重力变化是地球内部的物质密度变化或者物质运动等物理信息的综合反映,能深入到
地壳内部挖掘物质运动过程,为人们揭示地球内部动力学过程提供了最直接的观测信息。
大地测量观测的地表几何形变信息是地壳整体运动信息的综合反映,能表现出地壳运动的
基本形态与特征,为研究地壳内部的物质运动提供重要的边界条件。两种手段联合起来研
究,可直观地反映地球内部各种运动的动力学过程,对于地球动力学的基础研究具有重要
的理论和实际意义
[1]
。
在早期相对重力与水准局部同址观测中,少量数据研究表明,地表重力变化与局部垂
直形变呈负线性相关
[2-3]
,比值在-0.15~-0.35 μGal/mm 之间
[4]
。但同时发现,根据重复大地
测量资料估计的高程变化所能引起的重力场变化远比所观测到的实际重力变化小,如海城
地震和唐山地震,地表垂直形变难以解释地震前后重力变化的量级和形态
[5]
,说明地震的
孕育和发生应该还伴随着地下物质运动。由于早期的观测条件和观测精度的限制,以及地
表重力和形变同址观测资料的缺乏,使得两者往往是分离式研究,难以捕捉到真正的地壳
内部运动信息
[6]
。随着现代精密大地测量技术的高速发展,以及重力和形变同址观测的大
规模开展,现有的丰富数据和资料足以为大尺度精确地分析和研究重力与形变之间的关系
提供了可能。近年来,利用重力与形变数据开展了山体隆升机制
[7-8]
、地下水位变化
[9-10]
、
城市地表沉降
[11]
、大地水准面
[12]
、火山活动
[13]
等方面的研究,取得了丰富的成果。在研究
过程中发现,地壳抬升(沉降)与重力变化减小(增大)的规律基本一致
[14]
,但是比值系
数与理论值存在较大差异
[15-16]
。这种差异可能是由于地表沉降或抬升过程中地壳内物质密
度或体积发生变化造成的
[17]
。但由于缺乏长期高精度的数据支持,以至于可能无法准确掌
握和总结物质运动过程的规律。
本文以武汉九峰地震台为例,利用多年来积累的绝对重力和全球卫星导航系统
(global navigation satellite system,GNSS)观测资料,对该测点的重力变化与地壳形变
的关系进行了分析研究,深入探讨了重力变化、重力变化与地壳形变的比值和地下物质运
动三者之间的关系,为区域动力学机制解释提供重要参考。
1. 研究区域和数据
1.1 武汉九峰地震台环境
武汉九峰地震台位于湖北省武汉市,属于武汉引力与固体潮国家野外科学观测研究站
(简称武汉站)的一部分。武汉站由中国地震局武汉基准地震台和华中科技大学引力实验
中心两部分组成。在 2000 年 12 月被科技部批准为第三批国家重点野外观测试验站(试点
站),在 2007 年被科技部正式批准为国家野外科学观测研究站。从地理位置上看,武汉
站位于中国中部,地处长江的中游,地貌上属鄂东南丘陵区与平原东缘的过渡地带,中间
低平,北南部分别为低山丘陵区。从大地构造上看,该站位于江汉断拗与鄂东南褶断带的
交接地带,断裂褶皱发育。在新构造时期以来,该区域构造运动强度不大,属相对稳定的
构造区块,地震活动频度相对较低,强度也相对较小。
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