地震重力异常形成机理及其在地震预报中的作用①

褚庆忠，武 泽，邵先杰，李 辉，陈 禹

（燕山大学，河北 秦皇岛 066004）

0 引言

我国是地震灾难最深重的国家之一，历史上有记载的较大地震有4400次［1］，全国有60% 的国土、50% 的城市、67% 的大城市位于Ⅶ度及以上烈度区［2］，因此预测地震具有十分重要的意义。长期以来，人们为寻找有效的地震预测方法从不同的角度开展不断深入的研究［3］。由于地震孕育和发生的地球物理过程非常复杂，使得地震的预测问题仍然没有很好地解决，地震的预测预报研究仍是当前最具争议的国际性重大课题和难题［4］。在地震发生前有很多预兆，重力异常就是其中一种。本文就重力异常与地震的关系及其对预测地震的作用做了初步的研究。

1 地震重力异常及其形成机理

1973年6月日本北海道地震前后，曾经作过重力测量，结果发现使用拉科斯特重力仪分别复测过四次，均有100微伽的重力变化［4］。此后在1976年唐山大地震发生期间、1968年新西兰因南格华地震前后以及2004年印度尼西亚的苏门答腊岛附近地震发生前后也曾测量到重力的变化。这些观测证实了重力会伴随着地震而变化。从地震预报的角度看，很有必要对其原因及地震前后的重力变化特征进行深入的研究。

地壳在变形过程中密度发生改变，该过程中还可能有质量的迁入迁出，引起重力发生变化。为了说明重力变化原因，我们必须分析由上述两个因素所带来的影响。假设形变区相对于地球很小；形变区密度均匀，且变化量也均匀，主要为线应变；形变区发生应变后，重心位置保持不变。如图1所示，P点在Q点引起的重力变化可以用下式来表明：

图1 地壳变形引起重力变化示意图Fig.1 Schematic diagram of gravity changes caused by crustal deformation

式中第一、二项代表由于地下质量迁入引起的重力变化；第三项代表变形带来的测量点地面高程变化，从而引起了重力变化。可以看出：当地层遭遇挤压时，密度升高，重力值增大；当有外部流体等质量迁入时，重力同样增大。另外测量点地面高程的变化所引起的重力变化也同样不可忽视。

据此可以推断：地壳在构造运动作用下各处发生挤压或拉张形变，重力必定处于不平衡状态；在均衡力作用下，地壳试图恢复到平衡稳定条件，这样的过程中，重力也在不断调整变化；当地壳膨胀上升，可能有流体或地面侵入，同样会改变重力分布情况。而在地震即将发生时，这一过程必定会更加强烈，反映出来的重力变化也更为集中。

2 研究实例

以下地震实例中可以清晰地看到地震前重力异常现象十分明显，震中附近重力不断发生变化，且重力梯度较高。在地震孕育过程中有着较强的构造活动，在断层带、地壳薄弱区产生较大的形变，从而形成一些地壳厚度差异带、密度差异带，并以重力异常现象反映出来。

2.1 玉树地震前后重力变化

2010年4月14日时49分37秒，在我国青海省玉树县发生了MS7.1地震。大地构造上玉树震区处于青藏高原中部，巴颜喀拉地块与羌塘地块交界的金沙江缝合带附近［6］。地震发生在NWW走向的玉树—甘孜断裂上，这一断裂带具有左行平移逆冲性质，历史上曾有多次活动。而玉树震中地区的重力变化过程为缓减—缓增—缓减—剧增，推测此次地震前是地层挤压形成的，或有地下流体侵入带来地层剧烈活动。

图2 2010年玉树地震前不同时间段重力变化图［7］Fig.2 Gravity variation in different periods before the Yushu earthquake in 2010［7］

1998—2000年玉树周边地区重力场以负值变化为主，变化平缓，而在其西北方向重力异常集中，由时间与地点推测为2001年昆仑山口西8.1级地震的前兆现象；2000—2002年玉树周边地区重力场以正值变化为主，变化趋势与上期相反，变化同样平缓，四川盆地以负值变化为主，马尔康地区重力变化高梯度带；2002—2005年仍以负值变化为主，玉树震中出现了－70×10－8m／s2的重力变化，马尔康—雅江—汶川地区重力梯度仍较高，达到了－70×10－8m／s2，是汶川地震的重力前兆；2005—2008年整个测区重力变化十分明显，正负相间现象突出，玉树附近重力变化达到了100×10－8m／s2［7］。从图2（a）、（b）、（c）、（d）可以看出，重力异常在不断地向地震重心移动。

2.2 唐山地震时重力变化

1976年7月28日唐山地震前，重力复测资料经过一系列校正后仍有100×10－8m／s2的重力变化。唐山地震前的1976年7月震中以北不远的一条长约270km的EW向剖面东段的重力增大，最大达165×10－8m／s2。地震刚发生后，1976年7月29日整个剖面的重力略有减小；同年8月重力继续减小［8］。

由图3可以看出，地震前震中地区重力曾出现重力增大，最大可达200×10－8m／s2，即使排除地下水、监测点地面高程变化等影响因素，重力异常现象仍然十分明显；而后重力开始下降；地震后重力基本恢复到震前水平。震中东部在1970—1975年期间地面抬升速率为5mm／a，可认为该处地层地震前遭受挤压，部分地面升高，且由外部质量涌入，造成重力上升；在地震爆发后得到释放，应力应变情况得到缓解，因此重力下降。

图3 1976年唐山地震前后周边重力变化Fig.3 The gravity changes before the Tangshan earthquake in 1976recorded by stations nearby Tangshan city

2.3 汶川地震的重力变化

2008年5月12日汶川发生8.0级特大地震。据GRACE卫星重力观测，龙门山断裂带两侧震前1～2年西北盘重力变化持续增大，而东南盘持续降低，说明震前该断裂带有着明显活动［9］。

由图4可以看出1998—2000年之间汶川附近重力缓慢降低；2000—2002年重力急剧增大，附近的马尔康地区重力梯度较高，最高达到了100×10－8m／s2左右；2002—2005年该地区重力变化变缓，震中位于正负低值变化的过渡梯度带上；2005—2008年重力降低，周边变化梯度仍然较高。图4中4个重力测点有3个的重力变化趋势基本一致，都表现出缓慢减小—加速增大—减小的变化过程。

图4 2008年汶川地震前震中附近点重力变化Fig.4 The gravity changes before the Wenchuan earthquake in 2008recorded by stations nearby the epicenter

汶川地震位于青藏高原与四川盆地分界的龙门山逆冲断裂带上［10］，根据川西地区活动历史可知，该地区受青藏高原向东挤压，存在大型断裂带，有多次地震活动，而青藏高原挤压力的来源是印度洋板块俯冲作用。重力异常的向东移动和重力的两次反向变化反映了应力应变由西向东的运动，证明了板块运动正在不断加剧，从而使断裂带在各种应力的影响下发生地震。

3 重力异常在地震预报中的作用

地震是由构造运动、地下质量迁移、应力应变改变等各种因素引起的。而重力变化的缘由主要是地质活动带来的地壳变形和活动断层的物质变迁，它能够反映地震孕育过程中的地壳活动信息，包括区域的地层的挤压拉张、断层平移、地面的抬升下沉和局部的应力场变化。因此研究重力场的演化特征可以进一步探索当前构造活动情况，将中强地震从孕育到发生的整个过程与重力异常现象联系起来，为地震预报提供可靠的依据。地震预报实践表明，重力方法在地展预报中有其特殊作用［11］。可通过重力异常的研究，判断地下介质的质量和密度以及地壳弹性模量的变化，找出地震与重力异常的详细对应关系。

重力预报地震方法目前主要是流动重力观测和GRACE卫星观测。

（1）流动重力观测需要收集观测区重复重力观测资料，处理数据时采用统一起算基准的整体拟稳平差计算方法［12］：①选取测区中比较稳定的测点作为统一起算拟稳基准；②对多期数据进行独立平差计算，初步了解仪器精度，确定先验方差，然后对整体资料处理，得到最合理解释结果；③删除个别不重合点、偏离点；④利用高斯低通方法进行滤波，进行样条平滑，以进一步消除外界环境因素影响，突出显示构造因素的重力效应。

笔者通过对日本松代地区（1965年—1967年）、唐山（1976年7月28日）、北京高丽营（1978年10月3日）、宁夏灵武县境内（1984年11月23日）、辽宁海城（1975年2月4日）、云南龙陵（1976年5月29日）、云南省澜沧县竹塘乡战马坡村附近（1988年11月6日）、大同盆地的册田凹陷区（1989年10月18日）、辽宁省朝阳市（1994年10月22日）、云南省西南部的孟连县以西中缅边境（1995年7月12日）、甘肃永登县（1995年7月22日）、丽江（1996年2月3日）、陕西省泾阳县（1998年1月5日）、新疆伽师县（1998年10月）、甘肃省景泰地区（2000年6月6日）、昆仑山口西（2001年11月14日）、四川省甘孜州境内（2001年2月23日）、辽宁海城（2002年6月17日）、甘肃省山丹县东南部的霍城附近（2003年10月25日）、河南省濮阳与范县间（2006年4月9日）、河北文安（2006年7月4日）、甘肃肃南裕固族自治县境内（2008年3月30日）、四川汶川、北川（2008年5月12日）、青海玉树（2010年4月14日）、日本东北部海域（2011年3月11日）、四川炉霍（2011年4月10日）、青川—文县（2011年11月1日）等27个地区发生地震的流动重力数据进行统计分析，归纳出与地震相关的预报指标为：

①7～8级以上地震中期预报指标为：

异常时间：0.5～3年；

异常幅度：80×10－8～170×10－8m／s2；

发震范围：500km。

②5～6级中强地震预报指标为：

异常时间：5～12个月；

异常幅度：40×10－8～80×10－8m／s2；

发震范围：200km。

在分析资料过程中要考虑在时间上和空间上的趋势性，观测条件的变化，如点位挪动、联测精度等，同时在进行点值及其变化量相关分析处理时可以建立等值线图，分析重力异常集中区域的重力梯度变化，来推测未来震中区。还可以将重力数据和地面水准测量资料、地下水资料等结合，研究构造运动状态，了解地下物质迁移和地壳的应力应变现象，提高预测地震的准确性。

已有研究表明［13］，流动重力预报比较精确，可以用来预测中短期地震。

（2）查询相关资料发现，GRACE卫星观测数据中的的最大阶次为60阶的月重力场模型可以用来描述地震事件［14］。

使用该模型中需要扣除大气、海洋、极潮、固体潮、海潮等影响，并对时变重力场进行平滑滤波处理，通常采用高斯平滑滤波方法，从而获取某一区域乃至全球重力变化图像。而且采用年度重力变化信号可以更好地反映全球重力场中长期时间尺度的变化，更加突出大地震孕震过程中局部重力场的变化。

图5（a）为汶川地震前7个月（2007年10月—2008年4月）的重力场变化，图5（b）为震后7个月（2008年6—12月）的重力场变化。由图5可以看出：汶川地震前印度洋和东南亚菲律宾板块发生明显的重力正值变化，震后正值范围缩小，证明两大板块震前曾有较强烈碰撞运动，对汶川地震有重要的影响；震前震源南部重力正变化较小，震后重力增大到极值，反映了地震使得地壳发生强烈的局部变形和介质质量、密度等物理变化，这部分应力场和重力场也发生了相应的强烈变化［15］。

图5 来自GRACE的汶川8.0级地震前后重力场变化（单位：10－8 m／s2）［15］Fig.5 The gravity changes before and after the Wenchuan MS8.0earthquake by GRACE（unit：10－8 m／s2）

由此可以看出，大震孕育过程对卫星重力有着较为明显的影响，因此可以利用GRACE卫星测量来研究地震，但其探测能力还有待于重力卫星自身技术的提高和处理方法的改进。

GRACE卫星观测资料能清晰地看出板块运动，缩小提前观测地震重力异常的范围，可以用来进行地震的长期预报。

4 结论

通过对地震重力异常的成因分析，并结合玉树、唐山和汶川三个地震实例探讨了重力异常现象与地震之间的对应关系，得出如下结论：

（1）地震重力异常是普遍存在的，它与地震的孕育过程有一定的对应关系，可以利用重力异常来预测地震。

（2）流动重力观测和GRACE卫星观测是目前比较常用的利用重力异常预报地震的方法，前者可用于预测中短期地震，后者可用于预报长期地震。

（3）通过对地震带历史的研究总结出地震与重力异常值的对应关系，将多种地震重力预测方法结合起来，可以更为精确的预报地震，这将是今后一个重要的发展趋势之一。

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