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1  中國科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院  大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2  中國科學(xué)院大學(xué)

3  中國科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院  武漢大地測(cè)量國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站

地球重力場(chǎng)的時(shí)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(nèi)不同圈層質(zhì)量遷移情況。而這些質(zhì)量在空間分布的調(diào)整又與地球自轉(zhuǎn)、地表負(fù)荷、地震甚至地球內(nèi)核運(yùn)動(dòng)等地球動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象密切相關(guān)。地球是由地表流體層、地殼、地幔、液態(tài)外核和固態(tài)內(nèi)核等組成的分層旋轉(zhuǎn)橢球體，在不同圈層內(nèi)部和各圈層之間耦合的動(dòng)力學(xué)過程中會(huì)產(chǎn)生多種自由運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)正模。它們是與地球深內(nèi)部結(jié)構(gòu)物性參數(shù)和內(nèi)部動(dòng)力學(xué)等地球科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)問題密切相關(guān)的，并且會(huì)在地表及外部空間的重力場(chǎng)變化中得以體現(xiàn)。因此，對(duì)重力場(chǎng)的時(shí)間變化特征的分析與研究有助于加深我們對(duì)地球各圈層內(nèi)部活動(dòng)及各圈層之間的耦合等現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。

目前，觀測(cè)精度達(dá)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(dǎo)重力儀的精度要比微伽標(biāo)準(zhǔn)高?1—2?個(gè)量級(jí)，具有超高的觀測(cè)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?jī)?nèi)，一個(gè)超導(dǎo)小球懸浮在磁場(chǎng)中，磁力正好精確地平衡重力。對(duì)上部和下部線圈的電流的比例進(jìn)行調(diào)整，可以使磁力梯度（等同于彈簧常數(shù)）非常微弱。因此，非常小的重力變化，會(huì)引起超導(dǎo)球大的移動(dòng)，從而具有非常高的靈敏度。零電阻的超導(dǎo)性能，允許產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流可以穩(wěn)恒流動(dòng)，只要保持在臨界溫度的超導(dǎo)狀態(tài)下，就永遠(yuǎn)沒有電阻帶來的損耗，因此具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性。采用磁懸浮測(cè)試感應(yīng)體，從根本上解決了機(jī)械彈簧重力儀的零漂問題。因此，超導(dǎo)重力儀是目前性能最好的相對(duì)重力儀，是研究重力固體潮及重力長(zhǎng)期變化最理想的觀測(cè)儀器，能有效檢測(cè)地球表面和內(nèi)部物質(zhì)遷移，以及深內(nèi)部動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。

武漢大地測(cè)量國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（以下簡(jiǎn)稱“武漢大地測(cè)量站”）超導(dǎo)重力觀測(cè)始于?1985?年，其超導(dǎo)重力儀在?1997?年經(jīng)過了儀器廠家的升級(jí)更新。后來與比利時(shí)、英國和德國等國的重力儀進(jìn)行了長(zhǎng)期的同址比對(duì)觀測(cè)，建立了武漢國際重力潮汐基準(zhǔn)，對(duì)早期建立的基準(zhǔn)值進(jìn)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(cè)量以及地球物理觀測(cè)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(zhǔn)。為研究青藏高原地下結(jié)構(gòu)及隆升等區(qū)域構(gòu)造動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，武漢大地測(cè)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(dǎo)重力儀，三地構(gòu)成一條超導(dǎo)重力長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的東西鏈條，為相關(guān)研究提供了重要的數(shù)據(jù)保障。

在對(duì)超導(dǎo)重力觀測(cè)資料的長(zhǎng)期分析與研究過程中，也促進(jìn)了相關(guān)理論的發(fā)展。得益于全球地球動(dòng)力學(xué)計(jì)劃（GGP）的實(shí)施，基于全球超導(dǎo)重力儀觀測(cè)資料共享，臺(tái)站科研人員開展了重力固體潮、大氣負(fù)荷和海潮與陸地水負(fù)荷、地球自由核章動(dòng)、地球自由振蕩、內(nèi)核平動(dòng)振蕩等全球動(dòng)力學(xué)信號(hào)的研究與檢測(cè)；同時(shí)，還開展了地下水重力效應(yīng)的理論模擬研究。

建立了武漢大地測(cè)量站的背景噪聲模型

臺(tái)站背景噪聲水平是評(píng)價(jià)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境優(yōu)良水平的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。武漢大地測(cè)量站分頻段（如地震、亞地震、潮汐頻段）定量研究了超導(dǎo)重力儀臺(tái)站的背景噪聲水平，發(fā)現(xiàn)在低頻部分超導(dǎo)重力儀比傳統(tǒng)地震儀的背景噪聲水平要低，同時(shí)也證實(shí)了超導(dǎo)臺(tái)站具有較低的噪聲水平、較高的觀測(cè)質(zhì)量。定量評(píng)估了“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”30個(gè)?gPhone?連續(xù)重力臺(tái)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(chǎng)背景噪聲模型。

構(gòu)建了精密潮汐改正模型

武漢大地測(cè)量站利用全球長(zhǎng)期連續(xù)超導(dǎo)重力觀測(cè)資料，獲得了精密的重力潮汐因子和相位滯后，構(gòu)建了全球固體潮實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?O₁、K₁、M₂?和?S₂ 4?個(gè)主要潮波的差異平均優(yōu)于?0.2%。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒咏诜菑椥浴⒎橇黧w靜壓力平衡初始狀態(tài)的地球模型的結(jié)果。其中，周日潮波部分與?Mathews的結(jié)果比較一致，而半日波部分與?Dehant?等的結(jié)果更加一致。

利用不同的理論固體潮模型和上述的實(shí)驗(yàn)固體潮模型，結(jié)合由?NAO99b?全球海潮模型和中國近海海潮模型，基于格林函數(shù)方法計(jì)算的海潮負(fù)荷效應(yīng)，構(gòu)建了中國大陸精密重力潮汐改正模型。結(jié)果表明，采用不同的固體潮模型或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ蜁?huì)對(duì)重力潮汐結(jié)果產(chǎn)生相對(duì)變化幅度小于?0.06%?的差異；在沿海地區(qū)，海潮負(fù)荷的影響約為整個(gè)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(gè)海潮負(fù)荷的?10%，內(nèi)插或外推潮波的負(fù)荷約占海潮負(fù)荷的3%。通過與超導(dǎo)重力觀測(cè)資料進(jìn)行比較表明，重力潮汐改正模型的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于?5×10^-9 m/s²，這說明構(gòu)建的改正模型具有很好的實(shí)用性，可為中國大陸高精度重力測(cè)量提供精密的改正模型。

改善了地表質(zhì)量負(fù)荷重力效應(yīng)的理論模擬

武漢大地測(cè)量站利用標(biāo)準(zhǔn)大氣模型構(gòu)造了大氣重力格林函數(shù)，克服了傳統(tǒng)的計(jì)算大氣負(fù)荷效應(yīng)時(shí)模型復(fù)雜、計(jì)算量大的缺點(diǎn)，獲得了精度較高的大氣負(fù)荷效應(yīng)。根據(jù)大氣重力信號(hào)隨區(qū)域分布而變化的特征，計(jì)算了大氣重力導(dǎo)納值?；趶椥缘厍虮砻尕?fù)荷理論，利用準(zhǔn)三維大氣模型，建立了一套大氣負(fù)荷效應(yīng)的計(jì)算系統(tǒng)。采用地表氣壓和溫度資料計(jì)算了大氣負(fù)荷效應(yīng)和大氣重力導(dǎo)納值，為快速計(jì)算大氣負(fù)荷效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

采用由高空間分辨率的數(shù)字高程模型確定的海陸邊界來模擬沿海和島嶼的海潮負(fù)荷效應(yīng)，構(gòu)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(jì)算沿海和島嶼海潮負(fù)荷的重要性，同時(shí)也指出準(zhǔn)確的高程值在計(jì)算沿海重力海潮負(fù)荷中的重要性。

利用全球?20?個(gè)臺(tái)站高精度重力潮汐觀測(cè)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(fù)荷改正的有效性。顧及不同潮波振幅特征，提出了計(jì)算各臺(tái)站平均觀測(cè)殘差和剩余殘差矢量的“非等權(quán)均值法”，獲得了經(jīng)海潮負(fù)荷改正后，全球臺(tái)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(biāo)定誤差不超過?0.5%?的重要結(jié)論；用地表重力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了?Mathews?等關(guān)于周日潮?K_1?和?O_1?波相位滯后是正值的理論計(jì)算結(jié)果。

利用全球陸地水儲(chǔ)量變化模型，基于格林函數(shù)方法，模擬了全球陸地水儲(chǔ)量變化對(duì)重力場(chǎng)的影響；基于重力位理論，聯(lián)合地表絕對(duì)重力測(cè)量和空間重力測(cè)量結(jié)果反演了區(qū)域的陸地水儲(chǔ)量變化，并用井水位資料驗(yàn)證了反演結(jié)果的正確性。從地下水滲透過程的物理機(jī)制出發(fā)，采用一維水動(dòng)力學(xué)模擬，利用井水位和降雨數(shù)據(jù)模擬了武漢大地測(cè)量站附近的土壤含水率變化，在此基礎(chǔ)上估計(jì)了地下水變化導(dǎo)致的重力效應(yīng)?。

探測(cè)了與地球動(dòng)力學(xué)相關(guān)的信號(hào)

地球自由核章動(dòng)（FCN）是由于地幔與液態(tài)外核的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸不一致而在橢球形核幔邊界產(chǎn)生的一種自轉(zhuǎn)簡(jiǎn)正模，它與液核的動(dòng)力學(xué)扁率、核幔邊界附近的黏滯系數(shù)、電導(dǎo)率、磁感應(yīng)強(qiáng)度等密切相關(guān)。

武漢大地測(cè)量站利用全球超導(dǎo)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)，確定了?FCN?的本征周期為?430?天左右，精密測(cè)定了?FCN?的共振參數(shù)。估算了核幔邊界的黏滯系數(shù)和電磁耦合參數(shù)，數(shù)值結(jié)果表明液核頂部的黏滯系數(shù)應(yīng)該在?6.6×10²—2.6×10³ Pa·s之間，這與根據(jù)地球章動(dòng)、液核自由章動(dòng)及日長(zhǎng)變化等的實(shí)際觀測(cè)得到的黏滯系數(shù)結(jié)果非常吻合。結(jié)果還表明，地幔底部的電導(dǎo)率需要達(dá)到?2.6×10⁶—1.0×10⁷ S/m?才能符合實(shí)際觀測(cè)的?FCN品質(zhì)因子量級(jí)，耗散耦合對(duì)?FCN?本征周期的影響僅為?1—2?恒星日。

利用模擬數(shù)據(jù)研究了周日潮波對(duì)?FCN?周期變化的敏感程度，根據(jù)?K₁?和?ψ₁?波的變化幅度發(fā)現(xiàn)?FCN?周期的變化幅度為?2.5—4?恒星日，與實(shí)際甚長(zhǎng)基線干涉（VLBI）的觀測(cè)結(jié)果非常符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了?FCN的時(shí)變特征。在此基礎(chǔ)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(dòng)力學(xué)信號(hào)并發(fā)現(xiàn)與核幔邊界地磁急變的相關(guān)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(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖 1 地磁急變時(shí)間和 FCN 周期變化（實(shí)線）關(guān)系

1. 提出了解算液核共振參數(shù)的三頻譜線法。成功檢測(cè)到?2001?年秘魯里氏（Ms）8.2?級(jí)地震激發(fā)的從?₀S₀?到?₀S₄₈?的基頻震型，并且觀測(cè)到了?₀S₂?和?₀S₃?的譜峰分裂現(xiàn)象。觀測(cè)到秘魯?shù)卣鹋c阿拉斯加地震激發(fā)的₀S₂?振型周期的差異，該結(jié)果有可能反映了地球內(nèi)核各向異性，發(fā)現(xiàn)自轉(zhuǎn)方向和逆自轉(zhuǎn)方向上?₁S₂?振型譜線分裂不對(duì)稱因子之間存在較大差異（圖?2）。

2. 檢測(cè)到?2004?年?12?月?26?日蘇門答臘—安達(dá)曼特大地震激發(fā)的球型基頻振型和?2?個(gè)徑向振型和環(huán)型自由振蕩的耦合現(xiàn)象，以及譜峰分裂現(xiàn)象。通過自由震蕩本征模和譜峰分裂參數(shù)，有效地約束了該特大地震的破裂機(jī)制（圖?2）。

圖 2 由武漢超導(dǎo)重力儀檢測(cè)到的地球簡(jiǎn)正模譜峰分裂

3. 檢測(cè)到?2—5?mHz?的背景自由振蕩信號(hào)，分析了其季節(jié)性和年際性變化特征，并結(jié)合海洋和大氣數(shù)據(jù)對(duì)其激發(fā)機(jī)制進(jìn)行了定性探討。提取了?2—7?mHz?頻段范圍的長(zhǎng)周期面波和背景自由振蕩信號(hào)，并提取到面波群速度頻散曲線，證明了超導(dǎo)重力儀背景噪聲觀測(cè)資料具有反演上地幔結(jié)構(gòu)的潛力。

探測(cè)了內(nèi)核平動(dòng)振蕩?Slichter?模三重譜線存在的可能性。結(jié)果表明，對(duì)于超導(dǎo)重力儀來說，目前的精度條件下有能力探測(cè)到?Slichter?模。發(fā)現(xiàn)了一組可能來自于內(nèi)核平動(dòng)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(gè)爭(zhēng)議的話題，需要進(jìn)行更進(jìn)一步的深入研究。因此，在深內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何影響內(nèi)核平動(dòng)振蕩的本征周期方面，也開展了相關(guān)的理論模擬工作，相關(guān)結(jié)果可為?Slichter?模的研究、探測(cè)及其對(duì)地球深內(nèi)部結(jié)構(gòu)的約束提供理論依據(jù)。

促進(jìn)了地球形變理論及數(shù)值模擬的發(fā)展

固體潮、地表質(zhì)量負(fù)荷等效應(yīng)在研究地球動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象過程中需要作為干擾信號(hào)加以扣除，這涉及到地球變形的理論模擬。武漢大地測(cè)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(jìn)了譜元法計(jì)算負(fù)荷和位錯(cuò)勒夫數(shù)?，提出了計(jì)算位錯(cuò)勒夫數(shù)的解析解方法。發(fā)現(xiàn)改正后的殘差中有明顯與太陽加熱相關(guān)的周日信號(hào)。

特別是，最近發(fā)現(xiàn)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(fù)荷有關(guān)？這需要進(jìn)一步加以澄清。因此，我們顧及球形地球的分層結(jié)構(gòu)，考慮地球的自引力效應(yīng)、地球內(nèi)部介質(zhì)及熱力學(xué)參數(shù)的各向異性，建立了球型分層地球在地表熱負(fù)荷作用下的形變理論，計(jì)算了表征地球變形的熱負(fù)荷勒夫數(shù)。這些新的數(shù)值計(jì)算方法和理論將會(huì)促進(jìn)超導(dǎo)重力觀測(cè)研究，特別是觀測(cè)信號(hào)的地球動(dòng)力學(xué)解釋。

結(jié)語

35?多年來，武漢大地測(cè)量站研究人員在利用超導(dǎo)重力儀觀測(cè)技術(shù)研究相關(guān)科學(xué)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(fù)荷計(jì)算理論，建立了地表熱負(fù)荷理論，為相關(guān)的研究提供了理論指導(dǎo)；構(gòu)建了全球固體潮實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃椭袊箨懢苤亓Τ毕恼Ｐ停瑸榛诘乇淼拇蟮販y(cè)量和地球物理的觀測(cè)提供了必要的潮汐改正模型；對(duì)目前國際上的一些熱點(diǎn)和前沿問題，如自由核章動(dòng)、核幔耦合、地磁急變、內(nèi)核平動(dòng)振蕩、地球簡(jiǎn)正模及譜峰分裂現(xiàn)象等，進(jìn)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(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)及其他項(xiàng)目的持續(xù)資助。獲得了測(cè)繪科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、湖北省自然科學(xué)獎(jiǎng)一、二等獎(jiǎng)。在國際和國內(nèi)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）。

總監(jiān)制：楊柳春

責(zé)任編輯：張帆

助理編輯、校對(duì)：PAN

排版：曹藝璇