华北地区重力场变化特征研究

华北地区重力场变化特征研究

苏树朋,张纳莉,史彦华,王顺昌,刘洪良

(河北省地震局保定中心台,保定 071000)

通过对1992～2008年间各期观测资料进行全时空扫描,分析华北地区网区重力场的演化特征,总结震前异常的形态、持续时间和变化幅度,指出重力场空间变化易于发生地震的部位,并对一些问题进行讨论。结果显示:华北地区重力场总体变化不具明确规律性;大量测点存在明显的背景性趋势性异常变化;重力场变化与网区及周边地区中强地震的活动联系密切,较明显的重力场异常反应多发生在震前2年左右时间,且常伴有大面积高值异常区出现。重力变化“0”线、高梯度带、异常中心(含极值)附近是重力场空间变化易于发震的部位。

华北地区;流动重力;变化特征;地震;异常

0 引言

地震的孕育和发生同重力场变化之间存在着密切的联系,流动重力测量的主要目的是监测地震危险区重力场随时间的非潮汐变化,研究地震孕育、发生、调整过程中的重力场时、空、强变化特征,探索地震预报,具有测量速度快、覆盖面大、灵活机动等特点,能有效地监测地壳运动和地球内部的构造活动[1]。华北地区的流动重力测量经过多年来的连续观测,已积累了丰富的监测资料,为我们的相关研究提供了大量素材,笔者对华北地区的流动重力观测资料进行了较为系统地研究,总结出重力异常变化特征,并将针对研究过程中发现的一些问题进行讨论。

1 资料概况

1.1 华北地区构造概况

华北地区是我国板内现代构造活动和地震活动都较为强烈的一个构造区,主要由阴山—燕山断块、鄂尔多斯断块、太行山断块、冀鲁断块、豫皖苏断块等构成。块体围限边界主要有开原—赤峰断裂、青铜峡—固原断裂、山西断陷带、太行山山前断裂、商县—镇平—信阳断裂、郯庐断裂。华北地区在呈现明显的分块构造特征的同时,又是强烈的形变区,断块间的相互作用使每一断块内又产生了许多毛细断裂,致使华北地区断裂纵横交错,构成了复杂的形变特征[2-4]。

1.2 流动重力测网概况

河北省流动重力测量始于20世纪70年代,观测方式为相对重力观测,1986年后测量仪器采用拉科斯特重力仪。现有4个测网,包括华北火车网及文霸、邯安、刑台3个汽车测网共97个测点,基本情况如表1所示。观测点位地理分布如(图1)所示,其中火车网测点用五星符号表示,其它3个汽车测网测点则用较小的三角符号表示。观测点位总体布设在区域构造带部位,用以监测相应的构造活动。

表1 华北地区流动重力测网总体情况表

图1 华北地区流动重力测网点位布设图

1.3 资料计算及图示方法选取

观测资料的计算处理采用中国地震局推广的实用化攻关软件“L GADJ高精度重力测量资料处理系统”进行,计算过程中对固体潮、气压、仪器高等相关干扰因素项目进行了改正,采用自由网平差方法进行平差处理。自开始施测以来,观测资料的点值精度及后验中误差等观测精度指标总体较高,质量可靠。对于复测资料的分析研究及异常判别主要参照《重力学地震预报方法指南》及《强地震中短期预报方法及其效能研究》相关内容进行。

笔者对1992年来的流动重力观测资料进行了较为系统地分析研究。分析过程中借助的图示方法以重力变化平面图为主,制图工具软件为surfer8.0,观测数据网格化方法采取精度较高的克里格方法[5],对于出现较明显异常反应的震例,为突出异常测点的局部动态变化,则同时绘制相应测点的重力点值时序变化图。讨论过程中注意了重力前兆异常信息的提取原则[6]:①重力点值时变图注重趋势性(单调或基本单调变化)、持续性和异常幅度(达到观测精度2倍);②重力场空间分布变化图则注重区域性(异常分布连续或基本连续)、持续性(异常形态随时间的延展)和异常幅度。为保证异常信息的可信度,对空间域出现孤立变化的个别测点进行了对比剔除处理。

工作过程如下:①首先对测点由于迁点、破坏等原因造成的观测曲线不连续变化(台阶),依据联测值进行了修正,得到各测点的连续时变资料;②以前期观测结果为计算基准,通过逐期计算相邻测期间各测点的重力变化值,建立数据文件,进行网格化处理,进而建立了1992年来各测网的重力场空间分布变化图,共140幅;③对各期图件资料进行对比分析,总结网区及周边地区4级以上震例发生前网区重力场的动态演化过程和特征,提取重力场异常变化信息,初步建立起利用华北地区重力场动态图像进行中强地震预报的指标体系。

1.4 震例选取

分析过程中选用了1992年至2008年6月发生在网区内及周边100km范围内的4级以上震例与周边200km范围内5级以上震例,共107个,其震中地理分布如图1所示。

2 重力场变化特征

2.1 重力场变化的一般特征

(1)重力场总体变化不具明确规律性。①区域重力场变化的整体特征不明显,重力场变化的空间分布不具规律性,说明网区构造复杂,应力场不强,且方向多变[6]。②各期的重力场变化形态图像都有明显变化,重力场处于动态变化,表现形式也较为复杂,包括增加、减小、迁移、反转、扭曲等多种现象,反映出网区构造活动的普遍性与复杂性[7]。③震前未发现规律性的与构造相关的重力变化高梯度出现。据其它测区相关研究结果,震前重力场均出现重力变化高梯度带,高梯度带的走向与活动构造的走向一致,地震就发生在重力变化高梯度带靠近0等值线的附近[8]。但通过笔者的观察对比,发现华北测区的重力场变化并不明确具备类似特征,这一方面可能与测区构造活动的普遍性与复杂性及同期多个震例的综合影响有关,另一方面与测网点位的客观地理布局直接相关(参见图1),3个小面积汽车测网内鲜有震例发生(共仅有3例,且2例处在周边中强地震多发期),而涵盖大量震例震中位置的华北火车网点位稀疏,平均点距约200km,无法展示局部构造的重力场变化空间分布的细节特征。

(2)各测网均有大量测点存在明显的背景性趋势性异常变化。通过对1992年3月～2008年3月16年间的重力累积变化量总结,发现网区大量测点存在基本单调变化的现象,譬如火车网中东部(以沧州、保定为中心地区)、邢台网大部、文霸网东部和南部、邯安网中北局部均存在重力变化高值区,对照测点的点值时序变化曲线,发现大量测点存在基本单调上升的背景性异常变化,且多数测点变化速率较为稳定。这些点位的地理分布同区域构造分布间并无明确联系,表明重力场非潮汐变化观测结果中含有明显的长期变化成分,有待于深入研究。在利用相关测点资料进行地震活动趋势分析时,要参照其背景变化形态和平均变化速率,对其变化方向转折、速率变化等现象给予关注。

(3)重力场的变化速率与网区及周边地区中强地震的活动水平有明显联系。重力场变化较为剧烈阶段多对应中强地震活跃期,表明地震的孕育和发生同重力场变化之间存在着密切的联系。譬如1996～2003年为华北地区地震活跃期,网区及周边地区共发生4级以上地震66例,而该段时期也基本对应了4个重力测网重力场变化的活跃期,网区重力场变化幅度较大,逆转频繁(图2)显示了华北火车网3个测点的重力点值时序变化与同期周边地区4级以上地震活动M-T图的对应情况。

图2 M-T图与华北火车网大同、天镇、张家口测点测值时序变化图

2.2 震前重力场异常变化的一些特征

通过全时空扫描及对比分析,笔者总结了网区及周边地区4级以上的震例发生前网区重力场的动态变化过程和特征。网区及周边地区5级以上地震的能量相对较强,对网区重力场的影响作用也相对明显,表2总体概括了主要的5级以上地震发生前网区重力场的主要异常变化过程。

(1)异常变化形态

通过对震前出现较明显异常变化的震例进行总结,发现震前重力场均伴有变化速率明确转变的过程,或转折,或加速,且多数伴有重力场明显下降的过程,参见表2;重力场异常变化形态在局部地区表现出较好的规律性,如文霸测网在1998年1月10日张北—尚义6.2级、2002年4月22日内丘5.4级、2006年7月4日文安5.5级[9]3次5级以上地震前均出现“持续下降—转折上升”的变化过程,邢台测网的总体下降变化同周边4级以上地震有良好的对应关系等,由此可丰富我们相关的地震危险判定经验。

(2)异常持续时间

较明显的重力场异常反应多集中出现在震前2年左右时间内,参见表2。

(3)异常幅度

部分震例引起了明显的重力变化,其幅值一般在几十微伽,严格量值不易确定,重力场变化的量值与相应震级之间并不存在明确的对应关系。震前重力场一般都会出现变化过程,但变化幅度同震级及震中距之间并不明显存在准正比或准反比的对应关系。

(4)异常和地震的对应关系

大面积的高值异常区对中强地震的短期发生具有较强的警示作用,如2002年内丘 ML5.4级地震前邢台、文霸测网(图3)、1998年张北6.2级地震前火车网北部、文安5.1级地震前文霸测网[9]都曾出现大面积的高值异常区,其中文霸、邢台网异常量大于30μGal,火车网大于60μGal,和地震有较好的对应关系。

(5)潜在危险区的判定

重力变化“0”线附近、高梯度带、异常中心(含极值)附近是几个具有明显特征的中强地震危险区,未来中短期内的地震往往发生在这些特殊的重力变化部位,在我们进行地震危险区预测工作时具有参考价值。譬如在图4a中,未来一年中网区内的几次4级以上地震均发生在华北火车网年度重力变化“0”线附近,而1998年1月10日张北—尚义6.2级地震则发生在重力下降最大值区附近(图4b)。

表2 一些5级以上地震发生前流动重力测值的异常变化表

图3 2002年4月22日内丘5.4级地震前邢台、文霸测网重力变化平面图

图4 华北火车网2期重力场空间分布变化与未来一年中发生在网区的4级以上地震示意图

3 问题讨论

(1)关于异常判定指标

异常判定标准给我们提供的是异常判定下限的数量标准,中国地震局1998年《地震重力测量规范》中规定异常下限为30μGal。但笔者认为对此应灵活掌握,譬如文霸网中东部大量测点存在较为明确的基本单调上升背景性异常变化,在未对其进行滤除处理之前,若相应地区测值出现的准群体性下降变化,表明重力场变化方向在较大范围内出现转折,有可能是中强地震中短期异常反应,即使幅度不大,也应密切关注。

(2)异常变化量值与震级的关系

二者之间往往不存在明确的对应关系,出现这种现象的原因可能是:①施测时重力仪所测得的是当时测点地下物质密度大小决定的局部真正地球引力场值、测点及其周围地下水位值、地面升降所决定的引力场值、各种外界干拢因素影响及人工测量误差值的代数和[10],叠加有多种影响因素;②从震源体来看,不同的构造部位、发震机制、震源深度、震中距也可能会使地震孕育过程中产生的重力变化的量值、过程、速度不尽相同;③由于施测周期的局限,我们在测量时所测得的仅是重力场变化过程中某一时刻的重力值,无法保证每次测量时重力场均处在异常变化的理想时段,无从保证测出重力场的最大变化量。

(3)重力变化形态

地震形成过程中,重力是增加还是减少,这主要取决于地震形成过程中,引起重力变化的因素是以地面变形为主,还是以介质密度变化(包括质量迁移)为主。它涉及到震源物理过程的问题,显然不能用一种形态表征不同震源机制所引起的重力变化过程,比如有些断裂带在应力作用下压缩阶段很短,很快转入大规模的地面隆起,震源体内和周围密度变化及质量迁移不明显,这时在离散的重力重复测量中可能观测到重力减少现象。反之,如果有些地带或震源体在应力作用下虽然有地面变形,但隆起不明显,而其密度变化和质量迁移较显著,这时则可能主要观测到重力增大的现象,如果此时又有地下水的影响,则变化形态将更为复杂[1]。

(4)震前重力场无明显异常变化

少数震例发生前未观测到网区重力场的明显变化,此类情况很可能是由于:①测段所跨构造与发震构造无任何相关地质构造关系或二者间有深大断裂阻隔了应力的传递所造成[10];②测点地球引力场发生了变化,但在地壳形变、地下水等因素的综合影响下,重力变化量被明显削弱。③陈立德提出的“强震震源硬化模型”从震源机理的角度对此进行了解释[3],其主要思路是:地壳内发育的大量断裂将地壳分割成若干大小不等的多层弹性板状单元体(块体),地壳介质的空间分布及地壳应力-应变状态都具有不均匀性,随着局部应力的积累,当单元体应力水平达到破裂应力80%以上的高应力状态时,某些单元体产生位移、出现微裂隙,出现形变异常和发生物质迁移和交换,引发重力等前兆异常出现。但是也有少数单元体,由于特殊的地体环境、结构和介质条件等原因,当应力水平达到破裂应力80%以上后,不产生位移和微裂隙,其介质刚度反而出现较周围地区相对增大的硬化过程,这样的单元体就观测不到前兆异常。区域应力场继续增强,震源区地壳岩石将进入破裂成核、破裂失稳阶段。

(5)无震异常

个别阶段重力场曾出现变化较为显著而没有相应震例与之对应的过程。对此的解释是[10]:在应力积累的过程中,地下物质的密度发生缓慢的、不可逆转的渐变,或应力积累的速度不够快、量级不够大,因而未能引起地壳的局部破裂(地震),只使构造产生了蠕动或微运动。在这2种情况下,就可能产生无震重力异常。受目前研究水平的限制,无震异常判定十分困难。

(6)流动重力观测的一些影响因素讨论

在诸多地球物理场中,重力场是受外界因素(如电磁场等)干扰较小的场,但在其时空变化过程中不能完全避免有些外界因素的干扰。而且在测量时,也存在人为因素造成的误差。在使用Lacoste-Rombeg-G型重力仪以后,气温、气压的干扰影响大为减少,且在资料计算处理过程中对气压干扰进行了改正,但地下水位、地面升降等因素的干扰却相对突出。据国内某些地震专家估算,这些因素的影响约±10μGal,人工测量误差约5μGal[10]。各地的具体地质条件、构造分布不同,相应的影响量值也有较大的差别,如有相关的形变场及地下水观测资料,可进一步进行相关分析,并依据有关计算公式进行重力测量的形变改正和地下水改正。其次,仪器的工作性能也会对观测结果造成明显影响,应严格依照《规范》要求对相关仪器性能项目进行认真检查和调整。另外,华北火车网点位稀疏、点距过大,测段观测时间间隔过长、震动较多会由于仪器漂移特性导致测量结果有较大误差。

(7)部分点位测值基本单调变化现象的讨论

华北火车网、文霸测网东部等地区重力场变化存在重力场基本单调上升背景性异常变化(图5a),在此进行初步探讨。孙铭心等[11]为讨论天津地区一直是重力高值区的原因,曾到天津水文部门收集地下水资料,发现该地区长期以来由于大量抽取地下水而导致地面沉降,并由近年首都圈地区地壳垂直形变等值线图中发现,天津是负等值线高梯度区。由此推断该地区的重力高值主要是由于大量抽取地下水造成地面沉降所致。河北省流动重力测区类似现象是否为相同原因所致呢?永清、雄县地下流体观测井位于文霸重力测网中部偏东的重力场变化高值区,其近年测值呈现趋势性上升变化(图5b),表明地下水位持续下降。其年变速率分别3.4m/年和2.9m/年,相差不大。2测井附近的文霸网史各庄、霸州、文安3测点保持基本单调上升变化趋势(图5a),上升斜率同两井水位变化也较为接近,鉴于华北地区普遍存在地下水位下降而导致地面沉降的现象,由此笔者推测文霸测网中东部地区重力场基本单调上升现象是由于上述原因造成的,但缺乏相关的形变或 GPS测量资料支持,对测量结果亦无法进行相应的高程改正计算。目前高精度的 GPS观测精度已经达到毫米级,可以用于大面积地形变监测,地震系统已有部分流动测量队伍与重力测量相配合,开展了 GPS观测作业。河北省的流动测量也应仿效,通过参照监测区形变场资料进行重力观测结果的相关改正,可以在很大程度上增强重力资料对测区构造活动的反映能力,提高资料使用价值,并有利于开展监测区物理场的综合研究工作。

图5 部分基本单调上升的重力点位测值与附近测井水位测值时序变化图

4 结束语

流动重力测量是传统而重要的地震监测预报手段,笔者对华北地区的重力场变化特征进行了初步的研究总结,并对其中一些笔者注意到的问题进行了讨论。鉴于测网数量较多,对河北省的流动重力观测资料进行系统研究的工作任务较为繁杂,且各测网复测时间间隔较长,其重力变化与网区和周边地区孕震过程的关系,有待进一步探讨。

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Study on the Characteristics of Gravity Variations in North China Area

SU Shu-peng,ZHANG Na-li,SHI Yan-hua,WANG Shun-chang,LIU Hong-liang
(Baoding Central Seismostation,Baoding 071000,China)

This paper analyze the characteristics of gravity variations in the observed area in North China using space-time scan method on basis of gravity data from 1992to 2008.The shape,duration and magnitude of anomaly before earthquakes are summarized,and the earthquake prone region in the spatial variation of gravity field is presented.The results show that the variation of gravity field has no obvious regularity;a lot of sites show clear tendency anomaly;the variation of gravity field is correlative closely with the earthquakes in and around the net,and most of the anomalies occur 2years before the earthquakes;0gradient line,high gradient zone and extreme center of gravity field are the earthquake prone region.

North China area;mobile gravity observation;characteristics of variation;earthquake;anomaly

P315.72

A

1003-1375(2010)01-0052-07

2008-12-23

河北省地震局2008年度青年地震科学基金项目

苏树朋(1975-),男(汉族),河北省博野县人,保定中心台工程师,主要从事前兆观测工作.E-mail:ssp-11@163.com