时变微重力——感受地球脉搏的科技尖兵

在人类了解了重力场变化的规律和物理本质后，通过精密的重力测量仪器，科学家们一直在不断探索，如何通过重力场测试，来研究地球深处物质运动和变化的过程。面对地球的巨大体量，即使人类目前12km的最深钻孔也显得是那样“无能为力”，想要了解深部地球介质变化信息似乎已经没有直接的方法可用。上世纪80年代开始，由中国地震局牵头组织的一批专家就开始了不断探索，尝试用重力测量手段来研究地震发生前的地下介质变化问题。

1976年唐山大地震后，中美曾经合作开展过联合攻关。四十多年前，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就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。我国已故的著名科学家顾功叙教授，曾经在1997年的《科学通报》上撰文指出：地壳内部多个深度内的流体物质运动，对局部重力场变化影响显著且与地震孕育有关。但受当时仪器精度所限，观测数据本身的不确定性较大，所以争议较多。

用重力方法来研究地球质量变化问题是一个很好的思路，首先，它很敏感，有质量变化必然产生重力变化；但是，它面临着的一个重要的难题就是，即便你能测量出来，能否准确分离出想要的信号？

由于非潮汐引起的地球重力场的空间变化远大于时间变化，并且地震重力测量到的仅为十几至几十微伽的变化量，而由仪器、环境等因素带来的误差就可能会达到几微伽至十几微伽，因此，地震微重力测量数据具有低信噪比特性。另外，由于地震重力测量仪器需要人工搬运、测量闭合时间要求尽量较短，为了保证工作效率，通常选择有公路和通过性好的位置和地形条件进行测网设计，因此，会造成地震重力测量的测点空间位置分布不均匀、且数量有限的问题。由此带来的问题是，测量得到的重力场变化信号是局部的，空间分布不均匀、不完整。但重力方法一直被寄予厚望的原因就在于，重力方法作为一种物理手段，它具有感知遥远介质物理属性变化的能力，这一点与几何方法不同，而且也不像电磁场那样容易受到人类活动的干扰。

经过近40年的不断发展，中国大陆时变微重力观测系统已经实现了多次升级换代。2020年由中国地震局发布的最新版全国《地球物理站网规划》给出的蓝图是：到2030年，形成我国大陆地区相对均匀、活动块体边界带和重点地区适度加密的观测规模。其中，就包括时变微重力监测能力的提升。到那时，全国将有上百个高质量的微重力观测台站，可以对我国大陆及周边的岩石圈构造运动实现整体监测，获取高精度的时变微重力场图像。有了这些大型基础重力监测设施的存在，无疑将有力于让我们脚下的地壳变得更“透明”。

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以光速传播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。2020年，德国波茨坦地学研究中心汪荣江团队在国际顶级地球物理学期刊《地球与行星科学通讯》上撰文推出一种新算法，该算法可以检测到地震引起的重力信号，这种信号被称为瞬态弹性重力信号（PEGS），对2011年福岛附近地震数据的测试表明，该方法有助于未来对地震预警系统的改善。