2017年12月19日海城M4.4地震重力變化及機(jī)理研究

李玉森，底欣欣，臧石磊，李 偉，索 銳

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

2017年12月19日在遼寧海城地區(qū)發(fā)生M4.4地震，震源深度10km，震中烈度為Ⅵ度，震中位于海城河斷裂上。這是自1975年海城M7.3、1999年岫巖M5.4地震之后，在海岫地區(qū)發(fā)生的一次顯著的地震事件。2012年以來，遼中南地區(qū)地震活動性顯著增強(qiáng)，中小震相對活躍，一直是遼寧省地震重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域。通過流動重力觀測對該區(qū)域進(jìn)行持續(xù)關(guān)注和跟蹤，并在海城M4.4震前提取到相關(guān)的異常信息，結(jié)合全國典型震例（汶川M8.0、玉樹M7.1、廬山M7.0等）以及省內(nèi)（燈塔M5.1、朝陽M4.6）震前重力異常的特征性指標(biāo)[1-12]，深入開展對海城M4.4地震震前、同震期的重力變化研究，提取特征性的異常指標(biāo)，展開重力變化機(jī)理研究，對于今后遼寧地區(qū)的地震監(jiān)測尤其是重力探測具有重要的指示意義。

1 區(qū)域地震構(gòu)造背景

海城M4.4地震中位于中朝準(zhǔn)地臺東北部。地殼運(yùn)動主要受太平洋板塊NWW向的俯沖作用，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂廣布。區(qū)域地震活動主要受郯廬深大斷裂帶控制，活動斷裂主要延NW、NE和NNE方向展布，有海城河斷裂、金州斷裂、太子河斷裂、莊河斷裂等，區(qū)域地塊相對破碎，新構(gòu)造活動較為強(qiáng)烈[13]。

海城河斷裂是1975年海城M7.3地震之后提出的，并經(jīng)過大量探測分析得到確認(rèn)。該斷裂始于營口高坎，往東經(jīng)海城、岫巖延伸到東港境內(nèi)，全場100km，由一系列北西向平行展布的中小斷裂組成，走向320°，傾向SW，傾角50°～70°，寬度約10km，屬全新世斷裂。歷史上發(fā)生過海城M7.3、岫巖M5.4等中強(qiáng)震，2012年以后該區(qū)域中小震群相對活躍，多為淺源地震，其中最主要一次是2017年12月發(fā)生在海城的M4.4地震[14]。

從震源機(jī)制解看，海城M4.4地震斷層破裂走向呈NW向，斷層上盤向下運(yùn)動，呈正斷層性質(zhì)，以左旋滑動為主。初步斷定該次地震為左旋走滑略帶拉張性質(zhì)的地震。這與1975年海城M7.3、1999年岫巖M5.4地震震源機(jī)制極為相似[15-16]，因此可認(rèn)為，海城河斷裂是本次M4.4地震的發(fā)震斷層。

本文主要針對海城M4.4地震展開重力變化研究。測區(qū)內(nèi)有1個絕對重力觀測點(diǎn)和69個相對重力觀測點(diǎn)，平均點(diǎn)距50km（圖1）。

圖1遼寧地區(qū)重力測網(wǎng)示意圖Fig.1 The sketch of gravity network of Liaoning Province

2 數(shù)據(jù)處理方法

遼寧地區(qū)重力觀測采用高精度拉科斯特重力儀（LCR-G型）[17]，每年4—5月和8—9月進(jìn)行兩期測量，選取2016～2018年的4期重力觀測數(shù)據(jù)，外業(yè)觀測自差（小于25μGal）和互差（小于30μGal）均符合規(guī)范要求。由于測區(qū)范圍較小，本文采用一點(diǎn)控制的經(jīng)典平差方法，合理確定各臺儀器的先驗(yàn)方差，同時對一次項(xiàng)、固體潮、零漂和儀器高改正，得到最優(yōu)計(jì)算結(jié)果[18]。2016年9月—2018年5月四期數(shù)據(jù)平均點(diǎn)值精度13.2微伽，精度較高，滿足本次研究需要。

3 重力變化分析

3.1差分變化和累積變化

以震前兩年為時間節(jié)點(diǎn)，分析研究不同時間尺度的重力變化空間分布特征。等值線圖采用克里金法插值法，等值線間隔10μGal，如圖2所示。

圖2岫巖M4.4震前重力變化空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of gravity change before Xiuyan M4.4 earthquake

圖2017-09—2016-05：從一年半的累積變化看，0值線在海城地區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)折，海城—岫巖以北正變化，以南負(fù)變化，分別形成以岫巖為中心的正變化區(qū)，變化量40μGal和以蓋縣為中心的負(fù)變化區(qū)，變化量-30μGal，并伴有正負(fù)變化高梯度帶，異常特征明顯。

圖2017-09—2017-05：整個遼中南地區(qū)，重力變化相對平穩(wěn)，幅度在±30μGal之間，以海城、岫巖為分界線，以北為重力正變化區(qū)，以南為負(fù)變化區(qū)。0值線控制整個區(qū)域，并在遼陽、岫巖地區(qū)形成大范圍轉(zhuǎn)折，說明重力區(qū)域變化不均勻，具體表現(xiàn)為沿海城河斷裂出現(xiàn)差異的重力變化。2017年12月在海城地區(qū)海城河斷裂上發(fā)生M4.4地震。

圖2018-05—2017-09：遼中南地區(qū)在短期內(nèi)出現(xiàn)大范圍重力反向變化，四象限特征初步形成，以海城為中心形成重力正變化高值區(qū)，變化量達(dá)40μGal。與上期相比，重力在短時間呈現(xiàn)由負(fù)轉(zhuǎn)正的變化過程，形成能量累積，具有明顯的短期重力異常特征。

圖2018-05—2017-05：通過震前測期和震后測期的實(shí)時比較，尚未出現(xiàn)明顯異常，說明震前的重力異常變化，在震后的快速恢復(fù)調(diào)整，已趨于正常。

3.2重力點(diǎn)值時序和剖面變化

選取震中附近兩條測線海城—熊岳和北鐵—岫巖進(jìn)行點(diǎn)值變化時序分析，以2013年5月份測期為基期，結(jié)果如下：

圖3重力點(diǎn)值時序變化（左：海城—蓋縣；右：海城—岫巖）Fig.3 Change of gravity point sequence （Left：Haicheng-Gaixian；Right：Haicheng-Xiuyan）

圖3表明：NE向的海城—熊岳點(diǎn)值時序表明，沿金州斷裂北段的多個測點(diǎn)，從2015年5月到2016年9月，是一個平穩(wěn)微降的過程，從2016年9月開始，重力值持續(xù)減小。而NW向的海城—岫巖測線，從2015年5月到2016年9月是個下降的過程，從2016年9月開始，重力值不斷增大，累積量不斷增加。兩條測線點(diǎn)值變化反向?qū)?yīng)，并在1709-1605累積變化圖上形成一條NW走向的重力梯度帶。2017年12月海城M4.4地震發(fā)生在重力梯度帶附近20μGal的等值線上。

圖4蓋州—海城—岫巖重力剖面變化圖Fig.4 Change of gravity profile from Gaizhou，Haicheng to Xiuyan

圖4中，2條沿海城河斷裂的不同測期的重力剖面變化，具有一致性的特征。北東向跨海城河斷裂重力點(diǎn)值呈下降趨勢，2017年9月相比2017年5月，蓋縣和大石橋測點(diǎn)下降幅度不斷增大。北西向沿海城河斷裂出現(xiàn)明顯的異常形態(tài)，從析木—西腰—偏嶺是一個較大上升和下降趨勢，短期變化幅度達(dá)40μGal。從剖面圖看出，海城河斷裂附近，北東向和北西向出現(xiàn)差異的重力變化，而短期內(nèi)西腰—偏嶺重力點(diǎn)值的快速變化是海城M4.4地震的一個主要因素。

4 重力變化機(jī)理

遼寧地區(qū)地處亞歐大陸東岸，地殼運(yùn)動主要受太平洋板塊NWW向的俯沖作用影響，長期以來，遼中南地區(qū)一直處于隆升狀態(tài)，隆升構(gòu)造背景在一定程度上反映了孕震的擠張性質(zhì)；同時受到來自深大斷裂郯廬斷裂帶的控制，新構(gòu)造運(yùn)動較為強(qiáng)烈。海城M4.4地震發(fā)生在遼東半島北部，屬于左旋走滑略帶拉張性質(zhì)的地震，與區(qū)域隆升的構(gòu)造背景相對應(yīng)。

累積變化看，震中東北部海城和岫巖等地形成大片的正重力變化區(qū)，有利于孕震能量的累積。震中西南部蓋州、熊岳等地的負(fù)變化區(qū)反映了孕震的擴(kuò)容模式。與海城河斷裂近乎平行的重力變化高梯度帶，最大幅差在70μGal。短期的差分變化顯示震中附近重力變化表現(xiàn)為四象限的分布特征，這與海城M4.4左旋走滑的破裂機(jī)制相一致。點(diǎn)值時序和剖面圖表現(xiàn)為震中西南部重力值不斷降低，震中東北部重力值不斷上升。海城河斷裂附近，北東向和北西向出現(xiàn)差異的重力變化，而短期內(nèi)西腰、偏嶺重力點(diǎn)值快速的升降變化充分反映了短期的異常特征。

震中東北部的正重力變化是地殼密度增大的一個表現(xiàn)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景，認(rèn)為是在太平洋板塊NWW向的俯沖作用下，遼東半島不斷隆升，地殼深處巖體受力膨脹，巖石孔隙增大，周圍地下流體不斷滲入，導(dǎo)致地殼密度增大、重力值增加。而震中西南部的蓋州地區(qū)形成重力負(fù)變化區(qū)，是地下流體外流，地殼密度降低的一個主要表現(xiàn)。由此形成震中東北部正變化，西南部負(fù)變化，并伴有正負(fù)變化高梯度帶的重力異常表現(xiàn)特征。

5 結(jié)論與討論

2017年12月19日海城M4.4重力異常主要表現(xiàn)為：

（1）一年半的累積變化顯示震中東北部呈正變化，西南部呈負(fù)變化，并伴有重力變化高梯度帶，最大幅差達(dá)70μGal。短期差分變化顯示，震前半年出現(xiàn)大范圍正負(fù)反轉(zhuǎn)變化和四象限特征，幅值在40μGal左右。0值線在海城附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，方向由NE轉(zhuǎn)為SW。

（2）海岫地區(qū)重力點(diǎn)值時序變化呈一致性上升趨勢，重力不斷累積。重力剖面上顯示海城河斷裂附近出現(xiàn)差異的重力變化。

震中附近地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造活動強(qiáng)烈，尤其是中小震群自2012年以來一直持續(xù)。結(jié)合區(qū)域重力變化和構(gòu)造背景綜合分析，認(rèn)為該次地震可能是由于遼中南地區(qū)地殼構(gòu)造運(yùn)動和地殼深部物質(zhì)遷移共同所致。