GOCE重力卫星在汾渭盆地地形监测方面的应用

赵莲莲，张 勤

（长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710064）

作者简介：赵莲莲（1992－），女，长安大学地质工程与测绘学院硕士研究生，大地测量学与测量专业。

张 勤（1958－），女，长安大学地质工程与测绘学院教授，博士生导师，测绘科学一级学科建设负责人。

摘 要：为了将最新的重力卫星技术应用到地形监测中，采用欧空局（ESA）上发布的GOCE卫星重力场模型数据（2009年10月～2010年7月）计算了中国区域（70°～130°E，15°～55°N）的地球引力场系数及重力异常，得到了汾渭盆地（107°～113° E，34°～38°N）的重力异常数据，并进行了绘图处理。为了进一步分析重力异常与区域地质构造及地震活动性的对应关系，将绘图结果与汾渭盆地GPS监测资料以及同时期地震活动区域资料进行了对比分析，结果表明利用GOCE重力场模型数据计算的重力异常能够较好的反映区域地质构造分布特征，而且强震通常位于重力异常值较大的区域。

关键词：GOCE重力卫星；地球重力场；地质构造；重力异常

Abstract：In order to apply the latest gravity satellite technology to the terrain monitoring，We use GOCE gravity field model data of ESA released（October 2009－July 2010）and calculate the Earth＇s gravity field coefficients and gravity anomalies of the China region（70°－130°E，15°－55°N），in which we get the gravity anomaly data of the Fenwei Basin（107°－113°E，34°－38°N）and draw some figures．To further analyze the correspondence between gravity anomalies and regional tectonic and seis－mic activity，we compare the drawing results gravity anomalies in the Fenwei Basin with its GPS monitoring data and seismic activity area data．The results show that GOCE gravity field model using gravity anomaly data computation can better reflect the distribution of the regional geological structure，and big earthquakes are usually located in area with larger gravity anoma－lies．

Key words：GOCE gravity satellite；Gravity field；geological structure；gravity anomaly

1 引 言

国内学者已用GPS和In SAR等空间监测手段在地表的变形监测方面做了大量工作［1－3］，但随着CHAMP、GRACE、GOCE卫星这一系列重力卫星的发射成功，用重力卫星的新手段对地表变形情况进行监测已经成为进行地表监测的新趋势。国外学者已用GRACE和GOCE卫星在地表变形监测以及大地水准面精化方面做了大量研究工作［4－6］。在这种用重力卫星进行研究的科学浪潮的推动下，本文利用GOCE重力卫星数据求解重力异常的基本原理，研究了GOCE卫星在地形变形监测方面的应用，并与已有的该地区的GPS监测资料和同时期的地震资料进行了对比分析。结果发现，该地区重力异常情况与GPS监测的地区断裂比较吻合，重力异常值大的南部区域比东北部区域断裂更多。同时，该地区的重力异常与地震频发相呼应，历史上的大地震也往往发生在重力异常值较大的区域。可见由GOCE重力卫星数据求得的重力异常数据与该地区GPS监测数据能够反映出类似的区域地表变形趋势，而且重力异常数据能够反映同时期地震情况的变化显示了GOCE重力卫星数据反映深层地壳运动变化的潜力。

本文数据来源为ESA上发布的2009年10月～2010年7月的GOCE重力场模型数据，研究区域为汾渭盆地（107°～113°E，34°～38°N）。汾渭盆地属于汾渭地震带上，地质构造复杂，地裂缝众多，地下水及地面形变问题问题突出，前人已用GPS以及In SAR的手段对汾渭盆地区域进行了大量的研究［7，8］。但用重力卫星的手段对该区域进行地表形变监测研究的方法方兴未艾。故本次研究尝试用GOCE重力卫星的方法对汾渭盆地的地表情况进行研究，并将结果分别与GPS对汾渭盆地地表情况的监测结果以及该地区地震情况进行对比分析，得到了一些有意义的结果。

2 数据处理原理

本次研究的数据处理过程如图1所示：

由于地球的自然表面并不像大地水准面那样光滑，而且由于地质构造和矿产的原因引起地球内部介质密度分布不均匀，导致了地球重力异常。重力异常可分为纯重力异常和混合重力异常。本文研究的重力异常是混合重力异常，混合重力异常通常指的是大地水准面上一点的重力g0与该点在平均椭球体面上投影点的正常重力r0之差，如公式（1）所示。它往往与地质构造（如背斜、盐丘、向斜、断岩、断层岩体等）及矿体的存在有关。

图1 本次研究流程图

Δg＝g0－r0 　（1）

经球函数展开最终表示为：

（2）式中，如果求得系数就可以通过（2）式计算重力异常。而由ESA的数据提供，故此我们由（2）公式算得重力异常数据。重力异常反映了理论模型与实际观测结果之间的差异，是地球物质密度分布不均匀性和物质空间不均性的直接反映。

本次研究使用的ESA上的GOCE卫星有Level－0，Level－1，Level－2，Level－3等多种数据产品，本次使用的重力异常数据就是Level－2产品的数据。本文选取Level－2数据产品中2009年10月至2010年7月的EGM－GOC－2数据，该数据以6个月为周期发布一次。我们将数据带入公式（2）求得了汾渭盆地的重力异常数据。然后绘制出汾渭盆地重力异常的矢量图、等值线图以及3D图如下：

图2到图4中，横轴表示经度为107°～113° E，纵轴表示纬度为34°～38°N，即汾渭盆地的区域。色卡上的数值表示重力异常数值，方便我们直接从图形上对重力异常值进行读取。图2中棕色的线大致表示了汾渭盆地的走势，很明显的显示出了汾渭盆地区域重力异常的不同，我们可以看出，在汾渭盆地的区域，重力异常发生的很集中，即沿着汾渭盆地的区域走势，有明显的重力异常；而通过图3中的等值线图我们发现，汾渭盆地区域的重力异常值明显比该区域西北方向以及东南方向的数值要大，从等值线图上标注的重力异常值可以看出；从图4可以明显看出，汾渭盆地的渭河盆地的部分明显比汾河盆地的部分重力异常数值大，前者的重力异常值基本都在绝对值50以上，而后者基本只是在30以上。

图2 汾渭盆地重力异常矢量图

图3 汾渭盆地重力异常等值线图

图4 汾渭盆地重力异常3D图

3 计算结果与对比分析

3．1 与GPS研究的对比

张永志等人在《用GPS数据研究汾渭盆地构造应力场变化》［7］中利用GAMIT软件对2004～2007年渭河盆地GPS测站的观测资料进行统一解算，获得地表水平运动的统一速率场（采样率30s，各站点观测时间长度不少于72h，观测周期为3年，见下图），箭头大小表示GPS位移速率，箭头指向为位移场速率运动方向，红线为该地区主要断裂带。该地区主要断裂带如图5所示。

图5 汾渭盆地GPS位移场及主要断裂分布

通过计算得出如下结论：

（1）汾渭盆地的应力场变化分布具有高度不均匀性，山区和盆地的应力场变化的性质相反，山区应力场以增加为主，盆地应力场以减小为主；

（2）宝鸡至咸阳一带的剪应力变化与汤浴至蒲城一带的剪应力变化存在相反的性质，宝鸡至咸阳一带剪应力减小，而汤浴至蒲城一带剪应力增加。

将图3与图5比较看，重力异常等值线图表明南部渭河盆地的重力异常值总体而言比东北部的汾河盆地的重力异常值大，断裂图表明汾渭盆地南部（即渭河盆地）的断裂比东北部多（图上条数比为11∶7），这也在某种程度上说明渭河盆地比汾河盆地情况更复杂一些，与此同时这种汾渭盆地南部断裂比东北部断裂多并且重力异常值也大的现象不禁引发我们猜测：这种地壳运动引发的断裂或许与该地区重力异常有某些深层次的关系。汾渭盆地处于构造过渡带，使得汾渭盆地地壳处于东北向拖拽环境中，两侧水平力又被拖拽的地块产生平移和扭变。这种平移和扭变的结果使得汾渭盆地应力场变化高度不均匀，相对于重力异常等值线图而言，汾渭盆地重力异常的变化也是不均匀的。

综上，本次研究获得的汾渭盆地重力异常与用GPS手段研究汾渭盆地构造应力场变化图对比得到了两个结果：

（1）汾渭盆地应力场变化与该区域重力异常的变化都是不均匀的。

（2）汾渭盆地中南部渭河盆地的重力异常值总体而言比东北部的汾河盆地的重力异常值大，同时，其断裂数也比后者多。

3．2 与该地区地震资料对比

本次研究区域汾渭盆地位于汾渭地震带上，汾渭地震带是我国东部的一条重要地震带。它位于鄂尔多斯地块的东侧，是上新世以来发育的陆内断陷带，其主体是由延庆～怀来、大同、忻州～定襄、太原、临汾、运城、渭河等断陷盆地和分割它们的横向隆起所组成，总体呈“S”形雁列式展布。从国家地震科学数据共享中心上获取了与重力数据时间范围相同的地震数据（2009年10月～2010年7月）如表1所示，在这段时间内，一共有577次小地震发生，其中3级以上的有11次，如表2所示。

从表2中可以看出，汾渭盆地在2009年10月～2010年7月发生了3级以上地震10次，塌陷1次。在山西境内主要是清徐、太谷、交城、平遥、洪洞、汾阳、河津地区，在陕西境内主要是三原、高陵地区。其中洪洞地区历史上曾经发生过8级以上大地震。将表2的结果与汾渭盆地的地质构造情况结合看，汾渭盆地地震成团分布于断陷盆地内，主要是山西断陷带的大同盆地、临汾盆地和渭河断陷带的东部地区。

将表2的结果与重力异常图图3结合对比看，汾渭盆地重力异常与该区域地震频发相呼应。不过其中有一点不吻合，在重力异常的结果中，渭河盆地比汾河盆地的重力异常数值要大，本来我们推测陕西区域地震多于山西区域，可是同时期地震数据却显示，山西区域3级以上的地震次数多于陕西区域，而且陕西区域地震集中在渭河盆地东部地区。我们推测或许是由于汾渭盆地中山西部分的断陷带比陕西的部分的更多更复杂导致的。

综上，将汾渭盆地重力异常与该区域3级以上地震情况比较得到：

（1）汾渭盆地的重力异常值与该区域地震频发相呼应，重力异常值较大的地方历史上相应有大地震的发生。如公元1303年洪洞8级地震就处于重力异常值较大的区域。

（2）汾渭盆地在山西部分的部分较陕西部分发生的地震更多。在山西部分，地震多发于大同盆地和临汾盆地。在陕西部分，地震多发于渭河盆地东部地区。

表1 2009年10月～2010年7月汾渭盆地部分小震图

表2 2009年10月～2010年7月汾渭盆地3级以上地震情况

4 结 论

本文在汾渭盆地特殊的地质构造背景下，以GOCE重力卫星为数据源最终计算得到了汾渭盆地重力异常数据，进行数据处理并绘制重力异常等值线图、三维图以及矢量图，在此基础上结合已有的区域空间GPS观测资料和同时期的地震观测资料进行了分析与比较。结果发现，该地区GPS监测的断裂情况与重力异常情况比较吻合，重力异常值大的南部区域比东北部区域GPS监测的断裂更多。同时，该地区的重力异常与地震频发相呼应，历史上的大地震也往往发生在重力异常值较大的区域。

现今地壳变形是判定区域地壳稳定性的主要标志，本次研究结合当代前沿技术——重力卫星技术，探讨重力异常对区域地壳变形情况的反映。此次研究，证明地壳内部因素导致的重力异常与地表的断裂和地震等有着深层次的联系，通过重力卫星的方法将大地测量学、地球物理学以及地球动力学结合在一起，已经显示出了广阔的发展空间和巨大的创造潜力，这也是我们今后需要努力的方向。但是地壳体本身非常复杂，再加之不同地壳体之间的相互作用也是一个较难定性定量描述的过程，这就为单方面利用重力卫星数据对地壳进行描述带来了挑战。因此，结合GPS空间测量技术，In SAR技术等现代空间技术进行研究具有重要意义。

参考文献

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