深部介质变化动态微重力观测系统设计与实验研究

For improving the monitoring capability for the crustal deep mass changes, the dense geophysical observations approaches can be employed. In this proposal, on the basis of the existence of earthquake monitoring system, we will choose the optimal observation field and intend to jointly use the sorts of geodetic instruments, including the high-precision absolute gravimeter, and the multi relative gravimeters and GNSS instruments, hydrological meters to detect the signal of gravity field micro variation. To study the new style microgravity observation system for isolating the gravity signal related to the different depths, we will obtain the time-lapse gravity image which generated by the crustal deep field source. The main study contents include three parts. Firstly, we will design the high-precision gravity array style observation system for the site environment. And the numerical modelling approach will be used for estimated the optimal parameters. Secondly, we will choose the 3 sites to build and test this new style system in the southern Yunnan region. At last, on the basis of the fine crustal model developed by the ChinArray project, the seismic- gravity joint inversion can be carried out. The high precision 3D static density structure model also can be obtained. If this proposal will be implemented, the reliable high-precision gravity data and the surface deformation data can be obtained. The related results are beneficial to estimating the crustal deep mass variation and help us to understand the earthquake preparation, the cause of geophysical field changes as the direct scientific evidences.

高密度的综合地球物理观测可以提升深部介质物性变化的监测能力。本项目基于现有地震监测系统，优化场地观测条件，利用高精度绝对重力，联合水准、全球导航卫星系统和水文等观测手段，研究可用于分离不同深部场源引起微重力变化信号的观测系统，形成针对深部介质物性变化的监测能力，获得地壳深部介质场源的时变重力图像。内容包括：第一，设计一种场地高精度重力阵列式观测系统，通过模型计算获得最优系统参数；第二，在川滇地块内部选取具有稳定观测条件的3个场地，结合现有的观测条件，建立微重力观测系统，并开展实验性观测；第三，以中国地震科学台阵项目获得的最新地壳结构为参考，开展重震联合反演，获取该区高精度三维地壳密度结构模型。该项目实施可以获得可靠的高精度重力观测数据和地表几何形变数据，优化观测系统设计，提高对深地壳介质变化和属性认识水平，有助于理解地震孕育和发生阶段的物理过程和动力学机制。

了解深部介质变化规律和特征是认识地震孕育与复发过程的关键。地表时变重力场观测系统距离场源近、观测精度高是当前非常具有发展潜力的地球物理监测手段之一。本项目以高精度微重力联合测量系统设计、地壳内部场源特征的参数估计方法和地壳内部物性结构反演三方面作为研究内容。首先，通过在云南普洱地区的绝对和相对重力联合组网观测，观测系统优化获得了三年多的高质量观测资料。在观测系统设计上，提出并设计了陆地阵列式的重复重力观测系统，通过理论模拟和实测资料分析，可以有效提高当前重力重复单站的观测精度，并提高不同深度场源信号的识别能力。其次，项目组持续攻关研制适用于陆地绝对-相对重力联合观测型的时变重力数据平差和建模方法，在可借鉴的国外相关理论和研究成果极少情况下，提出了一种全新的高精度微重力贝叶斯平差模型算法，可以有效解决相对重力仪漂移、格值系数不确定性量化以及多台仪器自动优化权重等一系列重要技术问题。经过理论和实际验证，该算法可以有效提高大规模陆地高精度重力测量数据的解算精度，相关研究成果获得国际同行高度认可，核心成果已发表到国内外大地测量和地球物理学权威期刊。最后，为提取深部场源时变重力信号，项目组提出了多种适用于四维重力数据的场源反演方法，通过贝叶斯超参数自动优化技术，能更加有效地获取区域深部场源物性信息。.本项目成果对于提高中国大陆构造环境监测网络等时变重力观测资料的解算精度，更加有效地获取深部场源的物性信息具有重要意义。成果适用于测点分布不均匀，施测仪器数量和种类多，对观测精度要求高的微伽级时变重力数据解算和四维反演等场景。对应用区域时变重力场信息，准确识别和提取大震前兆异常具有十分重要的意义。