2017年12月19日海城M4.4地震重力變化及機理研究

李玉森，底欣欣，臧石磊，李 偉，索 銳

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

2017年12月19日在遼寧海城地區發生M4.4地震，震源深度10km，震中烈度為Ⅵ度，震中位于海城河斷裂上。這是自1975年海城M7.3、1999年岫巖M5.4地震之后，在海岫地區發生的一次顯著的地震事件。2012年以來，遼中南地區地震活動性顯著增強，中小震相對活躍，一直是遼寧省地震重點監測區域。通過流動重力觀測對該區域進行持續關注和跟蹤，并在海城M4.4震前提取到相關的異常信息，結合全國典型震例（汶川M8.0、玉樹M7.1、廬山M7.0等）以及省內（燈塔M5.1、朝陽M4.6）震前重力異常的特征性指標[1-12]，深入開展對海城M4.4地震震前、同震期的重力變化研究，提取特征性的異常指標，展開重力變化機理研究，對于今后遼寧地區的地震監測尤其是重力探測具有重要的指示意義。

1 區域地震構造背景

海城M4.4地震中位于中朝準地臺東北部。地殼運動主要受太平洋板塊NWW向的俯沖作用，區域地質構造復雜，斷裂廣布。區域地震活動主要受郯廬深大斷裂帶控制，活動斷裂主要延NW、NE和NNE方向展布，有海城河斷裂、金州斷裂、太子河斷裂、莊河斷裂等，區域地塊相對破碎，新構造活動較為強烈[13]。

海城河斷裂是1975年海城M7.3地震之后提出的，并經過大量探測分析得到確認。該斷裂始于營口高坎，往東經海城、岫巖延伸到東港境內，全場100km，由一系列北西向平行展布的中小斷裂組成，走向320°，傾向SW，傾角50°～70°，寬度約10km，屬全新世斷裂。歷史上發生過海城M7.3、岫巖M5.4等中強震，2012年以后該區域中小震群相對活躍，多為淺源地震，其中最主要一次是2017年12月發生在海城的M4.4地震[14]。

從震源機制解看，海城M4.4地震斷層破裂走向呈NW向，斷層上盤向下運動，呈正斷層性質，以左旋滑動為主。初步斷定該次地震為左旋走滑略帶拉張性質的地震。這與1975年海城M7.3、1999年岫巖M5.4地震震源機制極為相似[15-16]，因此可認為，海城河斷裂是本次M4.4地震的發震斷層。

本文主要針對海城M4.4地震展開重力變化研究。測區內有1個絕對重力觀測點和69個相對重力觀測點，平均點距50km（圖1）。

圖1遼寧地區重力測網示意圖Fig.1 The sketch of gravity network of Liaoning Province

2 數據處理方法

遼寧地區重力觀測采用高精度拉科斯特重力儀（LCR-G型）[17]，每年4—5月和8—9月進行兩期測量，選取2016～2018年的4期重力觀測數據，外業觀測自差（小于25μGal）和互差（小于30μGal）均符合規范要求。由于測區范圍較小，本文采用一點控制的經典平差方法，合理確定各臺儀器的先驗方差，同時對一次項、固體潮、零漂和儀器高改正，得到最優計算結果[18]。2016年9月—2018年5月四期數據平均點值精度13.2微伽，精度較高，滿足本次研究需要。

3 重力變化分析

3.1差分變化和累積變化

以震前兩年為時間節點，分析研究不同時間尺度的重力變化空間分布特征。等值線圖采用克里金法插值法，等值線間隔10μGal，如圖2所示。

圖2岫巖M4.4震前重力變化空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of gravity change before Xiuyan M4.4 earthquake

圖2017-09—2016-05：從一年半的累積變化看，0值線在海城地區發生轉折，海城—岫巖以北正變化，以南負變化，分別形成以岫巖為中心的正變化區，變化量40μGal和以蓋縣為中心的負變化區，變化量-30μGal，并伴有正負變化高梯度帶，異常特征明顯。

圖2017-09—2017-05：整個遼中南地區，重力變化相對平穩，幅度在±30μGal之間，以海城、岫巖為分界線，以北為重力正變化區，以南為負變化區。0值線控制整個區域，并在遼陽、岫巖地區形成大范圍轉折，說明重力區域變化不均勻，具體表現為沿海城河斷裂出現差異的重力變化。2017年12月在海城地區海城河斷裂上發生M4.4地震。

圖2018-05—2017-09：遼中南地區在短期內出現大范圍重力反向變化，四象限特征初步形成，以海城為中心形成重力正變化高值區，變化量達40μGal。與上期相比，重力在短時間呈現由負轉正的變化過程，形成能量累積，具有明顯的短期重力異常特征。

圖2018-05—2017-05：通過震前測期和震后測期的實時比較，尚未出現明顯異常，說明震前的重力異常變化，在震后的快速恢復調整，已趨于正常。

3.2重力點值時序和剖面變化

選取震中附近兩條測線海城—熊岳和北鐵—岫巖進行點值變化時序分析，以2013年5月份測期為基期，結果如下：

圖3重力點值時序變化（左：海城—蓋縣；右：海城—岫巖）Fig.3 Change of gravity point sequence （Left：Haicheng-Gaixian；Right：Haicheng-Xiuyan）

圖3表明：NE向的海城—熊岳點值時序表明，沿金州斷裂北段的多個測點，從2015年5月到2016年9月，是一個平穩微降的過程，從2016年9月開始，重力值持續減小。而NW向的海城—岫巖測線，從2015年5月到2016年9月是個下降的過程，從2016年9月開始，重力值不斷增大，累積量不斷增加。兩條測線點值變化反向對應，并在1709-1605累積變化圖上形成一條NW走向的重力梯度帶。2017年12月海城M4.4地震發生在重力梯度帶附近20μGal的等值線上。

圖4蓋州—海城—岫巖重力剖面變化圖Fig.4 Change of gravity profile from Gaizhou，Haicheng to Xiuyan

圖4中，2條沿海城河斷裂的不同測期的重力剖面變化，具有一致性的特征。北東向跨海城河斷裂重力點值呈下降趨勢，2017年9月相比2017年5月，蓋縣和大石橋測點下降幅度不斷增大。北西向沿海城河斷裂出現明顯的異常形態，從析木—西腰—偏嶺是一個較大上升和下降趨勢，短期變化幅度達40μGal。從剖面圖看出，海城河斷裂附近，北東向和北西向出現差異的重力變化，而短期內西腰—偏嶺重力點值的快速變化是海城M4.4地震的一個主要因素。

4 重力變化機理

遼寧地區地處亞歐大陸東岸，地殼運動主要受太平洋板塊NWW向的俯沖作用影響，長期以來，遼中南地區一直處于隆升狀態，隆升構造背景在一定程度上反映了孕震的擠張性質；同時受到來自深大斷裂郯廬斷裂帶的控制，新構造運動較為強烈。海城M4.4地震發生在遼東半島北部，屬于左旋走滑略帶拉張性質的地震，與區域隆升的構造背景相對應。

累積變化看，震中東北部海城和岫巖等地形成大片的正重力變化區，有利于孕震能量的累積。震中西南部蓋州、熊岳等地的負變化區反映了孕震的擴容模式。與海城河斷裂近乎平行的重力變化高梯度帶，最大幅差在70μGal。短期的差分變化顯示震中附近重力變化表現為四象限的分布特征，這與海城M4.4左旋走滑的破裂機制相一致。點值時序和剖面圖表現為震中西南部重力值不斷降低，震中東北部重力值不斷上升。海城河斷裂附近，北東向和北西向出現差異的重力變化，而短期內西腰、偏嶺重力點值快速的升降變化充分反映了短期的異常特征。

震中東北部的正重力變化是地殼密度增大的一個表現，結合區域地質構造背景，認為是在太平洋板塊NWW向的俯沖作用下，遼東半島不斷隆升，地殼深處巖體受力膨脹，巖石孔隙增大，周圍地下流體不斷滲入，導致地殼密度增大、重力值增加。而震中西南部的蓋州地區形成重力負變化區，是地下流體外流，地殼密度降低的一個主要表現。由此形成震中東北部正變化，西南部負變化，并伴有正負變化高梯度帶的重力異常表現特征。

5 結論與討論

2017年12月19日海城M4.4重力異常主要表現為：

（1）一年半的累積變化顯示震中東北部呈正變化，西南部呈負變化，并伴有重力變化高梯度帶，最大幅差達70μGal。短期差分變化顯示，震前半年出現大范圍正負反轉變化和四象限特征，幅值在40μGal左右。0值線在海城附近出現轉折，方向由NE轉為SW。

（2）海岫地區重力點值時序變化呈一致性上升趨勢，重力不斷累積。重力剖面上顯示海城河斷裂附近出現差異的重力變化。

震中附近地質構造復雜，構造活動強烈，尤其是中小震群自2012年以來一直持續。結合區域重力變化和構造背景綜合分析，認為該次地震可能是由于遼中南地區地殼構造運動和地殼深部物質遷移共同所致。