遼寧地區(qū)重力場動態(tài)變化特征分析

翟麗娜，賈曉東，李彤霞，孔祥瑞

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

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遼寧地區(qū)重力場動態(tài)變化特征分析

翟麗娜，賈曉東，李彤霞，孔祥瑞

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

摘要：利用1：100萬航空重力資料研究遼寧地區(qū)基礎(chǔ)構(gòu)造情況，計(jì)算莫霍面深度，分析遼寧地區(qū)基底構(gòu)造情況；利用地震流動重力測量結(jié)果，總結(jié)2013年1月23日遼陽5.1級地震前后重力場動態(tài)變化情況，分析地震孕育、發(fā)生與重力場動態(tài)變化之間的關(guān)系，為今后地震預(yù)報(bào)提供一定的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地震；密度結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)分析

0 引言

近年來研究表明重力是一種有效的地震預(yù)報(bào)方法，在地震孕育過程中，地殼變形和震源介質(zhì)性質(zhì)變化將會引起震區(qū)周圍重力場的變化，重力場隨時(shí)間變化特點(diǎn)與地震的形成和發(fā)展有著內(nèi)在聯(lián)系。通過重力場的時(shí)空動態(tài)變化，能較好地反映深部物質(zhì)遷移與地殼密度變化等構(gòu)造活動信息，為進(jìn)一步探討現(xiàn)今的地殼構(gòu)造與強(qiáng)震孕育、發(fā)生的相互聯(lián)系提供一定的根據(jù)。因此，通過定期進(jìn)行重力重復(fù)測量，有可能捕捉到與震源變化有關(guān)的重力前兆信息。自1966年邢臺地震后，我國開展了大量的地震重力測量設(shè)施建設(shè)和方法研究，觀測到了1975年海城7.3級地震、1976年唐山7.8級地震、1996年云南麗江7.0級地震、2001年昆侖山口西8.1級地震、2008年汶川8.0級地震和2010年玉樹7.1級地震前后的重力異常變化。

遼寧地區(qū)是我國現(xiàn)代構(gòu)造活動和地震活動都較強(qiáng)的一個構(gòu)造區(qū)。為了研究重力場變化與構(gòu)造活動及地震活動的關(guān)系，更好的進(jìn)行地震預(yù)報(bào)研究，為地震預(yù)報(bào)提供依據(jù)，遼寧省自1990年開展了流動重力觀測，建立了北票、熊岳、莊河、岫巖、錦西、三寶等流動重力監(jiān)測網(wǎng)；2007年又在沈陽地震臺建立定點(diǎn)重力監(jiān)測。流動重力觀測和定點(diǎn)重力觀測是反應(yīng)活動斷層物質(zhì)變遷和構(gòu)造變形最直接的測量手段。

1 重力場基本理論

重力場是基本地球物理場之一。地面重力加速度與地球質(zhì)量的分布狀況和測站相對與地球中心的距離這兩個因素有關(guān)。由于地球質(zhì)量分布不均勻、不恒定，地球在空間的運(yùn)動和自身的變形，重力場隨時(shí)隨地都在變化著，即地球重力場存在時(shí)間變化和空間變化兩種類型，重力場時(shí)間變化研究對地震預(yù)報(bào)尤為重要。

為了闡明地震過程中的重力變化，不但需要分析形變引起的重力變化，還應(yīng)分析質(zhì)量遷移引起的重力變化。為分析形變引起的重力變化，我們假定形變區(qū)和整個地球相比很小，可以用半無限介質(zhì)Z≥0近似的代表地球， Z軸向下為正，如圖1所示［1］。

圖1　半無限介質(zhì)中的形變區(qū)Fig.1 Deformation zone in semi-infinite medium

由（1）式可以求得相應(yīng)的重力變化為：

于是，當(dāng)觀測點(diǎn)在變形前的地面上時(shí)，形變引起的重力變化為：

以上討論的是觀測點(diǎn)相對于慣性坐標(biāo)系不動的情形。實(shí)際上，觀測點(diǎn)是固定于地面的某處，當(dāng)介質(zhì)發(fā)生形變時(shí)，它要移近或遠(yuǎn)離地心。所以，實(shí)際觀測到的重力變化還應(yīng)包括兩部分，一部分是自由空氣效應(yīng)，另一部分是厚度為h、密度ρ的等效層在變形后的觀測點(diǎn)與變形前的觀測點(diǎn)引起的重力之差，自由空氣效應(yīng)δgFA主要和高程有關(guān)，而和緯度的關(guān)系較?。?，3］，從而得到形變和質(zhì)量遷移引起的重力變化公式：

2 遼寧地區(qū)重力場基本特征研究

研究遼寧地區(qū)重力場動態(tài)變化特征，首先要解決遼寧地區(qū)基本重力場問題，研究重力場中包含的深、淺部構(gòu)造信息，板塊運(yùn)動信息，深部地質(zhì)構(gòu)造信息和莫霍面起伏情況。本文重點(diǎn)采用小波變換方法來研究遼寧地區(qū)重力場基本特征問題。利用遼寧地區(qū)1：100萬航空重力資料，進(jìn)行小波變化處理，按理論計(jì)算了遼寧地區(qū)莫霍面等深度數(shù)據(jù)，利用莫霍面等深度曲線圖研究遼寧地區(qū)的深部構(gòu)造特征。

圖2　遼寧地區(qū)1：100萬航空重力異常等值線圖（單位：μGal）Fig.2 Liaoning Province 1： 1，000，000 airborne gravity anomaly contour map（Unit：μGal）

圖3　遼寧地區(qū)1：100萬重力異常6階逼近結(jié)果（單位：μGal）Fig.3 Liaoning Province 1： 1，000，000 gravity anomalies 6 Order approximation results（Unit：μGal）

圖4　遼寧地區(qū)莫霍面等深度曲線圖（單位：km）Fig.4 Liaoning Province Moho the same depth graph （Unit： km）

由重力測量及局部地點(diǎn)的測震方法得知，遼寧地區(qū)莫霍面起伏變化較大，地殼厚度為31～38.2km，分硅鋁層和硅鎂層。硅鋁層厚20～22km。硅鎂層厚13～16km，其中下遼河地區(qū)最薄，僅13km左右。說明遼寧地區(qū)的地殼具有呈層性和不均一性的多層結(jié)構(gòu)。

莫霍面等深度圖表明，等深線多呈北東向及東西向展布。中部低值區(qū)反映為鼻狀幔隆區(qū)，南部低值區(qū)反映為近東西向幔隆區(qū)；西部高值區(qū)反應(yīng)為階梯狀弧形幔坳區(qū)，東部高值區(qū)反映為槽狀坳區(qū)。全省可分為四個較大的隆起和坳陷：遼西階梯狀弧形幔坳區(qū)、遼東槽狀幔坳區(qū)、遼寧中部鼻狀幔隆區(qū)、遼南幔隆區(qū)。并與地殼呈鏡像關(guān)系。

3 遼寧地區(qū)地震分布特征

研究以往遼寧地區(qū)地震發(fā)生的位置、震源深度，是總結(jié)遼寧地區(qū)地震發(fā)生規(guī)律的很好的方法。同時(shí)，研究地震發(fā)生與已知地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，能更好的對地震發(fā)生位置進(jìn)行預(yù)測。

圖5　遼寧地區(qū)1970年至今4.0級以上地震震中平面分布圖Fig.5 Liaoning Province since 1970，more than 4.0 earthquake epicenter plane distribution

圖5是搜集了1970年以來遼寧省及其周邊發(fā)生的里氏4.0級及以上地震分布資料，從圖上可以清晰的看出，4級以上地震大多發(fā)生在主要斷裂構(gòu)造部位。5級及以上地震發(fā)生在深大斷裂部位，尤其是接觸部位。海城大地震發(fā)生在海城析木—岫巖斷裂內(nèi)部，且在該斷裂帶內(nèi)發(fā)生地震次數(shù)較多，地震主要圍繞斷裂發(fā)生，說明區(qū)域斷裂活動是區(qū)內(nèi)地震發(fā)生的主要原因。

圖6　遼寧地區(qū)1970年至今4.0級以上地震震源深度圖Fig.6 Liaoning Province since 1970，more than 4.0 earthquake focal depth map

圖6是根據(jù)1970年以來遼寧地區(qū)地震震中深度繪制的震源深度分布圖，圖上的信息表明，遼寧地區(qū)地震主要為淺源地震，震源深度多在10～20km范圍內(nèi)，尤其是6級以上地震特征更明顯，說明遼寧地區(qū)深度10～20km范圍為地殼較活動區(qū)域。各種構(gòu)造方向控制了地震震中、震級的分布，NW向構(gòu)造方向地震活動強(qiáng)烈。

通過地震震中平面分布圖、地震震源深度圖可以總結(jié)：遼寧地區(qū)深大斷裂部位是發(fā)生5級及5級以上地震的重點(diǎn)區(qū)域。

4 遼寧地區(qū)重力場動態(tài)變化特征研究

遼寧地區(qū)共建有97個流動重力測量點(diǎn)位，主要分布在遼西、遼南，1991年至今共完成47期流動重力測量，利用實(shí)測流動重力測量數(shù)據(jù)進(jìn)行遼寧地區(qū)重力動態(tài)差分變化研究取得了較好的效果［4-9］。選取2013年遼陽5.1級地震前流動重力變化進(jìn)行差分計(jì)算并分析動態(tài)變化。

圖7　遼寧地區(qū)1990年至今重力場差分動態(tài)變化（單位：μGal）Fig.7 Liaoning Province since 1970， more than 4.0 earthquake focal depth map

圖7（1）主要表現(xiàn)為自南向北由正向負(fù)的趨勢性變化，重力變化在±30μGal內(nèi)；圖7 （2）重力變化平緩，重力變化在±20μGal內(nèi)；圖7（3）主要表現(xiàn)為自東向西由負(fù)向正的趨勢性顯著變化，測點(diǎn)東北重力變化最為劇烈，重力變化達(dá)-60μGal多，這可能是2011年3月日本9級地震后引起區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場調(diào)整變化的反映；圖7（4）仍表現(xiàn)為自東向西由負(fù)向正的趨勢性變化，但重力變化沒有上期劇烈，重力變化在±30μGal內(nèi)，這可能仍是日本9級地震的后效；圖7（5）出現(xiàn)新的重力變化特征，重力變化自西向東由負(fù)向正的趨勢性變化過程中于測區(qū)東部的海城、鞍山附近出現(xiàn)了具有一定孕震背景的四象限重力變化特征，遼陽、沈陽交界5.1級地震發(fā)生在四象限中心附近的北部；圖7（6）測區(qū)西部重力變化較為平緩，測區(qū)東部自西向東由負(fù)向正的趨勢性變化過程中于沈陽及海城附近出現(xiàn)重力變化高梯度帶，遼陽、沈陽交界5.1級地震發(fā)生重力變化高梯度帶附近。與上期相比，震中附近重力變化由正轉(zhuǎn)為負(fù)，出現(xiàn)反向變化，地震發(fā)生在重力反向變化過程中，這與以往研究的震例基本一致。震中附近局部重力異常差異運(yùn)動達(dá)50μGal，較好地對應(yīng)了5.1級地震。

5 結(jié)論

根據(jù)前面研究分析可知：①遼寧地區(qū)地震主要圍繞區(qū)域內(nèi)深大斷裂構(gòu)造分布，震源深度淺，平均為10～20km；②重力測量能夠獲得較全面的地下地質(zhì)信息，動態(tài)變化中包含地下質(zhì)量遷移等信息。根據(jù)這兩點(diǎn)，總結(jié)如下：

（1）重力場動態(tài)變化圍繞區(qū)域內(nèi)主要深大斷裂發(fā)生。重力位場是反映地下密度體分布情況，地震的孕育、發(fā)生，必定會引起板塊、斷裂構(gòu)造發(fā)生變化。根據(jù)重力場動態(tài)變化結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在區(qū)域深大斷裂處，重力場動態(tài)變化現(xiàn)象明顯。

（2）根據(jù)地震重力變化資料，當(dāng)重力動態(tài)變化達(dá)100μGal以上時(shí)，發(fā)生大地震的可能性較大。

（3）大地震發(fā)生前，重力場變化強(qiáng)烈，地震發(fā)生后，重力場有可能恢復(fù)到地震發(fā)生前的狀態(tài)，也有可能保持現(xiàn)狀。這與地震引起的地下密度體的分布有直接關(guān)系。

（4）重力場的動態(tài)變化信息包含大地水準(zhǔn)變形、地下水沉降等信息，同時(shí)，還受地球、太陽、月球三者之間的引力場影響，所以，長時(shí)間觀測、研究、計(jì)算重力場的動態(tài)變化信息，能夠進(jìn)行大地測量、水文環(huán)境勘查等基礎(chǔ)工作。

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DYNAMIC CHARACTERISTICS ANALYSIS OF THE GRAVITATIONAL FIELD IN LIAONING PROVINCE

ZHAI Li-na，JIA Xiao-dong，LI Tong-xia，KONG Xiang-rui
（Earthquake Administration of Liaoning Province，Liaoning Shenyang 110034，China）

Abstract：Research on basic structure in Liaoning regions by 1： 1 million airborne gravity data， calculated the Moho depth ， analyzed the situation basement structure； with the liquidity measurement of gravity， summary before and after theJanuary 23， 2013 Liaoyang 5.1 earthquake dynamic gravity field changes， analyzed the relationship between earthquake preparation， Occurrence with dynamic changes of gravity field， Provide a basis earthquake prediction for future.

Key words：earthquak；density structure；data analysis

中圖分類號：P315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.02.002

文章編號：1674-8565（2016）02-0010-05

基金項(xiàng)目：地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（XH14014Y）；遼寧省地震局研究生專項(xiàng)（LZ201301）； 震情跟蹤青年定向工作任務(wù)項(xiàng)目（2015010224）

收稿日期：2016-01-15

修訂日期：2016-02-27

作者簡介：翟麗娜（1986-），女，吉林省長春市人，碩士研究生，工程師，現(xiàn)主要從事地震預(yù)報(bào)形變學(xué)科跟蹤與分析工作。