁文的Gravis,意思是重量。

 

 

我们知道了有重力的存在,但是怎么度量它的大小呢?最早的重力测量,可以追溯1590年,意大利科学家伽利略在比萨斜塔上做了两个铁球同时落地的著名实验,当时他发现了自由落体运动。从重力的度量单位米每秒方,我们知道只要能精确度量出时间和距离,就可以计算得到重力加速度值。经过几百年的发展,重力测量的精度不断提高,但直到现在绝对重力测量仪器都还在使用自由落体原理,只不过时间和距离的计量方法更加精确了。

我们的地球由于质量不均匀,各种圈层物质循环运动,你身边的重力场时刻都发生着变化。学过初中物理的人都知道9.8这个常用的重力加速度值,现在最灵敏的重力仪通常以这个值小数点后第八位的数字变化来度量重力场,这个单位有一个新的名字叫微伽。能引起微伽级重力场变化的因素很多,比如:固体潮汐、海潮、大气压的变化、下雨、地下水减少、地球的极移等等。在这些因素里面,能准确计算或预测的重力变化包括固体潮、海潮和极移。在众多地球物理场变化中,固体潮汐预报也许是人类目前能做的准确预报了,这里可以强调一下——没有之一有了人类对重力场变化规律的了解和精密的重力测量仪器,科学家们就想到可以用这个方法来了解十几公里深度经常发生地震的那些地方发生了什么。这个idea早在上世纪60年代就提出来了,很多科学家付出了大量的努力和实践来尝试用重力测量手段来研究地震发生前的地下介质变化。唐山大地震后,中美合作开展过联合攻关。下图是一份尘封已久的美国自然科学基金申请书三十年前时任美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地质观象台的郭宗汾教授带着最先进的仪器和设备来到华北地区,开展过重力场变化与地震之间关系的研究工作

 

尘封已久的美国自然科学基金申请书:三十年前时任美国哥伦比亚大学

拉蒙特-多尔蒂地质观象台的郭宗汾教授

来到华北地区开展重力场变化与地震之间关系的研究工作

 

说到这里可能会有人问,既然从那个时候就研究,为啥现在还没解决地震预报的问题,话说回来,如果那么容易,美国人还能等你们先研究出来?到这里明眼人也许可以看出来,用重力方法来研究地球质量变化问题,绝对是一把双刃剑,它很敏感,有质量变化必然产生重力变化首先是你能不能测量出来,其次是你即便能测量出来,能否准确分离出想要的信号。

上世纪七十年代,以Lacoste-Romberg型相对重力仪问世为标志,重力场测量的精度达到微伽量级,全球范围内多次大地震前都有观测到了区域重力场变化的报道。从重力场变化的成因方面,地下物质运移假说被多次提出。经过多年的科学研究和文献成果现在可以明确的认识是:地震活动作为构造运动的一种表现形式,通常在孕震期会产生一定时空尺度的区域重力场变化。这种重力场随着时间的变化量级微弱,而通过现代高精度的重力测量手段可以有效地监测到一定空间尺度的重力位变化以监测地壳运动、研究与地震活动相关的重力场变化为目高精度重力测量,可以为地震重力测量

地震重力测量与勘探重力测量、大地重力测量不同之处在于:地震重力测点跨度大,间距多为十几公里至几十公里,且需要定期同点位复测,由于以相对重力测量为主,长期以来观测精度一直是制约其发展的瓶颈问题。由于地球重力场的非潮汐部分其空间变化远大于时间变化,并且地震重力测量到的物理量变化仅为十几至几十微伽量级,同时,由于仪器、环境等因素带来的误差就在几微伽至十几微伽量级,因此,地震微重力测量数据具有低信噪比特性。外加地震重力测量由于仪器需要人工搬运、测量闭合时间要求尽量较短,为了保证工作效率,通常选择公路和通过性好的地形条件位置进行测网设计,因此,地震重力测量的测点空间位置分布是不均匀、且有限的。由此带来的问题即是测量得到的重力场变化信号是局部的,且空间分布不完整。

最后,回到地震预报问题,有人说地震预报为什么难,因为地震都发生在十公里的地下,地下什么情况看不见摸不着。而重力方法一直被寄予厚望,其原因就在于重力方法作为一种物理手段与几何方法不同,它具有感知遥远介质物理属性变化的能力,而且不像电磁场那样容易受到人类活动的干扰值得一提的是就在2016年11月,国际著名期刊Nature子刊就发表了一篇关于探测到2011年日本311大地震重力信号的文章。文章原理很简单,就是地震发生的一刻,会发生质量变化,造成的引力场变化信号瞬间即可被百公里外的高精度超导重力仪探测到,重力信号比地震波到达快几十秒,因此,可以用这种方法来实现地震预警。是不是想想就很高大上当然要想把这篇文章提到的重力预警用于实践还很难,但是我们难道不该努力一下吗?

 

2016年11月,国际著名期刊Nature子刊发表的一篇

关于探测到2011年日本311大地震重力信号的文章

 

说到这里有人说你提到这个地震预警和地震预报概念不一样,我这里不过是先找一个权威的材料想来个剖砖引玉。试想按照牛人文章中提到的最新科技,如果百公里外的质量变化信号可以被探测,想想我们地壳里面常发生地震的地方有多远,十几公里如果我们在距最近的地表,架设好高精度的重力探测设备,是不是孕震区发生的任何质量变化都有可能被探测到如果我们能改进一下观测系统,提取或定位出发生质量变化的位置,那就是否有可能把地震预报问题向前推动一步呢?

最后,我还要补充一点,现在重力测量探测的精度与三十年前相比已经有了翻天覆地的进步,高精度的超导重力仪和绝对重力仪已经完全商品化,观测精度相比以前可以提高一个量级。我相信三十年前那些大科学家选择的攻关方向没错,现在的任务就在我们身上,能否有勇气面对前人没解决的科学问题、迎难而上,我想答案不言自明。

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