2000～2004年山西重力場(chǎng)變化及小波多尺度分解

馮建林 檀玉娟 秦建增 黃邦武 張瑞敏 謝汝一

中國(guó)地震局地球物理勘探中心，鄭州市文化路75號(hào) 450002

0 引言

山西地震帶歷史地震和現(xiàn)代地震均比較活躍，歷來(lái)是國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)測(cè)防御區(qū)之一，為了有效監(jiān)測(cè)山西地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)，中國(guó)地震局地球物理勘探中心于1991年在該區(qū)布置了地震重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)（圖1），每年用2臺(tái)LCR-G重力儀進(jìn)行不少于2期的高精度觀測(cè)，為研究該區(qū)域的重力場(chǎng)時(shí)變特征提供了資料，并取得了一系列研究成果（李天生等，1998；馮建林等，2006、2013），本文在上述工作的基礎(chǔ)上，利用山西地震重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)2000～2004年的觀測(cè)資料和《GDPAS-MRG》軟件，通過(guò)擬穩(wěn)平差方法將2000～2004年來(lái)的重力資料統(tǒng)一處理，獲得了2002年9月3日太原ML5.0地震、2003年11月25日洪洞ML5.0地震前后不同時(shí)空尺度的重力場(chǎng)變化，并用小波變換方法將2000～2004年的山西重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行多尺度分解，獲得了不同小波尺度下的重力場(chǎng)的累積變化。

1 測(cè)網(wǎng)概況與資料處理

山西地震重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)于1991年開(kāi)始運(yùn)行，當(dāng)時(shí)測(cè)點(diǎn)主要分布在山西中南部地區(qū)，1997年將測(cè)網(wǎng)擴(kuò)大至山西北部（圖1），其中共有80個(gè)測(cè)點(diǎn)，90個(gè)測(cè)段，自北向南依次跨越了六棱山北麓斷裂、恒山北麓斷裂、交城斷裂、太谷斷裂、離石斷裂、羅云山山前斷裂、中條山南麓斷裂等主要活動(dòng)斷裂，基本覆蓋了 35°～40°N、110.5°E～114.0°E的空間范圍，對(duì) 4.5級(jí)以上地震具有較好地監(jiān)測(cè)能力（賈民育等，2000；項(xiàng)愛(ài)民等，2007）。

圖1 山西地震重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)及構(gòu)造略圖

對(duì)2009年以前觀測(cè)資料均以離石測(cè)點(diǎn)為起算點(diǎn)進(jìn)行經(jīng)典平差處理，由于離石測(cè)點(diǎn)并不是絕對(duì)重力測(cè)點(diǎn)，沒(méi)有考慮起算基準(zhǔn)的擾動(dòng)，這樣不利于地震重力異常信息的提取（祝意青等，2001a、2001b、2007a、2007b；胡斌等，2006；高好林，2013），本文用《GDPAS-MRG》軟件，采用擬穩(wěn)平差方法求得各測(cè)點(diǎn)重力平差值及其精度，基于平差結(jié)果對(duì)重力值同點(diǎn)位求差，并采用Nature Neighbor方法將2000～2004年的多期重力變化差值進(jìn)行網(wǎng)格化，然后利用小波變換將2000～2004年的山西重力場(chǎng)進(jìn)行多尺度分解，較好地消除了地殼淺表和局部異常源的干擾，突出了地殼深部和區(qū)域異常信息。

2 重力場(chǎng)變化及小波多尺度分解

研究區(qū)域重力場(chǎng)隨時(shí)間的變化，須以相同的時(shí)間為基準(zhǔn)，本文以2000年9月的觀測(cè)資料為基準(zhǔn)，其它各期同一時(shí)段的觀測(cè)資料按時(shí)序分別與該時(shí)間基準(zhǔn)的結(jié)果進(jìn)行差分，這些差分結(jié)果之間具有連續(xù)性和累積性，可以更好地突出觀測(cè)區(qū)域重力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化特征（孫少安等，2012）。

2.1 重力場(chǎng)累積變化

2000年9月～2001年9月（圖2（a））：測(cè)區(qū)重力場(chǎng)變化較平緩，最大變化幅值在-20×10-8m·s-2左右，以太原為界形成北正南負(fù)的變化格局。

圖2 山西測(cè)網(wǎng)重力變化等值線圖

2000年9月～2002年9月（圖2（b））：2000年 9月～2001年 9月形成的一正一負(fù) 2個(gè)重力變化異常區(qū)的變化幅度達(dá)50×10-8m·s-2，并在2個(gè)異常區(qū)之間形成近NS向的重力變化高梯度帶，而且圖2（a）中出現(xiàn)在太原、介休附近的2個(gè)“0”等值線在本期連在一起，并在太原以北發(fā)生轉(zhuǎn)折，太原ML5.0地震發(fā)生在“0”等值線拐彎部位，震中附近太原、介休之間的測(cè)點(diǎn)的重力場(chǎng)測(cè)值也已由負(fù)變正。

2000年9月～2003年9月（圖2（c））：測(cè)區(qū)北部重力值持續(xù)上升，南部以臨汾為中心的重力值持續(xù)下降，幅值在-70×10-8m·s-2左右，并形成重力變化高梯度帶；太原至介休間的“0”等值線繼續(xù)向南擴(kuò)展，并在臨汾以北洪洞附近發(fā)生拐彎，拐彎部位發(fā)生了洪洞ML5.0地震，且震中附近的介休至洪洞之間的重力場(chǎng)由下降改為上升變化態(tài)勢(shì)。

2000年9月～2004年9月（圖2（d））：山西中北部重力場(chǎng)變化不大，中南部仍然繼續(xù)下降，但變化幅度有所減小，在-30×10-8m·s-2左右，可見(jiàn)震后測(cè)區(qū)重力場(chǎng)處于恢復(fù)調(diào)整狀態(tài)。

2.2 重力場(chǎng)小波多尺度分解結(jié)果

小波分析方法是1984年由法國(guó)地球物理學(xué)家Grossman and Morlet提出的，是目前發(fā)展比較成熟的數(shù)據(jù)處理方法，在布格重力異常、流動(dòng)重力異常的處理中，已有過(guò)很多探索和研究（侯遵澤等，1997；楊文采等，2001；朱桂芝等，2004；劉少明等，2004；祝意青等，2005；玄松柏等，2012；劉芳等，2013；郭樹(shù)松等，2014）。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：可將信號(hào)分解成不同尺度的成分，對(duì)重力異常場(chǎng)進(jìn)行分離，為解釋重力場(chǎng)變化與深度、密度變化的關(guān)系提供了較為簡(jiǎn)便的方法。

利用小波分解的Mallat塔式算法，在Matlab下選用二維重力異常分解的雙正交小波基函數(shù)“bior3.5”將2000～2004年山西重力場(chǎng)變化進(jìn)行多尺度分解，通過(guò)功率譜分析可得到1階、2階、3階和4階小波變換所反映的大致深度分別為：4～6km、12～15km、25～30km、40～50km，圖 3（a～d）～6（a～d）是 2000～2004年的山西測(cè)網(wǎng)重力異常 1～4階小波變換圖，由圖3～6可以看出：

（1）利用小波變換分解重力異常時(shí)，1階、2階小波變換等值線圈閉總體范圍小，變化量也較小，主要反映了上地殼淺層各種因素引起的重力場(chǎng)高頻變化只是小尺度的重力場(chǎng)變化。

（2）隨著階次的增加，在 3階小波變換中，1、2階小波變換中的許多弱小細(xì)節(jié)已不存在，深部構(gòu)造活動(dòng)信息更加突出，主要呈較大范圍的區(qū)域性變化。在4階小波變換中，這個(gè)特點(diǎn)更為明顯，即淺部異常變化小，深部異常變化較為明顯（劉芳等，2013）。

（3）從更長(zhǎng)時(shí)間尺度（2000年9月～2004年9月）看，4階小波變換中：忻定盆地中重力場(chǎng)的上升幅度逐漸減小，太原盆地中似“四象限”特征明顯，臨汾盆地中重力場(chǎng)的下降幅度逐漸增大。

（4）在3階、4階小波變換中，這2次地震均發(fā)生在重力變化高梯度帶“0”等值線附近，可見(jiàn)由小波變換分離出的重力異常作為分析重力場(chǎng)變化圖像的輔助手段，可為將來(lái)可能發(fā)生中強(qiáng)地震的地點(diǎn)提供判據(jù)（祝意青等，2005；郭樹(shù)松等，2014）。

3 結(jié)論與討論

地震的孕育和發(fā)生與地球內(nèi)部的形變及物質(zhì)遷移密切相關(guān)，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)地震前后的重力變化進(jìn)行過(guò)有益的研究與探討（陳運(yùn)泰等，1980；祝意青等，2001a、2001b、2005、2007a、2007b、2012、2013、2015；張晶等，2001；胡斌等，2006；李輝等，2009；王武星等，2009；申重陽(yáng)等，2010；劉代芹等，2011；郝洪濤等，2012；高好林，2013；鄭兵等，2014），研究結(jié)果表明：重力變化梯級(jí)帶及“0”等值線區(qū)域是地震發(fā)生的有利場(chǎng)所。本文主要分析了2000～2004年的山西重力場(chǎng)累積變化和小波多尺度分解結(jié)果，得出以下主要結(jié)論：

圖3 山西測(cè)網(wǎng)2000年9月～2001年9月重力異常1～4階小波變換細(xì)節(jié)圖（單位：×10-8 m·s-2）

圖4 山西測(cè)網(wǎng)2000年9月～2002年9月重力異常1～4階小波變換細(xì)節(jié)圖（單位：×10-8m·s-2）

圖5 山西測(cè)網(wǎng)2000年9月～2003年9月重力異常1～4階小波變換細(xì)節(jié)圖（單位：×10-8 m·s-2）

圖6 山西測(cè)網(wǎng)2000年9月～2004年9月重力異常1～4階小波變換細(xì)節(jié)圖（單位：×10-8 m·s-2）

（1）2002年太原ML5.0地震及2003年洪洞ML5.0地震發(fā)生前后，震中區(qū)附近重力場(chǎng)變化過(guò)程大致如下：局部負(fù)值變化→局部正值變化→在正向變化的過(guò)程中發(fā)震，而且這2次地震均發(fā)生在重力變化高梯度帶的“0”等值線附近。

（2）小波多尺度分解可以獲得不同小波尺度下的重力場(chǎng)變化，且隨著階次的增加，1、2階小波變換中的許多弱小細(xì)節(jié)已不存在，3階、4階小波變換深部構(gòu)造活動(dòng)信息更加突出，主要呈較大范圍的區(qū)域性變化。

致謝：感謝湖北省地震局玄松柏副研究員在小波變換計(jì)算方面的幫助，感謝審稿專家為本文進(jìn)一步完善所提出的有價(jià)值的修改意見(jiàn)。