辽宁地区重力场动态变化特征分析

翟丽娜，贾晓东，李彤霞，孔祥瑞

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）



辽宁地区重力场动态变化特征分析

翟丽娜，贾晓东，李彤霞，孔祥瑞

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

摘要：利用1：100万航空重力资料研究辽宁地区基础构造情况，计算莫霍面深度，分析辽宁地区基底构造情况；利用地震流动重力测量结果，总结2013年1月23日辽阳5.1级地震前后重力场动态变化情况，分析地震孕育、发生与重力场动态变化之间的关系，为今后地震预报提供一定的依据。

关键词：地震；密度结构；数据分析

0 引言

近年来研究表明重力是一种有效的地震预报方法，在地震孕育过程中，地壳变形和震源介质性质变化将会引起震区周围重力场的变化，重力场随时间变化特点与地震的形成和发展有着内在联系。通过重力场的时空动态变化，能较好地反映深部物质迁移与地壳密度变化等构造活动信息，为进一步探讨现今的地壳构造与强震孕育、发生的相互联系提供一定的根据。因此，通过定期进行重力重复测量，有可能捕捉到与震源变化有关的重力前兆信息。自1966年邢台地震后，我国开展了大量的地震重力测量设施建设和方法研究，观测到了1975年海城7.3级地震、1976年唐山7.8级地震、1996年云南丽江7.0级地震、2001年昆仑山口西8.1级地震、2008年汶川8.0级地震和2010年玉树7.1级地震前后的重力异常变化。

辽宁地区是我国现代构造活动和地震活动都较强的一个构造区。为了研究重力场变化与构造活动及地震活动的关系，更好的进行地震预报研究，为地震预报提供依据，辽宁省自1990年开展了流动重力观测，建立了北票、熊岳、庄河、岫岩、锦西、三宝等流动重力监测网；2007年又在沈阳地震台建立定点重力监测。流动重力观测和定点重力观测是反应活动断层物质变迁和构造变形最直接的测量手段。

1 重力场基本理论

重力场是基本地球物理场之一。地面重力加速度与地球质量的分布状况和测站相对与地球中心的距离这两个因素有关。由于地球质量分布不均匀、不恒定，地球在空间的运动和自身的变形，重力场随时随地都在变化着，即地球重力场存在时间变化和空间变化两种类型，重力场时间变化研究对地震预报尤为重要。

为了阐明地震过程中的重力变化，不但需要分析形变引起的重力变化，还应分析质量迁移引起的重力变化。为分析形变引起的重力变化，我们假定形变区和整个地球相比很小，可以用半无限介质Z≥0近似的代表地球， Z轴向下为正，如图1所示［1］。

图1　半无限介质中的形变区Fig.1 Deformation zone in semi-infinite medium

由（1）式可以求得相应的重力变化为：

于是，当观测点在变形前的地面上时，形变引起的重力变化为：

以上讨论的是观测点相对于惯性坐标系不动的情形。实际上，观测点是固定于地面的某处，当介质发生形变时，它要移近或远离地心。所以，实际观测到的重力变化还应包括两部分，一部分是自由空气效应，另一部分是厚度为h、密度ρ的等效层在变形后的观测点与变形前的观测点引起的重力之差，自由空气效应δgFA主要和高程有关，而和纬度的关系较小［2，3］，从而得到形变和质量迁移引起的重力变化公式：

2 辽宁地区重力场基本特征研究

研究辽宁地区重力场动态变化特征，首先要解决辽宁地区基本重力场问题，研究重力场中包含的深、浅部构造信息，板块运动信息，深部地质构造信息和莫霍面起伏情况。本文重点采用小波变换方法来研究辽宁地区重力场基本特征问题。利用辽宁地区1：100万航空重力资料，进行小波变化处理，按理论计算了辽宁地区莫霍面等深度数据，利用莫霍面等深度曲线图研究辽宁地区的深部构造特征。

图2　辽宁地区1：100万航空重力异常等值线图（单位：μGal）Fig.2 Liaoning Province 1： 1，000，000 airborne gravity anomaly contour map（Unit：μGal）

图3　辽宁地区1：100万重力异常6阶逼近结果（单位：μGal）Fig.3 Liaoning Province 1： 1，000，000 gravity anomalies 6 Order approximation results（Unit：μGal）

图4　辽宁地区莫霍面等深度曲线图（单位：km）Fig.4 Liaoning Province Moho the same depth graph （Unit： km）

由重力测量及局部地点的测震方法得知，辽宁地区莫霍面起伏变化较大，地壳厚度为31～38.2km，分硅铝层和硅镁层。硅铝层厚20～22km。硅镁层厚13～16km，其中下辽河地区最薄，仅13km左右。说明辽宁地区的地壳具有呈层性和不均一性的多层结构。

莫霍面等深度图表明，等深线多呈北东向及东西向展布。中部低值区反映为鼻状幔隆区，南部低值区反映为近东西向幔隆区；西部高值区反应为阶梯状弧形幔坳区，东部高值区反映为槽状坳区。全省可分为四个较大的隆起和坳陷：辽西阶梯状弧形幔坳区、辽东槽状幔坳区、辽宁中部鼻状幔隆区、辽南幔隆区。并与地壳呈镜像关系。

3 辽宁地区地震分布特征

研究以往辽宁地区地震发生的位置、震源深度，是总结辽宁地区地震发生规律的很好的方法。同时，研究地震发生与已知地质构造的关系，能更好的对地震发生位置进行预测。

图5　辽宁地区1970年至今4.0级以上地震震中平面分布图Fig.5 Liaoning Province since 1970，more than 4.0 earthquake epicenter plane distribution

图5是搜集了1970年以来辽宁省及其周边发生的里氏4.0级及以上地震分布资料，从图上可以清晰的看出，4级以上地震大多发生在主要断裂构造部位。5级及以上地震发生在深大断裂部位，尤其是接触部位。海城大地震发生在海城析木—岫岩断裂内部，且在该断裂带内发生地震次数较多，地震主要围绕断裂发生，说明区域断裂活动是区内地震发生的主要原因。

图6　辽宁地区1970年至今4.0级以上地震震源深度图Fig.6 Liaoning Province since 1970，more than 4.0 earthquake focal depth map

图6是根据1970年以来辽宁地区地震震中深度绘制的震源深度分布图，图上的信息表明，辽宁地区地震主要为浅源地震，震源深度多在10～20km范围内，尤其是6级以上地震特征更明显，说明辽宁地区深度10～20km范围为地壳较活动区域。各种构造方向控制了地震震中、震级的分布，NW向构造方向地震活动强烈。

通过地震震中平面分布图、地震震源深度图可以总结：辽宁地区深大断裂部位是发生5级及5级以上地震的重点区域。

4 辽宁地区重力场动态变化特征研究

辽宁地区共建有97个流动重力测量点位，主要分布在辽西、辽南，1991年至今共完成47期流动重力测量，利用实测流动重力测量数据进行辽宁地区重力动态差分变化研究取得了较好的效果［4-9］。选取2013年辽阳5.1级地震前流动重力变化进行差分计算并分析动态变化。

图7　辽宁地区1990年至今重力场差分动态变化（单位：μGal）Fig.7 Liaoning Province since 1970， more than 4.0 earthquake focal depth map

图7（1）主要表现为自南向北由正向负的趋势性变化，重力变化在±30μGal内；图7 （2）重力变化平缓，重力变化在±20μGal内；图7（3）主要表现为自东向西由负向正的趋势性显著变化，测点东北重力变化最为剧烈，重力变化达-60μGal多，这可能是2011年3月日本9级地震后引起区域构造应力场调整变化的反映；图7（4）仍表现为自东向西由负向正的趋势性变化，但重力变化没有上期剧烈，重力变化在±30μGal内，这可能仍是日本9级地震的后效；图7（5）出现新的重力变化特征，重力变化自西向东由负向正的趋势性变化过程中于测区东部的海城、鞍山附近出现了具有一定孕震背景的四象限重力变化特征，辽阳、沈阳交界5.1级地震发生在四象限中心附近的北部；图7（6）测区西部重力变化较为平缓，测区东部自西向东由负向正的趋势性变化过程中于沈阳及海城附近出现重力变化高梯度带，辽阳、沈阳交界5.1级地震发生重力变化高梯度带附近。与上期相比，震中附近重力变化由正转为负，出现反向变化，地震发生在重力反向变化过程中，这与以往研究的震例基本一致。震中附近局部重力异常差异运动达50μGal，较好地对应了5.1级地震。

5 结论

根据前面研究分析可知：①辽宁地区地震主要围绕区域内深大断裂构造分布，震源深度浅，平均为10～20km；②重力测量能够获得较全面的地下地质信息，动态变化中包含地下质量迁移等信息。根据这两点，总结如下：

（1）重力场动态变化围绕区域内主要深大断裂发生。重力位场是反映地下密度体分布情况，地震的孕育、发生，必定会引起板块、断裂构造发生变化。根据重力场动态变化结果，可以发现，在区域深大断裂处，重力场动态变化现象明显。

（2）根据地震重力变化资料，当重力动态变化达100μGal以上时，发生大地震的可能性较大。

（3）大地震发生前，重力场变化强烈，地震发生后，重力场有可能恢复到地震发生前的状态，也有可能保持现状。这与地震引起的地下密度体的分布有直接关系。

（4）重力场的动态变化信息包含大地水准变形、地下水沉降等信息，同时，还受地球、太阳、月球三者之间的引力场影响，所以，长时间观测、研究、计算重力场的动态变化信息，能够进行大地测量、水文环境勘查等基础工作。

参考文献：

［1］陈运泰，顾浩鼎，卢造勋.1975年海城地震与1976年唐山地震前后的重力变化［J］.地震学报，1980年2月，2 （1）：21-31.

［2］W.I.Reilly and T.M.Hunt，Comment on “ An analysis of local changes in gravity due to deformation” by J.B.Walsh，Pure Appl.Geophys.，114，6，1131-1133，1976.

［3］F.S.Grant and G.F.West，Interpretation Theory in Applied Geophysics，McGraw-Hill，New York，584 pp-，1965.

［4］李宗杰，杨林.二维小波变换在位场数据处理中的应用实验报告［J］.石油勘探，1997，36（3）：70-78.

［5］方盛明，余钦范，张先康.中国东部及其邻域岩石圈底界面特征及地震活动性［J］.地球物理学报，2001，44（1）：48-53.

［6］黎海龙，朱国器.桂西地区重力场小波多重分解及地质意义［J］.物探与化探，2007，31（5）：465-468.

［7］陆汉鹏，等.山东地区重力场时空动态演化特征［J］.山西地震， 2011， 3：1-7.

［8］孟夏，孟万辉，等.流动重力测量结果及其与地震的关系［J］.西北地震学报，2006.

［9］祝意青，王庆良.我国流动重力监测预报发展思考［J］.国际地震动态，2008，19-25.

DYNAMIC CHARACTERISTICS ANALYSIS OF THE GRAVITATIONAL FIELD IN LIAONING PROVINCE

ZHAI Li-na，JIA Xiao-dong，LI Tong-xia，KONG Xiang-rui
（Earthquake Administration of Liaoning Province，Liaoning Shenyang 110034，China）

Abstract：Research on basic structure in Liaoning regions by 1： 1 million airborne gravity data， calculated the Moho depth ， analyzed the situation basement structure； with the liquidity measurement of gravity， summary before and after theJanuary 23， 2013 Liaoyang 5.1 earthquake dynamic gravity field changes， analyzed the relationship between earthquake preparation， Occurrence with dynamic changes of gravity field， Provide a basis earthquake prediction for future.

Key words：earthquak；density structure；data analysis

中图分类号：P315

文献标志码：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.02.002

文章编号：1674-8565（2016）02-0010-05

基金项目：地震科技星火计划项目（XH14014Y）；辽宁省地震局研究生专项（LZ201301）； 震情跟踪青年定向工作任务项目（2015010224）

收稿日期：2016-01-15

修订日期：2016-02-27

作者简介：翟丽娜（1986-），女，吉林省长春市人，硕士研究生，工程师，现主要从事地震预报形变学科跟踪与分析工作。