基于重力和GPS的山西地區形變特征分析

王同慶+王樹發+楊博+李真+陳兆輝+張品

摘要：利用山西地區多年來積累的流動重力和區域GPS資料，從段、線、面對山西地區（34°～41°N，110°～115°E）2009—2015年重力場動態變化特征進行精細處理和詳細分析，同時將水平總梯度分析方法用于重力場動態變化的異常提取中，最后對比相同時間尺度的重力場和應力應變場獲得近年來山西地區地殼形變精細變化特征。結果表明：重力水平總梯度具有比重力異常更高的靈敏度，兩者的動態變化特征都顯示出，在山西北部恒山斷裂、六棱山斷裂和口泉斷裂附近的陽原—大同一帶、南部中條山斷裂的臨汾—夏縣一帶和中東部太行山山前斷裂的邯鄲—安陽附近都存在著較為顯著的異常變化；通過對比分析認為相同時間尺度的重力場和應變場有較好的對應關系，聯合分析重力和應變場有助于對地殼形變和深部物質變化產生的孕震機理獲得更深刻的認識。

關鍵詞：重力場；水平總梯度；應變場；形變特征；山西地區

中圖分類號：P31572文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）01-0101-10

0引言

流動重力和區域GPS測量是2種常規的前兆形變觀測手段，多期的重復測量可以較好地反映出地球重力場和地殼形變的變化特征（李輝等，2009；祝意青等，2012；陳石等，2011；王小亞等，2002；劉峽等，2006）。在地震的孕育過程中，地殼內部應力的作用、應變的積累、介質密度的變化和物質遷移等都將導致區域重力場和應變場不同程度的變化（申重陽等，2009；祝意青等，2009；楊國華等，2012；武艷強等，2013）。因此綜合分析重力和應變場的動態變化，從中提取具有前兆意義的異常，可以為地震趨勢研判提供可靠的判定依據（戴王強等，2007；陳石等，2011）。

山西斷陷帶位于鄂爾多斯塊體與華北平原塊體銜接部位，是華北主要地震活動帶之一，其強震活動頻繁、地震災害嚴重（王秀文，1995）。該斷陷帶由一系列斷陷盆地及其間的橫向隆起組成的一條北北東向的活動構造帶構成，總體呈“S”型，區域內主要活動斷裂為北東、北北東和北東東向3組，它們控制著盆地的邊界和盆地的發育（國家地震局《鄂爾多斯周緣活動斷裂系》課題組，1988）。目前針對山西斷陷帶重力場和GPS應變場的研究成果并不少見（祝意青等，2013；李真等，2013；馮建林等，2013；玄松柏等，2014；賈宇鵬等，2015；王秀文等，2016；郭良遷等，2010；王秀文等，2010），但大多是將重力和GPS單獨進行分析，本文著重在分析山西斷陷帶2009—2015年最新的重力場變化特征的基礎上，結合相同時間尺度的應變場，共同探討地下物質密度變化引起的地表重力變化與反映地表微形變的應變場的時-空變化特征的一致性，以獲得新的見解和認識。

1資料選取及處理情況

隨著地震監測預報工作的深入開展，觀測技術在不斷發展，全國地震流動重力測網的監測能力也在不斷提升，中國地震局于2009年對大華北地區主要活動構造帶上的地震重力區域網進行了調整、優化和改造（李輝等，2010），使很多分散的區域網有效地連接起來，并對測網進行絕對重力控制，形成了完整的大華北重力監測網。山西地區的重力監測網主要由中國地震局地球物理勘探中心每期使用2～6臺LCR-G型儀器完成，每年觀測兩期。為了使處理結果更加準確、可靠，平差精度更高，本文使用山西地區及其周邊河北、河南、首都圈等多個測網2009年以來共13期的流動重力復測資料進行聯合平差計算，測區重力測網分布如圖1所示。

每期資料處理均采用同期絕對重力控制下的相對重力聯測的經典平差方法，其中絕對重力點選取的是太原、鄭州、白家疃、托克托，絕對重力控制的均勻分布可有效減小相對重力聯測中傳遞誤差的影響。平差后單期重力觀測資料的點值平均精度均優于10×10-8 m/s2（表1），說明本研究使用的觀測資料和處理結果是可靠的。

為了有效地監測山西斷陷帶地殼運動和大震活動趨勢，山西省地震局于1995年沿山西帶兩側布設了由40個點組成的GPS監測網，點位分布跨越了山西地區南北向的主要斷裂帶，且分布較為均勻，相鄰點距約為十幾至數十千米不等。目前除3個測站遭到破壞外，其余37個測站均能正常使用。計算時，為了使對研究區場的描述更加清晰和全面，除了該地區的37個測站外，還使用了周邊網絡工程和陸態網絡的區域站觀測資料一同解算。

2重力場動態變化特征

21重力場累積變化特征

為了分析研究測區較長時段的區域重力場累積變化特征，以2009年觀測資料為時間基準，分別繪制了各期相對首期的區域重力場累積變化動態圖象（圖2），其中每年均使用8～9月第二期的測量結果進行處理分析，以便較好地去除降雨等季節性因素的影響。

從多年累積重力場變化中可以看出，山西斷陷帶2015年之前的累積特征基本呈現南正北負的態勢并逐步增強，2009—2015年則以太行山山前斷裂帶為界，體現了西正東負的變化特征。其中以斷陷帶北段的重力負異常變化最大，其中值得注意的是陽原—大同—山陰一帶處于幾個正負值異常區中心，該區域在不同時段的重力負異常變化緩慢，僅有20×10-8 m/s2左右，可能反映出大同盆地及其周緣的NE、NEE向的口泉斷裂、恒山山前斷裂、六棱山山前斷裂等運動和變形受阻，處于高應力的閉鎖狀態（祝意青等，2013）。

2012年以來的累積圖像顯示石家莊以南至安陽一帶大體沿太行山山前斷裂的NNE向梯度帶中南段的重力變化梯度持續增高，最大差異達到100×10-8 m/s2以上，應注意該地區近年來的構造活動情況。同時山西南部臨汾—夏縣一帶的正值變化在2012年后開始呈現上升趨勢。石家莊附近在2012年之前呈現出明顯的負值異常中心，可能是由于華北地區地下水開采導致地下物質密度減小所致，2013—2014年隨著南水北調工程東線、

中線正式通水運行之后有所緩解恢復。

22重力場差分變化特征

對測區2011—2015年每年9月共5期觀測資料進行處理獲得研究區一年尺度區域重力場的差分變化特征（圖3），分析表明：2015年之前，南圖22009—2012年部臨汾一帶表現為持續的重力累積正變化，在2014—2015最新一期的變化中突然發生由正到負的大面積反轉，隨后于2016年3月12日發生了運城44級地震，重力場的變化對此次地震有較好的反映。北部大同—山陰一帶出現了由重力負變化

到反向正變化的演化過程，體現了能量積累的過程。且2013—2014年重力變化等值線相對2011—2012年發生近90°轉折，同時沿大同—石家莊一帶形成了正負差異約60×10-8 m/s2的梯級帶，具有一定的孕震重力特征，應對大同盆地邊緣斷裂具有一定的孕震重力特征，的活動性予以關注。

在累積變化中異常明顯的邯鄲—安陽一帶，最新一期的差分結果顯示在該地區沿太行山山前斷裂形成了明顯的梯度帶，并在安陽附近等值線發生轉折彎曲，這些都較好地反映了構造變形及伴隨活動斷層的物質遷移引起的地表重力變化效應，也在一定程度上反映了該區域的構造活動較為顯著。

23水平總梯度動態變化特征

目前，重力梯度在對流動重力資料的處理與分析中尚未得到應用，但其能夠反映場源體的邊界細節，具有比重力異常更高的分辨率，而且重力梯度數據包含有更豐富的信息，可以加強位場數據的地質解釋（曾華霖，1999）。在位場數據的處理和分析中，通常利用水平總梯度的極大值來確定場源體的邊界、斷裂構造等線性特征的位置等。本文對一年尺度的重力變化求取其水平總梯度，并嘗試根據梯度的動態變化獲取更直觀、明顯、有意義的異常特征。

對于水平梯度的求取，我們采用計算速度快、實現簡單的頻域率計算方法，只需將觀測數據進行傅里葉變換，換算至頻率域乘以相應的梯度換算因子再進行反變換即可（陳石等，2015）：

式中，F表示二維傅里葉變化，（x，y）為異常點的空間位置，（u，v）為異常點的頻率位置，ΔG（u，v） 為重力變化Δg（x，y） 的頻率域表示。在頻率域內，重力場的變化在x和y方向（即沿經度和緯度方向）的梯度為

那么重力變化的水平總梯度為

一年尺度的重力水平總梯度的動態變化顯示如圖4所示，水平總梯度的極大值位置與斷陷帶內斷裂的走向和分布大體一致。從2014—2015年最新一期的結果中可以更加直觀明顯地看出，在山西北部恒山斷裂、六棱山斷裂和口泉斷裂附近的陽原—大同一帶、南部中條山斷裂的運城—夏縣一帶和中東部的太行山斷裂安陽附近，形成了水平總梯度的高值區集中區，與同期重力場動態變化的異常位置十分一致且異常更為突出。

24重力測段段差時序變化特征分析

在分析重力場的動態變化特征基礎上，為了研究局部地段的重力變化特征，分別選取山西北部、中部和南部區域部分跨斷裂和不跨斷裂的測段，分析對比其段差的時序變化特征，嘗試對測段所屬的構造及區域的活動性進行定性描述。

首先對山西北部大同—山陰附近跨口泉斷裂、恒山北緣斷裂和六棱山斷裂的測段進行處理分析。從圖5b、d可以看出，北部的跨斷裂測段的段差時序變化特征總體上呈現下降趨勢，最大達80×10-8 m/s2，在2015年有所上升，這和前面描述的一年尺度重力場動態變化特征是比較一致的。同時，該區域不跨斷裂測段的段差時序變化（圖5c、e）有升有降，變化幅度較小，整體在20×10-8 m/s2以內，與跨斷裂測段形成明顯差別。也進一步表明重力變化主要是伴隨應力作用和構造運動的增強引起的斷層深部物質變遷和構造變形的效應。

分析山西中部太原盆地內部分測段段差時序變化特征可以看出（圖5f、g）：中部與北部測段呈現相同的下降趨勢，但是變化量級較北部測段小，最大差異約為（15×10-8～20 ×10-8）m/s2，也間接表明了太原盆地內構造活動性相對較弱。

如圖5h、i所示，山西南部的跨斷裂測段從2013年開始出現明顯的轉折上升趨勢，和區域重力場的正變化特征一致（圖2、3），我們認為在能量累積的大背景下該區域的斷裂構造有可能開始變得活躍起來。

在對山西南部地區不跨斷裂測段段差進行分析時發現，同樣是不跨斷裂的，位于臨汾盆地內的襄汾—侯馬測段（圖6c）比處于盆地外的安澤—張店測段（圖6b）變化趨勢更為劇烈，根據2個測段的分布所示，這也間接反映了在周緣斷裂的控制和局部應力作用下，臨汾盆地的構造活動呈現加劇趨勢，位于山西南部的運城地區于2016年3月12日發生了44級地震。

3垂直形變效應

由于地表重力變化既是對深部物質運動信息的反映，同時地表變形運動也會對重力變化產生一定影響。一般來說，考慮地表垂直變形產生的重力效應時，把垂直形變δH產生的重力變化δg用自由空氣校正公式（曾華霖，1999）表示：δg=-0308 6δH，即每抬升或下降1 cm，將引起約3086×10-8 m/s2的重力下降或上升變化。目前高精度垂直運動觀測主要通過區域水準觀測來獲取，但由于其觀測周期長，無法與重力觀測同步，只能利用有關水準測量成果粗略估算地表垂直運動對重力變化的影響（申重陽等，2009）。

本文利用由精密水準觀測結果解算的垂直向位移信息，獲得山西北部和晉冀蒙交界范圍內2006—2013年期間的垂直形變速率，如圖7所示（水準測量和計算結果由一測中心監測二隊完成提供）。

垂直形變場反映出晉冀蒙交界地區山區上升、盆地下沉的運動格局，總體小于10 mm/a。按前述自由空氣校正公式和垂直形變年速率計算，研究區高程變化對重力場的影響每年不超過3×10-8 m/s2。

在北部的集寧—清水河一帶為主要的相對隆升區，南部太原—陽泉—石家莊地區相對下降，下降速率并不大，平均為4～8 mm/a。圖2b顯示該區域同期的重力呈現負變化，重力和水準并沒有呈現理論的負相關關系，分析認為該地區可能由于華北地下水開采導致地面下沉和重力負變化。

4相同時間尺度的GPS應變場與重力變化特征在深入分析山西斷陷帶及鄰區近年重力變化特征后，本文嘗試將相同時間尺度的重力場和GPS觀測反映的應變場相結合，初步探討山西斷陷帶地下物質密度變化引起的地表重力變化與反映地表微形變的應變場的時-空變化特征的一致性。

最大剪應變反映的是局部區域構造活動性的強弱，面應變的值在一定程度上反映了地殼中應變能的狀態及大小，負值表示該區收縮，正值表示該區膨脹。

2013—2015年山西斷陷帶的重力場和應變場的變化特征整體顯現出：在重力場正負變化零值圖82013—2015年山西地區重力重力變化（單位：10-8 m/s2） 2013 and 2015線附近基本對應著最大剪應變的幾個高值區，同時面應變表現為擠壓收縮和膨脹拉張變形的過渡區域，表明這段時間內隨著應力積累局部應變持續增大，地下物質密度產生變化，這些地區的構造活動性處在一個較強的狀態，同時存在部分小震活動；研究區東南部面應變和重力變化的零值線都沿太行山山前斷裂展布，說明斷裂兩側的重力場和面應變膨脹率分別呈現2種不同的狀態，二者具有一定的共生性特征。值得注意的是，面應變結果顯示在五臺—陽泉區域形成了負值中心，最大剪應變顯示該地區相對閉鎖，位于幾個構造相對活躍的中心，同一時期的重力變化特征顯示在同一區域表現為重力累積正變化，說明該區域地殼中應變能在周邊膨脹拉伸的包圍下處于擠壓收縮的狀態，深部物質向該區遷移，導致局部區域密度增高，這也進一步表明GPS所揭示的地表微形變是對物質運移的一種間接反映，與地下物質密度變化具有較好一致性。

由于本文旨在嘗試對比相同時間尺度的重力場和GPS所揭示的應變信息的相關性和時空一致性，又由于流動GPS觀測反映的垂向位移變化精度較低，其誤差與變化量基本在同一量級，難以在重力觀測誤差精度中得到認證和分辨，故文中并沒有列出GPS垂向變化結果。

5結論及認識

通過處理分析山西及鄰區2009—2015年重力場及其水平總梯度的動態變化特征，結合重點地區跨斷裂測段的段差時序變化特征詳細分析局部地段的異常特征，最后將相同時間尺度的重力場和應變場放到一起，初步探討山西斷陷帶重力場變化與反映地表微形變的速度和應變場的時-空變化特征的一致性，得到以下初步結論：

（1）山西北部陽原—大同至晉冀蒙交界區域在累積重力場變化中表現為持續的負變化，重力場差分變化特征在該地區出現了由負到正變化的演化過程，且等值線發生了近90°的彎曲，顯示出大同盆地及其周緣的NE、NEE向的口泉斷裂、恒山山前斷裂、六棱山山前斷裂等活動構造區域具有一定的重力孕震特征；山西南部臨汾—夏縣一帶在多年的累積變化中呈現重力上升趨勢，體現了該地區能量在不斷積累，在最新的一期重力場差分變化中突然發生由正到負的大面積反轉，并于2016年3月12日發生了運城44級地震。

（2）近期的重力場動態變化顯示晉冀豫交界的邯鄲—安陽一帶沿太行山山前斷裂形成了正負差異達100×10-8 m/s2左右的高梯度帶，并在安陽附近等值線發生轉折彎曲，同時最大剪應變也顯示該區域處于相對高值活躍期，應予以關注。

（3）重力水平總梯度具有比重力異常更高的分辨率，根據一年尺度的重力水平總梯度的動態變化特征，更加直觀地顯示出，在山西北部恒山斷裂、六棱山斷裂和口泉斷裂附近的陽原—大同一帶、南部中條山斷裂的運城—夏縣一帶和中東部的太行山斷裂安陽附近，形成了水平總梯度的高值區集中區，與重力場所反應的異常位置十分一致且異常更為明顯。

（4）跨斷裂測段段差的時序變化較好地突出局部地段的重力異常變化特征，也間接反映了山西北部的大同盆地和南部的臨汾盆地在周緣斷裂的控制下正處在一個相對活躍的時期。

（5）研究區內由地殼垂直運動引起的地表重力變化較為有限，重力場變化是對地殼深部介質密度變化和物質遷移過程的主要反映。

（6）通過對比分析認為相同時間尺度的重力場和應變場有較好的對應關系，聯合分析重力和應變場有助于對地殼形變和深部物質的變化產生的孕震機理獲得更深刻的認識。

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