河北地區(qū)2015～2020年重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化特征

楊雅慧 劉洪良 張展偉 張慶揚(yáng) 昝書(shū)林

1 河北紅山巨厚沉積與地震災(zāi)害國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，河北省邢臺(tái)市隆堯縣山口鎮(zhèn)，055350 2 河北省地震局保定地震監(jiān)測(cè)中心站，河北省保定市天威中路206號(hào)，071000

河北測(cè)區(qū)流動(dòng)重力測(cè)網(wǎng)自1968年開(kāi)始觀測(cè)，最早由邢臺(tái)地區(qū)4個(gè)閉合環(huán)組成，之后陸續(xù)建立華北火車(chē)測(cè)網(wǎng)、文霸汽車(chē)測(cè)網(wǎng)、邯安測(cè)網(wǎng)，2009年火車(chē)測(cè)網(wǎng)停測(cè)，文霸、邯安、邢臺(tái)測(cè)網(wǎng)組合成一個(gè)橫跨河北及周邊省市的大型重力測(cè)網(wǎng)并與全國(guó)測(cè)網(wǎng)連接，構(gòu)成大華北流動(dòng)重力測(cè)網(wǎng)的一部分，并于2010年開(kāi)始正式測(cè)量[1-2]。近年來(lái)，通過(guò)本測(cè)區(qū)觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，河北東南部太行山以東區(qū)域重力場(chǎng)正異常累積明顯。為進(jìn)一步了解本測(cè)區(qū)重力場(chǎng)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化機(jī)制及影響因素，為地震前兆信息的辨別及中長(zhǎng)期地震預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)，本文基于河北測(cè)區(qū)2015～2020年積累的12期相對(duì)重力復(fù)測(cè)資料，并搜集周邊相鄰測(cè)區(qū)的相對(duì)重力復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)以區(qū)域內(nèi)白家疃、太原、泰安、薊縣等絕對(duì)點(diǎn)同期重力點(diǎn)值作為控制，得到高精度的重力平差結(jié)果，獲得重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化圖像；然后采用多項(xiàng)式擬合方法計(jì)算重力場(chǎng)的平均年變率，結(jié)合已有數(shù)據(jù)及研究成果，對(duì)本測(cè)區(qū)重力場(chǎng)變化機(jī)制進(jìn)行分析。

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)與處理

河北流動(dòng)重力測(cè)網(wǎng)在2015～2020年每年3月、8月各進(jìn)行一期觀測(cè)工作，每期觀測(cè)用時(shí)約為45 d。使用2臺(tái)CG-5型相對(duì)重力儀進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)量精度優(yōu)于5 μGal，讀數(shù)分辨率為1 μGal[3]。

整理河北及周邊測(cè)區(qū)重力資料及絕對(duì)點(diǎn)信息，使用LGADJ處理軟件進(jìn)行絕對(duì)重力點(diǎn)控制下的平差處理，得到河北及部分周邊地區(qū)的平差結(jié)果。參與計(jì)算的各期測(cè)點(diǎn)總數(shù)為285～550個(gè)，測(cè)段數(shù)為1 274～2 642條，平差后平均點(diǎn)值精度優(yōu)于16 μGal，聯(lián)測(cè)精度優(yōu)于17 μGal(表1)。

表1 重力數(shù)據(jù)處理精度Tab.1 Processing accuracy of the gravity data

參與計(jì)算的河北及周邊地區(qū)重力資料的整體測(cè)網(wǎng)分布如圖1所示。其他測(cè)區(qū)使用儀器多為CG-5型相對(duì)重力儀及LCR-G型相對(duì)重力儀。

圖1 2015年河北及周邊地區(qū)重力測(cè)網(wǎng)分布Fig.1 Gravity network distribution of Hebei and surrounding areas in 2015

2 重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)特征

重力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化可以反映重力場(chǎng)在研究時(shí)段內(nèi)的持續(xù)演變情況，由上述重力平差結(jié)果可得到重力場(chǎng)累積動(dòng)態(tài)變化圖(圖2)?？梢钥闯?，2015年重力場(chǎng)累積變化較小，大部分區(qū)域呈現(xiàn)低負(fù)值，僅在石家莊西部、邯鄲北部、天津東北部出現(xiàn)小范圍的低正值，整體重力在-20～10 μGal之間變化。在2015～2016年的重力累積圖像中，零值線呈NE-SW向分布，其中，薊縣北部出現(xiàn)輕微負(fù)異常累積，最高達(dá)-40 μGal，并在之后的2017年間持續(xù)累積，至2018年底負(fù)異常消失，之后變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)異常高值。另一方面，位于河北東南部、石家莊以東區(qū)域的天津-邯鄲一線自2015年起出現(xiàn)正異常并持續(xù)累積，至2017年高正值異常明顯，并逐漸向北東方向延伸，2020年底形成走向近NE-SW的橢圓形高正值異常區(qū)。該高值區(qū)西部以太行山為界，北部至燕山一帶，東部與山東地區(qū)重力累積高值區(qū)相連接；零值線沿太行山山前斷裂帶展布，高梯度帶明顯，累積重力場(chǎng)正負(fù)差異最高達(dá)120 μGal，區(qū)域內(nèi)重力場(chǎng)異常變化顯著。2015～2020年，在異常區(qū)高梯度附近相繼發(fā)生臨城MS3.7、永清MS4.3、豐南MS4.5、古冶MS5.1地震，重力異常仍在持續(xù)。其他地區(qū)重力場(chǎng)累積變化平緩，無(wú)明顯異常。

圖2 重力場(chǎng)累積動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Cumulative dynamic changes of gravity field

3 平均年變率變化

平均年變率可以剔除重力場(chǎng)的短期、局部影響因素，從而反映出由于地下活動(dòng)或地下物質(zhì)密度變化引起的重力場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間變化趨勢(shì)。為保證數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性，在進(jìn)行重力場(chǎng)年變率相關(guān)計(jì)算之前，首先對(duì)參與計(jì)算的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，刪除其中測(cè)量期次少于6期的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，避免部分測(cè)點(diǎn)由于數(shù)據(jù)量少造成誤差。

假設(shè)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)g(φ,λ,Δt)包含長(zhǎng)期變化、周期性變化以及噪聲信息，則g(φ,λ,Δt)可寫(xiě)為[4-6]：

g(φ,λ,Δt)=A+BΔt+

(1)

式中，B為重力場(chǎng)變化速率，Δt為時(shí)間差，i=1、2分別表示年周期、半年周期項(xiàng)，Ci和Di為振幅。由于本文使用流動(dòng)觀測(cè)重力數(shù)據(jù)，觀測(cè)周期長(zhǎng)，周期變化不明顯，故在實(shí)際計(jì)算中僅保留長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)進(jìn)行擬合。

最終共有478個(gè)重力測(cè)點(diǎn)參與計(jì)算，其中河北地區(qū)有181個(gè)。部分高值區(qū)重力測(cè)點(diǎn)擬合情況如圖3所示，2015～2020年重力平均年變率情況如圖4所示。

圖3 重力測(cè)點(diǎn)擬合結(jié)果Fig.3 Gravity measuring points fitting results

圖4 重力平均年變率Fig.4 Average annual gravity change rate

圖3(a)～3(d)依次按測(cè)點(diǎn)地理位置由北至南排序，平均年變率范圍為4.57～26.90 μGal/a。圖3(b)中測(cè)點(diǎn)擬合相關(guān)系數(shù)最小，其余3個(gè)測(cè)點(diǎn)R2均在0.5以上，擬合效果較好。重力值均呈現(xiàn)整體上升的累積態(tài)勢(shì)。

從圖4可以看出，河北北部、西部區(qū)域重力平均年變率較小，多在-10～10 μGal/a區(qū)間內(nèi)變化，R2<0.5居多，重力場(chǎng)多為季節(jié)性等短期變化，長(zhǎng)期趨勢(shì)變化無(wú)明顯異常；而東南部天津-邯鄲一線平均年變率高值顯著，最大值可達(dá)27 μGal/a，重力持續(xù)正向累積。高值區(qū)域整體走向近NE-SW向，與累積重力變化圖中高值區(qū)域形態(tài)及位置大致相符，但整體范圍相對(duì)縮小。區(qū)域內(nèi)年變率擬合相關(guān)系數(shù)R2≥0.7居多，擬合結(jié)果較好，這些區(qū)域一直處于較規(guī)律的變動(dòng)狀態(tài)。

為排除測(cè)量期間測(cè)點(diǎn)發(fā)生變動(dòng)對(duì)重力平差結(jié)果的影響，對(duì)河北東南部重力平均年變率高值區(qū)域內(nèi)重力測(cè)點(diǎn)逐一進(jìn)行點(diǎn)位變動(dòng)情況核實(shí)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，共核實(shí)重力測(cè)點(diǎn)103個(gè)，在2015～2020年測(cè)量期間點(diǎn)位發(fā)生變動(dòng)的測(cè)點(diǎn)為6個(gè)?；谄浒l(fā)生變動(dòng)前的部分觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，然后與全部數(shù)據(jù)擬合結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者重力平均年變率差值在0.2～5.8 μGal/a之間。

根據(jù)已有研究，河北地區(qū)重力變化主要受地表沉降及地下水流失的影響[7-8]。地表沉降會(huì)使區(qū)域重力值上升，地下水流失則會(huì)使區(qū)域重力值下降。2015～2020年河北東南部的天津-邯鄲一線重力累積變化及平均年變率均呈現(xiàn)明顯高值，表明地表沉降的影響覆蓋了地下水流失的影響，過(guò)度使用地下水的情況可能有所改善，與以往研究結(jié)果相符[5-7]。

為進(jìn)一步研究地下水對(duì)重力場(chǎng)的影響，由北至南選取北京南部的河間觀測(cè)井(井1)、石家莊觀測(cè)井(井2)以及石家莊南部永年觀測(cè)井(井3)的水位數(shù)據(jù)(具體井位置見(jiàn)圖1)與觀測(cè)井最近的重力測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1、2、3)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

從圖5(a)中看出，在2015～2020年3口觀測(cè)井的水位均呈不同程度的下降趨勢(shì)，造成重力值的下降；而圖5(b)中重力點(diǎn)值呈現(xiàn)上下波動(dòng)，與水位的持續(xù)下降無(wú)明顯對(duì)應(yīng)。故短期來(lái)看，地下水流失對(duì)重力的影響相對(duì)被覆蓋。在長(zhǎng)期變化趨勢(shì)方面，除測(cè)點(diǎn)2呈現(xiàn)輕微下降趨勢(shì)外，測(cè)點(diǎn)1、3均為整體上升趨勢(shì)。由于河北地區(qū)地勢(shì)多平坦，對(duì)于觀測(cè)井附近一定區(qū)域，可以按照無(wú)限平面近似公式計(jì)算其水位變化對(duì)重力場(chǎng)的影響[9]：

圖5 水位和重力測(cè)點(diǎn)變化Fig.5 Variation of groundwater and gravity measuring points

Δg=2πGφ(H2-H1)=2πGφΔh

(2)

式中，G=6.672 59×10-11Nm2/kg2，φ為給水密度，Δh為水位變化。根據(jù)已有研究，觀測(cè)井1的φ取0.25 g/cm3[9]，觀測(cè)井2和3的φ均取0.15 g/cm3[10]。

若不考慮其他影響因素，將重力平均年變率全部歸于地下水流失及地表沉降的影響，則3個(gè)觀測(cè)井的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 水位變化及地表沉降影響Tab.2 The effects of groundwater variation and surface subsidence

由表2可見(jiàn)，除井1水位變化對(duì)重力平均年變率的影響稍大外，其他2口井對(duì)重力平均年變率的影響均相對(duì)較小；地表沉降對(duì)重力平均年變率的影響明顯高于地下水流失。根據(jù)已有地表沉降速率研究結(jié)果，天津-邯鄲一帶重力場(chǎng)變化高值區(qū)多位于沉降中-強(qiáng)發(fā)育地區(qū)，沉降速率在30 mm/a以上，其中強(qiáng)發(fā)育地區(qū)達(dá)到50 mm/a以上[8]，僅地表沉降則至少可以引起重力場(chǎng)10 μGal/a的變化，強(qiáng)發(fā)育地區(qū)至少可以引起重力場(chǎng)17 μGal/a的變化。而重力平均年變率計(jì)算結(jié)果中，該部分區(qū)域重力變化多在15～30 μGal/a，兩者具有較好的一致性。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)為提高數(shù)據(jù)處理的精度，除本測(cè)區(qū)觀測(cè)資料外，另外添加周邊測(cè)區(qū)相對(duì)重力觀測(cè)資料及絕對(duì)重力值進(jìn)行整體平差控制，使最終點(diǎn)值精度控制在16 μGal以?xún)?nèi)，數(shù)據(jù)結(jié)果更加精準(zhǔn)；在計(jì)算年變率時(shí)，首先對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行篩選，使結(jié)果能更好地反映重力場(chǎng)的真實(shí)變化。

2)基于長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)結(jié)果，可以分析得出重力場(chǎng)長(zhǎng)期的背景趨勢(shì)變化情況。在重力累積動(dòng)態(tài)變化圖中，河北東南部天津-邯鄲一線重力場(chǎng)正異常持續(xù)累積，高值區(qū)逐漸擴(kuò)大，最終在2020年底形成走向近NE-SW的橢圓形高值異常區(qū)；北至燕山附近，西至太行山，正負(fù)差異最高可達(dá)120 μGal。在重力平均年變率結(jié)果中，正高值區(qū)域分布與重力累積動(dòng)態(tài)變化結(jié)果基本一致，且該區(qū)域擬合相關(guān)系數(shù)較高。說(shuō)明除去季節(jié)性變化等短期、局部影響因素外，重力變化呈現(xiàn)長(zhǎng)期規(guī)律上升態(tài)勢(shì)。

3)綜合上述結(jié)論及河北地區(qū)高值區(qū)域內(nèi)選取的部分水位數(shù)據(jù)、相關(guān)地表沉降研究結(jié)果得出，相對(duì)于地表沉降因素，重力場(chǎng)受地下水流失的影響較小，綜合表現(xiàn)為地表沉降引起的正異常累積，沉降發(fā)育嚴(yán)重區(qū)域影響至少可達(dá)17 μGal/a。