基于重力儀靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)研究長寧6.0級地震活動性

陳 挺，嚴 迪，楊 劍，廖國忠，余 舟，李鴻泰

(1.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局物探隊，四川 成都 610072；2.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610082)

地震構(gòu)造活動會引起重力場的擾動變化，Martin等通過評估日本東北大地震的記錄數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)以光速傳播的重力信號始終在其對應(yīng)地震波信號傳到地震監(jiān)測站之前率先到達。劉棟勛等(1984)發(fā)現(xiàn)了一些重力變化與地震有關(guān)的事實，如1976年7月28日唐山7.8級地震前后，在震中不遠的一條剖面上進行了兩次重力測量，發(fā)現(xiàn)震前震后剖面觀測重力值最大差值達0.165×10-5m/s2；1995年7月12日云南省孟連縣7.3級地震，吳國華(1998)在滇西實驗場重力網(wǎng)紅河斷裂以西觀測到重力異常變化；祝意青等(1999,2002,2003)通過流動重力測量，觀測到較可靠的重力隨時間變化數(shù)據(jù)；郝曉光等(2008)在汶川大地震前監(jiān)測到“重力擾動”逐漸增大，直至地震發(fā)生。這些觀測記錄說明地震在孕育發(fā)生過程中會伴隨地下物質(zhì)密度變化和深部物質(zhì)遷移(李子濤等，2005)，從而引起重力變化。

筆者在參與中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心“四川會理—鹽源及鄰區(qū)1∶25萬區(qū)域重力調(diào)查”項目期間，通過對長寧6.0級地震的重力觀測數(shù)據(jù)分析，認為地震發(fā)生時檢測到重力值的變化，往往是震動干擾引起的，這種觀測重力值的瞬時變化容易被誤認為是重力值變化引起的，重力值是否變化應(yīng)該比較地震前后的觀測值是否發(fā)生變化，而不能簡單的以地震活動時所取得的錯誤觀測重力值作為評價標準，因為重力值的改變必然是由場源體的空間和密度變化所引起。當?shù)卣鹫鸺壿^小時，這種重力異常變化往往非常微弱，僅在震源區(qū)或離震源較近的構(gòu)造斷裂附近才能觀測到(李子濤等，2003)，說明震區(qū)附近重力異常變化與主干斷裂在空間上關(guān)系密切(周斌等，2018)。

1 長寧震區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景

長寧地區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造為長寧背斜，該背斜東起敘永縣，分布于興文縣、長寧縣雙河，西至珙縣天星橋一帶，構(gòu)造東西長100 km，南北寬20 km，呈不對稱的復(fù)式大背斜。長寧背斜是一個多斷裂構(gòu)造的背斜，斷裂多發(fā)育在由古生界地層組成的背斜核部或兩翼，以小斷裂為主，呈高角度壓性逆沖斷層，震中附近斷層傾角最高達80°。斷裂與褶皺緊密相伴，主要斷裂往往伴隨褶皺而發(fā)育，構(gòu)造的延伸方向與褶皺線形跡一致(蔡一川等，2015)。

2 引起重力值變化的原因分析

通過正演模型的模擬計算，分析影響重力值變化的主要因素。圖1左為水平地層模型，上層模型密度為2.45 g/cm3，下層模型密度為2.55 g/cm3，背景密度為2.67 g/cm3。其重力異常曲線為對稱的單支雙曲線形狀。圖1右為水平地層受到擠壓作用后形成的逆斷層模型，由于擠壓力的持續(xù)作用，左上層模型密度變?yōu)?.50 g/cm3，左下層模型密度為2.60 g/cm3，右上層模型密度為2.45 g/cm3，右下層模型密度為2.55 g/cm3，背景密度為2.67 g/cm3。其重力異常曲線(右圖中實線)為不規(guī)則形狀。

圖1 水平地層正演模型及逆斷層正演模型重力異常

從上述兩個模型重力異常值比較圖知，由于斷裂破碎作用，引起原始水平地層的空間分布位置和密度值發(fā)生變化，其異常值也發(fā)生變化，變化幅值最大達2.71×10-5m/s2。從正演模型對比結(jié)果知，引起重力值變化的主要因素為地質(zhì)體的空間分布形態(tài)和密度的改變。

3 長寧地震實測重力靜態(tài)數(shù)據(jù)分析

本次項目使用的CG-5型自動重力儀是加拿大Scintrex公司研制的數(shù)字重力儀(曹金國等，2018)。在正式工作前，對重力儀進行了調(diào)節(jié)試驗、靜態(tài)試驗、動態(tài)試驗、多臺儀器間的一致性試驗，試驗結(jié)果滿足規(guī)范要求。

長寧6.0級地震發(fā)生前，筆者正在距離震中72.9 km的云南省鹽津縣普洱鎮(zhèn)進行重力靜態(tài)觀測，由于當時地震震級較大，所使用的CG-5型重力儀在地震活動作用下，在觀測水平面上發(fā)生了約20 cm的位移。發(fā)生位移后對儀器進行了重新調(diào)平操作，隨后發(fā)生的珙縣5.1級地震也被成功記錄到。截至2019年7月20日，重力靜態(tài)觀測儀分別在鹽津縣普洱鎮(zhèn)和珙縣上羅鎮(zhèn)成功記錄到地震活動18次，說明長寧地震具有主震突出、余震豐富的特點，震后的應(yīng)力釋放可能還需持續(xù)相當長的時間。本次用于分析的數(shù)據(jù)主要包括經(jīng)固體潮和零點位移改正后得到重力儀的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)和重力儀實時觀測數(shù)據(jù)的標準差。

重力值標準差在儀器讀數(shù)記錄里用“S.D.”表示，重力儀讀數(shù)時每秒鐘更新一次。由于重力高頻信號在重力數(shù)據(jù)采集中往往作為干擾信號，被儀器自帶的濾波器過濾掉，最終得到的重力觀測值是濾波處理后的結(jié)果。在野外觀測時，S.D.指標主要用來衡量單點觀測質(zhì)量，當S.D.較小時，表示環(huán)境震動噪聲處于較低水平，設(shè)置觀測時間內(nèi)的數(shù)值較接近平均值，觀測質(zhì)量合格；當S.D.較大時，表示環(huán)境震動噪聲處于較高水平，觀測時間內(nèi)出現(xiàn)很多高頻重力信號，數(shù)據(jù)質(zhì)量不合格，需要重新觀測。正是由于S.D.值包括了重力儀自身噪聲和環(huán)境震動等重力高頻干擾信號，它可以用來衡量信號噪聲的大小。通過對比地震發(fā)生時重力儀記錄的S.D.值，認為S.D.值可用于地震不確定性的一種測量。

下面通過對地震發(fā)生時記錄的重力觀測值和S.D.值進行分析，來說明重力值和S.D.值與地震的相關(guān)性。在平穩(wěn)場中，S.D.值一般小于0.020×10-5m/s2，當儀器記錄S.D.值小于或等于該值時，認為地震震動活動停止。其中表1是發(fā)震時重力儀記錄靜的讀數(shù)時間間隔的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表，共計記錄到8次地震。為了更詳細的研究重力場和S.D.值隨時間的變化規(guī)律，將普洱鎮(zhèn)重力儀的時間間隔設(shè)置為10分鐘，上羅鎮(zhèn)的設(shè)置為1分鐘。

表1 發(fā)震時刻重力儀記錄靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.1 宜賓市長寧6.0級地震和珙縣5.1級地震重力靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)分析

2019年6月17日22時55分在四川省宜賓市長寧縣發(fā)生6.0級地震，震源深度16 km。2019年6月17日23時36分在四川省宜賓市珙縣發(fā)生5.1級地震，震源深度16 km。圖2左、右分別是經(jīng)改正后的重力觀測值隨時間的變化曲線。長寧縣6.0級地震在22時55分突然爆發(fā)，導(dǎo)致儀器自帶的地震濾波功能失效，觀測重力值與地震爆發(fā)前的觀測值相差4.466×10-5m/s2，到23時5分由地震引起的S.D.值降為0.766×10-5m/s2，此時刻觀測重力值與地震爆發(fā)前的觀測值相差-0.002×10-5m/s2，可見儀器自帶的地震濾波功能已經(jīng)濾掉了重力高頻干擾信號。23時36分珙縣5.1級地震繼長寧6.0級地震后爆發(fā)，從圖2左、右可知，剔除發(fā)震時刻的畸變重力數(shù)據(jù)，在云南省鹽津縣普洱鎮(zhèn)觀測到的長寧縣6.0級地震、珙縣5.1級地震并未引起重力觀測值的明顯變化。

圖2 長寧6.0級(左)、珙縣5.1級(右)地震重力值隨時間變化

圖3 長寧6.0級地震、珙縣5.1級地震標準差隨時間變化

圖3是上述兩次地震發(fā)生時刻重力儀記錄的S.D.值隨時間的變化曲線，從圖知，22時55分19秒S.D.值高達23.066×10-5m/s2，23時36分33秒S.D.值高達11.708×10-5m/s2。6.0級地震引起的重力擾動是5.1級地震的1.97倍。在平穩(wěn)場中，S.D.值一般小于0.020×10-5m/s2，23時16分S.D.值為0.155×10-5m/s2，23時26分S.D.值為0.038×10-5m/s2，近似為正常值的2倍，說明距離發(fā)震時間半小時后地震擾動雖然減小，但是并未停止。23時36分珙縣5.1級地震繼長寧6.0級地震后爆發(fā)，S.D.值突然升為11.708×10-5m/s2，直到6月18日00時06分，S.D.值降為0.013×10-5m/s2，此時該次地震活動已經(jīng)平息。

3.2 宜賓市珙縣2.9級地震重力靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)分析

2019年7月15日16時48分在四川省宜賓市珙縣發(fā)生2.9級地震，震源深度8 km。重力儀距離震中7.8 km。由于在鹽津縣普洱鎮(zhèn)設(shè)置的10分鐘讀數(shù)時間間隔，不能精確的記錄到重力值和S.D.值的變化規(guī)律，因此在珙縣上羅鎮(zhèn)進行靜態(tài)觀測時，將讀數(shù)時間間隔設(shè)置為1分鐘。圖4左是經(jīng)改正后的重力觀測值隨時間的變化曲線。從左圖中知，在選取的36分鐘時段范圍內(nèi)，重力值變化幅度僅為0.006×10-5m/s2，地震前后重力值無明顯變化。圖4右是地震發(fā)生時刻重力儀記錄的S.D.值隨時間的變化曲線，從圖知，16時48分S.D.值高達0.935×10-5m/s2。在平穩(wěn)場中，S.D.值一般小于0.020×10-5m/s2，16時54分S.D.值為0.014×10-5m/s2，說明從發(fā)震到停止用時6分鐘。

圖4 珙縣2.9級地震重力值及地震標準差隨時間變化

通過對長寧6.0級地震(重力儀距離震中72.9 km)、珙縣5.1級地震(重力儀距離震中62.7 km)、珙縣2.9級地震(重力儀距離震中7.8 km)前后經(jīng)固體潮和零點位移改正后的重力值分析，發(fā)現(xiàn)地震后靜態(tài)觀測的重力數(shù)據(jù)與震前只有幾個微伽的變化，而重力儀自身的重復(fù)觀測精度為0.005×10-5m/s2，故認為地震前后重力值未發(fā)生變化。地震發(fā)生時引起的重力值畸變主要是由于振動干擾引起的錯誤讀數(shù)，該讀數(shù)并非是由于地震引起地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致的。通過對記錄的S.D.值分析，計算了地震從開始到結(jié)束的持續(xù)時間，長寧6.0級地震從發(fā)震到結(jié)束用時約30分鐘，珙縣5.1級地震從發(fā)震到結(jié)束用時約20分鐘，珙縣2.9級地震從發(fā)震到結(jié)束用時6分鐘?？梢姷卣鹫鸺壌笮∨c當次地震活動持續(xù)時間呈正相關(guān)關(guān)系，即震級越大，地震活動持續(xù)時間越長。

4 結(jié)論

通過正演模型分析，認為引起重力場改變的主要因素是地下地質(zhì)體在斷裂活動作用下發(fā)生了空間位移和密度分布的改變。通過比較重力靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)，本次長寧6.0級地震，在地震波到達之前未能觀測到有效的重力異常變化信號，地震前后未觀測到明顯的重力值變化。這可能是由于本次地震未引起地下地質(zhì)體空間分布形態(tài)的較大改變且測站距離震中距離較遠所致。通過對S.D.值的分析，認為地震震級大小與當次地震活動持續(xù)時間呈正相關(guān)關(guān)系， S.D.值受震中與測站的距離影響較小，普洱鎮(zhèn)和上羅鎮(zhèn)都能明顯觀測到S.D.值從突變達到最大值到逐漸衰減到正常讀數(shù)范圍的過程。