華南地區(qū)流動重力變化異常指標(biāo)分析

文 翔，季靈運(yùn)，向 巍，羅遠(yuǎn)鵬，梁 飛，李 硯，柴現(xiàn)凡

（1.廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530022；2.中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054）

0 引言

流動重力觀測是地震監(jiān)測預(yù)報的重要技術(shù)方法之一。早在1964 年日本新潟、美國阿拉斯加等地震前后即觀測到了重力變化。我國自1966 年邢臺大地震后開始開展地震流動重力監(jiān)測工作，并觀測到了 1975 年海城 7.3 級、1976 年唐山 7.8 級地震前后重力變化異常[1-3]。近年來，利用流動重力觀測資料，中國地震局重力學(xué)科專家對2008 年汶川8.0級、2013 年四川蘆山7.0 級、2014 年云南魯?shù)?.5級、2016 年青海門源6.4 級、2016 年新疆呼圖壁6.2級、2017年四川九寨溝7.0級等強(qiáng)震均進(jìn)行了較好的年度、年中預(yù)測[4-6]。

近年來在華南塊體中強(qiáng)地震集中活躍的背景下，連續(xù)發(fā)生了2013 年9 月4 日福建仙游MS4.8、2016 年 7 月 31 日廣西蒼梧MS5.4、2017 年 7 月 15 日廣西南丹MS4.0、2018 年3 月20 日廣東陽西ML4.2、2019 年 3 月 5 日廣東雷州ML4.1、2019 年 8 月 20 日海南三亞MS4.2、2019 年10 月12 日廣西北流MS5.2、 2019 年 11 月 25 日 廣 西 靖 西MS5.2 與 2021年8 月4 日廣西德保MS4.8 等中強(qiáng)地震。華南地區(qū)粵、閩、桂、瓊流動重力觀測網(wǎng)絡(luò)在每年的上、下半年各開展1 期觀測[7]，通過對華南地區(qū)流動重力測網(wǎng)多期重力數(shù)據(jù)精細(xì)處理與分析，捕捉到廣西南丹MS4.0、廣東陽西ML4.2、廣東雷州ML4.1、廣西北流MS5.2、廣西靖西MS5.2和廣西德保MS4.8地震前震中附近的重力異常變化，并進(jìn)行了較好的中期預(yù)測[8-11，13]。目前許多學(xué)者先后提出過質(zhì)量遷移、膨脹擴(kuò)容、閉鎖剪力等“模式”用于解釋震前重力場變化[2-3，14-15]，但受地球內(nèi)部的“不可入性”、中強(qiáng)地震的“非頻發(fā)性”、地震物理過程的復(fù)雜性等困難的制約[16]，地震預(yù)報還處于經(jīng)驗(yàn)預(yù)報階段。因此，從實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，再應(yīng)用于指導(dǎo)地震監(jiān)測預(yù)報實(shí)踐，是提高流動重力地震分析預(yù)報能力的重要方法。隨著典型震例資料的積累，目前對5 級以上地震孕育相關(guān)重力變化過程、范圍、量級等有了更多的認(rèn)識[6，17-20]，但由于觀測技術(shù)和應(yīng)用需求等方面的原因，對4、5 級左右地震重力變化過程、范圍、量級除有一定總結(jié)外[18，20-21]，總體關(guān)注較少，相關(guān)研究不多。因此本文通過搜集相關(guān)文獻(xiàn)資料，并結(jié)合筆者近年在流動重力地震分析預(yù)報實(shí)踐工作，以華南地區(qū)近年來發(fā)生的多次4、5 級左右震例中總結(jié)提煉地震孕育與重力變化異常時空演化特征之間的關(guān)系，分析其在流動重力地震分析預(yù)報的“時、空、強(qiáng)”定量依據(jù)，為其它中等地震構(gòu)造區(qū)重力場異常指標(biāo)分析提供參考。

1 重力觀測使用概況與資料處理

目前華南地區(qū)流動重力觀測網(wǎng)絡(luò)主要由廣西、廣東、福建、海南4個省份構(gòu)成。2016年7月31日發(fā)生廣西蒼梧MS5.4 地震，凸顯出廣西—廣東交界區(qū)域流動重力觀測點(diǎn)位空間分布不均、密度不足等問題，所得到重力信息較為片面，難以捕捉地震孕育發(fā)生過程中出現(xiàn)的完整前兆信息，這直接制約著地震分析預(yù)測能力[7]。因此2016 年9 月起粵、閩、桂、瓊開始優(yōu)化交界區(qū)域重力網(wǎng)絡(luò)布局，拼接孤立區(qū)域測網(wǎng)，進(jìn)一步強(qiáng)化鄰省公共測段觀測，優(yōu)化后的重力測網(wǎng)基本覆蓋了粵、閩、桂、瓊主要活動斷裂帶，旨在監(jiān)測區(qū)域物質(zhì)遷移及構(gòu)造變形，為中等地震預(yù)測研究提供區(qū)域性構(gòu)造運(yùn)動前兆異常信息（圖1），截止到2020 年9 月華南地區(qū)共開展9 期流動重力觀測。

圖1 華南地區(qū)流動重力觀測網(wǎng)絡(luò)Fig.1 The mobile gravity monitoring network in South China

流動重力觀測資料處理過程：①采用LGADJ軟件進(jìn)行平差計算，考慮到測網(wǎng)內(nèi)絕對重力點(diǎn)點(diǎn)位穩(wěn)定，外界干擾影響小，且有高精度絕對重力觀測值，因此采用經(jīng)典平差計算方法；②平差計算時，先對多期重力觀測資料計算結(jié)果進(jìn)行整體分析，初步了解各臺儀器觀測精度后，合理確定各臺儀器的先驗(yàn)方差，再重新平差計算，以得到最佳解算結(jié)果；③對平差結(jié)果中極個別周圍環(huán)境改變或不重合的測點(diǎn)進(jìn)行刪除；④對重力觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合推估，以便突出顯示構(gòu)造因素的重力效應(yīng)。各期觀測資料及整體平差計算后重力點(diǎn)值精度統(tǒng)計情況見表1，9期重力觀測資料點(diǎn)值平均精度在8.0×10-8μGal左右。

表1 華南地區(qū)流動重力測量情況及精度統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of mobile gravity monitoring and accuracy in South China

2 華南地區(qū)中等地震前重力場動態(tài)變化

2.1 2017年南丹MS4.0地震前重力場動態(tài)變化圖像

2017 年 7 月 15 日廣西河池市南丹縣（24.82°N，107.37°E）發(fā)生MS4.0地震，震源深度為6 km，震中位于NE 向木倫—東蘭—邏樓斷裂與NW 向河池—南丹斷裂附近，控震構(gòu)造為NW 向河池—南丹主干斷裂，發(fā)震構(gòu)造為木倫—東蘭—邏樓斷裂。由2015-09—2016-09 區(qū)域1 a 尺度重力場動態(tài)變化圖像可以看出桂西北地區(qū)在田林及貴州荔波一帶出現(xiàn)2 個局部重力正變化異常區(qū)，貴州紫云及柳州一帶出現(xiàn)2 個局部重力負(fù)變化區(qū)，南丹一帶呈現(xiàn)重力四象限分布異常特征，重力差異變化約40 μGal；異常區(qū)中心位于NE 向木倫—東蘭—邏樓斷裂與NW向河池—南丹斷裂交匯處（圖2a）。2016-09—2017-09 期間重力變化呈現(xiàn)出新的態(tài)勢，樂業(yè)—田陽一帶重力呈負(fù)值變化，貴州荔波—羅甸一帶重力呈正值變化，重力差異變化約40 μGal，并沿NW向河池—南丹主控斷裂形成重力變化梯度帶，南丹MS4.0地震發(fā)生在重力異常梯度帶“0”等值線拐彎處（圖2b）。

圖2 南丹MS4.0地震前1 a尺度重力場動態(tài)變化圖像Fig.2 Image of dynamic variation of gravity field at 1 year scale before Nandan MS4.0 earthquake

2.2 2019年北流MS5.2地震前重力場動態(tài)變化圖像

2019年10月12日廣西北流市石窩鎮(zhèn)（22.18°N，110.51°E）發(fā)生Ms5.2 地震，震源深度10 km。震區(qū)處于華南褶皺系（Ⅰ級）的云開—云霧大山斷塊隆起區(qū)（Ⅱ級）的西部邊界，區(qū)域內(nèi)分布的主要斷裂帶為NE 向的合浦—北流斷裂帶、廉江—信宜斷裂帶及NW 向的巴馬—博白斷裂這2 組方向斷裂帶組成了共軛走滑斷裂系。本次地震發(fā)生部位靠近巴馬—博白斷裂帶博白茂名段與廉江—信宜斷裂帶的交匯部位。由區(qū)域1a 尺度重力場動態(tài)變化圖像可以看出：2016 年9 月—2017 年9 月廣西北流至廣東化州一帶出現(xiàn)局部重力變化負(fù)異常區(qū)，廣西岑溪至廣東信宜一帶出現(xiàn)重力變化正異常區(qū)，并沿NW 向巴馬—博白主控斷裂出現(xiàn)重力變化高梯度帶，重力最大差異變化約50 μGa（l圖3a）；2017 年9 月—2018 年9 月重力變化表現(xiàn)為一個新的態(tài)勢，廣西北流至廣東化州一帶重力變化與上期相比由負(fù)向正變化，廣西岑溪至廣東信宜一帶重力變化與上期相比由正向負(fù)變化，并沿NE 向廉江—信宜斷裂出現(xiàn)重力變化梯度帶，重力最大差異變化約40 μGa（l圖3b）；2018 年9 月—2019 年9 月廣西北流、岑溪至廣東信宜、化州一帶重力變化減弱，重力變化總體從活躍向平靜過渡，隨后2019 年10 月12 日發(fā)生北流MS5.2 地震（圖3c）；由區(qū)域1~2 a 尺度累積重力場動態(tài)變化圖像可以看出：2017 年 9 月—2019 年 9 月 2 a 尺度累積重力變化總體顯著，與2016年9月—2017年9月期相比，震中附近廣西岑溪至廣東信宜一帶的重力變化由正轉(zhuǎn)負(fù)，北流MS5.2 地震發(fā)生在重力反向變化過程中，震中位于沿NE 向廉江—信宜斷裂走向一致的重力異常高梯度帶“0”等值線附近。

圖3 北流MS5.2地震前1~2 a尺度重力場動態(tài)變化圖像Fig.3 Image of dynamic variation of gravity field at 1-2 years scale before Beiliu MS5.2 earthquake

2.3 2019年靖西MS5.2地震前重力場動態(tài)變化圖像

2019 年 11 月 25 日廣西百色靖西市（22.89°N，106.65°E）發(fā)生MS5.2 地震，震源深度10 km。靖西MS5.2 地震震區(qū)位于右江地區(qū)，右江地區(qū)的斷裂以NW 向?yàn)橹鳎l(fā)育多條NW 向區(qū)域性斷裂；該區(qū)地震活動較為頻繁，絕大部分地震都發(fā)生在NW 向斷裂上。此外，在右江地區(qū)的東南部有少量NE 向斷裂分布。靖西MS5.2 地震震中位于兩條區(qū)域性斷裂NW 向的靖西—崇左斷裂和NE 向的下雷—靈馬斷裂交匯處。由區(qū)域1a 尺度重力場動態(tài)變化圖像可以看出（圖 4）：2017 年 9 月—2018 年 9 月桂西南那坡—靖西—憑祥一帶出現(xiàn)局部重力變化負(fù)異常區(qū)，田林—田陽—大新一帶出現(xiàn)重力變化正異常區(qū)，并沿NW 向靖西—崇左主控斷裂出現(xiàn)重力變化高梯度帶，重力最大差異變化約50 μGa（l圖4a）；2018 年9 月—2019 年9 月重力與上期相比總體呈現(xiàn)反向變化趨勢，那坡—靖西—憑祥一帶重力由負(fù)向正變化，田林—田陽—大新一帶重力由正向負(fù)變化，并在靖西一帶形成“0”等值線過渡區(qū)域（圖4b）；2019 年9 月—2020 年9 月重力反向變化加劇，那坡—靖西—憑祥一帶由2017 年9 月—2018 年9 月重力-20 μGal變化為+40 μGal，田林—田陽—大新一帶由 2017 年 9 月—2018 年 9 月重力+30 μGal 變化為-10 μGal左右，并沿NW 向斷裂出現(xiàn)重力變化梯度帶，重力最大差異變化約50 μGal；隨后2019 年11月25日發(fā)生靖西MS5.2地震，地震發(fā)生在重力反向變化過程中，震中位于沿NW 向靖西—崇左主控斷裂走向一致的重力異常梯度帶“0”等值線附近（圖4c）。由區(qū)域2 a 尺度重力場動態(tài)變化圖像可以看出：桂西南地區(qū)在那坡及峒中一帶出現(xiàn)兩個局部重力正變化異常區(qū)，大新一帶出現(xiàn)局部重力負(fù)變化異常區(qū)，靖西—憑祥一帶形成重力變化四象限分布特征，重力差異變化約50 μGal；異常區(qū)中心位于NW 向靖西—崇左斷裂、NE 向桂林—南寧斷裂交匯處；靖西MS5.2 地震發(fā)生在重力變化四象限中心部位（圖4d）。

圖4 靖西MS5.2地震前1~2 a尺度重力場動態(tài)變化圖像Fig.4 Image of dynamic variation of gravity field at 1-2 years scale before Jingxi MS5.2 earthquake

2.4 2021年德保MS4.8地震前重力場動態(tài)變化圖像

2021 年 8 月 4 日廣西百色市德保縣（23.38°N，106.71°E）發(fā)生MS4.8 地震，震源深度10 km。德保MS4.8 地震位于右江地震帶，地震發(fā)生在NW 向百色—合浦?jǐn)嗔褞c靖西—崇左斷裂帶之間。綜合序列重新定位空間展布、地震震源機(jī)制解、烈度調(diào)查結(jié)果、近場區(qū)震源區(qū)構(gòu)造特征等綜合推測，德保MS4.8 地震的發(fā)震構(gòu)造可能為NWW 向隱伏斷裂。由區(qū)域2 a尺度重力場動態(tài)變化圖像可以看出：2017 年9 月—2019 年9 月桂西南那坡—憑祥—峒中一帶出現(xiàn)局部重力變化負(fù)異常區(qū)，田林—田陽—大新一帶出現(xiàn)重力變化正異常區(qū)，并沿NW 向主控斷裂出現(xiàn)重力變化高梯度帶，重力最大差異變化約40 μGa（l圖5a）；2019 年9 月—2020 年9 月重力與上期相比總體呈現(xiàn)反向變化趨勢，那坡—憑祥—峒中一帶重力由負(fù)向正變化，田林—田陽—大新一帶重力由正向負(fù)變化，重力最大差異變化約40 μGal，并在靖西—田陽一帶形成“0”等值線拐彎區(qū)域，德保MS4.8 地震發(fā)生在重力反向變化過程中，震中位于沿NW 向主控斷裂走向一致的重力異常高梯度帶“0”等值線拐彎附近（圖5b）。

圖5 德保MS4.8地震前1a尺度重力場動態(tài)變化圖像Fig.5 Image of dynamic variation of gravity field at 1 year scale before Debao MS4.8 earthquake

2.5 粵閩瓊地區(qū)地震前重力場動態(tài)變化圖像

本文利用粵、閩、瓊地區(qū)2013 年以來區(qū)域流動重力觀測資料，分析2013 年9 月4 日福建仙游MS4.8（25.60°N、118.80°E）、2018 年 3 月 20 日廣東陽西ML4.2（21.88°N，111.71°E）、2019 年 3 月 5 日廣東雷州ML4.1（20.68°N，110.03°E）、2019 年8 月20 日海南三亞MS4.2（18.51°N，109.41°E）地震震前區(qū)域重力變化特征。徐立等[12]分析認(rèn)為福建仙游MS4.8 地震前沙縣—南日島斷裂兩側(cè)重力正、負(fù)高值異常變化，震中附近測點(diǎn)重力值存在轉(zhuǎn)折異常，重力場變化最大約為50 μGal，異常范圍約130 km；廣東陽西ML4.2 地震前，廣東信宜-陽江一帶出現(xiàn)重力場變化梯度帶，重力場變化最大約為40 μGal，異常范圍約 120 km（圖 6a）；廣東雷州ML4.1地震前，震中附近地區(qū)出現(xiàn)重力場累積變化梯度帶，重力場變化最大約為30 μGal，異常范圍約90 km（圖6b）；海南三亞MS4.2 地震前，震中附近地區(qū)同樣出現(xiàn)重力場累積變化梯度帶，重力場變化最大約為40 μGal，異常范圍約100 km（圖6c）[13]。

圖6 雷瓊地區(qū)震前重力場動態(tài)變化圖像Fig.6 Image of dynamic variation of gravity field in Leiqiong area before earthquake

3 華南4、5 級左右地震及其重力變化時變距與變化量級關(guān)系

一般情況下，未來地震的“時、空、強(qiáng)”與重力變化異常的“時、空、強(qiáng)”呈正相關(guān)，即重力變化異常的量級、范圍越大，則對應(yīng)震級越大，震級越大則震前重力場演化持續(xù)的時間可能越長，重力變化異常形態(tài)與未來發(fā)震地點(diǎn)密切相關(guān)。近年來隨著典型震例資料的積累，許多地震工作者對5級以上地震孕育相關(guān)重力變化過程、范圍、量級等有了更多的認(rèn)識[6，18-20]。賈民育等[18]采用時變距S來描述重力變化異常范圍，定義時變距S為震中至重力正異常區(qū)中心的距離，是重力特征異常區(qū)的半徑；胡敏章等[20]對時變距S做兩點(diǎn)補(bǔ)充說明：當(dāng)重力測網(wǎng)稀疏時，S取震中至重力正變化最顯著點(diǎn)距離；重力異常變化出現(xiàn)四象限圖像時，時變距S為震中至2 個正變化中心距離的平均值。重力變化異常量級G定義為地震、斷裂構(gòu)造運(yùn)動相關(guān)重力變化差異：祝意青等[6]、胡敏章等[20]將重力變化異常圖像出現(xiàn)梯度帶和四象限特征時，重力變化異常量級取正負(fù)變化的最大差值；僅有局部重力變化時，重力變化異常量級取最大變化值；由于中強(qiáng)震前一般有較長時間的重力場演化過程，而流動重力觀測時間間隔較長，無法確定哪一期觀測到的重力變化異常最具代表性，因此當(dāng)某地震有多期變化值時，取累計變化較為顯著時期平均值作為G 值。通過提煉5 級以上地震震級與重力變化異常范圍和量級之間的統(tǒng)計關(guān)系[6，20]，得到5、6、7、8 級地震震級判定的重力變化異常量級（G）參考指標(biāo)分別為50、70、90、120 μGal，重力變化異常范圍（兩倍時變距S）參考指標(biāo)分別為140、220、350、660 km。本文依據(jù)重力變化時變距與變化量級的定義，統(tǒng)計了華南地區(qū)4、5 級左右震例對應(yīng)的重力變化時變距S、量級G與震級MS（ML）間的關(guān)系見表2。可以看出震級為4 級時，重力變化異常范圍約為100 km，重力變化異常量級40 μGal；震級為5 級時，重力變化異常范圍約為150 km，重力變化異常量級50 μGal。

表2 華南4、5級左右地震及其重力變化時變距S與變化量級GTable 2 M4 and M5 earthquakes in South China and the time-varying distance S and magnitude G of their gravity variation

4 結(jié)語

本文以華南地區(qū)近年來發(fā)生的多次4、5 級左右地震為例，總結(jié)提煉地震孕育與重力變化異常時空演化特征之間的關(guān)系，分析流動重力地震分析預(yù)報的“時、空、強(qiáng)”定量依據(jù)，得到如下結(jié)論：

（1）地震從孕育到發(fā)生是一個從應(yīng)力積累到能量釋放的過程。在地震孕育過程中，隨著震源區(qū)應(yīng)力的不斷積累，使得地殼內(nèi)部產(chǎn)生變形和發(fā)生物質(zhì)遷移，致使地殼內(nèi)部形變和密度發(fā)生變化，從而使得該處地表變形和重力值發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為地殼形變場空間分布的有序性變化和局部形變異常區(qū)及伴生的地殼形變高梯度帶出現(xiàn)。4、5 級左右地震活動本身積累的能量較小，伴隨的重力場變化范圍和量級小，在重力變化成因分析時更易受局部因素影響，導(dǎo)致震例驗(yàn)證機(jī)會較小。本文通過收集華南地區(qū)震例分析表明4、5 級左右地震震前出現(xiàn)較為顯著的局部重力場變化；通過分析地震前震中附近的重力異常變化特征，歸納得出地震易發(fā)生在與構(gòu)造活動有關(guān)聯(lián)的重力變化四象限中心地帶或正、負(fù)異常區(qū)過渡的高梯度帶附近，這與以往5 級以上地震震例研究基本一致[6，19-20]。

（2）以華南地區(qū)4、5級左右地震為例研究了4、5 級左右地震及其重力變化時變距與變化量級關(guān)系。分析認(rèn)為震級為4級時，重力變化異常范圍約為100 km，重力變化異常量級約40 μGal；震級為5級時，重力變化異常范圍約為150 km，重力變化異常量級約50 μGal。研究表明計算的5 級左右地震時變距、重力變化異常量級與胡敏章等[20]、祝意青等[6]的總結(jié)基本一致；4 級左右地震時變距、重力變化異常量級略大于文獻(xiàn)[20]總結(jié)結(jié)果（震級為4 級時，重力變化異常范圍約為70 km，重力變化異常量級約30 μGal）。由于本文是利用華南地區(qū)震例樣本量對其時變距與變化量級進(jìn)行初步定量分析，為更好系統(tǒng)總結(jié)，在今后研究工作中納入中國大陸地區(qū)更多4、5 級左右震例，進(jìn)一步梳理地震及其重力變化時變距與變化量級關(guān)系，建立4、5 級左右地震在流動重力地震分析預(yù)報空間、強(qiáng)度方面的定量依據(jù)，為其它中等地震構(gòu)造區(qū)重力場異常指標(biāo)分析提供參考。

（3）目前流動重力觀測多為1～2 期/年的復(fù)測周期，未能對震前重力場演化過程進(jìn)行較詳細(xì)跟蹤，因此尚不能得出與時間的統(tǒng)計關(guān)系，在時間上流動重力以中期地震預(yù)測為主。