文安5.1級地震前后不同時間尺度的重力變化分析*

梁偉鋒，祝意青，徐云馬，劉 練，郭樹松，劉 芳

(中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西西安710054)

文安5.1級地震前后不同時間尺度的重力變化分析*

梁偉鋒，祝意青，徐云馬，劉 練，郭樹松，劉 芳

(中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西西安710054)

系統(tǒng)深入地分析了2005～2009年華北地區(qū)流動重力觀測資料，提取2006年河北省文安縣MS5.1地震前后0.5 a、1 a等不同時間尺度可靠的重力場動態(tài)變化信息，研究其與地震活動的關(guān)系。結(jié)果顯示:文安地震孕育階段，測區(qū)出現(xiàn)較大范圍的區(qū)域性重力異常，并產(chǎn)生與地震孕育有關(guān)的局部重力異常區(qū)及重力變化高梯度帶。重力場動態(tài)圖像較清晰地反映了區(qū)域重力場的有序性演化與地震活動。

文安5.1級地震;流動重力觀測;重力變化;重力場

0 引言

2006年7月4日11時56分，河北省文安縣發(fā)生MS5.1地震，震中位置 (38.9°N，116.3°E)，震源深度19.3 km。地震發(fā)生后，震中區(qū)周邊的北京、天津、山西以及山東濟(jì)南、淄博、濱州、河北石家莊、保定等大部分地區(qū)有明顯震感。河北文安縣位于北京正南方向，因此北京南部地區(qū)的震感比較強(qiáng)烈，但對北京沒有造成破壞。

文安地震發(fā)生在河北平原強(qiáng)震構(gòu)造帶上。該構(gòu)造帶北起盧龍、灤縣，向西南經(jīng)唐山、寧河、武清、河間、深縣、辛集、寧晉、任縣、邯鄲至磁縣，全長540 km。歷史上該構(gòu)造帶記錄到MS6.0以上強(qiáng)震19次。在強(qiáng)震構(gòu)造帶的河間至寧河之間，是缺失6級以上地震最長的一段，地震能量釋放最不充分，文安位于缺震段的中南部。文安MS5.1地震發(fā)生在首都圈南部的文霸流動重力測網(wǎng)區(qū)域內(nèi) (圖1)，震中處于測網(wǎng)的中部，河北省地震局保定測量隊(duì)使用LCR-G型重力儀測量，地震前后均積累多期流動重力復(fù)測資料。王武星等 (2009)分析了2006年7月4日文安5.1級地震前后文霸流動重力測網(wǎng)的觀測結(jié)果，討論了垂直形變和淺層地下水位變化引起的重力改變，并對重力資料進(jìn)行了高程校正。蘇樹朋等 (2009，2010)和張素靈等 (2009)對1998年1月10日張北6.2級、2002年4月22日邢臺5.4級、2006年7月4日文安5.1級3次地震震前的部分重力點(diǎn)值和震前0.5 a尺度的重力場空間變化進(jìn)行了分析，但所用資料截止于2007年9月 (國家地震局科技監(jiān)測司，1986)。本文使用《LGADJ》數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)針對文霸流動重力測網(wǎng)在地震前后的多期流動重力觀測資料 (2005.03～2009.03)進(jìn)行了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的處理，并分析了不同的時間尺度的重力變化，研究文安地震孕育發(fā)生過程中重力場的有序性演化與地震活動。

圖1 文霸流動重力測網(wǎng)圖Fig.1 Flow gravity network in Wenba

1 不同時間尺度的重力變化

1.1 0.5 a尺度的重力變化

參考已有的研究成果，季節(jié)變化、地下水位變化等因素對重力變化的影響為:地下水位每變化 (上升或下降)1 m，重力變化在 (1.4～1.5)×10－8m·s－2之間，且基本呈線性函數(shù)關(guān)系 (何志堂等，2009)。根據(jù)國土資源部2010年5月發(fā)布的《我國主要城市和地區(qū)地下水水情通報》①國土資源部.2010.我國主要城市和地區(qū)地下水水情通報.，2008～2009年度華北地區(qū)的地下水位基本保持穩(wěn)定，升降幅度在0.5 m以內(nèi)，對重力變化的影響小于1×10－8m·s－2，所以地下水位變化對重力變化的影響可以忽略。

(1)震前相鄰兩期的的重力變化

震前以0.5 a尺度相鄰兩期的的重力變化表明，在2005.03～2005.09期間 (圖2a，圖中帶數(shù)字的線條為重力變化等值線，數(shù)值表示重力變化數(shù)值，單位為10－8m·s－2，實(shí)線為重力正值變化，虛線為重力負(fù)值變化，以下所有圖相同)，震中附近重力變化平緩，在震中西部有 －10×10－8m·s－2的重力負(fù)值區(qū);但在2005.09～2006.05期間 (圖2b)，在震中附近的易縣到文安縣之間形成1個北東向的重力變化高梯度帶，最小重力差值高達(dá)90×10－8m·s－2，靠近震中附近重力急劇增加，在文安和任丘之間形成1個重力變化正值高值區(qū)，最大重力變化值高達(dá)70×10－8m·s－2。此為地震孕育期，是地震前斷層處于閉鎖狀態(tài)，能量積累階段，地下物質(zhì)變化劇烈，重力變化相應(yīng)強(qiáng)烈。

(2)地震期間相鄰兩期的重力變化

在地震發(fā)生的2006.05～2006.12期間 (圖2c)，重力場的變化格局發(fā)生了改變，2005.09～2006.05期間北負(fù)南正的重力變化格局變?yōu)榱藮|負(fù)西正，圖2b所示文安和任丘之間重力正值變化高值區(qū)變?yōu)樨?fù)值，地震發(fā)生在重力變化零值線附近。地震發(fā)生的過程中釋放能量，重力變化變小。

圖2 文安MS5.1地震前后0.5 a尺度的重力變化(a)2005.03～2005.09;(b)2005.09～2006.05;(c)2006.05～2006.12;(d)2006.12～2007.03Fig.2 Gravity variation in half a year scale before and after Wen'an MS5.1 earthquake

(3)震后相鄰兩期的重力變化

地震發(fā)生后的2006.12～2007.03期間 (圖2d)，文安地震震中東西兩側(cè)重力變化反向，以震中為界，2006.05～2006.12期間“東負(fù)西正”的格局變?yōu)榱恕皷|正西負(fù)”，震中處的重力變化仍在零值線附近，此屬于震后調(diào)整階段。

圖3 文安MS5.1地震后0.5 a尺度的重力變化(a)2007.03～2007.09;(b)2007.09～2008.03;(c)2008.03～2008.11;(d)2008.11～2009.03Fig.3 Gravity variation in half a year scale after Wen'an MS5.1 earthquake

華北地區(qū)的地殼介質(zhì)處于一致性較好的統(tǒng)一的應(yīng)力場中:最大壓應(yīng)力主軸方位為北東東—南西西向，最小壓應(yīng)力主軸方位為北北西—南南東向，而且都接近于水平向;兩個最大剪切應(yīng)力方向分別為北北東—南南西和北西西—南東東向。受近東西向水平擠壓力為主的作用，震后相鄰兩期 (2007.03 ～2007.09、2007.09 ～2008.03、2008.03～2008.11、2008.11～2009.03)(圖2) 的重力變化表現(xiàn)為持續(xù)調(diào)整階段，隨著能量的釋放結(jié)束，地下物質(zhì)的運(yùn)動趨于平靜，重力變化由緩慢的調(diào)整也逐漸變?yōu)槠届o，慢慢恢復(fù)到地震前的狀態(tài):2007.03～2007.09期間 (圖3a)，重力變化負(fù)值區(qū)西移，在易縣—保定—饒陽一線形成一南北條帶狀的重力變化負(fù)值區(qū)，重力負(fù)值變化最大－30×10－8m·s－2，震中附近及其它地區(qū)重力變化平緩;2007.09～2008.03期間 (圖 3b)，2007.03～2007.09期間的南北條帶狀的重力變化負(fù)值區(qū)消失，安國—饒陽附近由上期的負(fù)值重力變化最大轉(zhuǎn)為正值最大，震中附近有－10×10－8m·s－2的重力變化;2008.03～2008.11(圖 3c)和2008.11－2009.03(圖3d)期間，震中附近重力變化趨于平靜，接近震前的變化水平。

1.2 1 a尺度的重力變化

(1)震前相鄰兩年的的重力變化

從震前相鄰兩年的重力變化可看出，2004.03～2005.03期間 (圖4a)，屬于震前能量積累，震中附近重力變化平穩(wěn);而地震發(fā)生前的2005.03～2006.05期間 (圖4b)，震中附近的地下物質(zhì)變化劇烈，能量積累加劇，重力變化也急劇增加，在容城—文安之間形成了一北東向的重力變化密集帶，北負(fù)南正，最大最小重力差值高達(dá)90×10－8m·s－2，震中在該重力變化密集帶的法線方向靠近高值區(qū)。

(2)地震期間相鄰兩年的的重力變化

地震期間相鄰兩年 (2006.05～2007.03)(圖5)的重力變化可看出，文安5.1級地震使得震源區(qū)地下的能量予以釋放，其結(jié)果在重力變化上的反映是:上期重力變化的高值區(qū)變?yōu)榱酥亓ψ兓椭祬^(qū)，震中附近的重力變化由震前的60 ×10－8m·s－2變?yōu)?－20 ×10－8m·s－2，變化高達(dá)80×10－8m·s－2，震中以南區(qū)域這種重力變化更加明顯。

(3)震后相鄰兩年的重力變化

震后相鄰兩年的重力變化 (2007.03～2008.03、2008.03～2009.03) (圖6)表現(xiàn)為震后恢復(fù)階段，重力負(fù)值變化區(qū)由南轉(zhuǎn)向東西兩側(cè)，繼而轉(zhuǎn)為平緩;震中區(qū)附近的重力變化則保持持續(xù)平靜。

圖4 文安MS5.1地震前1 a尺度的重力變化(a)2004.03～2005.03;(b)2005.03～2006.05Fig.4 Gravity variation in one year scale before Wen'an MS5.1 earthquake

圖5 文安MS5.1地震期間1 a尺度的重力變化Fig.5 Gravity variation in one year scale during Wen'an M5.1 earthquake

圖6 文安MS5.1地震后1 a尺度的重力變化(a)2007.03～2008.03;(b)2008.03～2009.03Fig.6 Gravity variation in one year scale after Wen'an MS5.1 earthquake

1.3 較長時段的重力變化

為了進(jìn)一步分析文安及周邊地區(qū)較長趨勢的重力變化，了解重力變化的累計量，我們繪制了2005～2009年較長時期的重力變化等值線圖 (圖7)。

圖7 文安MS5.1地震后相對于2005年的重力變化Fig.7 Gravity variation after Wen'an MS5.1 earthquak relative to that in 2005

由圖7可以看出，4年尺度的重力變化總體趨勢表現(xiàn)為:測區(qū)西北的易縣地區(qū)有重力負(fù)值變化，測區(qū)東南部的天津、靜海、文安、任丘等有大范圍重力正值變化，并在河北任丘及天津靜海地區(qū)形成 (50～60) ×10－8m·s－2的重力變化異常區(qū)，重力變化等值線主要為北東向，與唐縣—涿州斷裂帶走向基本一致。據(jù)周海濤等 (2010)的研究，天津、靜海、文安、任丘等地區(qū)由于大量開采地下水，形成地面下降，引起地層壓密效應(yīng)，造成地面重力增加。

2 結(jié)論

從文安MS5.1地震前后不同時間尺度的重力變化來看，在地震孕育階段，由于能累積累，地下物質(zhì)活動劇烈，震前1 a內(nèi)重力值出現(xiàn)正值急劇變化，在震中附近形成重力變化高梯度帶;地震后由于能量的釋放，震前震中附近的重力變化高值區(qū)變成重力變化低值區(qū)，隨著震源區(qū)附近的應(yīng)力應(yīng)變的釋放調(diào)整，重力變化趨于平靜。

文安MS5.1地震發(fā)生在重力變化高梯度帶的零值線附近，青藏塊體東北緣幾次地震也都發(fā)生在重力變化零值線附近，甘肅、滇西地區(qū)重力場異常變化形態(tài)與地震的關(guān)系也有這種規(guī)律，這是由于在正負(fù)重力異常變化梯度帶的零線附近，是物質(zhì)密度增加與減少的過渡地帶，該處產(chǎn)生的物質(zhì)增減差異運(yùn)動劇烈，能量易于聚集，從而誘發(fā)地震 (祝意青等，1999，2001;徐云馬等，2008;梁偉鋒等，2004)。

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Gravity Variation in Different Time Scales before and after the Wen'an MS5.1 Earthquake

LIANG Wei-feng，ZHU Yi-qing，XU Yun-ma，LIU Lian，GUO Shu-song，LIU fang
(Second Crust Monitoring and Application Center，CEA，Xi'an 710054，Shannxi，China)

Analyzing the mobile gravity observational data in North China from 2005 and 2009 systematically and deeply，we derived dynamic variation of the regional gravity field in different time scales before and after Wen'an MS5.1 earthquake，and studied the relationship between gravity anomaly variation and seismic activity.The result showed that there existed regional gravity anomaly in a wide range in the survey area during the preparation of Wen'an MS5.1 earthquake，and there were local gravity anomaly area and high gradient zone of gravity variation referential to the earthquake preparation.The dynamic image of gravity field clearly reflected the evolution orderly and seismic activity of regional gravity field.

Wen'an M5.1 earthquake;mobile gravity observation;gravity variation;gravity field

P315.726

A

1000－0666(2012)03－0318－05

2011－10－24.

地震行業(yè)科研重點(diǎn)專項(xiàng)“多種地球物理場動態(tài)圖像與強(qiáng)震預(yù)測試驗(yàn)”(201008007)資助.