中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 對地球內(nèi)部及其外部空間的各種物理場的觀測，是探索地球本體及近地環(huán)境空間的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、組成、形成和演化，研究各種自然災(zāi)害發(fā)生和演化的規(guī)律，以及開展自然災(zāi)害預(yù)警和預(yù)測預(yù)報(bào)工作的重要基礎(chǔ)。目前，世界上很多國家都建有各種地球物理觀測站點(diǎn)，不同區(qū)域的觀測站點(diǎn)聯(lián)合在一起，形成龐大的地球內(nèi)部和外部空間觀測網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)獲取地球與空間的多物理場信息，包括：地球內(nèi)部的振動(dòng)、形變、電磁場、重力場等信息，以及地球外部空間的風(fēng)場、溫度、密度、等離子體、電磁場等多種參數(shù)。安徽蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站（以下簡稱“蒙城站”）是我國唯一同時(shí)開展地球內(nèi)部和外部空間物理場觀測和研究的國家級野外站，這在國際上也是非常少見的。

蒙城站于2007年在安徽省蒙城地震臺（中國地震局國家基本臺）的基礎(chǔ)上建成，依托中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與安徽省地震局共同建設(shè)，主管單位為中國科學(xué)院和中國地震局；2009年進(jìn)入科學(xué)技術(shù)部國家野外科學(xué)觀測研究站。目前，蒙城站是中國科學(xué)院日地空間環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)中的重點(diǎn)站，是國家重大科學(xué)工程“子午工程”（一期）的重要節(jié)點(diǎn)。蒙城站目前開展測震、地電、地磁、形變等固體地球物理觀測，同時(shí)開展中高層大氣風(fēng)場、溫度、密度、金屬層、大氣氣輝輻射、電離層電子濃度總含量、太陽射電等多種近地空間環(huán)境參數(shù)觀測，具備良好的綜合地球物理科學(xué)觀測、儀器研發(fā)和研究能力。蒙城站還聯(lián)合安徽省內(nèi)其他臺站開展地球物理場聯(lián)合探測，同時(shí)針對郯廬—大別構(gòu)造帶開展流動(dòng)地球物理觀測與研究，為中國中東部地區(qū)的地震監(jiān)測、地震災(zāi)害評估、近地空間環(huán)境監(jiān)測、空間災(zāi)害（如磁暴）預(yù)警等提供不可或缺的觀測資料和研究支撐。

通過地球物理觀測，研究發(fā)現(xiàn)郯廬—大別構(gòu)造帶巖石圈結(jié)構(gòu)與變形特征

蒙城站位于安徽西北部；安徽地處華北地塊、揚(yáng)子地塊和秦嶺—大別造山帶3個(gè)大地構(gòu)造單元的接壤地帶，著名的北北東向郯廬斷裂帶穿過安徽境內(nèi)。郯廬斷裂帶是中國東部最為重要的深大斷裂帶，總長度超過2400km，郯廬斷裂帶及其兩側(cè)附近先后發(fā)生過1668年的山東郯城81/2級大地震等多次強(qiáng)震。而秦嶺—大別造山帶附近地震活動(dòng)也比較頻繁，包括造成較大破壞和人員傷亡的1917年安徽霍山61/4級地震和2006年江西九江里氏5.7級地震。此外，蒙城站所在的安徽省也位于長江中下游成礦帶區(qū)域，礦產(chǎn)資源形成的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造背景一直也是熱點(diǎn)研究問題。

為了更好地研究郯廬—大別構(gòu)造帶及其鄰區(qū)的巖石圈結(jié)構(gòu)和變形特征、強(qiáng)震孕育發(fā)生的結(jié)構(gòu)背景和礦產(chǎn)資源形成的深部構(gòu)造環(huán)境，蒙城站科研人員近年來通過固定和流動(dòng)寬頻帶地震臺陣觀測資料，采用背景噪聲成像、接收函數(shù)分析等方法，獲得了郯廬斷裂帶中南段及長江中下游成礦帶區(qū)域的三維巖石圈橫波速度結(jié)構(gòu)和方位各向異性模型，以及莫霍（Moho）界面和泊松比結(jié)構(gòu)，橫向分辨率可達(dá)50km。

獲得的結(jié)構(gòu)模型顯示郯廬斷裂帶中南段及鄰近區(qū)域的上地殼速度結(jié)構(gòu)與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造單元具有很好的對應(yīng)性：盆地區(qū)域表現(xiàn)為明顯的低速異常，在造山帶、隆起區(qū)域、成礦帶區(qū)域表現(xiàn)為明顯的高速異常。郯廬斷裂帶中南段地殼速度結(jié)構(gòu)、地殼厚度和地震活動(dòng)性存在明顯的分段性：其東、西兩側(cè)的地殼厚度存在明顯差異，斷裂帶東側(cè)的揚(yáng)子塊體的地殼厚度不到30km。成像結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在長江中下游地區(qū)的下地殼和上地幔頂部存在V形高速異常帶（圖1），長江中下游成礦帶中下地殼普遍存在高速異常體隆起。這可能是來源于古太平洋板塊俯沖洋殼脫水導(dǎo)致上地幔巖石部分熔融，巖漿底侵至地殼下部，冷卻后形成高速異常體。方位各向異性成像模型顯示郯廬斷裂帶中南段地殼的方位各向異性快波方向基本平行于斷裂帶走向，顯示出斷裂帶兩側(cè)華南和華北塊體的相對運(yùn)動(dòng)對斷裂帶區(qū)域地殼介質(zhì)變形的控制作用，但巖石圈與下覆軟流圈的各向異性和變形模式顯著不同。

除了巖石圈速度結(jié)構(gòu)外，地下介質(zhì)的密度結(jié)構(gòu)及其變化也是認(rèn)識地球內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)甚至孕震過程的重要參數(shù)，而地球重力場是反映地下介質(zhì)密度分布的核心物理場，重力場的測量及其隨時(shí)間的變化反映了地下介質(zhì)密度的分布及其變化。蒙城站科研人員在安徽省內(nèi)每年開展2次流動(dòng)重力測量工作。目前，安徽省重力測網(wǎng)由相對、絕對重力測量點(diǎn)及連續(xù)重力觀測站組成，共有125個(gè)測點(diǎn)。2019—2020年及2020—2021年的年度尺重力場變化不大，約在 20mgal（圖2）；整個(gè)觀測區(qū)域處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。蒙城站科研人員已經(jīng)發(fā)展了地震數(shù)據(jù)與重力數(shù)據(jù)的聯(lián)合成像算法，正在開展多種地震波數(shù)據(jù)與重力數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演，從而更好地約束郯廬—大別構(gòu)造帶巖石圈物性結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)過程。

通過密集短周期地震臺陣觀測，探明了郯廬斷裂帶中南段精細(xì)地殼淺部結(jié)構(gòu)

寬頻帶地震臺站的空間分布相對較為稀疏，所得成像結(jié)果的分辨率還難以刻畫斷裂帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)。為了更好地獲得郯廬斷裂帶中南段精細(xì)的速度結(jié)構(gòu)模型和變形特征，從2015年開始沿著郯廬斷裂帶中南段布設(shè)密集短周期臺陣1600多臺次（圖3），包括密集線性臺陣和面狀臺陣；臺站間距為數(shù)百米到數(shù)千米，觀測時(shí)間為1—2個(gè)月，獲得了一批重要的地震臺陣觀測數(shù)據(jù)。

基于密集臺陣數(shù)據(jù)的背景噪聲成像等方法，蒙城站構(gòu)建了橫向分辨率達(dá)數(shù)千米的郯廬斷裂帶中南段不同區(qū)段的精細(xì)地殼淺部速度結(jié)構(gòu)模型?；谀Ｐ蛯Ρ确治龊湍M得出4點(diǎn)科學(xué)結(jié)論：① 郯廬斷裂帶南段（如廬江段、巢湖段、肥東段）的斷裂帶介質(zhì)表現(xiàn)為高速異常（圖4）；由斷裂帶區(qū)域變質(zhì)雜巖和冷卻的巖漿巖所導(dǎo)致，斷裂帶西側(cè)的合肥盆地顯示為明顯的低速異常。② 從張八嶺北部以北的郯廬斷裂帶區(qū)域由4條近于平行的北北東向斷層組成，斷裂帶東西寬度達(dá)到50—70km；斷裂帶地殼淺部表現(xiàn)出明顯的高低速相間的特征，主要是由于華北克拉通破壞時(shí)期的拉張作用導(dǎo)致一系列斷陷盆地的形成。③ 郯廬斷裂帶巢湖段上地殼三維各向異性模型揭示區(qū)域內(nèi)方位各向異性分布與主要地質(zhì)單元分布相關(guān)，主要受形狀優(yōu)勢方向（如斷裂帶走向）控制；并基于各向同性和各向異性模型提出了郯廬斷裂帶巢湖段的4階段構(gòu)造演化模式。④ 郯廬斷裂帶合肥段的多尺度三維地殼模型顯示巢湖西側(cè)的區(qū)域沉積厚度可達(dá)6—8km（圖5），顯著放大地震動(dòng)和造成更大的地震災(zāi)害；該多尺度模型為郯廬斷裂帶設(shè)定地震的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)模擬和潛在地震災(zāi)害評估工作提供了重要的基礎(chǔ)。

加強(qiáng)大地電磁、流動(dòng)重力等其他地球物理場的觀測，結(jié)合密集地震臺陣觀測資料，采用地球物理聯(lián)合成像等方法，能更好地揭示郯廬—大別構(gòu)造帶深淺部精細(xì)結(jié)構(gòu)和變形特征，研究區(qū)域地震孕育發(fā)生與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

基于流星雷達(dá)聯(lián)合觀測，揭示中間層頂中性大氣對太陽/地磁響應(yīng)

中間層頂區(qū)域大氣主要成分為大氣分子；在這一高度范圍，大氣分子間的運(yùn)動(dòng)以碰撞為主，一般認(rèn)為不受地球磁場及地磁活動(dòng)的影響。太陽活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的地磁擾動(dòng)，同時(shí)伴隨大量高能粒子進(jìn)入地球大氣，在磁層-電離層-熱層產(chǎn)生一系列災(zāi)害性空間天氣現(xiàn)象。近年研究發(fā)現(xiàn)能量粒子注入可以引起中間層痕量成分（如O3、NOx、HOx等）變化，以及低熱層高度（95km以上）大氣溫度變化。但是，對于中間層的中性大氣是否受到太陽活動(dòng)的影響這一問題尚不清楚。

基于流星雷達(dá)探測的流星尾跡的衰減時(shí)間（雙極擴(kuò)散系數(shù)），通過排除微流星注入大氣速度對流星燒蝕峰值高度的影響，發(fā)展了中間層頂大氣密度反演算法。該方法應(yīng)用于全球流星雷達(dá)觀測，獲得了不同緯度中間層頂大氣密度季節(jié)變化（圖6）。在此基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)極區(qū)中間層頂大氣密度與對重現(xiàn)性地磁活動(dòng)的響應(yīng)呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)；即地磁活動(dòng)Kp指數(shù)增強(qiáng)時(shí)，中間層頂大氣密度降低，反之亦然。這與此前報(bào)道的熱層大氣密度與地磁活動(dòng)存在正相關(guān)性的觀測結(jié)果剛好相反。另外，還發(fā)現(xiàn)在重現(xiàn)性地磁活動(dòng)期間中間層頂風(fēng)場存在明顯西向增強(qiáng)現(xiàn)象，并伴隨顯著的潮汐幅度（特別是半日潮汐幅度）增加。進(jìn)一步分析2004—2016年中間層頂中性大氣密度對強(qiáng)地磁暴（Dst<﹣100 nT）的緯度依賴特征，蒙城站發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)磁暴期間極區(qū)中間層頂大氣密度存在明顯的下降（可超過10%），兩極地區(qū)的中間層頂大氣密度存在相似的變化并可以延伸至中緯度地區(qū)。這些發(fā)現(xiàn)揭示了強(qiáng)地磁活動(dòng)期間伴隨的高能粒子或者熱層焦耳加熱等過程對中高層大氣動(dòng)力學(xué)過程的潛在影響。

基于電離層數(shù)字測高儀與衛(wèi)星聯(lián)合觀測發(fā)現(xiàn)電離層Es季節(jié)變化形成機(jī)制

電離層是距地面約60—1000km高度的大氣部分電離區(qū)域，是影響無線電波傳播最重要的媒介。在高空大氣中，流星注入形成的金屬離子是導(dǎo)致高空電離層突發(fā)E層（Es層）的主要成分。Es層是90—130km垂直高度區(qū)域中稠密的電離層不均勻體。電離層不均勻體的出現(xiàn)極大地影響著無線電通信、定位、導(dǎo)航、航空航天等相應(yīng)領(lǐng)域的遠(yuǎn)程空間通訊的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

自20世紀(jì)60年代地球電離層Es層被觀測發(fā)現(xiàn)以來，其形成的物理機(jī)制一直是一個(gè)長期未解決的問題，而其中最大的一個(gè)難題就是如何解釋Es層顯著的季節(jié)變化。通過COSMIC衛(wèi)星的GPS掩星事件對全球電離層Es層的強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)Es成因的“垂直風(fēng)剪切理論”并不能很好的解釋Es層的全球季節(jié)變化特征。在此基礎(chǔ)上，利用國內(nèi)120 子午線和英國盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室0 本初子午線附近的電離層數(shù)字測高儀觀測鏈，發(fā)現(xiàn)Es層存在顯著地從冬季半球向夏季半球的子午輸運(yùn)過程，這一全球金屬離子的跨半球輸運(yùn)過程主要受低熱層的大氣經(jīng)向環(huán)流控制（圖7）。該研究成果對進(jìn)一步理解Es層的形成機(jī)制提供了重要的觀測和理論依據(jù)。

基于蒙城北斗電離層短基線觀測網(wǎng)揭示電離層中小尺度結(jié)構(gòu)變化機(jī)制

在電離層中存在復(fù)雜的不同時(shí)間尺度和空間尺度的變化和結(jié)構(gòu)。一般來說，1000km及以上的大尺度電離層結(jié)構(gòu)和變化主要引起無線電信號延遲的差異，而中小尺度的電離層結(jié)構(gòu)和變化還會(huì)造成電離層閃爍，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致信號的中斷。由于觀測的限制，目前對中小尺度結(jié)構(gòu)和變化的認(rèn)識較為缺乏。

基于GNSS的電離層觀測是目前應(yīng)用最廣泛的電離層觀測技術(shù)。而我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還包含5顆地球靜止軌道同步衛(wèi)星，與美國GPS等系統(tǒng)相比擁有獨(dú)特的優(yōu)勢。北斗同步衛(wèi)星電離層觀測相當(dāng)于是定點(diǎn)的全天候觀測，能把電離層時(shí)間和空間變化效應(yīng)區(qū)分。借助北斗的觀測優(yōu)勢，蒙城站創(chuàng)新地建立了中國中部區(qū)域蒙城北斗電離層短基線觀測網(wǎng)（圖8）。該觀測網(wǎng)絡(luò)臺站間距基本在100km附近，最小間距在60km，可以構(gòu)成兩組三角觀測網(wǎng)絡(luò)。觀測網(wǎng)除了可以接收北斗衛(wèi)星信號，還可接收GPS和GLONASS等導(dǎo)航衛(wèi)星信號。利用該特色觀測網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合蒙城站布設(shè)的光學(xué)氣輝觀測，能有效觀測和監(jiān)測區(qū)域中小尺度電離層變化和結(jié)構(gòu)及其引起的閃爍，對研究和認(rèn)識電離層區(qū)域結(jié)構(gòu)和變化具有重要作用。

利用蒙城北斗電離層短基線觀測網(wǎng)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)聚焦電離層中小尺度結(jié)構(gòu)和變化開展了系列工作，取得了創(chuàng)新性成果，包括：首次發(fā)現(xiàn)區(qū)域性100km尺度電離層經(jīng)度梯度（圖9）；黃山站觀測到不同天北斗同步衛(wèi)星電離層總電子含量（TEC）變化對比，在2016年3月8日和11日不同同步衛(wèi)星TEC變化存在明顯不同，3月8日不同同步衛(wèi)星TEC較為一致，而3月11日存在顯著差異，小區(qū)域變化達(dá)100%以上。該結(jié)果準(zhǔn)確刻畫既揭示了電離層中尺度行進(jìn)式擾動(dòng)特征及其與不規(guī)則體關(guān)系，發(fā)現(xiàn)低層大氣潮汐活動(dòng)導(dǎo)致電離層變化超過磁暴效應(yīng)的現(xiàn)象等。自2015年該網(wǎng)絡(luò)建設(shè)起，利用其觀測數(shù)據(jù)已發(fā)表多篇重要研究論文，得到了國內(nèi)外學(xué)界廣泛關(guān)注和認(rèn)可。

通過不斷努力，蒙城站構(gòu)建了從固體地球到高層大氣較為全面的地球物理觀測網(wǎng)絡(luò)，開展了一系列富有成效的地球物理野外觀測工作，取得了豐碩成果；其在郯廬斷裂帶多尺度地下結(jié)構(gòu)成像與孕震構(gòu)造研究、中緯度區(qū)域中高層大氣和電離層精細(xì)結(jié)構(gòu)和變化機(jī)制等領(lǐng)域的科研成果引起了國內(nèi)外的關(guān)注，為我國地球物理野外站從固體地球到行星際空間的綜合觀測和研究體系的建設(shè)起到了示范作用。

未來蒙城站的觀測和研究主要從4個(gè)方面展開：① 提升地球物理儀器研發(fā)和組網(wǎng)觀測能力，包括分布式光纖傳感設(shè)備、絕對重力儀、實(shí)時(shí)傳輸智能地震儀、陣列式大口徑激光雷達(dá)、多站流星雷達(dá)組網(wǎng)觀測等。② 繼續(xù)開展郯廬—大別構(gòu)造帶多尺度地震、電磁、重力、形變等綜合地球物理觀測，以及多種不同數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演及聯(lián)合解釋，深入研究該構(gòu)造帶的深淺部結(jié)構(gòu)和變形、地震活動(dòng)性分布和地震災(zāi)害特征。③ 圍繞近地空間環(huán)境多要素協(xié)調(diào)觀測，加強(qiáng)近地空間環(huán)境主被動(dòng)光學(xué)和無線電遙感能力建設(shè)，為理解近地空間多圈層、多尺度耦合提供觀測條件。④ 加強(qiáng)固體地球與近地空間的聯(lián)合觀測與融合研究，更好地約束整個(gè)地球與近地空間系統(tǒng)的物理過程。例如：太陽活動(dòng)如何影響地球電離層和地球磁場的變化，大地震活動(dòng)與地球電離層異常之間的關(guān)系，以及電離層變化對雷達(dá)干涉（InSAR）地表形變測量的影響等。

（作者：姚華建、薛向輝、王寶善，安徽蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院；黃顯良、吳華章，安徽蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站、安徽省地震局?！吨袊茖W(xué)院院刊》供稿）