河北唐山古冶5.1级地震前的重力变化

2021-07-17刘洪良王青华张展伟杨雅慧刘书峰

华南地震 2021年2期

刘洪良，王青华，张展伟，杨雅慧，刘书峰

（1.河北省地震局流动测量队，河北保定 071000；2.云南省地震局，昆明 650024）

0 引言

继2019年12月5日在河北唐山市丰南发生4.5级地震后，2020年7月12日河北唐山市古冶区（39.78°N，118.44°E）再次发生5.1级地震，震源深度10 km。该地震造成河北唐山市中心震感强烈，天津、河北承德震感明显，北京、河北廊坊、沧州等地有震感。此次地震发生在1976年7月28日唐山7.8级地震的老震区内，位于京津冀地区重力监测网（图1中绿框区域）东南缘，最近的断层是唐山—古冶断裂。

本文利用京津冀地区重力监测网2018—2020年的流动重力复测资料，分析区域不同时间尺度重力场变化与古冶5.1级地震的关系。

1 京津冀地区重力测网及数据处理。

自20世纪80年代起，中国地震局开始在京津冀地区建立地震重力监测网，并进行复测（图1），其空间分辨率约20～60 km，重力场变化具备监测4级以上地震的潜在能力[1]。

图1 京津冀地区重力监测网和构造略图Fig.1 Gravity Monitoring Network and structure sketch in the Beijing-Tianjin-Hebei region

2018—2020年间使用的重力仪器有CG-5、BRURRIS和LCR-G型重力仪，共两个单位作业组进行测量（河北省地震局和中国地震局地球物理勘探中心），采用经典平差处理所得流动重力资料，以京津冀地区同期绝对重力测量数据作为控制（如图红色三角标志，共8个绝对重力测量点），以实测数据标定重力仪一次项系数，以消弱仪器格值系数变化带来的误差[2-4]，平差计算时反复迭代分配各台仪器的先验方差，以得到最佳合理解算结果[5-8]。通过上述相关改正后的重力平差计算结果较好，2018—2020年的点值精度平均值均优于9.1μGal，最高达7.2μGal（表1）。采用Kriging方法对重力变化点值进行网格化，剔除稳定性差和信噪比较低的测点，对不规则离散重力点数据进行了最佳拟合，获得了不同时间尺度重力场变化图像。

表1 京津冀地区重力测网数据处理精度Table 1 Data processing accuracy of gravity survey network in Beijing-Tianjin-Hebei region

2 古冶5.1级地震前重力场变化

2.1 古冶5.1级地震前重力场差分变化

为了分析古冶5.1级地震前区域重力场的短期前兆变化特征，以相邻2期的观测资料为时间基准，分别绘制了相邻2期（0.5年尺度）区域重力场的差分图像（图2），分析图2可以发现以下特征：

2018-09—2019-04期间（图2a）：测区重力场以张家口为界，呈西负东正的变化态势，唐山—天津间重力场呈正值变化，幅值20μGal；

图2 2020年7月12日古冶5.1级地震前0.5年尺度重力场变化图Fig.2 The half-year scale gravity field changes map before the Guye MS5.1 earthquake on July 12th，2020

2019-04—2019-09期间（图2b）：张家口—保定间形成的梯度带消失，在唐山—天津间形成与蓟运河断裂走向基本一致的梯度带，梯度带两侧的重力差异变化约40μGal，重力变化梯度带零等值线附近发生了2019年12月5日河北丰南4.5级地震；2019-09—2020-05期间（图2c）：唐山—天津间重力正值变化，并形成30μGal的局部重力异常区及与唐山—古冶断裂走向基本一致的梯度带，零等值线在唐山附近拐弯，重力差异变化约40 μGal，2020年7月12日古冶5.1级地震就发生在重力变化梯度带零等值线附近。

2.2 古冶5.1级地震前1年尺度重力场变化

分别绘制了测区1年尺度（2018-09—2019-09、2019-04—2020-05）的重力场变化图（图3），仔细分析有如下特征：

图3 2020年7月12日古冶5.1级地震前1年尺度重力场变化图Fig.3 The one-year scale gravity field changes map before the Guye MS5.1 earthquake on July 12th，2020

2018-04—2019-04期间（图3a）：天津—唐山间表现为大面积正值异常，2019年12月5日丰南4.5级地震发生在发生在最大正值变化区，但2020年7月12日古冶5.1级地震震中区附近重力变化较小，幅值20μGal.；

2019-04—2020-05期间（图3b）：重力场表现为正-负-正的变化格局，天津—唐山间形成与唐山断裂走向基本一致的梯度带，幅值约40μGal，零等值线在唐山—古冶附近拐弯，2020年7月12日古冶5.1级地震就发生在零等值线附近。

3 重力变化与古冶5.1级地震

3.1 重力场变化与古冶5.1级地震的关系

分析震前区域重力场差分图像（图2）可以看出：震中附近区域重力场出现较明显的异常变化，2018-09—2019-04期间，唐山附近约有20μGal的正值变化；2019-04—2019-09期间，在天津-唐山间形成一负一正异常区，唐山附近地区持续重力正值变化；2019年12月5日丰南4.5级地震就发生正负异常区零等值线附近；2019-09—2020-05期间，重力场表现为北负南正的变化格局，唐山-天津间重力场呈反向变化，并形成与唐山-古冶断裂走向基本一致的梯度带，2020年7月12日古冶5.1级地震就发生在重力变化梯度带零等值线拐弯部位。

京津冀地区重力监测网0.5年尺度的差分图像较好地反映了古冶5.1级地震前的重力变化，是一个由“震前一年，重力场持续上升（正）变化→震前反向变化→在重力变化梯度带零等值线附近发震”的演化过程。

分析1年尺度重力场（图3）可以看出：2019年12月5日丰南4.5级地震和2020年7月12日古冶5.1级地震均发生在重力变化零等值线附近，且震中附近唐山附近重力值变化较低，与云南墨江5.9级地震前的重力变化特征相类似，区域重力场时空变化呈局部“硬化”现象[9]。

3.2 重力场变化与构造的关系

重力场变化与活动断裂构造密切相关[5]。1976年唐山7.8级地震前观测到的持续重力正变化是震中区出现深部热物质上涌和迁移过程引起的[10-14]用深地震反射剖面及现场考察研究提示了唐山断裂深部切割和扰动了下地壳物质和壳幔过渡带，为上地幔高温物质侵入地壳提供了通道。热物质上涌使物质密度增大，从而导致局部重力增大（震前一年），而持续的加热则使物质膨胀，密度减小，从而震前半年唐山附近重力值减小。

震前一年，唐山附近重力场持续上升（正）变化，并在2019-09—2020-05期间形成与唐山—古冶断裂走向基本一致的梯度带，说明古冶5.1级地震前北东向的唐山—古冶断裂的活动引起地表重力发生了相应变化。