基于重力值标准差研究长宁6.0级地震活动性

陈挺，严迪，杨剑，廖国忠，武斌，冉中禹

(1.四川省地质矿产勘查开发局物探队，四川 成都 610072； 2.中国地质调查局 成都地质调查中心，四川 成都 610082)

0 引言

CG-5相对重力仪是加拿大Scintrex公司制造生产的的新型数字重力仪[1]，分辨率为0.001×10-5m/s2，重复率优于0.005×10-5m/s2。广泛应用于重力研究、地震预报等领域[2]。当地震活动突然爆发时，地下岩石的空间位置以及密度分布形态发生改变，从而引起观测重力值的变化。吴云成等使用拉科斯特重力仪在辽宁西部地区进行重力复测，分析了朝阳4.9级地震前后重力异常变化情况[3]。王武星分析了昆仑山口西8.1级地震和印尼8.9级地震前后部分重力观测的变化，并对这些采样间隔在1 min以下的重力数据进行了高通滤波和频谱分析[4]。车兆宏分析了张北6.2级地震前后华北地区水准、GPS、重力、定点形变、流动形变、地应变观测资料及前兆的演化过程[5]。祝意青等通过流动重力测量，观测到较可靠的重力随时间变化数据[6-10]。梁伟锋等基于河西地区流动重力观测资料获得的重力场时空变化结果，研究发现重力场在活动断裂附近变化较大。这些观测记录表明重力变化能较好地反映地下深部物质运移与地壳密度变化等构造活动信息[11]。

长宁6.0级地震发生前，笔者正在云南省盐津县普洱镇进行重力静态观测，成功记录到长宁6.0级地震发生前后的重力静态观测数据、重力仪实时观测标准差(S.D.)以及舍弃数量(REJ)数据。截止2019年7月23日，在盐津县普洱镇和珙县上罗镇重力仪成功记录到地震活动21次，说明长宁地震具有主震突出、余震丰富的特点。笔者在对长宁 6.0级地震前后重力仪观测标准差数据和舍弃数量值分析的基础上，认为标准差值包括了重力仪自身噪声和环境震动等重力高频干扰信号，可以用来衡量信号噪声的大小，同时舍弃数量(REJ)的突变也指示了高频强震动干扰的存在。通过对比地震发生时重力仪在不同时刻记录的标准差值，认为标准差结合舍弃数量值可用于地震活动不确定性测量，对长宁地区发震识别与记录等具有科学与实际意义。

1 长宁震区地质背景

根据1∶20万区域地质资料，长宁地区主要出露中、古生界地层(见图1)，将区内地层系统列于表1。岩浆岩主要出露晚二叠系玄武岩。玄武岩主要由致密状、斑状、杏仁状玄武岩、凝灰角砾岩、凝灰岩组成，矿物成分主要为拉长石、单斜辉石，主要分布于测区西部巡场镇—坝底村一带。长宁6.0级地震震中主要出露寒武系地层向奥陶系地层过渡的白云岩和灰岩，珙县5.1级地震震中主要出露志留系罗惹坪组灰岩。

长宁地区主要地质构造为长宁背斜，该背斜东起叙永县，西至珙县天星桥一带，呈不对称的复式大背斜，背斜轴宽阔平缓，地表上在双河乡一带。长宁背斜是一个多断裂构造的背斜，断裂多发育在由古生界地层组成的背斜核部或两翼，以小断裂为主，呈高角度压性逆冲断层，震中附近断层倾角最高达85°(图1)。断裂与褶皱紧密相伴，主要断裂往往伴随褶皱而发育，构造的延伸方向与褶皱线形迹一致[12-13]。

图1 长宁地区区域地质图(地质底图来源于91卫图助手)Fig.1 Regional geological map of Changning area(the geological base map is derived from the assistant of 91 satellite map)

表1 长宁地区地层系统Table 1 Stratigraphic system table of Changning area

2 观测S.D.值数据可靠性分析

标准差在重力仪读数记录里用“S.D.”表示，重力仪进行静态观测时，S.D.值每秒钟更新一次。S.D.值的计算是根据已采集到的观测重力值求取标准差，假设重力仪单点观测持续时间设置为60 s，则重力仪记录的S.D.值为60 s内所有瞬时重力值读数记录的标准差。

为了保证重力仪读数的准确性和可重复性，当打开“Auto Rejection”选项时，大于4～6倍标准差的高频噪声将被自动拒绝。因此当激活震动滤波功能时，得到的重力观测值是滤波处理后的结果。在外业观测时，S.D.指标主要用来衡量单点观测质量，当S.D.较小时，表示环境震动噪声处于较低水平，设置观测时间内的数值较接近平均值，观测质量合格；当S.D.较大时，表示环境震动噪声处于较高水平，观测时间内出现很多高频重力信号，数据质量不合格，需要重新观测。正是由于S.D.值包括了重力仪自身噪声和环境震动等重力高频干扰信号，它可以用来衡量信号噪声的大小。通过对比地震发生时重力仪在不同时刻记录的S.D.值，认为S.D.值可用于地震活动不确定性测量。

为了说明观测S.D.值数据可靠性，在珙县使用两台CG-5重力仪在同一地点进行两次观测，重力仪编号分别是40242#、41036#。两台CG-5重力仪在使用前均进行了格值标定及各项性能试验，重力仪的一致性试验精度为0.022×10-5m/s2，试验精度结果满足规范要求。

2019年7月22日16时26分在四川宜宾市长宁县发生4.1级地震，震源深度9 km，震中位于北纬28.35°，东经104.91°。两台CG-5重力仪布置在距离震中25.5 km的珙县进行静态数据采集，表2是发震时两台重力仪记录的不同时刻静态观测重力值数据和实时观测重力值数据的标准差值(S.D.)，以及高频噪声舍弃数量(REJ)统计。

重力仪观测持续时间DUR值均为60 s，为了对观测S.D.值数据可靠性进行分析，根据Excel软件中的CORREL函数计算两台重力仪观测S.D.值数据的相关系数为0.999 949，说明两台重力仪的观测S.D.值数据具有较大的相关性。另外两台重力仪观测开始时间仅相差1 s，从观测S.D.值的数值大小变化来分析，40242#重力仪相对41036#重力仪在16∶26∶53、16∶28∶13、16∶29∶33三个不同时刻的相对变化率分别为4.34%、1.51%、10.34%。说明利用S.D.值来分析地震活动性是可靠的。

2019年7月23日22时25分在四川宜宾市长宁县发生3.0级地震，震源深度6 km，震中位于北纬28.38°，东经104.94°。两台CG-5重力仪布置在距离震中30.2公里的珙县进行静态数据采集，表3是发震时两台重力仪记录的不同时刻静态观测重力值数据和实时观测重力值数据的标准差值以及高频噪声舍弃数量值统计表。重力仪观测持续时间DUR值均为60 s，对两台重力仪的观测S.D.值数据进行了相关分析，相关系数为0.997 503，说明两台重力仪的观测S.D.值数据具有较大的相关性。表3观测S.D.值数据的相关系数小于表2，这主要是由于表3两台重力仪的观测开始时间相差20 s，即在各自的60 s观测时段内仅同步观测40 s所致。

表2 长宁4.1级地震重力仪观测数据统计Table 2 Statistical table of observation data of the gravimeter of Ms 4.1 earthquake in Changning

表2的S.D.值变化幅值较表3大，最大达 1.404×10-5m/s2，两台重力仪发震时刻经固体潮和零漂改正后的相对重力值较发震前的变化量分别为-0.007×10-5m/s2、-0.009×10-5m/s2，说明观测时误差较大的高频重力数据已经被重力仪自带的滤波器过滤掉。表3的S.D.值变化幅值较小，发震时刻经固体潮和零漂改正后的相对重力值较发震前的变化量分别为0.020×10-5m/s2、0.023×10-5m/s2，说明部分由小震动引起的小于4倍标准差的重力观测数据未被过滤掉。据表2和表3的舍弃数量(REJ)值统计结果知，发震时刻大致与REJ极大值相对应，说明发震时的高频震动干扰最强。41036#仪器在同一时刻的REJ值均大于或等于40242#仪器，且表2和表3中41036#仪器REJ值在地震发生前有明显变化，而40242#仪器REJ值在地震发生前无明显变化，说明REJ值与重力仪的弹簧弹性系数相关，从REJ值的统计结果知，41036#仪器对高频干扰噪声更敏感，弹簧灵敏度明显高于40242#仪器，因此用于地震监测的重力仪应选择弹簧灵敏度较高的仪器。由于REJ值与重力仪自身的弹簧弹性系数相关，如需使用REJ值来预测地震，需针对单台重力仪的大量试验数据来选择合适的REJ值判断指标。

表3 长宁3.0级地震重力仪观测数据统计Table 3 Statistical table of observation data of the gravimeter of Ms 3.0 earthquake in Changning

3 观测S.D.值与地震震级相关性研究

截止2019年7月23日，41036#重力仪共记录到21次地震，见图2和表4。

表4是发震时重力仪记录静态观测数据统计表。在盐津县观测的15次记录中，当时震中距介于60.1～73.2 km时，为了研究地震震级与重力仪记录S.D值的关系，根据Excel软件中的CORREL函数计算了地震震级与对应S.D值的相关系数，计算得出相关系数为0.90，由于相关系数是研究变量之间线性相关程度的量，相关系数值越大，说明地震震级与S.D值之间线性相关程度越高。

在珙县观测的6次记录中，当震中距介于25.5 ～30.8 km，相关系数为0.94；当震中距介于6.2～7.8 km，相关系数为1。需要指出的是，相关系数有一个明显的缺点，即当震中距介于6.2～7.8 km，仅有7月15日和7月19日两组统计样本数据，相关系数的绝对值为1，因此在观测记录较少时，仅凭相关系数较大就判定震级与重力仪记录S.D值之间有密切的线性关系是不妥当的。通过以上相关分析认为，当震中距介于60.1～73.2 km、25.5～30.8 km时，地震震级与重力仪记录S.D值呈明显的正相关关系，即在震中距相近的情况下，S.D值越大，地震震级越高。当震中距介于6.2～7.8 km时，由于统计样本数据不足，未能准确判定地震震级与重力仪记录S.D值的相关关系。

图2 长宁地震震中分布位置与地形叠合Fig.2 The overlap map of topography and epicenter distribution of Changning earthquake

表4 发震时刻重力仪记录观测数据统计Table 4 Statistical table of observation data recorded by gravimeter at seismic moment

表4的舍弃数量(REJ)值与震级和重力仪记录S.D值无明显的相关关系，这可能是由于当观测持续时间选择60 s时，REJ值为60 s内的统计值，无法对瞬时高频干扰进行更精细的反映。REJ值的突变显示了高频干扰的存在，在今后工作中，可以将观测持续时间选择为30 s，来进一步统计分析REJ值与震级和重力仪记录S.D值的相关关系。

4 利用S.D.值进行地震预测可行性分析

2019年6月17日22时55分在四川宜宾市长宁县发生6.0级地震， 06月17日23时36分在四川宜宾市珙县发生5.1级地震。从表5知，22时55分重力仪记录S.D.值高达23.066×10-5m/s2，REJ值为10%。需注意的是，发震前十分钟即22时45分，S.D.值仅为0.021×10-5m/s2，但REJ值却高达19%，REJ值的突变能否作为地震发生前兆的判断依据还需更多的试验记录来支撑。23时36分珙县5.1级地震继长宁6.0级地震后爆发，S.D.值突变为11.708×10-5m/s2，直到06月18日00时06分，S.D.值降为0.013×10-5m/s2，表明该次地震活动已经平息。另外从观测重力值来分析，长宁县6.0级地震和珙县5.1级地震突然爆发引起的强烈震动，导致重力仪自带的地震滤波功能失效，观测重力值与地震爆发前观测值的差值分别为4.466×10-5m/s2、-0.055×10-5m/s2。23时46分S.D.值为0.104×10-5m/s2，近似为平静场中观测值的5倍，但观测重力值与地震爆发前的观测值相差仅为-0.001×10-5m/s2，可见重力仪自带的地震滤波功能已经滤掉了重力高频干扰信号。剔除发震时刻的畸变重力数据，在云南省盐津县观测到的长宁县6.0级地震、珙县5.1级地震并未引起观测重力观测值的明显变化。直至06月18日00时06分S.D.值变为0.013×10-5m/s2，说明两次地震震动叠加在一起的持续活动时间约为71分钟。

在记录到的21次地震中，有2次在发震前重力仪记录S.D.值有明显突变。第1次是2019年6月20日01时44分在四川宜宾市珙县发生的3.4级地震(见图3)，在地震发生前的01时38分，S.D.值变为0.043×10-5m/s2，该时刻经固体潮和零点位移改正后的静态观测重力值为4757.394×10-5m/s2。从表5知，S.D.值与上一记录时刻相差0.024×10-5m/s2，重力值与上一记录时刻相差-0.002×10-5m/s2，重力值无明显变化，REJ值也无变化。由于静态观测时设置的读数时间间隔是10 min，未能记录到01时27分到01时37分之间的S.D.值，因此S.D.值可能在发震6 min之前就已发生突变。直至02时18分S.D.值变为0.015×10-5m/s2，说明此次地震活动从发震到停止用时约34 min。

第2次是2019年7月15日16时48分在四川宜宾市珙县发生的2.9级地震。为了更详细地研究重力场和S.D.值随时间的变化规律，重力仪的读数时间间隔在盐津县观测时设置为10 min，在珙县观测时间设置为1 min。从图4知，在发震时刻S.D.值变为0.935×10-5m/s2，由于发震时刻S.D.值幅值变化太大，在图4中很难观测到发震前后S.D.值的微小变化。

图5中剔除了16时48分的S.D.值后，可以明显观测到，在地震发生前的16时30分和16时32分，S.D.值发生了明显改变，其值分别为0.048×10-5m/s2、0.040×10-5m/s2，经固体潮和零点位移改正后的静态观测重力值分别为4 830.031×10-5m/s2、4 830.043×10-5m/s2，重力值与上一记录时刻相差0.012×10-5m/s2，说明在此时刻由震动产生的部分高频重力异常未被重力仪自带的滤波器滤除掉。在16时30分，S.D.值近似为平静场中观测值的2.5倍，即在发震前18 min重力仪已记录到S.D.值的突变。值得注意的是16时40分，即在发震前8 min，S.D.值仅为0.022×10-5m/s2，重力值与上一记录时刻相差-0.033×10-5m/s2，REJ值高达42%，根据重力值和REJ值的变化可对地震进行提前预报。在直至16时54分S.D.值变为0.014×10-5m/s2，说明此次地震活动从发震到停止用时约6 min。

图3 珙县3.4级地震标准差随时间变化Fig.3 The change of S.D. value over time in Gongxian Ms 3.4 earthquake

表5 地震前后重力仪记录静态观测数据统计Table 5 Statistical table of static observation data recorded by gravimeter before and after earthquake

图4 珙县2.9级地震标准差随时间变化Fig.4 The change of S.D. value over time in Gongxian Ms 2.9 earthquake

图5 珙县2.9级地震标准差随时间变化(剔除发震时刻S.D.突变点)Fig.5 The change of S.D. value over time in Gongxian Ms 2.9 earthquake(the mutation point of S.D. at the time of shock was removed)

通过以上实际记录S.D.值数据分析认为，在某些特定条件下，根据S.D.值的突变并结合重力值和REJ值的变化来提前预报地震是可行的。

5 结论与建议

通过对地震发生时重力仪在不同时刻记录S.D.值和REJ值的分析，认为S.D.值结合REJ值可用于地震活动不确定性测量。首先，对两台重力仪两次实测S.D.值数据进行了相关分析，相关系数为0.99，说明两台重力仪的观测S.D.值数据具有较大的相关性，利用S.D.值来分析地震活动性是可靠的。然后，通过对地震震级与发震时刻重力仪记录S.D值的分析，认为当震中距介于60.1～73.2 km、25.5～30.8 km时，地震震级与重力仪记录S.D值呈正相关关系。REJ值与重力仪自身的弹簧弹性系数相关，如需使用REJ值来预测地震，需针对单台重力仪的大量试验数据来选择合适的REJ值判断指标。最后，在记录到的21次地震中，有2次在发震前重力仪记录S.D值有明显突变，S.D.值近似为平静场中观测值的2倍；有1次在发震前8 min，观测到REJ值的突变。因此在某些特定条件下，根据S.D.值的突变并结合重力值和REJ值的变化来预报地震和研究单次地震从发震到结束的持续时间是可行的。

本次长宁6.0级地震，在地震波到达之前未能观测到有效的重力异常变化信号，地震前后未观测到明显的重力值变化。这可能是由于本次地震未引起地下地质体空间分布形态的较大改变且测站距离震中距离较远所致。在盐津县观测时，重力仪观测时间间隔设置为10 min，数据采集密度不够，未能在地震发生前记录到S.D.值的突变，但在发震前10 min记录到REJ值的突变。在以后的工作中，重力仪观测时间间隔设置为30～60 s，可以观测到有效的重力值和S.D.值，从而进一步研究地震活动不确定性规律。另外在震区进行小震中距重力静态观测时，地震震级与重力仪记录S.D.值是否也呈正相关关系，在进一步分析中是否要加入震源深度作为约束？这需要通过更多的采样数据来证实。