2014年山西平遙MS4.1地震前后重力場變化特征分析*

賈宇鵬，秦建增，李　真，黎哲君，檀玉娟，馮建林

(1.中國地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002；2.安徽省地震局，安徽 合肥 230031)

2014年山西平遙MS4.1地震前后重力場變化特征分析*

賈宇鵬1，秦建增1，李真1，黎哲君2，檀玉娟1，馮建林1

(1.中國地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002；2.安徽省地震局，安徽 合肥 230031)

摘要：利用2012～2014年山西省絕對重力和流動重力觀測資料，平差計算得到該時間段重力場變化值，分析區域重力場演化特征與2014年4月平遙MS4.1地震的關系。研究發現：(1)地震發生前研究區域出現了區域性的重力異常變化，在震中附近產生局部重力異常變化，形成了與活動斷裂走向基本一致的重力變化高梯度帶，這可能預示著與地震發生相關的構造運動或應力增強作用。(2)地震前后研究區重力場累積變化表現為應力場增強—持續增強—局部運動受阻超過臨界值—能量突然釋放，震后重力場變化恢復到平穩狀態。

關鍵詞：重力場；聯合平差；動態變化；平遙地震

0引言

隨著高精度重力儀的發展及流動重力測網的不斷優化，流動重力測量對地震活動的監測能力不斷提高(李輝等，2010：申重陽，李輝，2007)。流動重力測量反映的是區域重力場的非潮汐變化，可以反映地殼內部的物質遷移、組成地殼物質的密度變化以及地殼構造和地震的形成過程等。強震或大地震受區域應力場及主要活動斷裂帶的控制，通常孕育并發生在活動斷裂帶應力高度積累部位，這些部位及其附近在孕震階段的顯著差異構造運動，通常伴有顯著的重力場變化(陳運泰等，1980；張培震等，2002；張國民等，2005)。國內很多學者在探索地震前、后的重力場變化特征、尋求變化規律的過程中做了大量的工作，并取得了顯著的成效(祝意青等，2008，2010，2012，2013；梁偉鋒等，2013，2012；陳石等，2011；秦建增等，2007；姚家駿等，2012)。

中國地震局地球物理勘探中心在山西省開展過多年多期次的流動重力觀測，獲得了寶貴的數據資料。特別是2009年以來，監測水平的提高使得山西地區的流動重力測網可以更好地反映地震前后的重力場的變化。

2014年4月4日，山西平遙附近發生MS4.1地震震中位置(37.3°N，112.2°E)，震中位于太谷活動斷裂上，通過流動重力資料獲得的重力場變化對此次地震有較好的反映。筆者采用2012年3月～2014年8月期間的流動重力觀測資料，統一起算標準，引入絕對重力值(鄭州、太原、托克托、白家疃)來控制平差計算重力場變化，繪制山西地區重力場動態變化圖像，并對山西平遙MS4.1地震孕育發生過程中重力場變化的時空演化特征及變化機理進行探討，希望有助于本地區的中短期地震預報研究。

1重力觀測與資料處理

研究區域主要為山西地區(35°～40°N，110°～114°E)(圖1)。采用中國地震局推廣的LGADJ程序對觀測資料進行經典平差處理。在數據處理中，由于僅采用山西省的觀測數據會因控制點過少，導致獲得的重力場動態變化圖像在離控制點較遠的地區產生畸變，也不能有效消除儀器標定系統所引起的測量誤差。因此本文將計算范圍擴大至華北強震強化監視跟蹤網結合絕對重力觀測資料與同期的流動重力觀測，采用固定的絕對重力點作為控制基準，進行聯合平差計算，得到反映了平遙地震前后重力場的動態變化特征的山西地區的重力場動態變化圖。對相對重力資料處理中作固體潮、一次項系數等改正。一些學者研究了重力數據的聯合平差計算和山西省的重力場變化特征(李真等，2012，2013；馮建林等，2013)。

重力數據由中國地震局地球物理勘探中心、湖北省地震局和河北省地震局測量得到。其中山西測區由物探中心組建觀測小組用2臺LCR-G型重力儀作業，每年觀測兩期。為確保相對重力聯測精度，減少儀器誤差影響，儀器一次項系數測前在國家長基線上均進行了統一的標定，每個測段均在3天內閉合。每個絕對重力點值測定的精度高于5×10-8ms-2，相對重力單程聯測精度優于15×10-8ms-2。測網分布如圖1所示，共有150個測點，其中含有普通重力測點和絕對重力測點，180個測段，平均點距為30 km。

2重力場演化特征

筆者主要分析了2012年3月以來研究區重力場變化特征，即山西平遙MS4.1地震前后的重力場動態變化，分析了重力場差分動態變化、累積變化的動態圖像、震中附近重力點值和部分測段段差的變化情況(圖2～5)。

2.1重力場差分動態變化

從研究區重力場差分動態變化圖(圖2)中可以看出：

(1)2012-08～2013-03期間(圖2a)，研究區域總體以正值變化為主，平遙地震震中區及其附近重力變化平緩。測區中部朔州、靜樂、霍縣附近出現小幅的負異常變化。

(2)2013-03～2013-08期間(圖2b)，區域重力變化表現為西負東正、正值為主的變化。在興縣—呂梁—午城一帶西側有大于-30×10-8ms-2的重力異常變化。而其東側大面積地區延續了上一期正值變化趨勢，僅在沁縣附近出現小幅負值變化。

(3)2013-08～2014-03期間(圖2c)，研究區域重力場總體態勢由上一期的自西向東由負到正的趨勢轉化為自北向南由負到正的趨勢變化。大致以平遙—陽泉為界，測區北部主要表現為重力場負變化的趨勢，僅在靜樂附近出現小幅正異常區域。測區南部則為正值變化，安澤、和順一帶變化明顯。重力零值線在平遙附近，與斷裂帶方向基本一致。

(4)2014-03～2014-08期間(圖2d)，地震之后，比較前兩期可以看出，重力場變化基本以調整恢復為主，表現為輕微的正變化，小范圍出現小幅負值區域。

2.2重力場累積動態變化

為了分析研究區較長時段的區域重力場累積變化特征，以2012年3月山西網觀測資料為對比基準，分別繪制了山西平遙MS4.1地震震前、震后各期相對基準的區域重力場累積變化動態圖像(圖3)。從圖3中可以看出，研究區的重力場正累積范圍逐步增加，負累積變化逐步增強。在震中附近產生局部重力異常變化區，平遙—靈石一帶形成了與太谷斷裂走向基本一致的重力變化高梯度帶，可能預示著與地震發生相關的構造運動或應力增強作用。

(1)2012-03～2013-03期間(圖3a)，研究區域自北向南整體表現正負相間的格局，北部重力場正值變化較為平緩，中部出現大面積負值變化，南部臨汾一帶顯示正值變化，長治一帶形成了較大幅度的正異常，幅值超過30×10-8ms-2。長治與臨汾正值變化有著“呼應、聯合”的態勢。

(2)2012-03～2013-08期間(圖3b)，北部重力場正值變化有擴大趨勢，在岢嵐—靜樂—忻州一帶形成正負異常變化區分界線。中部負值變化區域有所減小，但是幅值增大。南部的臨汾、長治的正異常區域也聯合起來向北發展。研究區域整體呈現南部、北部對中部平遙地區的擠壓態勢，并且在平遙—靈石一帶形成的重力變化高梯度帶與太谷斷裂帶走向基本一致。平遙處于重力變化零值線上。

(3)2012-03～2014-03期間(圖3c)，整

個研究區域的重力變化劇烈，具有四象限分區現象。陽泉一帶重力場持續負值變化，范圍向北有所擴大；臨汾—霍縣—沁縣一帶的正異常持續增加，使得平遙—靈石沿太谷斷裂走向的重力高梯度帶進一步加劇，幅值超過45×10-8ms-2。平遙處于重力變化高梯度帶的拐彎部位。

(4)2012-03～2014-08期間(圖3d)，地震之后，可以明顯看出南部臨汾—霍縣—沁縣一帶的重力正值變化有所減退，平遙附近的重力變化“零”值線向南偏移。這應該是震前加載在太谷斷裂上的應力在震后得到釋放，使得平遙地區的物質密度下降從而導致重力場的變化重新分布。同樣還可看到陽泉附近的負異常范圍縮小恢復到震前稍長一段時間的水平。

2.3重力點值時序變化

重力點值時序變化能較好地突出異常測點的動態變化，可以分析不同位置測點的重力變化累積程度。選取平遙MS4.1地震震中附近的9個測點(圖4)，這些測點都(除分水嶺)處于重力累積變化負值區。繪制其重力點值變化圖(圖5)可以研究距離震中不同距離、不同斷裂帶上變化的積累程度。2012-03～2014-08期間，平差計算后這些測點的點值平均精度為5.6×10-8ms-2。

從圖4b可以看出，震中附近測點的重力值變化有著較好的同步性，重力值基本都出現了下降—平緩—較大幅值上升—下降—下降的變化過程，太谷斷裂附近(黑線)重力變化幅度明顯大于交城斷裂附近(虛線)。2013年3月之前，這2個斷裂附近測點的重力值變化基本一致；2013年3月至2014年8月，地震發生前一年左右，各個測點的趨勢近乎一致，出現較大幅值的上升后轉為下降，在隨后反向恢復過程中發生平遙MS4.1地震。2013年8月之后的兩個時間段，重力點在時空演化上顯示出一定的規律性，太谷斷裂附近出現下降—持續下降(實線)，而交城斷裂則是平緩—下降(虛線)，相比而言有一定的滯后性，其變化幅值明顯小于前者。

段差的變化可以反映測段之間梯度的變化。太古斷裂兩側的 “祁縣—平遙”，“祁縣—太谷”，“祁縣—分水嶺”的測段平差后的段差值(表1)，段差變化如圖5所示。段差變化可能對于深入認識構造活動和孕震過程有一定指示意義。由圖可以看出，2012-03～2013-03期間，這3個測段的變化趨勢基本一致；2013-03～2014-03期間，祁縣—平遙，祁縣—分水嶺測段重力段差持續上升，祁縣—太谷測段變化較平緩；2014-03～2014-08期間，地震之后祁縣—太谷轉而上升。由于平遙地震震級較小，震中附近重力段差在震前一年時間變化較為明顯。

兩條斷裂對造成地震的應力積累和物質遷移有著“阻礙”作用，造成了不同程度的重力負累積。特別是地震前重力場在太谷斷裂的西北側的負積累和東南側的正積累，形成擠壓、閉鎖態勢，當能量超過臨界值后就發生了地震。

3結論與討論

本文給出了2014年4月平遙MS4.1地震前2年至震后半年(2012-03～2014-08)的區域重力場變化圖像，并初步分析了區域與震區附近的重力場演化特征及其與該地震的關系，獲得一些認識并進行討論：

(1)在空間分布上，地震發生前測區均出現區域性的重力異常變化及與構造活動斷裂走向基本一致的高梯度帶，可能體現了活動斷裂附近的應力積累和物質遷移所引起的重力變化，從而觸發地震的產生并在震中或鄰區產生局部重力變化異常區。

(2)時間序列上，重力場累積動態變化圖像較清晰地反映了平遙地震孕育、發震、震后恢復的演化過程。可以看出地震發生前后，由于應力積累和物質遷移，震中附近的重力場在震前約2年形成了重力異常區，在震前1年內急劇變化。研究區域北部和南部的正值區域對中部的負值區域持續的擠壓，在平遙震中附近形成閉鎖狀態，達到臨界值之后突然釋放發生地震，震源區附近的應力應變的釋放調整，震后重力場變化恢復到平穩狀態。平遙MS4.1地震由于震級比較小，孕震時間較短。分析圖4b點值變化，在震前一年左右的時間內，重力測點的變化較明顯，出現較大幅值的上升后轉為下降，這可能對于判斷地震形勢具有一定的意義。

(3)震中部位與發震構造運動一致的重力變化梯級帶有利于破裂發展。平遙MS4.1地震前最大累積重力變化達 45×10-8ms-2，大同MS6.1地震前最大累積重力變化達60×10-8ms-2(劉善華等，2011)，汶川MS8.0地震8年累積重力變化幅差最大約200×10-8ms-2(申重陽，李輝，2007)，這可能為強震強度預測提供了參考依據。雖然平遙MS4.1地震的區域性重力場變化幅值不大，但在此次地震發生前后重力場積累變化有一定的反映。地震發生是復雜的物理過程，其產生的機制機理還在不斷地探索當中，只有在不斷地研究和總結當中才會有所突破。

參考文獻：

陳石，王謙身，祝意青，等.2011.汶川MS8.0震前區域重力場變化與震質中研究[J].地球物理學進展，16(4)：1147-1156.

陳運泰，顧浩鼎，盧造勛.1980.1975年海城地震與1976年唐山地震前后的重力變化[J].地震學報，2(1)：21-31.

馮建林，孫少安，秦建增.2013.絕對重力控制下的山西地震帶2009—2012重力場動態變化[J].大地測量與地球動力學，33(增刊)：49-52.

李輝，徐如剛，申重陽，等.2010.大華北地震動態重力監測網分形特征研究[J].大地測量與地球動力學，30(5)：16-18.

李真，陳石，秦建增，等.2012.多網重力數據聯合平差和系統誤差改正[J].地震，32(2)：95-104.

李真，秦建增，陳石.2013.山西地震重力監測網起算基準擾動分析[J].地震，33(3)：60-66.

梁偉鋒，劉芳，徐云馬，等.2013.青藏高原東緣重力觀測及對蘆山M7.0地震的反映[J].地震工程學報，35(2)：266-271.

梁偉鋒，祝意青，徐云馬，等.2012.文安5.1級地震前后不同時間尺度的重力變化分析[J].地震研究，35(3)：318-322.

劉善華，李民，孫銘心，等.2011.大同6.1級地震前后首都圈重力場動態變化圖像[J].地震研究，34(2)：148-152.

秦建增，李清林，郭德科，等.2007.河南范縣MS4.3地震前后的重力場與預測過程[J].西北地震學報，29(4)：380-384.

申重陽，李輝.2007.研究現今地殼運動和強震機理的一種方法[J].地球物理學進展，22(1)：49-56.

姚家駿，萬永革，王培玲，等.2012.利用重力資料檢測日本9.0級地震激發的地球自由振蕩[J].地震研究，35(1)：53-58.

張國民，馬宏生，王輝，等.2005.中國大陸活動地塊邊界帶與強震活動[J].地球物理學報，48(3)：602-610.

張培震，鄧起東，張國民.2002.中國大陸活動地塊與強震[J].中國科學(D輯)，32(增刊)：5-11.

祝意青，梁偉鋒，徐云馬，等.2010.汶川MS8.0地震前后的重力場動態變化[J].地震學報，32(6)：633-640.

祝意青，梁偉鋒，徐云馬.2008.重力資料對2008年汶川MS8.0地震的中期預測[J].國際地震動態，(7)：36-39.

祝意青，梁偉鋒，湛飛并，等.2012.中國大陸重力場動態變化研究[J].地球物理學報，55(3)：804-813.

祝意青，聞學澤，張晶，等.2013.華北中部重力場的動態變化及其強震危險含義[J].地球物理學報，56(2)：531-541.

Using the observation data of absolute and flow gravity measurements in Shanxi region from 2012 to 2014，we obtained gravity field and its dynamic variations by adjustment，and analyzed the spatial-temporal evaluation of the regional gravity field and their relationship to PingyaoMS4.1 earthquake.The research result mainly shows that：(1)Before PingyaoMS4.1 earthquake，there appeared the regional gravity anomaly in the study region and the local gravity anomaly near the epicenter.The high gradient belt of gravity change formed in accordance with the strike of the active tectonic fault，which could predict the tectonic activity or stress enhancing related with the preparation and occurrence of the earthquake.(2)Before and after the earthquake，the patterns of the gravity field accumulation variation appeared the following process in the study area：the regional stress field strengthened first，then continued to strengthen，and the local movement of it was locked somewhere，the earthquake came about during the energy exceeded the critical value.Finally，the gravity field change was back to the steady state after the earthquake.

Key words：gravity field；combined adjustment；dynamic variation；PinyaoMS4.1 earthquake

*收稿日期：2015-01-16. 基金項目：中國地震局地球物理勘探中心青年基金項目(YFGEC2014006)和中國地震局震情跟蹤合同制項目(2014010204)共同資助.

中圖分類號：P315.72

文獻標識碼：A

文章編號：1000-0666(2015)03-0377-07

Analysis on Dynamic Variation Characteristic of Gravity Field before and after PingyaoMS4.1 Earthquake in 2014

JIA Yu-peng1，QIN Jian-zeng1，LI Zhen1，LI Zhe-jun2，TAN Yu-juan1，FENG Jian-lin1

(1.Geophysical Exploration Center，CEA，Zhengzhou 450002，Henan，China) (2.Anhui Earthquake Administration，Hefei 230031，Anhui，China)

Abstract