河北唐山古冶5.1級(jí)地震前的重力變化

劉洪良，王青華，張展偉，楊雅慧，劉書峰

（1.河北省地震局流動(dòng)測量隊(duì)，河北 保定 071000；2.云南省地震局，昆明 650024）

0 引言

繼2019年12月5日在河北唐山市豐南發(fā)生4.5級(jí)地震后，2020年7月12日河北唐山市古冶區(qū)（39.78°N，118.44°E）再次發(fā)生5.1級(jí)地震，震源深度10 km。該地震造成河北唐山市中心震感強(qiáng)烈，天津、河北承德震感明顯，北京、河北廊坊、滄州等地有震感。此次地震發(fā)生在1976年7月28日唐山7.8級(jí)地震的老震區(qū)內(nèi)，位于京津冀地區(qū)重力監(jiān)測網(wǎng)（圖1中綠框區(qū)域）東南緣，最近的斷層是唐山—古冶斷裂。

本文利用京津冀地區(qū)重力監(jiān)測網(wǎng)2018—2020年的流動(dòng)重力復(fù)測資料，分析區(qū)域不同時(shí)間尺度重力場變化與古冶5.1級(jí)地震的關(guān)系。

1 京津冀地區(qū)重力測網(wǎng)及數(shù)據(jù)處理。

自20世紀(jì)80年代起，中國地震局開始在京津冀地區(qū)建立地震重力監(jiān)測網(wǎng)，并進(jìn)行復(fù)測（圖1），其空間分辨率約20～60 km，重力場變化具備監(jiān)測4級(jí)以上地震的潛在能力[1]。

圖1 京津冀地區(qū)重力監(jiān)測網(wǎng)和構(gòu)造略圖Fig.1 Gravity Monitoring Network and structure sketch in the Beijing-Tianjin-Hebei region

2018—2020年間使用的重力儀器有CG-5、BRURRIS和LCR-G型重力儀，共兩個(gè)單位作業(yè)組進(jìn)行測量（河北省地震局和中國地震局地球物理勘探中心），采用經(jīng)典平差處理所得流動(dòng)重力資料，以京津冀地區(qū)同期絕對(duì)重力測量數(shù)據(jù)作為控制（如圖紅色三角標(biāo)志，共8個(gè)絕對(duì)重力測量點(diǎn)），以實(shí)測數(shù)據(jù)標(biāo)定重力儀一次項(xiàng)系數(shù)，以消弱儀器格值系數(shù)變化帶來的誤差[2-4]，平差計(jì)算時(shí)反復(fù)迭代分配各臺(tái)儀器的先驗(yàn)方差，以得到最佳合理解算結(jié)果[5-8]。通過上述相關(guān)改正后的重力平差計(jì)算結(jié)果較好，2018—2020年的點(diǎn)值精度平均值均優(yōu)于9.1μGal，最高達(dá)7.2μGal（表1）。采用Kriging方法對(duì)重力變化點(diǎn)值進(jìn)行網(wǎng)格化，剔除穩(wěn)定性差和信噪比較低的測點(diǎn)，對(duì)不規(guī)則離散重力點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了最佳擬合，獲得了不同時(shí)間尺度重力場變化圖像。

表1 京津冀地區(qū)重力測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理精度Table 1 Data processing accuracy of gravity survey network in Beijing-Tianjin-Hebei region

2 古冶5.1級(jí)地震前重力場變化

2.1 古冶5.1級(jí)地震前重力場差分變化

為了分析古冶5.1級(jí)地震前區(qū)域重力場的短期前兆變化特征，以相鄰2期的觀測資料為時(shí)間基準(zhǔn)，分別繪制了相鄰2期（0.5年尺度）區(qū)域重力場的差分圖像（圖2），分析圖2可以發(fā)現(xiàn)以下特征：

2018-09—2019-04期間（圖2a）：測區(qū)重力場以張家口為界，呈西負(fù)東正的變化態(tài)勢，唐山—天津間重力場呈正值變化，幅值20μGal；

圖2 2020年7月12日古冶5.1級(jí)地震前0.5年尺度重力場變化圖Fig.2 The half-year scale gravity field changes map before the Guye MS5.1 earthquake on July 12th，2020

2019-04—2019-09期間（圖2b）：張家口—保定間形成的梯度帶消失，在唐山—天津間形成與薊運(yùn)河斷裂走向基本一致的梯度帶，梯度帶兩側(cè)的重力差異變化約40μGal，重力變化梯度帶零等值線附近發(fā)生了2019年12月5日河北豐南4.5級(jí)地震；2019-09—2020-05期間（圖2c）：唐山—天津間重力正值變化，并形成30μGal的局部重力異常區(qū)及與唐山—古冶斷裂走向基本一致的梯度帶，零等值線在唐山附近拐彎，重力差異變化約40 μGal，2020年7月12日古冶5.1級(jí)地震就發(fā)生在重力變化梯度帶零等值線附近。

2.2 古冶5.1級(jí)地震前1年尺度重力場變化

分別繪制了測區(qū)1年尺度（2018-09—2019-09、2019-04—2020-05）的重力場變化圖（圖3），仔細(xì)分析有如下特征：

圖3 2020年7月12日古冶5.1級(jí)地震前1年尺度重力場變化圖Fig.3 The one-year scale gravity field changes map before the Guye MS5.1 earthquake on July 12th，2020

2018-04—2019-04期間（圖3a）：天津—唐山間表現(xiàn)為大面積正值異常，2019年12月5日豐南4.5級(jí)地震發(fā)生在發(fā)生在最大正值變化區(qū)，但2020年7月12日古冶5.1級(jí)地震震中區(qū)附近重力變化較小，幅值20μGal.；

2019-04—2020-05期間（圖3b）：重力場表現(xiàn)為正-負(fù)-正的變化格局，天津—唐山間形成與唐山斷裂走向基本一致的梯度帶，幅值約40μGal，零等值線在唐山—古冶附近拐彎，2020年7月12日古冶5.1級(jí)地震就發(fā)生在零等值線附近。

3 重力變化與古冶5.1級(jí)地震

3.1 重力場變化與古冶5.1級(jí)地震的關(guān)系

分析震前區(qū)域重力場差分圖像（圖2）可以看出：震中附近區(qū)域重力場出現(xiàn)較明顯的異常變化，2018-09—2019-04期間，唐山附近約有20μGal的正值變化；2019-04—2019-09期間，在天津-唐山間形成一負(fù)一正異常區(qū)，唐山附近地區(qū)持續(xù)重力正值變化；2019年12月5日豐南4.5級(jí)地震就發(fā)生正負(fù)異常區(qū)零等值線附近；2019-09—2020-05期間，重力場表現(xiàn)為北負(fù)南正的變化格局，唐山-天津間重力場呈反向變化，并形成與唐山-古冶斷裂走向基本一致的梯度帶，2020年7月12日古冶5.1級(jí)地震就發(fā)生在重力變化梯度帶零等值線拐彎部位。

京津冀地區(qū)重力監(jiān)測網(wǎng)0.5年尺度的差分圖像較好地反映了古冶5.1級(jí)地震前的重力變化，是一個(gè)由“震前一年，重力場持續(xù)上升（正）變化→震前反向變化→在重力變化梯度帶零等值線附近發(fā)震”的演化過程。

分析1年尺度重力場（圖3）可以看出：2019年12月5日豐南4.5級(jí)地震和2020年7月12日古冶5.1級(jí)地震均發(fā)生在重力變化零等值線附近，且震中附近唐山附近重力值變化較低，與云南墨江5.9級(jí)地震前的重力變化特征相類似，區(qū)域重力場時(shí)空變化呈局部“硬化”現(xiàn)象[9]。

3.2 重力場變化與構(gòu)造的關(guān)系

重力場變化與活動(dòng)斷裂構(gòu)造密切相關(guān)[5]。1976年唐山7.8級(jí)地震前觀測到的持續(xù)重力正變化是震中區(qū)出現(xiàn)深部熱物質(zhì)上涌和遷移過程引起的[10-14]用深地震反射剖面及現(xiàn)場考察研究提示了唐山斷裂深部切割和擾動(dòng)了下地殼物質(zhì)和殼幔過渡帶，為上地幔高溫物質(zhì)侵入地殼提供了通道。熱物質(zhì)上涌使物質(zhì)密度增大，從而導(dǎo)致局部重力增大（震前一年），而持續(xù)的加熱則使物質(zhì)膨脹，密度減小，從而震前半年唐山附近重力值減小。

震前一年，唐山附近重力場持續(xù)上升（正）變化，并在2019-09—2020-05期間形成與唐山—古冶斷裂走向基本一致的梯度帶，說明古冶5.1級(jí)地震前北東向的唐山—古冶斷裂的活動(dòng)引起地表重力發(fā)生了相應(yīng)變化。

4 結(jié)論與討論

本文分析討論了2020年7月12日河北唐山古冶5.1級(jí)地震前不同時(shí)間尺度重力變化特征，得到以下結(jié)論：

（1）0.5年尺度重力場變化圖像較好地反映了此次地震“震前一年，重力場持續(xù)上升（正）變化→震前局部反向變化→在重力變化梯度帶零等值線附近發(fā)震”的演化過程；

（2）震前0.5年、1年尺度重力場均顯示，地震發(fā)生在重力變化零等值線附近；

（3）地震前觀測到的重力變化高梯度帶與區(qū)域構(gòu)造走向平行，顯示唐山—古冶斷裂與古冶5.1級(jí)地震有較好的構(gòu)造關(guān)聯(lián)。

致謝：感謝國家重力臺(tái)網(wǎng)中心提供的野外觀測數(shù)據(jù)。