2014年山西平遙MS4.1地震前后重力場(chǎng)變化特征分析*

賈宇鵬，秦建增，李　真，黎哲君，檀玉娟，馮建林

(1.中國(guó)地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002；2.安徽省地震局，安徽 合肥 230031)

2014年山西平遙MS4.1地震前后重力場(chǎng)變化特征分析*

賈宇鵬1，秦建增1，李真1，黎哲君2，檀玉娟1，馮建林1

(1.中國(guó)地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002；2.安徽省地震局，安徽 合肥 230031)

摘要：利用2012～2014年山西省絕對(duì)重力和流動(dòng)重力觀測(cè)資料，平差計(jì)算得到該時(shí)間段重力場(chǎng)變化值，分析區(qū)域重力場(chǎng)演化特征與2014年4月平遙MS4.1地震的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：(1)地震發(fā)生前研究區(qū)域出現(xiàn)了區(qū)域性的重力異常變化，在震中附近產(chǎn)生局部重力異常變化，形成了與活動(dòng)斷裂走向基本一致的重力變化高梯度帶，這可能預(yù)示著與地震發(fā)生相關(guān)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或應(yīng)力增強(qiáng)作用。(2)地震前后研究區(qū)重力場(chǎng)累積變化表現(xiàn)為應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)—持續(xù)增強(qiáng)—局部運(yùn)動(dòng)受阻超過(guò)臨界值—能量突然釋放，震后重力場(chǎng)變化恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：重力場(chǎng)；聯(lián)合平差；動(dòng)態(tài)變化；平遙地震

0引言

隨著高精度重力儀的發(fā)展及流動(dòng)重力測(cè)網(wǎng)的不斷優(yōu)化，流動(dòng)重力測(cè)量對(duì)地震活動(dòng)的監(jiān)測(cè)能力不斷提高(李輝等，2010：申重陽(yáng)，李輝，2007)。流動(dòng)重力測(cè)量反映的是區(qū)域重力場(chǎng)的非潮汐變化，可以反映地殼內(nèi)部的物質(zhì)遷移、組成地殼物質(zhì)的密度變化以及地殼構(gòu)造和地震的形成過(guò)程等。強(qiáng)震或大地震受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)及主要活動(dòng)斷裂帶的控制，通常孕育并發(fā)生在活動(dòng)斷裂帶應(yīng)力高度積累部位，這些部位及其附近在孕震階段的顯著差異構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，通常伴有顯著的重力場(chǎng)變化(陳運(yùn)泰等，1980；張培震等，2002；張國(guó)民等，2005)。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在探索地震前、后的重力場(chǎng)變化特征、尋求變化規(guī)律的過(guò)程中做了大量的工作，并取得了顯著的成效(祝意青等，2008，2010，2012，2013；梁偉鋒等，2013，2012；陳石等，2011；秦建增等，2007；姚家駿等，2012)。

中國(guó)地震局地球物理勘探中心在山西省開展過(guò)多年多期次的流動(dòng)重力觀測(cè)，獲得了寶貴的數(shù)據(jù)資料。特別是2009年以來(lái)，監(jiān)測(cè)水平的提高使得山西地區(qū)的流動(dòng)重力測(cè)網(wǎng)可以更好地反映地震前后的重力場(chǎng)的變化。

2014年4月4日，山西平遙附近發(fā)生MS4.1地震震中位置(37.3°N，112.2°E)，震中位于太谷活動(dòng)斷裂上，通過(guò)流動(dòng)重力資料獲得的重力場(chǎng)變化對(duì)此次地震有較好的反映。筆者采用2012年3月～2014年8月期間的流動(dòng)重力觀測(cè)資料，統(tǒng)一起算標(biāo)準(zhǔn)，引入絕對(duì)重力值(鄭州、太原、托克托、白家疃)來(lái)控制平差計(jì)算重力場(chǎng)變化，繪制山西地區(qū)重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化圖像，并對(duì)山西平遙MS4.1地震孕育發(fā)生過(guò)程中重力場(chǎng)變化的時(shí)空演化特征及變化機(jī)理進(jìn)行探討，希望有助于本地區(qū)的中短期地震預(yù)報(bào)研究。

1重力觀測(cè)與資料處理

研究區(qū)域主要為山西地區(qū)(35°～40°N，110°～114°E)(圖1)。采用中國(guó)地震局推廣的LGADJ程序?qū)τ^測(cè)資料進(jìn)行經(jīng)典平差處理。在數(shù)據(jù)處理中，由于僅采用山西省的觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)因控制點(diǎn)過(guò)少，導(dǎo)致獲得的重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化圖像在離控制點(diǎn)較遠(yuǎn)的地區(qū)產(chǎn)生畸變，也不能有效消除儀器標(biāo)定系統(tǒng)所引起的測(cè)量誤差。因此本文將計(jì)算范圍擴(kuò)大至華北強(qiáng)震強(qiáng)化監(jiān)視跟蹤網(wǎng)結(jié)合絕對(duì)重力觀測(cè)資料與同期的流動(dòng)重力觀測(cè)，采用固定的絕對(duì)重力點(diǎn)作為控制基準(zhǔn)，進(jìn)行聯(lián)合平差計(jì)算，得到反映了平遙地震前后重力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化特征的山西地區(qū)的重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化圖。對(duì)相對(duì)重力資料處理中作固體潮、一次項(xiàng)系數(shù)等改正。一些學(xué)者研究了重力數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差計(jì)算和山西省的重力場(chǎng)變化特征(李真等，2012，2013；馮建林等，2013)。

重力數(shù)據(jù)由中國(guó)地震局地球物理勘探中心、湖北省地震局和河北省地震局測(cè)量得到。其中山西測(cè)區(qū)由物探中心組建觀測(cè)小組用2臺(tái)LCR-G型重力儀作業(yè)，每年觀測(cè)兩期。為確保相對(duì)重力聯(lián)測(cè)精度，減少儀器誤差影響，儀器一次項(xiàng)系數(shù)測(cè)前在國(guó)家長(zhǎng)基線上均進(jìn)行了統(tǒng)一的標(biāo)定，每個(gè)測(cè)段均在3天內(nèi)閉合。每個(gè)絕對(duì)重力點(diǎn)值測(cè)定的精度高于5×10-8ms-2，相對(duì)重力單程聯(lián)測(cè)精度優(yōu)于15×10-8ms-2。測(cè)網(wǎng)分布如圖1所示，共有150個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中含有普通重力測(cè)點(diǎn)和絕對(duì)重力測(cè)點(diǎn)，180個(gè)測(cè)段，平均點(diǎn)距為30 km。

2重力場(chǎng)演化特征

筆者主要分析了2012年3月以來(lái)研究區(qū)重力場(chǎng)變化特征，即山西平遙MS4.1地震前后的重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化，分析了重力場(chǎng)差分動(dòng)態(tài)變化、累積變化的動(dòng)態(tài)圖像、震中附近重力點(diǎn)值和部分測(cè)段段差的變化情況(圖2～5)。

2.1重力場(chǎng)差分動(dòng)態(tài)變化

從研究區(qū)重力場(chǎng)差分動(dòng)態(tài)變化圖(圖2)中可以看出：

(1)2012-08～2013-03期間(圖2a)，研究區(qū)域總體以正值變化為主，平遙地震震中區(qū)及其附近重力變化平緩。測(cè)區(qū)中部朔州、靜樂、霍縣附近出現(xiàn)小幅的負(fù)異常變化。

(2)2013-03～2013-08期間(圖2b)，區(qū)域重力變化表現(xiàn)為西負(fù)東正、正值為主的變化。在興縣—呂梁—午城一帶西側(cè)有大于-30×10-8ms-2的重力異常變化。而其東側(cè)大面積地區(qū)延續(xù)了上一期正值變化趨勢(shì)，僅在沁縣附近出現(xiàn)小幅負(fù)值變化。

(3)2013-08～2014-03期間(圖2c)，研究區(qū)域重力場(chǎng)總體態(tài)勢(shì)由上一期的自西向東由負(fù)到正的趨勢(shì)轉(zhuǎn)化為自北向南由負(fù)到正的趨勢(shì)變化。大致以平遙—陽(yáng)泉為界，測(cè)區(qū)北部主要表現(xiàn)為重力場(chǎng)負(fù)變化的趨勢(shì)，僅在靜樂附近出現(xiàn)小幅正異常區(qū)域。測(cè)區(qū)南部則為正值變化，安澤、和順一帶變化明顯。重力零值線在平遙附近，與斷裂帶方向基本一致。

(4)2014-03～2014-08期間(圖2d)，地震之后，比較前兩期可以看出，重力場(chǎng)變化基本以調(diào)整恢復(fù)為主，表現(xiàn)為輕微的正變化，小范圍出現(xiàn)小幅負(fù)值區(qū)域。

2.2重力場(chǎng)累積動(dòng)態(tài)變化

為了分析研究區(qū)較長(zhǎng)時(shí)段的區(qū)域重力場(chǎng)累積變化特征，以2012年3月山西網(wǎng)觀測(cè)資料為對(duì)比基準(zhǔn)，分別繪制了山西平遙MS4.1地震震前、震后各期相對(duì)基準(zhǔn)的區(qū)域重力場(chǎng)累積變化動(dòng)態(tài)圖像(圖3)。從圖3中可以看出，研究區(qū)的重力場(chǎng)正累積范圍逐步增加，負(fù)累積變化逐步增強(qiáng)。在震中附近產(chǎn)生局部重力異常變化區(qū)，平遙—靈石一帶形成了與太谷斷裂走向基本一致的重力變化高梯度帶，可能預(yù)示著與地震發(fā)生相關(guān)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或應(yīng)力增強(qiáng)作用。

(1)2012-03～2013-03期間(圖3a)，研究區(qū)域自北向南整體表現(xiàn)正負(fù)相間的格局，北部重力場(chǎng)正值變化較為平緩，中部出現(xiàn)大面積負(fù)值變化，南部臨汾一帶顯示正值變化，長(zhǎng)治一帶形成了較大幅度的正異常，幅值超過(guò)30×10-8ms-2。長(zhǎng)治與臨汾正值變化有著“呼應(yīng)、聯(lián)合”的態(tài)勢(shì)。

(2)2012-03～2013-08期間(圖3b)，北部重力場(chǎng)正值變化有擴(kuò)大趨勢(shì)，在岢嵐—靜樂—忻州一帶形成正負(fù)異常變化區(qū)分界線。中部負(fù)值變化區(qū)域有所減小，但是幅值增大。南部的臨汾、長(zhǎng)治的正異常區(qū)域也聯(lián)合起來(lái)向北發(fā)展。研究區(qū)域整體呈現(xiàn)南部、北部對(duì)中部平遙地區(qū)的擠壓態(tài)勢(shì)，并且在平遙—靈石一帶形成的重力變化高梯度帶與太谷斷裂帶走向基本一致。平遙處于重力變化零值線上。

(3)2012-03～2014-03期間(圖3c)，整

個(gè)研究區(qū)域的重力變化劇烈，具有四象限分區(qū)現(xiàn)象。陽(yáng)泉一帶重力場(chǎng)持續(xù)負(fù)值變化，范圍向北有所擴(kuò)大；臨汾—霍縣—沁縣一帶的正異常持續(xù)增加，使得平遙—靈石沿太谷斷裂走向的重力高梯度帶進(jìn)一步加劇，幅值超過(guò)45×10-8ms-2。平遙處于重力變化高梯度帶的拐彎部位。

(4)2012-03～2014-08期間(圖3d)，地震之后，可以明顯看出南部臨汾—霍縣—沁縣一帶的重力正值變化有所減退，平遙附近的重力變化“零”值線向南偏移。這應(yīng)該是震前加載在太谷斷裂上的應(yīng)力在震后得到釋放，使得平遙地區(qū)的物質(zhì)密度下降從而導(dǎo)致重力場(chǎng)的變化重新分布。同樣還可看到陽(yáng)泉附近的負(fù)異常范圍縮小恢復(fù)到震前稍長(zhǎng)一段時(shí)間的水平。

2.3重力點(diǎn)值時(shí)序變化

重力點(diǎn)值時(shí)序變化能較好地突出異常測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化，可以分析不同位置測(cè)點(diǎn)的重力變化累積程度。選取平遙MS4.1地震震中附近的9個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖4)，這些測(cè)點(diǎn)都(除分水嶺)處于重力累積變化負(fù)值區(qū)。繪制其重力點(diǎn)值變化圖(圖5)可以研究距離震中不同距離、不同斷裂帶上變化的積累程度。2012-03～2014-08期間，平差計(jì)算后這些測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)值平均精度為5.6×10-8ms-2。

從圖4b可以看出，震中附近測(cè)點(diǎn)的重力值變化有著較好的同步性，重力值基本都出現(xiàn)了下降—平緩—較大幅值上升—下降—下降的變化過(guò)程，太谷斷裂附近(黑線)重力變化幅度明顯大于交城斷裂附近(虛線)。2013年3月之前，這2個(gè)斷裂附近測(cè)點(diǎn)的重力值變化基本一致；2013年3月至2014年8月，地震發(fā)生前一年左右，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的趨勢(shì)近乎一致，出現(xiàn)較大幅值的上升后轉(zhuǎn)為下降，在隨后反向恢復(fù)過(guò)程中發(fā)生平遙MS4.1地震。2013年8月之后的兩個(gè)時(shí)間段，重力點(diǎn)在時(shí)空演化上顯示出一定的規(guī)律性，太谷斷裂附近出現(xiàn)下降—持續(xù)下降(實(shí)線)，而交城斷裂則是平緩—下降(虛線)，相比而言有一定的滯后性，其變化幅值明顯小于前者。

段差的變化可以反映測(cè)段之間梯度的變化。太古斷裂兩側(cè)的 “祁縣—平遙”，“祁縣—太谷”，“祁縣—分水嶺”的測(cè)段平差后的段差值(表1)，段差變化如圖5所示。段差變化可能對(duì)于深入認(rèn)識(shí)構(gòu)造活動(dòng)和孕震過(guò)程有一定指示意義。由圖可以看出，2012-03～2013-03期間，這3個(gè)測(cè)段的變化趨勢(shì)基本一致；2013-03～2014-03期間，祁縣—平遙，祁縣—分水嶺測(cè)段重力段差持續(xù)上升，祁縣—太谷測(cè)段變化較平緩；2014-03～2014-08期間，地震之后祁縣—太谷轉(zhuǎn)而上升。由于平遙地震震級(jí)較小，震中附近重力段差在震前一年時(shí)間變化較為明顯。

兩條斷裂對(duì)造成地震的應(yīng)力積累和物質(zhì)遷移有著“阻礙”作用，造成了不同程度的重力負(fù)累積。特別是地震前重力場(chǎng)在太谷斷裂的西北側(cè)的負(fù)積累和東南側(cè)的正積累，形成擠壓、閉鎖態(tài)勢(shì)，當(dāng)能量超過(guò)臨界值后就發(fā)生了地震。

3結(jié)論與討論

本文給出了2014年4月平遙MS4.1地震前2年至震后半年(2012-03～2014-08)的區(qū)域重力場(chǎng)變化圖像，并初步分析了區(qū)域與震區(qū)附近的重力場(chǎng)演化特征及其與該地震的關(guān)系，獲得一些認(rèn)識(shí)并進(jìn)行討論：

(1)在空間分布上，地震發(fā)生前測(cè)區(qū)均出現(xiàn)區(qū)域性的重力異常變化及與構(gòu)造活動(dòng)斷裂走向基本一致的高梯度帶，可能體現(xiàn)了活動(dòng)斷裂附近的應(yīng)力積累和物質(zhì)遷移所引起的重力變化，從而觸發(fā)地震的產(chǎn)生并在震中或鄰區(qū)產(chǎn)生局部重力變化異常區(qū)。

(2)時(shí)間序列上，重力場(chǎng)累積動(dòng)態(tài)變化圖像較清晰地反映了平遙地震孕育、發(fā)震、震后恢復(fù)的演化過(guò)程?？梢钥闯龅卣鸢l(fā)生前后，由于應(yīng)力積累和物質(zhì)遷移，震中附近的重力場(chǎng)在震前約2年形成了重力異常區(qū)，在震前1年內(nèi)急劇變化。研究區(qū)域北部和南部的正值區(qū)域?qū)χ胁康呢?fù)值區(qū)域持續(xù)的擠壓，在平遙震中附近形成閉鎖狀態(tài)，達(dá)到臨界值之后突然釋放發(fā)生地震，震源區(qū)附近的應(yīng)力應(yīng)變的釋放調(diào)整，震后重力場(chǎng)變化恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)。平遙MS4.1地震由于震級(jí)比較小，孕震時(shí)間較短。分析圖4b點(diǎn)值變化，在震前一年左右的時(shí)間內(nèi)，重力測(cè)點(diǎn)的變化較明顯，出現(xiàn)較大幅值的上升后轉(zhuǎn)為下降，這可能對(duì)于判斷地震形勢(shì)具有一定的意義。

(3)震中部位與發(fā)震構(gòu)造運(yùn)動(dòng)一致的重力變化梯級(jí)帶有利于破裂發(fā)展。平遙MS4.1地震前最大累積重力變化達(dá) 45×10-8ms-2，大同MS6.1地震前最大累積重力變化達(dá)60×10-8ms-2(劉善華等，2011)，汶川MS8.0地震8年累積重力變化幅差最大約200×10-8ms-2(申重陽(yáng)，李輝，2007)，這可能為強(qiáng)震強(qiáng)度預(yù)測(cè)提供了參考依據(jù)。雖然平遙MS4.1地震的區(qū)域性重力場(chǎng)變化幅值不大，但在此次地震發(fā)生前后重力場(chǎng)積累變化有一定的反映。地震發(fā)生是復(fù)雜的物理過(guò)程，其產(chǎn)生的機(jī)制機(jī)理還在不斷地探索當(dāng)中，只有在不斷地研究和總結(jié)當(dāng)中才會(huì)有所突破。

參考文獻(xiàn)：

陳石，王謙身，祝意青，等.2011.汶川MS8.0震前區(qū)域重力場(chǎng)變化與震質(zhì)中研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，16(4)：1147-1156.

陳運(yùn)泰，顧浩鼎，盧造勛.1980.1975年海城地震與1976年唐山地震前后的重力變化[J].地震學(xué)報(bào)，2(1)：21-31.

馮建林，孫少安，秦建增.2013.絕對(duì)重力控制下的山西地震帶2009—2012重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，33(增刊)：49-52.

李輝，徐如剛，申重陽(yáng)，等.2010.大華北地震動(dòng)態(tài)重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)分形特征研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，30(5)：16-18.

李真，陳石，秦建增，等.2012.多網(wǎng)重力數(shù)據(jù)聯(lián)合平差和系統(tǒng)誤差改正[J].地震，32(2)：95-104.

李真，秦建增，陳石.2013.山西地震重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)起算基準(zhǔn)擾動(dòng)分析[J].地震，33(3)：60-66.

梁偉鋒，劉芳，徐云馬，等.2013.青藏高原東緣重力觀測(cè)及對(duì)蘆山M7.0地震的反映[J].地震工程學(xué)報(bào)，35(2)：266-271.

梁偉鋒，祝意青，徐云馬，等.2012.文安5.1級(jí)地震前后不同時(shí)間尺度的重力變化分析[J].地震研究，35(3)：318-322.

劉善華，李民，孫銘心，等.2011.大同6.1級(jí)地震前后首都圈重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化圖像[J].地震研究，34(2)：148-152.

秦建增，李清林，郭德科，等.2007.河南范縣MS4.3地震前后的重力場(chǎng)與預(yù)測(cè)過(guò)程[J].西北地震學(xué)報(bào)，29(4)：380-384.

申重陽(yáng)，李輝.2007.研究現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)震機(jī)理的一種方法[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，22(1)：49-56.

姚家駿，萬(wàn)永革，王培玲，等.2012.利用重力資料檢測(cè)日本9.0級(jí)地震激發(fā)的地球自由振蕩[J].地震研究，35(1)：53-58.

張國(guó)民，馬宏生，王輝，等.2005.中國(guó)大陸活動(dòng)地塊邊界帶與強(qiáng)震活動(dòng)[J].地球物理學(xué)報(bào)，48(3)：602-610.

張培震，鄧起東，張國(guó)民.2002.中國(guó)大陸活動(dòng)地塊與強(qiáng)震[J].中國(guó)科學(xué)(D輯)，32(增刊)：5-11.

祝意青，梁偉鋒，徐云馬，等.2010.汶川MS8.0地震前后的重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化[J].地震學(xué)報(bào)，32(6)：633-640.

祝意青，梁偉鋒，徐云馬.2008.重力資料對(duì)2008年汶川MS8.0地震的中期預(yù)測(cè)[J].國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，(7)：36-39.

祝意青，梁偉鋒，湛飛并，等.2012.中國(guó)大陸重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，55(3)：804-813.

祝意青，聞學(xué)澤，張晶，等.2013.華北中部重力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化及其強(qiáng)震危險(xiǎn)含義[J].地球物理學(xué)報(bào)，56(2)：531-541.

Using the observation data of absolute and flow gravity measurements in Shanxi region from 2012 to 2014，we obtained gravity field and its dynamic variations by adjustment，and analyzed the spatial-temporal evaluation of the regional gravity field and their relationship to PingyaoMS4.1 earthquake.The research result mainly shows that：(1)Before PingyaoMS4.1 earthquake，there appeared the regional gravity anomaly in the study region and the local gravity anomaly near the epicenter.The high gradient belt of gravity change formed in accordance with the strike of the active tectonic fault，which could predict the tectonic activity or stress enhancing related with the preparation and occurrence of the earthquake.(2)Before and after the earthquake，the patterns of the gravity field accumulation variation appeared the following process in the study area：the regional stress field strengthened first，then continued to strengthen，and the local movement of it was locked somewhere，the earthquake came about during the energy exceeded the critical value.Finally，the gravity field change was back to the steady state after the earthquake.

Key words：gravity field；combined adjustment；dynamic variation；PinyaoMS4.1 earthquake

*收稿日期：2015-01-16. 基金項(xiàng)目：中國(guó)地震局地球物理勘探中心青年基金項(xiàng)目(YFGEC2014006)和中國(guó)地震局震情跟蹤合同制項(xiàng)目(2014010204)共同資助.

中圖分類號(hào)：P315.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-0666(2015)03-0377-07

Analysis on Dynamic Variation Characteristic of Gravity Field before and after PingyaoMS4.1 Earthquake in 2014

JIA Yu-peng1，QIN Jian-zeng1，LI Zhen1，LI Zhe-jun2，TAN Yu-juan1，F(xiàn)ENG Jian-lin1

(1.Geophysical Exploration Center，CEA，Zhengzhou 450002，Henan，China) (2.Anhui Earthquake Administration，Hefei 230031，Anhui，China)

Abstract