地震重力異常形成機(jī)理及其在地震預(yù)報中的作用①

褚慶忠，武 澤，邵先杰，李 輝，陳 禹

（燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004）

0 引言

我國是地震災(zāi)難最深重的國家之一，歷史上有記載的較大地震有4400次［1］，全國有60% 的國土、50% 的城市、67% 的大城市位于Ⅶ度及以上烈度區(qū)［2］，因此預(yù)測地震具有十分重要的意義。長期以來，人們?yōu)閷ふ矣行У牡卣痤A(yù)測方法從不同的角度開展不斷深入的研究［3］。由于地震孕育和發(fā)生的地球物理過程非常復(fù)雜，使得地震的預(yù)測問題仍然沒有很好地解決，地震的預(yù)測預(yù)報研究仍是當(dāng)前最具爭議的國際性重大課題和難題［4］。在地震發(fā)生前有很多預(yù)兆，重力異常就是其中一種。本文就重力異常與地震的關(guān)系及其對預(yù)測地震的作用做了初步的研究。

1 地震重力異常及其形成機(jī)理

1973年6月日本北海道地震前后，曾經(jīng)作過重力測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用拉科斯特重力儀分別復(fù)測過四次，均有100微伽的重力變化［4］。此后在1976年唐山大地震發(fā)生期間、1968年新西蘭因南格華地震前后以及2004年印度尼西亞的蘇門答臘島附近地震發(fā)生前后也曾測量到重力的變化。這些觀測證實了重力會伴隨著地震而變化。從地震預(yù)報的角度看，很有必要對其原因及地震前后的重力變化特征進(jìn)行深入的研究。

地殼在變形過程中密度發(fā)生改變，該過程中還可能有質(zhì)量的遷入遷出，引起重力發(fā)生變化。為了說明重力變化原因，我們必須分析由上述兩個因素所帶來的影響。假設(shè)形變區(qū)相對于地球很?。恍巫儏^(qū)密度均勻，且變化量也均勻，主要為線應(yīng)變；形變區(qū)發(fā)生應(yīng)變后，重心位置保持不變。如圖1所示，P點在Q點引起的重力變化可以用下式來表明：

圖1 地殼變形引起重力變化示意圖Fig.1 Schematic diagram of gravity changes caused by crustal deformation

式中第一、二項代表由于地下質(zhì)量遷入引起的重力變化；第三項代表變形帶來的測量點地面高程變化，從而引起了重力變化。可以看出：當(dāng)?shù)貙釉庥鰯D壓時，密度升高，重力值增大；當(dāng)有外部流體等質(zhì)量遷入時，重力同樣增大。另外測量點地面高程的變化所引起的重力變化也同樣不可忽視。

據(jù)此可以推斷：地殼在構(gòu)造運(yùn)動作用下各處發(fā)生擠壓或拉張形變，重力必定處于不平衡狀態(tài)；在均衡力作用下，地殼試圖恢復(fù)到平衡穩(wěn)定條件，這樣的過程中，重力也在不斷調(diào)整變化；當(dāng)?shù)貧づ蛎浬仙?，可能有流體或地面侵入，同樣會改變重力分布情況。而在地震即將發(fā)生時，這一過程必定會更加強(qiáng)烈，反映出來的重力變化也更為集中。

2 研究實例

以下地震實例中可以清晰地看到地震前重力異?，F(xiàn)象十分明顯，震中附近重力不斷發(fā)生變化，且重力梯度較高。在地震孕育過程中有著較強(qiáng)的構(gòu)造活動，在斷層帶、地殼薄弱區(qū)產(chǎn)生較大的形變，從而形成一些地殼厚度差異帶、密度差異帶，并以重力異?，F(xiàn)象反映出來。

2.1 玉樹地震前后重力變化

2010年4月14日時49分37秒，在我國青海省玉樹縣發(fā)生了MS7.1地震。大地構(gòu)造上玉樹震區(qū)處于青藏高原中部，巴顏喀拉地塊與羌塘地塊交界的金沙江縫合帶附近［6］。地震發(fā)生在NWW走向的玉樹—甘孜斷裂上，這一斷裂帶具有左行平移逆沖性質(zhì)，歷史上曾有多次活動。而玉樹震中地區(qū)的重力變化過程為緩減—緩增—緩減—劇增，推測此次地震前是地層擠壓形成的，或有地下流體侵入帶來地層劇烈活動。

圖2 2010年玉樹地震前不同時間段重力變化圖［7］Fig.2 Gravity variation in different periods before the Yushu earthquake in 2010［7］

1998—2000年玉樹周邊地區(qū)重力場以負(fù)值變化為主，變化平緩，而在其西北方向重力異常集中，由時間與地點推測為2001年昆侖山口西8.1級地震的前兆現(xiàn)象；2000—2002年玉樹周邊地區(qū)重力場以正值變化為主，變化趨勢與上期相反，變化同樣平緩，四川盆地以負(fù)值變化為主，馬爾康地區(qū)重力變化高梯度帶；2002—2005年仍以負(fù)值變化為主，玉樹震中出現(xiàn)了－70×10－8m／s2的重力變化，馬爾康—雅江—汶川地區(qū)重力梯度仍較高，達(dá)到了－70×10－8m／s2，是汶川地震的重力前兆；2005—2008年整個測區(qū)重力變化十分明顯，正負(fù)相間現(xiàn)象突出，玉樹附近重力變化達(dá)到了100×10－8m／s2［7］。從圖2（a）、（b）、（c）、（d）可以看出，重力異常在不斷地向地震重心移動。

2.2 唐山地震時重力變化

1976年7月28日唐山地震前，重力復(fù)測資料經(jīng)過一系列校正后仍有100×10－8m／s2的重力變化。唐山地震前的1976年7月震中以北不遠(yuǎn)的一條長約270km的EW向剖面東段的重力增大，最大達(dá)165×10－8m／s2。地震剛發(fā)生后，1976年7月29日整個剖面的重力略有減?。煌?月重力繼續(xù)減?。?］。

由圖3可以看出，地震前震中地區(qū)重力曾出現(xiàn)重力增大，最大可達(dá)200×10－8m／s2，即使排除地下水、監(jiān)測點地面高程變化等影響因素，重力異?，F(xiàn)象仍然十分明顯；而后重力開始下降；地震后重力基本恢復(fù)到震前水平。震中東部在1970—1975年期間地面抬升速率為5mm／a，可認(rèn)為該處地層地震前遭受擠壓，部分地面升高，且由外部質(zhì)量涌入，造成重力上升；在地震爆發(fā)后得到釋放，應(yīng)力應(yīng)變情況得到緩解，因此重力下降。

圖3 1976年唐山地震前后周邊重力變化Fig.3 The gravity changes before the Tangshan earthquake in 1976recorded by stations nearby Tangshan city

2.3 汶川地震的重力變化

2008年5月12日汶川發(fā)生8.0級特大地震。據(jù)GRACE衛(wèi)星重力觀測，龍門山斷裂帶兩側(cè)震前1～2年西北盤重力變化持續(xù)增大，而東南盤持續(xù)降低，說明震前該斷裂帶有著明顯活動［9］。

由圖4可以看出1998—2000年之間汶川附近重力緩慢降低；2000—2002年重力急劇增大，附近的馬爾康地區(qū)重力梯度較高，最高達(dá)到了100×10－8m／s2左右；2002—2005年該地區(qū)重力變化變緩，震中位于正負(fù)低值變化的過渡梯度帶上；2005—2008年重力降低，周邊變化梯度仍然較高。圖4中4個重力測點有3個的重力變化趨勢基本一致，都表現(xiàn)出緩慢減小—加速增大—減小的變化過程。

圖4 2008年汶川地震前震中附近點重力變化Fig.4 The gravity changes before the Wenchuan earthquake in 2008recorded by stations nearby the epicenter

汶川地震位于青藏高原與四川盆地分界的龍門山逆沖斷裂帶上［10］，根據(jù)川西地區(qū)活動歷史可知，該地區(qū)受青藏高原向東擠壓，存在大型斷裂帶，有多次地震活動，而青藏高原擠壓力的來源是印度洋板塊俯沖作用。重力異常的向東移動和重力的兩次反向變化反映了應(yīng)力應(yīng)變由西向東的運(yùn)動，證明了板塊運(yùn)動正在不斷加劇，從而使斷裂帶在各種應(yīng)力的影響下發(fā)生地震。

3 重力異常在地震預(yù)報中的作用

地震是由構(gòu)造運(yùn)動、地下質(zhì)量遷移、應(yīng)力應(yīng)變改變等各種因素引起的。而重力變化的緣由主要是地質(zhì)活動帶來的地殼變形和活動斷層的物質(zhì)變遷，它能夠反映地震孕育過程中的地殼活動信息，包括區(qū)域的地層的擠壓拉張、斷層平移、地面的抬升下沉和局部的應(yīng)力場變化。因此研究重力場的演化特征可以進(jìn)一步探索當(dāng)前構(gòu)造活動情況，將中強(qiáng)地震從孕育到發(fā)生的整個過程與重力異?，F(xiàn)象聯(lián)系起來，為地震預(yù)報提供可靠的依據(jù)。地震預(yù)報實踐表明，重力方法在地展預(yù)報中有其特殊作用［11］?？赏ㄟ^重力異常的研究，判斷地下介質(zhì)的質(zhì)量和密度以及地殼彈性模量的變化，找出地震與重力異常的詳細(xì)對應(yīng)關(guān)系。

重力預(yù)報地震方法目前主要是流動重力觀測和GRACE衛(wèi)星觀測。

（1）流動重力觀測需要收集觀測區(qū)重復(fù)重力觀測資料，處理數(shù)據(jù)時采用統(tǒng)一起算基準(zhǔn)的整體擬穩(wěn)平差計算方法［12］：①選取測區(qū)中比較穩(wěn)定的測點作為統(tǒng)一起算擬穩(wěn)基準(zhǔn)；②對多期數(shù)據(jù)進(jìn)行獨立平差計算，初步了解儀器精度，確定先驗方差，然后對整體資料處理，得到最合理解釋結(jié)果；③刪除個別不重合點、偏離點；④利用高斯低通方法進(jìn)行濾波，進(jìn)行樣條平滑，以進(jìn)一步消除外界環(huán)境因素影響，突出顯示構(gòu)造因素的重力效應(yīng)。

筆者通過對日本松代地區(qū)（1965年—1967年）、唐山（1976年7月28日）、北京高麗營（1978年10月3日）、寧夏靈武縣境內(nèi)（1984年11月23日）、遼寧海城（1975年2月4日）、云南龍陵（1976年5月29日）、云南省瀾滄縣竹塘鄉(xiāng)戰(zhàn)馬坡村附近（1988年11月6日）、大同盆地的冊田凹陷區(qū)（1989年10月18日）、遼寧省朝陽市（1994年10月22日）、云南省西南部的孟連縣以西中緬邊境（1995年7月12日）、甘肅永登縣（1995年7月22日）、麗江（1996年2月3日）、陜西省涇陽縣（1998年1月5日）、新疆伽師縣（1998年10月）、甘肅省景泰地區(qū)（2000年6月6日）、昆侖山口西（2001年11月14日）、四川省甘孜州境內(nèi)（2001年2月23日）、遼寧海城（2002年6月17日）、甘肅省山丹縣東南部的霍城附近（2003年10月25日）、河南省濮陽與范縣間（2006年4月9日）、河北文安（2006年7月4日）、甘肅肅南裕固族自治縣境內(nèi)（2008年3月30日）、四川汶川、北川（2008年5月12日）、青海玉樹（2010年4月14日）、日本東北部海域（2011年3月11日）、四川爐霍（2011年4月10日）、青川—文縣（2011年11月1日）等27個地區(qū)發(fā)生地震的流動重力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，歸納出與地震相關(guān)的預(yù)報指標(biāo)為：

①7～8級以上地震中期預(yù)報指標(biāo)為：

異常時間：0.5～3年；

異常幅度：80×10－8～170×10－8m／s2；

發(fā)震范圍：500km。

②5～6級中強(qiáng)地震預(yù)報指標(biāo)為：

異常時間：5～12個月；

異常幅度：40×10－8～80×10－8m／s2；

發(fā)震范圍：200km。

在分析資料過程中要考慮在時間上和空間上的趨勢性，觀測條件的變化，如點位挪動、聯(lián)測精度等，同時在進(jìn)行點值及其變化量相關(guān)分析處理時可以建立等值線圖，分析重力異常集中區(qū)域的重力梯度變化，來推測未來震中區(qū)。還可以將重力數(shù)據(jù)和地面水準(zhǔn)測量資料、地下水資料等結(jié)合，研究構(gòu)造運(yùn)動狀態(tài)，了解地下物質(zhì)遷移和地殼的應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)象，提高預(yù)測地震的準(zhǔn)確性。

已有研究表明［13］，流動重力預(yù)報比較精確，可以用來預(yù)測中短期地震。

（2）查詢相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，GRACE衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)中的的最大階次為60階的月重力場模型可以用來描述地震事件［14］。

使用該模型中需要扣除大氣、海洋、極潮、固體潮、海潮等影響，并對時變重力場進(jìn)行平滑濾波處理，通常采用高斯平滑濾波方法，從而獲取某一區(qū)域乃至全球重力變化圖像。而且采用年度重力變化信號可以更好地反映全球重力場中長期時間尺度的變化，更加突出大地震孕震過程中局部重力場的變化。

圖5（a）為汶川地震前7個月（2007年10月—2008年4月）的重力場變化，圖5（b）為震后7個月（2008年6—12月）的重力場變化。由圖5可以看出：汶川地震前印度洋和東南亞菲律賓板塊發(fā)生明顯的重力正值變化，震后正值范圍縮小，證明兩大板塊震前曾有較強(qiáng)烈碰撞運(yùn)動，對汶川地震有重要的影響；震前震源南部重力正變化較小，震后重力增大到極值，反映了地震使得地殼發(fā)生強(qiáng)烈的局部變形和介質(zhì)質(zhì)量、密度等物理變化，這部分應(yīng)力場和重力場也發(fā)生了相應(yīng)的強(qiáng)烈變化［15］。

圖5 來自GRACE的汶川8.0級地震前后重力場變化（單位：10－8 m／s2）［15］Fig.5 The gravity changes before and after the Wenchuan MS8.0earthquake by GRACE（unit：10－8 m／s2）

由此可以看出，大震孕育過程對衛(wèi)星重力有著較為明顯的影響，因此可以利用GRACE衛(wèi)星測量來研究地震，但其探測能力還有待于重力衛(wèi)星自身技術(shù)的提高和處理方法的改進(jìn)。

GRACE衛(wèi)星觀測資料能清晰地看出板塊運(yùn)動，縮小提前觀測地震重力異常的范圍，可以用來進(jìn)行地震的長期預(yù)報。

4 結(jié)論

通過對地震重力異常的成因分析，并結(jié)合玉樹、唐山和汶川三個地震實例探討了重力異?，F(xiàn)象與地震之間的對應(yīng)關(guān)系，得出如下結(jié)論：

（1）地震重力異常是普遍存在的，它與地震的孕育過程有一定的對應(yīng)關(guān)系，可以利用重力異常來預(yù)測地震。

（2）流動重力觀測和GRACE衛(wèi)星觀測是目前比較常用的利用重力異常預(yù)報地震的方法，前者可用于預(yù)測中短期地震，后者可用于預(yù)報長期地震。

（3）通過對地震帶歷史的研究總結(jié)出地震與重力異常值的對應(yīng)關(guān)系，將多種地震重力預(yù)測方法結(jié)合起來，可以更為精確的預(yù)報地震，這將是今后一個重要的發(fā)展趨勢之一。

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