基于重力仪静态观测数据研究长宁6.0级地震活动性

陈 挺，严 迪，杨 剑，廖国忠，余 舟，李鸿泰

(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)

地震构造活动会引起重力场的扰动变化，Martin等通过评估日本东北大地震的记录数据，发现以光速传播的重力信号始终在其对应地震波信号传到地震监测站之前率先到达。刘栋勋等(1984)发现了一些重力变化与地震有关的事实，如1976年7月28日唐山7.8级地震前后，在震中不远的一条剖面上进行了两次重力测量，发现震前震后剖面观测重力值最大差值达0.165×10-5m/s2；1995年7月12日云南省孟连县7.3级地震，吴国华(1998)在滇西实验场重力网红河断裂以西观测到重力异常变化；祝意青等(1999,2002,2003)通过流动重力测量，观测到较可靠的重力随时间变化数据；郝晓光等(2008)在汶川大地震前监测到“重力扰动”逐渐增大，直至地震发生。这些观测记录说明地震在孕育发生过程中会伴随地下物质密度变化和深部物质迁移(李子涛等，2005)，从而引起重力变化。

笔者在参与中国地质调查局成都地质调查中心“四川会理—盐源及邻区1∶25万区域重力调查”项目期间，通过对长宁6.0级地震的重力观测数据分析，认为地震发生时检测到重力值的变化，往往是震动干扰引起的，这种观测重力值的瞬时变化容易被误认为是重力值变化引起的，重力值是否变化应该比较地震前后的观测值是否发生变化，而不能简单的以地震活动时所取得的错误观测重力值作为评价标准，因为重力值的改变必然是由场源体的空间和密度变化所引起。当地震震级较小时，这种重力异常变化往往非常微弱，仅在震源区或离震源较近的构造断裂附近才能观测到(李子涛等，2003)，说明震区附近重力异常变化与主干断裂在空间上关系密切(周斌等，2018)。

1 长宁震区地质构造背景

长宁地区主要地质构造为长宁背斜，该背斜东起叙永县，分布于兴文县、长宁县双河，西至珙县天星桥一带，构造东西长100 km，南北宽20 km，呈不对称的复式大背斜。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80°。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(蔡一川等，2015)。

2 引起重力值变化的原因分析

通过正演模型的模拟计算，分析影响重力值变化的主要因素。图1左为水平地层模型，上层模型密度为2.45 g/cm3，下层模型密度为2.55 g/cm3，背景密度为2.67 g/cm3。其重力异常曲线为对称的单支双曲线形状。图1右为水平地层受到挤压作用后形成的逆断层模型，由于挤压力的持续作用，左上层模型密度变为2.50 g/cm3，左下层模型密度为2.60 g/cm3，右上层模型密度为2.45 g/cm3，右下层模型密度为2.55 g/cm3，背景密度为2.67 g/cm3。其重力异常曲线(右图中实线)为不规则形状。

图1 水平地层正演模型及逆断层正演模型重力异常

从上述两个模型重力异常值比较图知，由于断裂破碎作用，引起原始水平地层的空间分布位置和密度值发生变化，其异常值也发生变化，变化幅值最大达2.71×10-5m/s2。从正演模型对比结果知，引起重力值变化的主要因素为地质体的空间分布形态和密度的改变。

3 长宁地震实测重力静态数据分析

本次项目使用的CG-5型自动重力仪是加拿大Scintrex公司研制的数字重力仪(曹金国等，2018)。在正式工作前，对重力仪进行了调节试验、静态试验、动态试验、多台仪器间的一致性试验，试验结果满足规范要求。

长宁6.0级地震发生前，笔者正在距离震中72.9 km的云南省盐津县普洱镇进行重力静态观测，由于当时地震震级较大，所使用的CG-5型重力仪在地震活动作用下，在观测水平面上发生了约20 cm的位移。发生位移后对仪器进行了重新调平操作，随后发生的珙县5.1级地震也被成功记录到。截至2019年7月20日，重力静态观测仪分别在盐津县普洱镇和珙县上罗镇成功记录到地震活动18次，说明长宁地震具有主震突出、余震丰富的特点，震后的应力释放可能还需持续相当长的时间。本次用于分析的数据主要包括经固体潮和零点位移改正后得到重力仪的静态观测数据和重力仪实时观测数据的标准差。

重力值标准差在仪器读数记录里用“S.D.”表示，重力仪读数时每秒钟更新一次。由于重力高频信号在重力数据采集中往往作为干扰信号，被仪器自带的滤波器过滤掉，最终得到的重力观测值是滤波处理后的结果。在野外观测时，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记录的S.D.值，认为S.D.值可用于地震不确定性的一种测量。

下面通过对地震发生时记录的重力观测值和S.D.值进行分析，来说明重力值和S.D.值与地震的相关性。在平稳场中，S.D.值一般小于0.020×10-5m/s2，当仪器记录S.D.值小于或等于该值时，认为地震震动活动停止。其中表1是发震时重力仪记录静的读数时间间隔的静态观测数据统计表，共计记录到8次地震。为了更详细的研究重力场和S.D.值随时间的变化规律，将普洱镇重力仪的时间间隔设置为10分钟，上罗镇的设置为1分钟。

表1 发震时刻重力仪记录静态观测数据统计

3.1 宜宾市长宁6.0级地震和珙县5.1级地震重力静态观测数据分析

2019年6月17日22时55分在四川省宜宾市长宁县发生6.0级地震，震源深度16 km。2019年6月17日23时36分在四川省宜宾市珙县发生5.1级地震，震源深度16 km。图2左、右分别是经改正后的重力观测值随时间的变化曲线。长宁县6.0级地震在22时55分突然爆发，导致仪器自带的地震滤波功能失效，观测重力值与地震爆发前的观测值相差4.466×10-5m/s2，到23时5分由地震引起的S.D.值降为0.766×10-5m/s2，此时刻观测重力值与地震爆发前的观测值相差-0.002×10-5m/s2，可见仪器自带的地震滤波功能已经滤掉了重力高频干扰信号。23时36分珙县5.1级地震继长宁6.0级地震后爆发，从图2左、右可知，剔除发震时刻的畸变重力数据，在云南省盐津县普洱镇观测到的长宁县6.0级地震、珙县5.1级地震并未引起重力观测值的明显变化。

图2 长宁6.0级(左)、珙县5.1级(右)地震重力值随时间变化

图3 长宁6.0级地震、珙县5.1级地震标准差随时间变化

图3是上述两次地震发生时刻重力仪记录的S.D.值随时间的变化曲线，从图知，22时55分19秒S.D.值高达23.066×10-5m/s2，23时36分33秒S.D.值高达11.708×10-5m/s2。6.0级地震引起的重力扰动是5.1级地震的1.97倍。在平稳场中，S.D.值一般小于0.020×10-5m/s2，23时16分S.D.值为0.155×10-5m/s2，23时26分S.D.值为0.038×10-5m/s2，近似为正常值的2倍，说明距离发震时间半小时后地震扰动虽然减小，但是并未停止。23时36分珙县5.1级地震继长宁6.0级地震后爆发，S.D.值突然升为11.708×10-5m/s2，直到6月18日00时06分，S.D.值降为0.013×10-5m/s2，此时该次地震活动已经平息。

3.2 宜宾市珙县2.9级地震重力静态观测数据分析

2019年7月15日16时48分在四川省宜宾市珙县发生2.9级地震，震源深度8 km。重力仪距离震中7.8 km。由于在盐津县普洱镇设置的10分钟读数时间间隔，不能精确的记录到重力值和S.D.值的变化规律，因此在珙县上罗镇进行静态观测时，将读数时间间隔设置为1分钟。图4左是经改正后的重力观测值随时间的变化曲线。从左图中知，在选取的36分钟时段范围内，重力值变化幅度仅为0.006×10-5m/s2，地震前后重力值无明显变化。图4右是地震发生时刻重力仪记录的S.D.值随时间的变化曲线，从图知，16时48分S.D.值高达0.935×10-5m/s2。在平稳场中，S.D.值一般小于0.020×10-5m/s2，16时54分S.D.值为0.014×10-5m/s2，说明从发震到停止用时6分钟。

图4 珙县2.9级地震重力值及地震标准差随时间变化

通过对长宁6.0级地震(重力仪距离震中72.9 km)、珙县5.1级地震(重力仪距离震中62.7 km)、珙县2.9级地震(重力仪距离震中7.8 km)前后经固体潮和零点位移改正后的重力值分析，发现地震后静态观测的重力数据与震前只有几个微伽的变化，而重力仪自身的重复观测精度为0.005×10-5m/s2，故认为地震前后重力值未发生变化。地震发生时引起的重力值畸变主要是由于振动干扰引起的错误读数，该读数并非是由于地震引起地下地质结构改变导致的。通过对记录的S.D.值分析，计算了地震从开始到结束的持续时间，长宁6.0级地震从发震到结束用时约30分钟，珙县5.1级地震从发震到结束用时约20分钟，珙县2.9级地震从发震到结束用时6分钟。可见地震震级大小与当次地震活动持续时间呈正相关关系，即震级越大，地震活动持续时间越长。

4 结论

通过正演模型分析，认为引起重力场改变的主要因素是地下地质体在断裂活动作用下发生了空间位移和密度分布的改变。通过比较重力静态观测数据，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。通过对S.D.值的分析，认为地震震级大小与当次地震活动持续时间呈正相关关系， S.D.值受震中与测站的距离影响较小，普洱镇和上罗镇都能明显观测到S.D.值从突变达到最大值到逐渐衰减到正常读数范围的过程。