江蘇常州4.2級地震前的重力變化

宋 浩 范文華 蔣 成 王 維 李婷婷 吳曉峰 代憲鵬

1 江蘇省地震局，南京市衛崗3號，210014

地表重力場動態變化包含了十分豐富的地殼構造運動和地震活動信息，一直以來都是地震監測預報研究的基本信息源[1-9]。2021-12-22江蘇省常州市天寧區(31.77°N，119.98°E)發生4.2級地震，震源深度8 km，震中位于無錫-宿遷斷裂東南側1 km處。本文利用江蘇重力監測網2019～2021年流動重力測量資料，分析不同時間尺度下的重力場變化與常州4.2級地震間的關系。

1 區域構造背景

蘇錫常斷裂為無錫-宿遷斷裂(亦稱為無錫-江都斷裂、湖區斷裂、沿湖斷裂、五湖斷裂)南段的組成部分，斷裂西南側曾發生多次中強地震，如999年常州5級地震、1501年蘇州4級地震；在無錫-宿遷斷裂與幕府山-焦山斷裂交會處的揚州、鎮江地區，還發生過1624年揚州6級地震。

2 常州4.2級地震前重力場變化

2.1 江蘇重力測網及數據處理

20世紀70年代起，江蘇省地震局持續開展省內流動重力測量，1991年開始使用PDA手持終端機記錄并產出電子數據，2008年開始進行每年2期的測量。江蘇省最新重力測網由5個絕對重力測點和123個相對重力點組成(圖1)，測網空間分辨率為20～50 km，從西至東基本覆蓋了沂沭斷裂帶、淮陰-響水斷裂、洪澤-流均溝斷裂、陳家堡-小海斷裂、茅山斷裂及無錫-宿遷斷裂等。

F1：沂沭斷裂帶; F2：淮陰-響水斷裂; F3：洪澤-流均溝斷裂; F4：陳家堡-小海斷裂; F5：幕府山-焦山斷裂; F6：茅山斷裂; F7：板橋-南渡斷裂; F8：無錫-宿遷斷裂; F9：南通-嘉定斷裂圖1 江蘇及鄰區重力監測網和構造Fig.1 Gravity monitoring network and structure in Jiangsu and adjacent areas

2019～2021年使用CG-5和Burris相對重力儀進行流動重力測量，聯測溧陽和日照2個絕對重力觀測點，采用實測數據標定重力儀一次項系數[7]。利用經典平差法對2019～2021年流動重力資料進行計算，得到測網每期重力點的觀測值。平差計算時需要反復迭代分配各臺儀器的先驗方差，以得到最佳計算結果。由表1可知，2019～2021年點值精度平均值均優于15 μGal，說明流動重力數據處理結果可靠。

2.2 震前0.5 a重力差分變化

重力差分變化能夠反映區域重力場的演化過程[8]，使用2019-10～2021-10相鄰2期流動重力觀測資料進行差分計算，得到4組0.5 a重力差分結果(圖2)。

表1 江蘇及鄰區重力測網數據處理精度

1)由圖2(a)可知，2019-10～2020-05江蘇及鄰區整體重力場呈北正南負的變化特征，變化量級為-40～30 μGal，常州4.2級地震震中位于NNE向重力變化梯度帶零值線西側。

2)由圖2(b)可見，與上期重力差分結果相比，2020-05～10重力場變化形態發生了反轉，呈北負南正的變化特征。但常州4.2級地震震中仍位于NNE向重力變化梯度帶零值線西側，且該零值線位置和形態與上一期差分結果相同。

圖2 2019-10～2021-10重力差分變化Fig.2 Differential gravity change from October 2019 to October 2021

3)由圖2(c)可見，2020-10～2021-05江蘇北部負變化的范圍縮小，形成以淮安為中心的負值區域，海域西側的陸地區域重力場呈反向正值變化。江蘇南部重力場仍呈正變化，且變化范圍向江蘇北部擴大，在南京-常州-無錫形成重力正值變化區域及NWW向重力變化梯度帶，常州4.2級地震震中附近零值線消失，重力變化值為30～40 μGal。

4)由圖2(d)可見，與上期重力差分結果相比，2021-05～10重力場變化形態再次發生反轉，整體呈北正南負的特征。江蘇北部以淮安地區為中心的負值區域縮小并北移，淮安地區北負南正，位于NWW向重力變化梯度帶零值線附近，東側形成以鹽城為中心的負值變化區域。江蘇南部及南京東西側形成2個重力負變化區域，常州附近重力場形成重力變化梯度帶，變化量級為-10～20 μGal，常州4.2級地震震中附近零值線再次出現，但展布形態由NE向轉變為NW向。

相鄰2期0.5 a重力差分結果顯示，常州4.2級地震震中附近重力場經歷了東負西正-東正西負-正變化-北負南正的演化過程，且有3次震中位于重力變化梯度帶零值線附近，震前1 a重力變化梯度帶發生偏轉，由NNE向轉變為NWW向。

2.3 震前重力1 a差分變化

利用同月份觀測資料進行差分計算，可以減小季節性變化帶來的影響。本文利用2019～2021年6期流動重力觀測資料，將相鄰年份的同月份觀測資料作差，得到4組1 a重力差分變化結果(圖3)。

1)由圖3(a)可知，2019-05～2020-05江蘇及鄰區重力場呈南正北負的變化特征，在常州附近形成與無錫-宿遷斷裂走向基本一致的重力變化梯度帶，變化量級為-20～20 μGal。

2)由圖3(b)可知，2020-05～2021-05江蘇及鄰區重力場整體仍呈南正北負的變化特征，常州附近重力變化梯度帶發生近90°轉折，在南京-高郵-鹽城形成新的重力變化梯度帶，變化量級為-20～20 μGal。常州4.2級地震震中附近出現明顯的零值線拐點。

3)由圖3(c)可知，2019-10～2020-10江蘇及鄰區重力場被NW向零值線分割，呈東北正西南負的變化特征，該零值線在常州附近出現轉彎，由與NW向無錫-宿遷斷裂走向一致轉為垂直于無錫-宿遷斷裂的NE向。

4)由圖3(d)可知，2020-10～2021-10研究區重力場以正值變化為主，在常州東南和西北形成重力變化梯度帶，常州4.2級地震震中WNN側出現封閉零值線，其內部呈負重力變化，而震中東南側呈正重力變化。

由此可知，震前2 a內，每1 a重力差分結果顯示，重力變化零值線一直在常州附近出現。

3 重力變化與常州4.2級地震

常州4.2級地震震級較低，累積的能量較少，重力場變化范圍和變化量級也較小。有學者認為，以當前流動重力觀測技術的能力和觀測精度，在測網密集地區可以捕捉到4級左右地震震前40 km范圍內的重力場變化，測網的空間分辨率應達到20～30 km。準確獲取30～40 μGal重力場變化則要求觀測精度不低于15 μGal[9]。江蘇省蘇南地區流動重力測網密集，觀測精度一直保持在15 μGal以內，使得捕捉4級地震震前的重力場變化成為可能。常州地震震前0.5 a及1 a的重力差分結果也顯示，震中附近均出現局部重力場變化，且震中始終位于重力變化零值線附近。

常州地震震中附近有常州、無錫、蘇州、上海和吳市5個穩定測點(圖4)，其時序變化能反映地震孕育過程。圖5為2019-05～2022-01重力值時序變化，圖中清晰反映了常州4.2級地震震前4個測點的重力變化呈下降-轉折上升-持續上升-反向變化的特征。震中附近無錫、蘇州、上海、吳市測點重力值時序變化特征顯示，常州東側正異常變化活躍：2019-05～2020-05重力值呈減小趨勢，2020-05～2021-10重力值呈同步增大趨勢，2020-10四測點的重力值均達到最近2 a的最大值，2022-01震后加密觀測顯示，四測點的重力值均減少約20 μGal，恢復到震前平均水平。

圖4 震中附近測點Fig.4 Point measuring near the earthquake center

圖5 測點重力值時序變化Fig.5 Time change of gravity value

4 結 語

常州地震震中附近2019-05～2020-05正負重力變化過渡帶的零值線走向與2020-05～2021-05的結果相比發生了約90°旋轉，2019-10～2020-10正負重力變化過渡帶的零值線走向與2020-10～2021-10的結果相比也發生了約90°旋轉，常州4.2級地震發生在零值線走向旋轉之后。流動重力觀測數據較好地反映了常州4.2級地震的前兆現象。

1)0.5 a尺度重力差分變化結果較好地反映了此次地震下降-轉折上升-持續上升-反向的變化過程及零值線附近發震的演化過程。

2)年重力差分變化分布顯示，零值線一直在常州附近出現，并在鎮江-常州形成與無錫-宿遷斷裂走向基本一致的重力變化梯度帶，常州4.2級地震發生在重力變化零值線附近。

致謝：感謝國家重力臺網中心提供的野外觀測數據。