2000～2004年山西重力场变化及小波多尺度分解

2016-09-03冯建林檀玉娟秦建增黄邦武张瑞敏谢汝一

中国地震 2016年1期

冯建林檀玉娟秦建增黄邦武张瑞敏谢汝一

中国地震局地球物理勘探中心，郑州市文化路75号 450002

0 引言

山西地震带历史地震和现代地震均比较活跃，历来是国家重点监测防御区之一，为了有效监测山西地区地壳运动，中国地震局地球物理勘探中心于1991年在该区布置了地震重力监测网（图1），每年用2台LCR-G重力仪进行不少于2期的高精度观测，为研究该区域的重力场时变特征提供了资料，并取得了一系列研究成果（李天生等，1998；冯建林等，2006、2013），本文在上述工作的基础上，利用山西地震重力监测网2000～2004年的观测资料和《GDPAS-MRG》软件，通过拟稳平差方法将2000～2004年来的重力资料统一处理，获得了2002年9月3日太原ML5.0地震、2003年11月25日洪洞ML5.0地震前后不同时空尺度的重力场变化，并用小波变换方法将2000～2004年的山西重力场动态变化进行多尺度分解，获得了不同小波尺度下的重力场的累积变化。

1 测网概况与资料处理

山西地震重力监测网于1991年开始运行，当时测点主要分布在山西中南部地区，1997年将测网扩大至山西北部（图1），其中共有80个测点，90个测段，自北向南依次跨越了六棱山北麓断裂、恒山北麓断裂、交城断裂、太谷断裂、离石断裂、罗云山山前断裂、中条山南麓断裂等主要活动断裂，基本覆盖了 35°～40°N、110.5°E～114.0°E的空间范围，对 4.5级以上地震具有较好地监测能力（贾民育等，2000；项爱民等，2007）。

图1 山西地震重力监测网及构造略图

对2009年以前观测资料均以离石测点为起算点进行经典平差处理，由于离石测点并不是绝对重力测点，没有考虑起算基准的扰动，这样不利于地震重力异常信息的提取（祝意青等，2001a、2001b、2007a、2007b；胡斌等，2006；高好林，2013），本文用《GDPAS-MRG》软件，采用拟稳平差方法求得各测点重力平差值及其精度，基于平差结果对重力值同点位求差，并采用Nature Neighbor方法将2000～2004年的多期重力变化差值进行网格化，然后利用小波变换将2000～2004年的山西重力场进行多尺度分解，较好地消除了地壳浅表和局部异常源的干扰，突出了地壳深部和区域异常信息。

2 重力场变化及小波多尺度分解

研究区域重力场随时间的变化，须以相同的时间为基准，本文以2000年9月的观测资料为基准，其它各期同一时段的观测资料按时序分别与该时间基准的结果进行差分，这些差分结果之间具有连续性和累积性，可以更好地突出观测区域重力场的动态演化特征（孙少安等，2012）。

2.1 重力场累积变化

2000年9月～2001年9月（图2（a））：测区重力场变化较平缓，最大变化幅值在-20×10-8m·s-2左右，以太原为界形成北正南负的变化格局。

图2 山西测网重力变化等值线图

2000年9月～2002年9月（图2（b））：2000年 9月～2001年 9月形成的一正一负 2个重力变化异常区的变化幅度达50×10-8m·s-2，并在2个异常区之间形成近NS向的重力变化高梯度带，而且图2（a）中出现在太原、介休附近的2个“0”等值线在本期连在一起，并在太原以北发生转折，太原ML5.0地震发生在“0”等值线拐弯部位，震中附近太原、介休之间的测点的重力场测值也已由负变正。

2000年9月～2003年9月（图2（c））：测区北部重力值持续上升，南部以临汾为中心的重力值持续下降，幅值在-70×10-8m·s-2左右，并形成重力变化高梯度带；太原至介休间的“0”等值线继续向南扩展，并在临汾以北洪洞附近发生拐弯，拐弯部位发生了洪洞ML5.0地震，且震中附近的介休至洪洞之间的重力场由下降改为上升变化态势。

2000年9月～2004年9月（图2（d））：山西中北部重力场变化不大，中南部仍然继续下降，但变化幅度有所减小，在-30×10-8m·s-2左右，可见震后测区重力场处于恢复调整状态。

2.2 重力场小波多尺度分解结果

小波分析方法是1984年由法国地球物理学家Grossman and Morlet提出的，是目前发展比较成熟的数据处理方法，在布格重力异常、流动重力异常的处理中，已有过很多探索和研究（侯遵泽等，1997；杨文采等，2001；朱桂芝等，2004；刘少明等，2004；祝意青等，2005；玄松柏等，2012；刘芳等，2013；郭树松等，2014）。该方法的优点是：可将信号分解成不同尺度的成分，对重力异常场进行分离，为解释重力场变化与深度、密度变化的关系提供了较为简便的方法。

利用小波分解的Mallat塔式算法，在Matlab下选用二维重力异常分解的双正交小波基函数“bior3.5”将2000～2004年山西重力场变化进行多尺度分解，通过功率谱分析可得到1阶、2阶、3阶和4阶小波变换所反映的大致深度分别为：4～6km、12～15km、25～30km、40～50km，图 3（a～d）～6（a～d）是 2000～2004年的山西测网重力异常 1～4阶小波变换图，由图3～6可以看出：

（1）利用小波变换分解重力异常时，1阶、2阶小波变换等值线圈闭总体范围小，变化量也较小，主要反映了上地壳浅层各种因素引起的重力场高频变化只是小尺度的重力场变化。

（2）随着阶次的增加，在 3阶小波变换中，1、2阶小波变换中的许多弱小细节已不存在，深部构造活动信息更加突出，主要呈较大范围的区域性变化。在4阶小波变换中，这个特点更为明显，即浅部异常变化小，深部异常变化较为明显（刘芳等，2013）。

（3）从更长时间尺度（2000年9月～2004年9月）看，4阶小波变换中：忻定盆地中重力场的上升幅度逐渐减小，太原盆地中似“四象限”特征明显，临汾盆地中重力场的下降幅度逐渐增大。

（4）在3阶、4阶小波变换中，这2次地震均发生在重力变化高梯度带“0”等值线附近，可见由小波变换分离出的重力异常作为分析重力场变化图像的辅助手段，可为将来可能发生中强地震的地点提供判据（祝意青等，2005；郭树松等，2014）。

3 结论与讨论

地震的孕育和发生与地球内部的形变及物质迁移密切相关，国内不少学者对地震前后的重力变化进行过有益的研究与探讨（陈运泰等，1980；祝意青等，2001a、2001b、2005、2007a、2007b、2012、2013、2015；张晶等，2001；胡斌等，2006；李辉等，2009；王武星等，2009；申重阳等，2010；刘代芹等，2011；郝洪涛等，2012；高好林，2013；郑兵等，2014），研究结果表明：重力变化梯级带及“0”等值线区域是地震发生的有利场所。本文主要分析了2000～2004年的山西重力场累积变化和小波多尺度分解结果，得出以下主要结论：