祝意青，張 勇，楊 雄，劉 芳，張國慶，趙云峰，隗壽春，毛經倫，張 松

1 中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054

2 武漢大學，武漢 430079

0 引 言

時變重力場是反應物質遷移的基本物理場，直接反映地球內部構造運動、地表質量遷移的本質和過程，而地震與重力的相互關系主要是以地球內部構造運動和質量（密度）變化而緊密地聯(lián)系在一起的. 因此，我們可以定期進行地面重力重復觀測，并對其重力場的動態(tài)變化進行深入分析與研究，有利于及時捕捉到某些強震前的重力前兆信息，這就是以時變重力為觀測手段，從而深入探索地震發(fā)生機理和開展地震危險性預測的基本出發(fā)點.

地震活動與重力變化關系的研究由來已久，盡管20世紀早期就有發(fā)現(xiàn)強震前重力場變化的報道，但是直到高精度重力儀應用后，1960年代在蘇聯(lián)、美國、日本等才開始進行地震重力變化的監(jiān)測與研究，同時將開展重力時變研究當作地震預報分析的一種重要手段. 1964年美國阿拉斯加地震、1965～1967年日本松代震群、1974年日本伊豆地震和1976年蘇聯(lián)加茲利震群前后（毛經倫等，2018），均觀測到震前重力時變信息. 其標志性研究成果就是著名地質學者卡爾·巴恩斯在1966年期間明確提出的在地震前后，由于斷層運動引起地殼內的局部應力場改變，導致斷層處的地下介質密度發(fā)生變化，同時介質變形也會產生新的裂縫使已有的介質裂縫增大，這樣，流體介質例如地下水或者火山巖漿就可能會直接流進（或者直接流出），引起觀測點附近的流體介質密度發(fā)生變化，從而可能會直接影響區(qū)域重力場時間變化（Walsh, 1975;Chen et al., 1979）.

地震科學是一門觀測科學，地震研究不僅依賴于相關基礎理論的發(fā)展，更依賴于地震前后時空完整的高精度觀測資料. 近年研究結果表明，強震前區(qū)域重力場可能會觀測到顯著的重力異常變化信息（盧造勛等, 1978; Chen et al., 1979; 申重陽等, 2009;陳石等, 2015; Chen, 2016; 祝意青等, 2008a, 2008c,2013, 2017）. 利用高精度重力測量數(shù)據(jù)分析震前重力異常變化的空間分布特征，有助于判定未來大震的高風險區(qū)域. 最近，研究者們通過重力異常變化數(shù)據(jù)，結合研究區(qū)域的地震歷史資料，對一些大震進行了比較準確的中期預測（祝意青等，2008a,2008c，2013，2017；申重陽等，2020）. 本文簡要綜述時變重力在地震預測中的應用情況以及取得的研究成果.

1 區(qū)域重力場動態(tài)變化研究（流動重力）

中國受西部印度—歐亞板塊碰撞和東部太平洋板塊俯沖作用，使大陸內部強震頻發(fā)、地震災害嚴重（ Zhang et al., 2009; 周碩愚等, 2017）. 因此，積極開展地震監(jiān)測預報在內的防震減災工作，最大限度地減輕地震風險是我國的一項基本國策，我國也是目前全球唯一以地震監(jiān)測預報工作為主要目的、建設了大規(guī)模地面重力監(jiān)測網、并積極開展定期重力復測和地震預報工作實踐的國家（江在森等，2005；申重陽等，2020）.

1.1 探索開展階段

為探索重力時變與地震活動的關系，1966年邢臺地震之后，我國開始流動重力監(jiān)測網的布設，在華北、川滇等地區(qū)主要斷裂帶布設了各類跨斷層的流動重力測線，并在遼寧北鎮(zhèn)至莊河重力測線上觀測到了1975年海城7.3級地震前蓋縣一東荒地測段一年出現(xiàn)約180×10-8ms-2的重力變化（盧造勛等，1978），且通過對北京—天津—唐山—山海關的長基線重力聯(lián)測獲得了1976年唐山7.8級地震前后的重力場變化，發(fā)現(xiàn)震前有100×10-8ms-2重力異常（Li, 1983; 李瑞浩, 1997），佐證了震前重力異常的存在. Chen等（1979）在分析1975年海城地震和1976年唐山地震前后的重力變化時指出：重力變化與地震孕育發(fā)生過程有著密切關系，依據(jù)重復水準測量資料所估計的地面高程變化引起的重力變化比觀測到的重力變化小得多，因此，推測某些大震的孕育發(fā)生可能與地殼和上地慢內的質量遷移有關，認為所觀測到的重力變化大部分是由質量遷移引起的，同時對形變和質量遷移引起的重力變化效應進行了理論分析，但對質量遷移的物理過程并未完全給出明確解釋. 同樣也通過對唐山地震前后重力場變化資料的分析，李瑞浩等（1997）通過采用擴容模式來解釋唐山地震前后區(qū)域重力場變化過程，認為唐山地震前后震中區(qū)經歷了重力增大（應力積累壓縮）—重力減?。ㄅ蛎洈U容）—地震發(fā)生—震后反向恢復變化的過程，而且理論計算的重力變化值與實際觀測值有較好的一致性（胡敏章等，2021）. 海城地震和唐山地震前后的重力測量也表明，大震前重力會出現(xiàn)顯著異常變化，這為通過利用重力測量方法進行地震預測預報研究提供了典型震例.

1.2 觀測實踐階段

1981年之前，重力儀主要是石英彈簧型，其測量精度在30×10-8ms-2左右. 1981年之后，由于引進Lacoste-Romberg （G）（簡稱LCR-G）型金屬彈簧重力儀，其測量精度在10×10-8ms-2內，與石英彈簧重力儀相比其測量精度大大提高（祝意青等，2008b）. 中國地震局陸續(xù)開展了地震重力重復觀測（流動重力），在全國布設了一批測網或測線，基本以省級（直轄市、自治區(qū)）的屬地為單元，其自成體系，彼此獨立（申重陽等，2020）.

1981年，中國地震局地球物理研究所利用中美國際合作研究項目美方提供的3臺 LCR-G型重力儀，在京津唐張地區(qū)每年進行 2～3期的地震重力觀測，探索與強震孕育發(fā)生過程中的重力變化及其機理（Gu et al., 1998）. 京津唐張地區(qū)地震重力測量資料顯示，該地區(qū)的重力場具有明顯的分區(qū)變化特征，最為顯著的是測區(qū)南部出現(xiàn)較大范圍的重力增加變化，這一變化的主要原因是，測區(qū)南部大量利用地下水資源導致地面沉降而引起的重力增加（盧紅艷等，2004）；測區(qū)北部山區(qū)重力變化呈趨勢性減小，減小變化幅值與香山絕對重力點的變化量基本一致，大面積山區(qū)繼承性、同步性的構造運動是導致地表重力變化呈趨勢性減小變化的主要原因；測區(qū)東部重力變化主要是1990年 6月至1994年 6月期間，重力變化呈現(xiàn)出快速下降然后快速上升的過程，這可能是與1995年l0月灤縣MS5.9地震孕育發(fā)生相關的重力變化（盧紅艷等，2004）.

1984年，中國地震局地震研究所與德國漢諾威大學等合作，在滇西地震預報實驗場布設了地震重力測量網，并開展了每年2～3期的定期復測，觀測到1988年云南瀾滄耿馬7.6級地震前出現(xiàn)約70×10-8ms-2的重力異常（吳國華等，1995），1995年中緬邊界7.3級地震前出現(xiàn)約110×10-8ms-2的重力異常（吳國華等，1998），1996年麗江7.0級地震前震中附近出現(xiàn)約120×10-8ms-2的重力異常（吳國華等，1997），并認識到與地震孕育相關的重力變化不局限于斷層，而呈現(xiàn)“場”的特征. 賈民育等（1995）研究了1985～1994年期間滇西地震實驗場的重力場動態(tài)圖象及其與9次MS＞5.0地震的對應關系. 在觀測期間，測區(qū)及其鄰區(qū)累計發(fā)生了9次MS＞5.0地震，地震均發(fā)生在正負異常區(qū)轉換帶的零值線附近，震前總有一個正異常區(qū)出現(xiàn)，震級越大異常區(qū)的范圍與幅值也越大；震前重力場出現(xiàn)異常變化的時間長度大約為3年，完整規(guī)律是先上升后下降，在下降過程中發(fā)震，從轉折到發(fā)震的時間在1年之內. 進一步對1992年12月永勝MS5.1和MS5.4、1993年2月大姚MS5.3地震前的重力場變化圖象與1996年2月麗江MS7.0地震前的重力場變化圖象進行對比分析，認為1992年12月永勝MS5.1和MS5.4及1993年2月大姚MS5.3地震前的正異常區(qū)是明顯而完整的，其西南和東北的重力變化梯度帶和負異常區(qū)清晰可見，是兩個易發(fā)震的地區(qū)，并結合其它相關資料，在永勝和大姚地震前提出了基本準確的預報意見（賈民育等，2000）. 1996年麗江MS7.0地震前的重力正異常區(qū)變化量級是1993年大姚MS5.3地震前的7倍，異常區(qū)的范圍較大，然而異常形態(tài)卻不完整，這與滇西實驗場區(qū)測網比較小有關. 因此，明確提出準確判斷7級大震震前的震中位置，需要測區(qū)有900 km×900 km的范圍，而滇西地震重力測網的范圍只300 km×300 km. 事實上云南地震局重力研究人員對1996年麗江地震前的重力異常變化早有察覺，并對此次地震曾進行了一定程度的預測（吳國華，1997；申重陽等，2003）.

1990年前后，我國在大華北、南北地震帶、東南沿海等地區(qū)建成了以省、直轄市、自治區(qū)的屬地為單元相互獨立的區(qū)域重力測網，有20個單位展開流動重力野外監(jiān)測工作. 它們有的呈網狀，有的呈條狀，平均范圍小于300 km×300 km（申重陽等，2020；祝意青等，2020）. 監(jiān)測到1998年河北張北MS6.2地震前后出現(xiàn)在震中外圍地區(qū)的重力異常變化（張晶，2001）和1999年山西大同MS5.6地震前后震中區(qū)附近重力場出現(xiàn)的異常變化（李清林，2001）, 也監(jiān)測到1995年山東蒼山MS5.2地震前蘇魯皖交界地區(qū)重力場出現(xiàn)的異常變化（劉長海，1997）. 1995年甘肅永登MS5.8和2000年甘肅景泰MS5.9地震前，北祁連河西地區(qū)也觀測到明顯的重力異常變化，并對這兩次地震均進行了一定程度的中期預測（江在森等，1998；祝意青等，2001）. 1992～1994年期間，古浪、武威一帶出現(xiàn)顯著的重力異常變化，重力變化幅值大于50×10-8ms-2的空間范圍直徑達100多千米，古浪—天?！赖且粠桥c重力變化高值區(qū)相連的重力變化高梯度帶地區(qū)，1995年7月22日發(fā)生的永登5.8級地震震中位于這一重力變化高梯度帶地區(qū)的邊緣（江在森等，1998）. 2000年6月景泰MS5.9地震前，重力場于1998～1999年期間出現(xiàn)了類似于永登地震前的2項變化：（1）區(qū)域重力場呈現(xiàn)出較大范圍的趨勢性異常，沿祁連山主要斷裂構造帶出現(xiàn)重力變化高梯度帶，山區(qū)重力負值變化、盆地相對正值變化；（2）測區(qū)東部景泰MS5.9震中附近出現(xiàn)空間變化不均的多點局部異常區(qū)（祝意青等，2001）. 祝意青等（2004）進一步擴大研究范圍，利用統(tǒng)一起算基準獲得的青藏塊體東北緣重力觀測數(shù)據(jù)，分析了1992～2001年期間區(qū)域重力場的動態(tài)演化特征及其與永登MS5.8和景泰MS5.9地震孕育發(fā)生的關系. 認為整體計算獲得的青藏塊體東北緣重力觀測資料更能完整地反映出永登MS5.8和景泰MS5.9孕震過程中出現(xiàn)的重力場變化的完整前兆信息，重力場動態(tài)圖像能清晰地反映區(qū)域重力場的有序性演化過程與地震活動的關系（祝意青等，2004）.

1.3 應用提升階段

1998年，中國地震局聯(lián)合國家測繪局、總參測繪局和中國科學院等四部委共建了“中國地殼運動觀測網絡”工程（簡稱網絡工程），網絡工程的實施，建成了中國大陸統(tǒng)一的全國地震重力基本網，對25個基準站、56個基本站及300多個區(qū)域站（或過渡點）進行了重力聯(lián)測，同時對25個基準站還進行了絕對重力值測定. 網絡工程于1998年以來，每隔2～3年進行一期中國大陸重力基本網聯(lián)測. 在川滇、青藏高原東北緣等多震地區(qū)，中國地震局地震研究所和第二監(jiān)測中心共同完成對區(qū)域重力測網內的網絡GNSS站點聯(lián)測. 把一個個孤立的省區(qū)重力網連成較大的區(qū)域重力網（祝意青等，2008b；申重陽等，2020），觀測并研究區(qū)域重力場動態(tài)變化及其與強震孕育發(fā)生關系.

李輝等（2009）利用網絡工程重力觀測資料，獲得的1998年以來中國大陸2～3年尺度重力場的動態(tài)變化圖像，較好地反映了中國大陸地殼構造運動和主要強震活動的基本輪廓. 祝意青等（2012）利用網絡工程1998～2008年期間的重力觀測數(shù)據(jù)，獲得了中國大陸地區(qū)以絕對重力為統(tǒng)一起算基準的重力場動態(tài)變化圖像，認為中國大陸重力場變化既具有時空分布的不均勻性和重力變化分區(qū)化的現(xiàn)象，同時也與活動斷裂構造密切相關和與地震孕育發(fā)展有著密切內在聯(lián)系. 江在森等（2003）分析認為，在2001年青海昆侖山口西MS8.1地震震中附近的五道梁—阿爾金地區(qū)重力差異變化達100×10-8ms-2.王勇等（2004）利用重復重力觀測數(shù)據(jù)對麗江7.0級地震的同震位錯與重力變化之間的關系，進行了有參考價值的分析. 張永志等（2000）基于多孔介質中的力學理論、乘法分解理論和數(shù)值模擬對麗江7.0級地震過程的重力變化進行分析，提出麗江地震孕育發(fā)生過程中重力變化經歷了基體的彈性階段、基體與孔洞變形的彈塑性階段和同震時應力釋放進而孔洞重新閉合（毛經倫等，2018）. 申重陽等（2011）對2009年云南姚安6.0級地震前重力場變化特征并結合震源機制解進行分析，指出：震中區(qū)相對重力變化四象限分布圖像反映出震前孕震源存在剪應力（申重陽等，2020），并提出“閉鎖剪力”前兆模式. 祝意青等（2009, 2012, 2015b）研究分析表明，強震易發(fā)生在沿構造活動斷裂出現(xiàn)的重力變化正、負異常區(qū)過渡的高梯度帶上，重力變化等值線的拐彎部位，構造活動斷裂帶由于其差異運動強烈而構造變形非連續(xù)性最強，易產生劇烈的重力變化，利于應力的高度積累而孕育地震. 并對2008年新疆于田7.3級和四川汶川8.0級等大震做出了一定程度的預測. 2008年3月21日新疆于田MS7.3地震，重力資料預測的時、空、強三要素基本準確（祝意青等，2008b），預測的震中位置距離實際發(fā)生的震中149 km，這對于在地震監(jiān)測能力較弱的地區(qū)來說是很準確的（震中附近區(qū)域測點間距100～200 km，測點較?。? 新藏交界地區(qū)出現(xiàn)顯著重力異常變化，最大重力變化強度差異量為100×10-8ms-2，并形成四象限分布特征，是2008年新疆于田7.3級地震預測的主要參考依據(jù)（祝意青等，2020）. 2008年5月12日汶川MS8.0地震，預測震中位于映秀與北川2個極震區(qū)之間的地震主破裂帶上，預測的震中距離實際發(fā)生的震中72 km，與地震宏觀震中完全一致（祝意青等，2008a）. 川滇塊體一帶呈現(xiàn)重力高值變化異常，川北出現(xiàn)較大范圍的重力低值異常，重力最大差異變化量值高達130×10-8ms-2，并沿四川汶川—北川—成都環(huán)繞龍門山斷裂帶出現(xiàn)重力變化高值異常區(qū)及梯度帶，是2008年汶川地震預測的主要參考依據(jù)（祝意青等，2020）. 申重陽等（2009）利用1998～2007年中國大陸重力觀測數(shù)據(jù)，對2008年汶川MS8.0地震區(qū)域重力場的動態(tài)變化和孕震機理研究表明：震中西南出現(xiàn)持續(xù)多年的正重力變化和較大范圍的重力變化梯度帶，區(qū)域重力場的變化總體呈現(xiàn)增大—加速增大—減速增大—發(fā)震的過程（毛經倫等，2018）.

1.4 整體優(yōu)化階段

2008年汶川8.0級地震后，中國地震局總結與反思了中國地震重力場觀測的優(yōu)勢和局限，認為有必要將區(qū)域重力測網連接成整體，并形成統(tǒng)一觀測基準，按照“全國成場、區(qū)域成網”的思路，統(tǒng)籌現(xiàn)有的常規(guī)重力觀測任務（祝意青等，2020），地震重力監(jiān)測網建設和觀測技術得到了快速發(fā)展. 于2009年啟動“華北地區(qū)強震強化監(jiān)視跟蹤”專項任務，對華北地區(qū)分散的省區(qū)地震重力網進行調整、優(yōu)化和改造，對相關省區(qū)地震局自成體系的重力測網進行了有效連接，并加強絕對重力控制，構成新的、華北地區(qū)整體的重力監(jiān)測網（祝意青等，2018）. 2010年啟動地震行業(yè)科研重點專項“中國綜合地球物理場觀測”重力場變化加密監(jiān)測網，該網以全國重力基本網為總體構架，分期對青藏高原東緣地區(qū)、鄂爾多斯周緣地區(qū)、大華北地區(qū)原有的地震重力監(jiān)測網進行成場成網優(yōu)化改造，把分散的區(qū)域重力網連接起來（郝洪濤等，2015；胡敏章等，2015；祝意青等，2018）. 2010年《中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網絡》在《中國地殼運動觀測網絡》的基礎上對重力測網進行優(yōu)化升級改造，將中國大陸地區(qū)的100個基準站（絕對重力測量點）和600多個聯(lián)測點（邢樂林等，2016；申重陽等，2020）進行聯(lián)測. 通過中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網絡、中國綜合地球物理場觀測、華北強震等大型重點地震監(jiān)測項目，對 “零散分布”的地震重力監(jiān)測網進行了多次整體結構優(yōu)化改造，在中國大陸逐步構建成由相對重力聯(lián)測網和絕對重力控制網組成的中國大陸流動重力地震監(jiān)測網（圖1），每年定期開展觀測，并對南北地震帶地殼結構開展了重力探測工作（祝意青等，2018；申重陽等，2020）. 根據(jù)統(tǒng)一基準下獲得的全國重力場變化圖像，在年度地震預測特別是地點預測中發(fā)揮了重要作用，李輝、祝意青、申重陽、陳石、胡敏章等對重力場變化圖像與地震關系進行了深入總結（李輝等, 2009, 2010; Zhu et al., 2010; 祝意青等, 2012, 2014, 2015a; 陳石等,2015; 胡敏章等, 2019; 申重陽等, 2020）. 圖1標示了2001年昆侖山口西8.1級地震以來，中國大陸發(fā)生的2008年汶川8.0級、于田7.3級、2010年玉樹7.1級、2013年蘆山7.0級、2014年于田7.3級、2017年九寨溝7.0級和2021年瑪多7.4級等8次7級以上地震的震中. 可以看出除了位于青藏高原腹地的2001年昆侖山口西8.1級震中附近沒有重力測點外，其它7次大震震中附近均有一定的重力測點，尤其是2008年汶川8.0級、2013年蘆山7.0級和2017年九寨溝7.0級地震震中四周均有重力監(jiān)測點，這為可靠地提取強震前的重力變化前兆信息打下了良好基礎. 近年來我國多次強震前流動重力均觀測到顯著的重力異常變化，雖然異常的表現(xiàn)形式并不一致，有些發(fā)生在重力變化正、負異常區(qū)過渡的高梯度帶、零值線地區(qū)，有些發(fā)生在重力異常四象限分布中心，但可以根據(jù)重力變化異常區(qū)的范圍和幅度、重力異常變化梯度的大小及其特征，研究潛在強震可能分布的地點和震級（祝意青等，2018）；Chen等（2016）研究了重力場變化機理，觀測到2015年尼泊爾8.1級地震前后可靠的重力變化，給出了絕對重力觀測到的震前重力變化及震質中解釋結果；胡敏章等（2019）以及祝意青等（2018）提出了利用重力場變化預測地震的指標體系，對2013年四川蘆山7.0級和甘肅岷縣6.6級、2014年新疆于田7.3級和云南魯?shù)?.5級、2016年青海門源6.4級和新疆呼圖壁6.2級、2017年四川九寨溝7.0級等強震/大震均做出了較好的年度中期預測（祝意青等，2013，2015b，2016，2017；隗壽春等，2020）.

圖1 中國大陸流動重力地震監(jiān)測網Fig. 1 Seismic gravity monitoring network in China Continental

地震作為地殼內部介質變形、破裂的一種表現(xiàn)形式，對孕震期重力場變化的觀測，可研究地殼介質彈性應變積累與發(fā)震之間的關系（申重陽等，2009；陳石等，2015）；通過對地震前后重力場動態(tài)變化的分析，可研究震源參數(shù)和破裂過程以及震后恢復黏彈性變形等問題（付廣裕等，2017，2020）. 目前，以地表流動重力觀測為基礎手段獲取的重力場變化數(shù)據(jù)逐漸增多，并隨著儀器性能指標的不斷改進和重力測網覆蓋程度的不斷提高，通過地表重力重復觀測獲取的重力場動態(tài)變化與構造活動之間關系的研究取得了很多新的進展（陳石等，2015；申重陽等，2020；祝意青等，2020）.

2 重力場潮汐變化研究（定點連續(xù)重力）

國際上有計劃在固定臺站上開展重力場潮汐變化觀測是從1957年國際地球物理年開始的. 日本學者Mikumo（1977）對坎達拉肯州附近的兩次6級以上的地震研究發(fā)現(xiàn)，在震前可觀測到10%幅度的潮汐變化. Kai（1988）在研究總結1976年唐山7.8級地震的發(fā)震機制時，提出了潮汐應力是誘發(fā)唐山大震的一個重要因素，并認為1966年3月河北邢臺7.2地震、1967年3月河北河間6.3級地震也都與潮汐應力激發(fā)相關. Sachiko（2004）研究潮汐與地震活動的相關性時發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域的淺源構造地震與潮汐應力及區(qū)域斷裂構造帶的應力水平相關，當區(qū)域斷裂構造帶的主壓應力軸與震源機制解的P軸基本一致時，潮汐應力對區(qū)域構造活動的應力積累有較大貢獻，并有可能觸發(fā)地震事件發(fā)生.Cochran等（2004）在《Science》上發(fā)表論文“潮汐能夠誘發(fā)淺層逆沖斷層地震”，將Sachiko的結果運用到了全球范圍內的構造地震事件進行研究，同時結合在地震破裂事件方面的重要研究成果，發(fā)現(xiàn)地球淺部構造地震事件與潮汐相關，而且這種相關性與假設地殼內部的摩擦系數(shù)有關. 這些研究引起了國內外地球物理學家的極大關注和熱烈學術討論.

我國在地球潮汐與地震活動關系研究方面也開展了大量的工作. 1959年，以中蘇國際合作觀測方式在甘肅蘭州地震臺進行重力場潮汐變化觀測研究. 1966年邢臺地震發(fā)生后，在北京北安河建立了第一個為監(jiān)測地震活動服務的重力固體潮觀測臺站. 1980年，中國地震局地球物理研究所與美國哥倫比亞大學進行了局部重力場變化與地震活動關系的國際合作，在京津唐張等地區(qū)建立7個定點連續(xù)重力站（盧紅艷等，2004）. 經過“九五”、“十五”、“十一五”、“陸態(tài)網絡”等建設，我國逐步建成了80多個連續(xù)重力站.

吳慶鵬等（1978）利用北安河和密云重力臺站1976年1月1日至9月16日的重力固體潮觀測資料，對唐山地震前M2波重力潮汐因子的變化趨勢進行了分析，對如何利用重力資料進行地震預報進行了探討. 陳益惠（1979）、唐伯雄（1980）分別利用調和分析法、勒卡拉茲和維涅第科夫方法，對北京地區(qū)、昆明地區(qū)重力固體潮觀測的結果進行了分析. Gu等（1998）分析了1982～1998年在京津唐張地區(qū)的16個M4～5地震前重力變化圖像，并從理論模型上進行了解釋. 吳雪芳等（1984,1991, 1996）利用重力潮汐因子變化分析研究了地震預報的可能和條件；在利用潮汐參數(shù)進行云南瀾滄、耿馬等地震預測實踐過程中，提出了固體潮預報地震的理論基礎和方法，闡明了重力方法在地震預測工作中的作用. 魏望生等（1990）對滇西下關和彌渡兩個臺站進行了重力固體潮變化研究，確定了滇西地區(qū)主波潮汐因子的最佳值，并分析了瀾滄地震前后潮汐和非潮汐變化特征. 吳翼麟等（1995）的研究結果認為我國對重力固體潮觀測臺網的觀測環(huán)境、觀測精度已初步達到國際先進水平，可廣泛應用于地震預報，根據(jù)全國30個臺站3年的觀測資料統(tǒng)計，傾斜潮汐因子出現(xiàn)異常后1～6個月內，距臺站100 km范圍內發(fā)生5級地震、200 km范圍內發(fā)生6級地震、400 km范圍內發(fā)生7級地震的平均概率為0.39. 何翔等（1996）研究認為潮汐因子異常既有地震“源兆”信息，也有地震“場兆”信息，7級大震可觀測到400多千米的傾斜潮汐因子振幅顯著變化. 楊又陵（1990）發(fā)現(xiàn)烏魯木齊紅山重力臺站在1983年新疆和靜東北MS5.2、1987年羅布泊MS5.7地震前，重力潮汐出現(xiàn)明顯的異常.

2000年以來，隨著儀器觀測精度的提高，微弱信號的提取分析方法也開始嶄露頭角. 周摯等（2008）利用HHT方法獲取了昆明、下關重力固體潮的地震前兆信息，認為重力固體潮在大震前存在頻率分化異?，F(xiàn)象，為進一步深化固體潮理論預報地震提供了新的分析方法. 2001年昆侖山口西8.1級巨震前，重力儀觀測到重力擾動異常（王武星等，2007）. 2008年汶川8.0級、2013年蘆山7.0級以及2014年于田7.3級等多次大震前，全國范圍內的臺站重力儀也檢測到了大震前的重力擾動異常（胡小剛等，2010；王新勝等，2013，2014）.Wei等（2013）基于郫縣GS15型重力儀捕捉到距離震中約50 km的蘆山7.0級大震產生的約0.5×10-8ms-2的同震重力異常信號，這與位錯模型模擬結果具有較好的一致性. 楊錦玲等（2017）分析了2008年3月和2014年2月新疆于田兩次MS7.3地震前重力短臨異常信號，認為2008年大震前牡丹江臺、沈陽臺和漳州臺三個重力臺站記錄到高頻擾動信號；2014年大震前8個臺站記錄到兩組不同頻段的重力擾動信號，震前6天的第一組信號出現(xiàn)在東北臺站，震前3天的第二組擾動信號集中在東南臺站，兩組擾動信號振幅呈現(xiàn)從北到南、從東到西逐步衰減的一種時空分布規(guī)律. 申重陽等（2020）認為蘆山地震前1個月，南北地震帶的區(qū)域潮汐因子（2008年1月至2013年2月）趨勢變化呈四象限分布特征，地震發(fā)生在四象限分布中心附近，可能與閉鎖剪力模式有關. 然而在利用固體潮或潮汐參數(shù)進行地震預測預報時，雖然提出了一些預測指標和部分理論，但仍停留在經驗預報的層面上.

3 衛(wèi)星重力變化研究

傳統(tǒng)的地面重力測量雖然觀測精度高，但存在空間分布不均勻和時間分辨率低等不足，且受觀測條件的限制，難以捕獲到發(fā)生在海域的大震造成的重力變化，而衛(wèi)星重力測量，其空間分布覆蓋均勻，可以有效彌補海洋一側常規(guī)重力觀測方法的不足，對于深入研究海洋俯沖帶上的大震形變具有重要意義（鄭增記，2020）. 相比地面連續(xù)重力和流動重力觀測，衛(wèi)星重力可以全天候、全球覆蓋、連續(xù)性、成本低及不受地域地形限制等諸多優(yōu)點，作為空間對地觀測手段監(jiān)視地球重力場變化得到了快速的發(fā)展. 自2002年3月GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiments）重力衛(wèi)星發(fā)射以來，隨著觀測數(shù)據(jù)的積累和地震位錯理論、模型的不斷完善，通過GRACE重力衛(wèi)星來監(jiān)測大震的技術手段越來越成熟.

早在GRACE重力衛(wèi)星發(fā)射之前，Wahr（1998）就給出了時變重力場的基本理論和方法，并進行數(shù)值模擬計算. Sun和Okubo（2004）對發(fā)震斷層模型進行參數(shù)反演，結合GRACE觀測精度特點認為，GRACE重力衛(wèi)星在理論上能夠檢測出大于MW9.0的剪切型地震或者大于MW7.5的拉張型地震的同震形變信號，該理論隨后被許多學者利用近些年發(fā)生的大地震數(shù)據(jù)所驗證. Mikhailov等（2004）利用GRACE重力衛(wèi)星時變重力場模型數(shù)據(jù)，基于數(shù)值模擬的方法，計算了不同震級地震構造活動引起的重力場變化. Han等（2006）使用GRACE提取出了2004蘇門答臘造成的同震重力變化，提出強震造成海洋地殼膨脹現(xiàn)象，是世界上第一個利用衛(wèi)星重力探測到同震變化的學者，具有劃時代意義.美國地質調查局Pollitz（2006）在《Science》上撰文指出GRACE衛(wèi)星重力對地震監(jiān)測具有重大意義.Chen等（2007）對GRACE RL04重力數(shù)據(jù)加上去相關和300 km高斯濾波獲得了蘇門答臘地震同震重力變化信號，研究了地震前后的重力變化時間序列. Panet等（2007）基于連續(xù)小波方法分析了GRACE時變重力場模型數(shù)據(jù)，認為地下深部物質密度變化及其地殼垂向運動是同震形變的主要原因. 段虎榮等（2009）利用GRACE衛(wèi)星重力資料，分析了2008年汶川MS8.0地震前后中國大陸區(qū)域重力場變化，并利用地殼膨脹模型理論對同震重力變化現(xiàn)象進行了闡述. 邢樂林等（2009, 2010, 2011 ）利用GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)結合向上延拓技術和位錯模型等理論驗證手段，分析了一些典型地震發(fā)震斷層的深部構造活動特征. 鄒正波等（2012, 2013,2015, 2016 ）利用GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)對中國汶川MS8.0、日本MW9.0、尼泊爾MS8.1等大震的區(qū)域重力場變化進行了分析與研究. Cambiotti等（2012）聯(lián)合Sumatra-Andaman大震震源機制及GNSS觀測結果，給出了結合GRACE約束條件下的改進有限斷層模型. Cambiotti（2013）提出了一種基于GRACE衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)反演地震參數(shù)的方法，并應用于2011年日本MW9.0地震（安東東，2018）. 姜永濤等（2015）對2010年智利MW8.8地震的同震重力變化和重力梯度變化做了研究.Fuchs等（2016）利用GRACE、GOCE重力梯度觀測數(shù)據(jù)，并結合GNSS觀測結果，反演了2011年日本MW9.0地震發(fā)震斷層分布. 瞿偉等（2017）扣除水文因素的影響，分析了尼泊爾8.1級地震前后震中及周緣區(qū)域重力場變化和震源區(qū)特征點的重力變化特征.

以探測時變重力場為主要科學目標的GRACE重力衛(wèi)星可以從觀測周期與空間覆蓋等方面補充地面重力觀測的不足. GRACE重力衛(wèi)星在軌運行15年（2002年3月17日至2017年10月10日）獲得了大量的300 km空間分辨率、月時間分辨率的動態(tài)重力場，為水文學、冰川學、氣象學及地震學研究做出了重要的貢獻（Tapley et al., 2019）. 已成功提取到多次地震相關的重力變化（Han et al.,2006; 王武星等, 2010, 2014; 張克亮等, 2014; Dai et al., 2016; Zheng et al., 2018; 鄒正波等, 2021），最小震級（鄂霍次克海）可達MW8.3地震（Zhang et al., 2013），為地震孕育發(fā)生過程的重力場動態(tài)變化提供了科學樣本，具備開展大震研究的潛力.GRACE-FO（GRACE Follow-on，2018年5月22日發(fā)射）是GRACE的后續(xù)衛(wèi)星，它在復制GRACE的基礎上，配備了更高精度的星間激光測距儀，已在全球范圍內成功延續(xù)了GRACE衛(wèi)星計劃（Boergens et al., 2020）. 當前GRACE-FO高精度星間激光測距技術的采用并沒有有效提高月重力場模型精度，且加速度計及大氣海洋模型精度有待于進一步提高，同時衛(wèi)星星座的采用將是提高衛(wèi)星重力精度的有效方法. 目前國內的天琴二號衛(wèi)星及未來通過國際合作建立的衛(wèi)星星座，將為探測更多地震事件提供了新的契機（鄒正波等，2021）.

4 問題與展望

4.1 問題

在我國，重力測量作為一種研究、預測地震的手段，已走了50多年的歷程，通過不斷地探索實踐，逐漸認識和捕捉到了與強震孕育發(fā)生相關的典型重力變化特征，為中國地震局年中、年度地震趨勢會商提供了重要依據(jù)，并取得了多次中期預測成功的案例（毛經倫等，2018；申重陽等，2020）.在強震來臨前呈現(xiàn)出上升與下降變化的四象限分布或沿主要構造帶出現(xiàn)重力變化梯度帶等特征，震中往往落于重力等值線的低值區(qū)，這也是近20年來運用重力監(jiān)測手段進行地震研究、預測的成功經驗. 申重陽等（2011, 2012, 2020）從能量積累和破裂角度提出了大震判別基本準則和閉鎖剪力模式，為地震預測和機理解釋提供了理論依據(jù). 還有諸多研究人員基于對以往震例重力變化異常范圍、量級、持續(xù)時間與強震關系，進行了大量的數(shù)理統(tǒng)計與分析研究（賈民育等，2000；祝意青等，2018；胡敏章等，2019；申重陽等，2020），為地震預測提供了方法經驗. 雖然重力時變監(jiān)測目前已在中國大陸的地震監(jiān)測與研究中獲取了較為成功的經驗，但距離地震預測預防等減災需求，尚有不足，主要存在以下問題：

（1）重力的實際監(jiān)測能力直接決定了對我國大陸重點地區(qū)重力場演化及其與地震活動關系的研究能力，我國現(xiàn)行監(jiān)測網布局分布不均勻，重力監(jiān)測點主要分布于大華北與南北地震帶，而在青藏高原及其周邊地區(qū)分布較少，時空分辨率不夠，所得到的信息是殘缺不全的，對6級強震仍不具備監(jiān)測能力，不能有效地捕捉到強震孕育發(fā)生過程中出現(xiàn)的完整前兆信息.

（2）絕對重力標定和控制程度較低、絕對重力與相對重力沒有進行準同步測量，不能很好地消除相對重力儀格值標定引起的系統(tǒng)誤差. 連續(xù)重力與流動重力的融合程度較低，以超導重力儀為代表的微漂移、高穩(wěn)定性儀器裝備數(shù)量匱乏. 連續(xù)重力儀數(shù)量少、站網臺站空間分辨率低，儀器零漂大，缺乏絕對標定，難以實現(xiàn)對中國大陸重點地區(qū)的有效監(jiān)測.

（3）重力時變測量是當前地震監(jiān)測中最精密和困難的工作，地震重力監(jiān)測獲取的是微伽級變化. 觀測技術很重要，數(shù)據(jù)處理的及時性也十分關鍵. 中國大陸重力基本網由多個部委共同完成重力觀測任務. 由于觀測不同步，野外作業(yè)時長達7～8個月，甚至更長，不能及時有效融合所有監(jiān)測數(shù)據(jù). 因此，數(shù)據(jù)處理的及時性顯得格外重要，由于目前主要以絕對重力控制下的相對重力測量為主，不同的人采用不同的數(shù)據(jù)處理方法可能會獲取不同的計算結果，應確保計算結果的可靠性.

（4）時變重力研究中，構造和水的影響是造成地面重力變化最大的因素，如何扣除掉地表冰雪、湖泊和地下水等質量對重力變化的影響和貢獻，有效提取反映構造和動力學變化的信號是亟待加強的工作.

（5）在深入認識震前重力場變化特征方面，雖然先后提出過質量遷移、密度變化、斷層位錯和蠕動、聯(lián)合膨脹、閉鎖剪力等模式，在揭示重力場變化的物理機制等方面取得了一定的進展，但在實際地震預測中仍受制于重力觀測網布局及測量技術.

4.2 展望

在各種自然災害中, 地震是對人類生活影響最嚴重的一種自然災害. 可想而知，如果通過地震監(jiān)測預報能準確預測大震何時何地發(fā)生，對于造福人類來講是非常重要的. 但是，預測地震又是非常困難的. 地震預報一直是世界公認的科學難題，地震機理極其復雜，但并不是完全不可知的. 地震的發(fā)生本是地下構造運動由慢變快的變形過程，問題在于是否能觀測、記錄到，即使觀測到了，又能否識別（馬瑾，2016）.

近年來，受益于中國大陸地震重力觀測網的不斷優(yōu)化完善，重力技術管理部及各個省局地震重力監(jiān)測預報隊伍的不斷加強與人才培養(yǎng)，流動重力發(fā)揮著越來越重的作用，取得了多次中期預測成功案例. 但目前絕對重力儀偏少，相對重力儀存在一定的零漂，使地面流動觀測和臺站定點連續(xù)觀測數(shù)據(jù)效能大打折扣. 因此，從長遠發(fā)展來看，應發(fā)展高精度絕對重力觀測技術代替流動相對重力觀測技術；發(fā)展低漂移（超導）或無漂移式定點連續(xù)觀測技術代替彈簧式定點連續(xù)觀測技術；發(fā)展低空衛(wèi)星重力觀測技術彌補地面重力觀測技術的不足（祝意青等，2020）. 未來，隨著觀測技術的進步、重力場時空監(jiān)測分辨力的增強，基于多源重力觀測數(shù)據(jù)的融合及重力異常與地震活動關系研究進一步深入，時變重力在地震預測與研究中的作用會越發(fā)顯著.