广西北流—广东化州5.2级地震前粤桂琼地区重力变化特征

李 盛,胡久常,廖桂金,王志成,江 蕾

（1. 海南省地震局,海口 570203；2.广东省地震局,广州 510070）

关键字：连续重力；流动重力；重力累积变化；重力变化异常；地震

0 引言

地表重力变化主要是由地表观测点的位置变化、地壳内部密度变化和地壳构造变形引起的的综合反映[1-6]。地震重力监测主要监测地表或空间重力场时间变化,即动态重力变化。动态重力场变化是地表位移运动（主要为测点垂直位移）和地球内部物质运移或变化的综合反映,是地球内部变形与密度变化耦合运动的重要表征物理量[7]。地震的孕育过程包含于地壳运动过程中,因此,通过对动态重力场变化的深入分析,综合地震活动和动力构造背景条件信息,有可能捕获某些反映强震孕育过程的某些有效信息（即前兆信息）,这是利用重力手段开展地震预测的基本出发点。

目前的地面重力监测手段主要有：连续重力和流动重力。连续重力观测是通过固定的定点台站上的连续观测,获得定点台站的连续重力变化（主要为潮汐）及其表征周围地壳物性特征的时间变化的结果,同时通过多台的综合观测形成台阵,从而可研究相关区域地壳的构造变化。流动重力观测是通过定期或不定期的相对重力观测,将测网内各点按一定的形式进行相对联测,并辅以一定的绝对重力观测加以控制,形成可用位场变化表示的观测网络,获得高精度重力场（非潮汐）的空间和时间变化。

目前,利用连续重力和流动重力观测资料探索进行地震预测研究和服务,取得了一些成果和进展,并在实践中得到应用。如我国重力台站的M2波潮汐因子在印尼大震前均表现出较长时间(有的超过3个月)的趋势性下降；而同期加卸载响应比变化不显著,这可能是加卸载响应比对近区反应强,对远区反应弱的缘故,同时也说明能够通过对M2波潮汐因子变化了解全球重力场变化信息[8]。日本MS9.0地震前沈阳台、青岛台、溧阳台和厦门台等台重力原始观测数据出现喇叭口状的重力异常扰动现象[9]。成都、乌什和郑州3台(套)连续重力观测仪在日本MS9.0地震震前3天出现了明显的重力扰动异常现象[10]。对2014年2月12日于田MS7.3级地震震前陆态网络连续重力观测资料的分析发现,于田地震前存在 4～8 s 的重力扰动信号,并分别于震前6 d 和2 d 出现在中国大陆不同区域。前者信号强度在我国东北鹤岗台最强,向西至库尔勒—于田台逐渐减弱,形成一个条带;后者信号强度在我国东南沿海温州—厦门台最强,向西至襄樊—万州台逐渐减弱[11]。而在流动重力方面,地震大都发生在活动板块的边界或活动断裂带上；构造活动断裂带由于其差异运动强烈而构造变形非连续性最强,易产生急剧的重力变化,最有利于应力的高度积累而孕育地震；地震活动与重力场变化空间上分布的不均匀性和时间上的不连续性息息相关,主要表现为中国大陆MS6.8级以上强震主要发生在重力场变化分布差异较为剧烈的地区和重力变化发生转折的时段[12-13]。经过多年的实践和研究,祝意青等[14-18]在深入研究区域重力场演化特征的基础上,提出定性和定量相结合研究与强震孕育有关的重力变化背景与异常,总结了利用重力场变化资料进行地震危险性和危险地点预测的方法,包括重力场变化对地震的前兆反映能力、强震孕育发生过程中的重力异常特征等。

2019年10月12日,广西北流—广东化州地区（22.18°N,110.51°E）发生MS5.2地震,震源深度10 km。本文拟从重力学科角度,深入分析震前粤桂琼地区的时空重力变化特征,识别、提取和论证可能存在的重力异常,以充实该地震的震例信息,为华南地区重力学科预测指标体系的丰富完善提供一些经验和参考。

1 连续重力观测资料分析

重力随时间的变化,可分为潮汐变化和非潮汐变化。前者如地球潮汐与地球自转变化,后者一般是地球物质迁移引起的重力随时间的变化[19]。台站重力潮汐曲线包含成分为:Yt=σA（t）+Y0(t),式中Y为逐时读数,A（t）为t时刻引潮力(t取值介于0～23 h) , σ为潮汐因子,Y0(t)为仪器零点漂移, 第一项为地球弹性介质对潮汐力的响应, 第二项则是漂移, 其中包括仪器本身漂移、外界干扰等, 同时还包含了地下密度变化和物质迁移。

粤桂琼地区目前有4个台站在运行连续重力观测,分别是广东深圳台、广西灵山台、凭祥台和海南琼中台（各台站位置、广西北流—广东化州5.2级地震震中分布以及震中距见图1）,其中灵山台、凭祥台和琼中台观测仪器是PET/Gphone相对重力仪（美国LaCoste&Romberg公司生产）,采样率为1 s；深圳台观测仪器是DZW相对重力仪（武汉地震科学仪器研究院生产）,采样率为60 s。

图1 粤桂琼地区连续重力台站分布图Fig.1 The distribution map of continuous gravity stations in Guangdong, Guangxi and Hainan area

1.1 重力数据扰动分析

重力仪记录的震前重力扰动大多来自7.0 级以上地震,且震源深度小于20 km[20]。广西北流—广东化州5.2级前粤桂琼地区连续重力观测数据是否存在此类现象,在此从原始数据及其滤波曲线两个方向入手。因重力扰动信号一般是高频信号,因此对于分钟值采样的数据（深圳台）,在此不做分析。

原始数据方面,灵山台、凭祥台和琼中台的原始秒数据在震前均无明显的扰动的异常（图2,以距离震中最小的灵山台为例）。

图2 灵山台原始秒数据时序曲线Fig.2 The time series curve of second data of Lingshan station

因震前重力扰动异常均为高频信号,分别设置2 种滤波器对原始秒数据滤波。对灵山台、凭祥台和琼中台原始秒数据进行高通滤波（截止频率为0.01 Hz ,即保留周期100 s 以内的信号）和带通滤波（带通频率为0.125～0.25 Hz ,即保留周期为4～8 s 的信号）,以剔除固体潮、长趋势漂移、大气影响、地下水影响和地球自由振荡等信号,直观展现地震发生前的地震、微震和扰动异常信号,滤波曲线见图3（图中黑色的曲线表示0.01 Hz高通滤波,蓝色曲线表示0.125 ～0.25 Hz带通滤波）。由图3可见,滤波后,灵山台、凭祥台在震前无明显的扰动异常现象；琼中台10月9日至10月10日大于0.01 Hz的高频信号较强,这主要是该段时间受到降雨干扰导致。

图3 原始数据滤波时序曲线Fig.3 The filtering timing curve of raw data

1.2 潮汐因子变化

在地震预报中用固体潮预报地震的主要方法在于监测其潮汐因子的变化, 一般情况下,潮汐因子在1% 的仪器观测精度范围内变化, 由于在应力场作用下, 其介质的变化可能导致潮汐因子地震前的变化。潮汐分析法主要采用潮汐因子时间序列分析的方法。潮汐调和分析采用潮汐因子滑动算法（窗长30 d,步长2 d）进行,因在各潮波中,M2波（月亮的主半日波）振幅最大,也最为稳定,因此在地震分析预报中主要跟踪M2波潮汐因子的变化。

潮汐因子的物理表达为：

按开尔文地球模型（不可压缩、均质、弹性球体）中2阶勒夫数的物理表达如下：

潮汐因子变化与地球半径（R）、当地地球重力场（g）、地球密度（ρ）的变化成正比,与拉梅常数（μ）的变化成反比。上述公式表明,潮汐因子与观测站的位置、物性参数有关系,潮汐因子变化反应观测站周围地区的位置、物性参数的变化[21]。

分析2013年以来凭祥、灵山、深圳和琼中台的M2波潮汐因子变化（图4）,灵山台M2波潮汐因子变化最为稳定,最大变化幅度仅为0.34% ;深圳台基本呈上下起伏变化；凭祥台M2波潮汐因子整体呈向下变化趋势, 2019年以来变化幅度较小；琼中台总体变化平稳,尤其是2019年1月以来,M2波潮汐因子变化幅度很小。广西北流—广东化州5.2级地震前,以上4个台站的重力M2波潮汐因子均无明显的异常变化,震前一年的变化幅度未超过1%。

图4 琼中台、深圳台、凭祥台和灵山台M2波潮汐因子时序变化Fig.4 The time changes of tidal factors of M2 wave in Qiongzhong, Shenzhen, Pingxiang and Lingshan seismic stations

2 流动重力观测资料分析

地球重力场是基本的地球物理场之一,它与地球形状和地球内部结构密切相关,地球内部或地表的任何质量改变均可引起地球重力场的改变。地震的孕育发生过程中要产生地球物质的再分布,地球重力场及其时间变化包含着这种分布及其变化效应。因此,进行重复重力测量获取地球重力场及其变化,从中分离地震孕育信息,是获取地震预报所需的前兆信息的重要途径之一[22]。流动重力测量反映的是区域重力场的非潮汐变化信息,包括构造信息和非构造信息。因而,地壳内部的物质迁移、地壳构造和地震的形成过程等,都可以在流动重力复测结果中反映出来[23]。

2011年以来海南岛陆与广东雷州半岛地区均进行了流动重力测量,每年2期[23],雷州半岛测区和海南测区每期流动测量的时间准同步。2011年至2017年上半年,雷琼地区分别作为相对独立的测网,未进行雷琼地区联测,在进行资料平差处理和动态分析时也是两个测网独立进行,这种按各省区监测网进行的分散研究,由于观测信息在空间密度上严重不足,不能捕捉到孕震过程中出现的完整前兆信息[24],存在缺陷和不足。2017年下半年,雷琼地区开始进行跨琼州海峡联测,截至2019年12月,雷琼地区已连续5期进行了联测。目前,雷琼地区共有流动重力测点131个,测段140个,其中海南岛测点66个,测段69个,雷州半岛测点65个,测段70个,另有公共测段1个（即为海南向荣村—广东海安）,同时,雷琼地区共有重力绝对基准点两个,分别是雷州半岛的湛江和海南的琼中（雷琼地区流动重力联测图见图5）。

图5 海南岛陆-雷州地区流动重力测网图Fig.5 The map of mobile gravity survey in the Hainan Island-Leizhou area

跟踪雷琼联测后也即2017年10月以来雷琼地区重力场变化。采用高精度重力测量资料处理系统软件-《LGADJ》进行自由网平差,对2017年10月至2019年8月雷琼地区一共5期流动重力观测资料进行平差处理,各期资料的平差精度见表1。除2017年第二期和2018年第一期的点值平均精度稍大于10×10-8m·s-2外,其他各期的平均精度均小于10×10-8m·s-2,反应观测资料可靠。

表1 雷琼地区重力观测资料情况Table 1 Information of the gravity survey in Hainan Island-Leizhou area

2.1 重力场差分动态变化图像

2017年10月以来,雷琼地区分别发生了2018年3月20日阳江4.2级地震、2019年3月5日广东雷4.1级地震、2019年8月20日海南三亚4.2级地震和2019年10月12日广西北流—广东化州5.2级地震。图6是2017年10月以来雷琼地区相邻两期区域重力场的

差分图像,分析图6表明：

（1）2017年10月以来,雷琼地区重力场差分动态变化总体比较平稳,相邻两期的重力场变化均在 40×10-8m·s-2以内。

（2）2017-10 ～ 2018-05（雷州测区流动重力野外观测时间位于阳江4.2级地震发震之前）期间,阳江4.2级地震震中附近地区形成南北向、重力场差异变化达40×10-8m·s-2正负变化梯度带,地震发生于梯度带等值线的拐弯部位；其他相邻两期重力场变化,无显著的异常特征。

图6 雷琼地区不同时段的重力场差分动态变化图像（单位：10-8m·s-2）Fig.6 Maps of differential dynamic images of gravity field at different periods in Hainan island and Leizhou Peninsula (unit：10-8m·s-2)

2.2 重力场累积动态变化图像

为了分析雷琼地区较长时段的区域重力场累积变化特征,我们以2017年10月观测资料为时间基准,分别绘制了各测期相对首期的区域重力场累积变化动态图像（图7）,分析图7表明：

（1）阳江—茂名地区重力场并未随着阳江4.2级地震的发生,出现震后恢复的过程,反而呈现重力场变化继续增大的过程,至2019年3月,该地区的重力场正变化达到近50×10-8m·s-2,一直到2019年8月,该地区的累积重力场变化维持在40×10-8m·s-2水平,相对于2019年3月,重力场变化最大幅度稍有下降,其后的2019年10月12日发生广西北流—广东化州5.2级地震。

（2）雷州4.1级地震前后,震中附近地区的重力场变化均无明显的异常现象。

（3）2017年10月以来,海南岛陆南部逐渐形成一个北西向的正负重力场变化异常梯度带,总体变化态势表现为自西北向东南由正向负的趋势；其正负变化差异的幅度也随着时间变化逐渐增高,至2019年8月,异常梯度带重力正负变化差异达70×10-8m·s-2,范围约60 km。三亚4.2级地震震中位于2017-10～2019-03、2017-10～2019-08累积重力变化异常梯度带的零值线上。

图7 雷琼地区不同时段的重力场累积动态变化图像（单位：10-8m·s-2）Fig.7 Maps of accumulative dynamic changes of gravity field at different time periods in Hainan island and Leizhou Peninsula(unit:10-8m·s-2)

2.3 重力场变化与三亚4.2级地震、广西北流—广东化州5.2级地震

2000年以来,祝意青等根据多次中长期中强地震的成功预测经验与震例总结,在深入研究区域重力场演化特征的基础上,提出定性和定量相结合研究与强震孕育有关的重力变化背景与异常,总结了利用重力场变化资料进行地震危险性和危险地点预测的方法,包括重力场变化对地震的前兆反映能力、强震孕育发生过程中的重力异常特征等（见表2）[14-18]。广西北流—广东化州5.2级地震前,震中附近地区—年半、两年的累积重力变化形成幅值约50×10-8m·s-2、范围约100 km的异常特征,地震发生在重力场正变化梯度带上且附近存在构造断裂,符合表2所总结的地震重力异常与地震孕育发生的关系,因此,认为该异常是广西北流—广东化州5.2级地震的前兆异常。而三亚4.2级地震震中附近地区无明显的活断层分布,震前重力变化梯度带的异常范围也小于100 km,这些特征尚未达到发生5级地震的异常形态与范围,不具有发生5级地震地震的背景,它可能反映的是震中附近小范围局部异常特征与三亚4.2级地震存在对应关系。

表2 地震重力异常与地震孕育发生的关系Table 2 The relationship between seismic gravity anomalies and the occurrence of earthquakes

3 讨论与结论

本文对粤桂琼地区4个台站的连续重力观测资料和2017年以来的雷琼地区的流动重力观测资料进行分析,主要探讨了广西北流—广东化州5.2级地震前上述观测资料的变化特征。根据上述分析,认为：

（1）广西北流—广东化州5.2级地震前灵山台、凭祥台和琼中台的重力原始数据无异常扰动现象,粤桂琼4个重力台站的重力M2波潮汐因子变化也无异常现象。目前,利用连续重力观测资料捕捉5级左右地震震前前兆异常尚具有很大的难度,无明显的震例可供借鉴,也无类似公开可靠的研究成果发表。本文在这一方面的研究进一步证明了这一点。

（2）2017年10月以来雷琼地区的流动重力联测后的观测资料分析表明（此前的观测资料,因未联测,在此不作分析）,北流—化州5.2地震、阳江4.2级地震和三亚4.2级地震前,震中区均存在重力变化异常。其中广西北流—广东化州5.2级地震异常持续时间达2年,异常范围约100 km ,异常量级50×10-8m·s-2,地震发生于重力场变化的高梯度带上；阳江4.2级地震异常持续时间约0.5年,异常范围约100 km,异常量级40×10-8m·s-2,地震发生于重力场变化的高梯度带等值线的拐弯部位；三亚4.2级地震异常持续时间达2年,异常范围约60 km ,异常量级50×10-8m·s-2,地震发生于重力场变化的高梯度带的零值线上。这些研究成果,进一步验证了区域重力场观测不仅对于强震,甚至中强地震位置、震级的判定也具有一定的优势。而且,对于4～5级地震,区域重力场在震前也可能有一定的异常反应,当然这需要高精度的观测数据、更高分辨率的测网布局和更加精细的数据处理。雷琼地区的测网分布相对合理,测段间距一般介于20～30 km ,有些测段间距甚至低于20 km,这相对于其他全国流动重力测网而言,具有一定优势。