地壳流体的重力监测取得新进展

　　寻找可靠的地震前兆是世界科学难题，也是国内外地震学家不懈努力的目标之一。重力场的静态异常特征与动态时间变化可以为研究深地壳结构与性质提供重要的物理场信息。许多大地震在大范围的孕震区产生了高达数十微伽/年的重力信号变化，然而这些微重力变化信号的物理机制不明。大陆地壳10公里以浅普遍存在着以水为主的流体（简称地壳流体），地壳流体向浅部侵位可能引起上述微重力变化信号(e.g., Chen et al., 2016; Chen et al., 1979)，但是地壳流体侵位怎样改变重力场以及能否引起可监测的重力信号变化尚缺乏深入研究。基于上述科学问题，中国地质科学院地质力学研究所刘向冲副研究员、中国地震局地球物理研究所陈石研究员、中国海洋大学邢会林教授通过数值模拟实验评估高压地壳流体侵位至地下10公里后所引起的重力变化信号，得到如下结论：

　　（1）深部高压流体侵位会使上地壳流体密度升高，在10年内产生重力场正异常。其中，流体压力是产生重力场变化的主要变量，温度的影响较小。

　　（2）深部高压流体侵位后的最初2-3年重力场变化速率非常快（>3 微伽/年），之后重力场的变化快速减小；流体侵位的最初1-3年是最佳的观测窗口，因而有必要提高重力观测的频率至≥1次/年。

　　（3）深部流体侵位引起的重力场变化与临近源区的岩石渗透率、孔隙、流体的规模、盐度与初始温度成正比。故大陆地壳的初始地质条件和深部流体源区的地球化学演化过程都会影响深部流体侵位引起的重力场变化。

　　

　　图1 等温流体密度与压力的关系

　　等温流体密度随压力升高而升高，随盐度变大而升高。Phydro代表10公里深的静水压力，Plitho代表10公里深的静岩压力。流体密度后的百分数为相对于纯水在Phydro条件下的密度增量。

　　

　　

　　图2 地壳深部流体侵位引起重力信号变化示意图

　　

　　以上研究成果发表在国际构造物理学权威刊物《Tectonophysics》：Liu, X., Chen, S., Xing, H., 2022. Gravity changes caused by crustal fluids invasion: A perspective from finite element modeling. Tectonophysics, 833: 229335.