2021年宁晋ML 3.7地震前后重力场变化

张庆扬 张展伟 刘洪良 杨雅慧

（中国河北071000河北省地震局保定地震监测中心站）

0 引言

地球重力场是地球物理基本场之一，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会引发地球物理场的变化。地震的孕育、发生与地球重力场变化之间存在密切联系。地震是震源区介质发生的快速破裂错动或是原断层的失稳，在地震孕育过程中诱发的地壳形变会导致地壳介质密度发生不同程度的变化，地壳和上地幔内还可能存在物质迁移，所有这些变化都将导致重力场的变化（梁伟锋等，2015）。

近年来，流动重力在我国中强地震的中长期预测中发挥了重要作用（刘洪良等，2021）。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，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（胡敏章等，2019）。1968年起，河北省地震局流动测量队在邢台地区建立了由4个闭合环组成的流动重力监测网，即为邢台重力测网，该重力测网横跨邢台、邯郸、石家庄、衡水等市，并于2009年并入大华北重力测网（横跨山西、河北、天津、山东、河南等省市的大型重力测网）。该重力测网每年复测2期，使用2台CG-5相对重力仪同时观测。

监测发现，2009年起宁晋—邢台地区重力场连续多年出现异常，被列为地震活动重点关注区。2021年7月15日，邢台宁晋县发生ML3.7地震，震中位于保定流动测量队重力观测网中的邢台测网，震中周边分布有宁晋、红山、鹿泉、南智邱、南宫凤岗、衡水等多个重力观测点。本文基于邢台重力测网，整理2019—2021年流动重力观测数据，以红山绝对重力测量点为起算点，分析此次宁晋地震前后邢台地区在不同时间尺度的重力场变化。

1 邢台重力监测网及数据处理

邢台老震区地处冀中平原南部，周边分布有束鹿、百尺口、临城—隆尧等断裂带，构造活动较强。1966年3月8日河北邢台隆尧县MS6.8地震（震中烈度9度）、1966年邢台宁晋县MS7.2地震（震中烈度10度）即发生于该区。为监测该区地震活动性，在元氏、宁晋、南宫、隆尧等地布设重力监测点，构成邢台重力监测网（图1）。该重力测网使用编号为873、875的CG-5型重力仪进行重力观测，两点间往返双程测量，每年测量2期。2019年8月—2021年10月，共得到5期重力测量数据，具体结果见表1。

图1 邢台地区重力测网和构造Fig.1 Gravity networks and structure sketch in Xingtai area

表1 邢台地区重力测网数据处理精度Table 1 Data processing accuracy of gravity survey network in Xingtai area

以红山绝对重力测量点为起算点，以实测数据进行重力仪标定（实为对重力仪格值进行1次项系数标定），以消弱仪器格值系数变化带来的误差（郝洪涛等，2016），采用LGADJ-8重力计算软件，将优化数据进行潮汐改正、极移改正、地球离心力改正，后进行经典平差处理，得到邢台地区重力测网数据处理精度，结果见表1。由表1可知，重力平差计算结果较好，研究时段重力点值精度平均值优于9.3 μGal，最高达7.1 μGal。

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最佳拟合，可获得不同时间尺度的重力场变化图像。

2 重力点值时序变化

重力场的时空动态演化较好地反映了区域性重力变化，而重力点值的时序变化能较好突出异常测点的局部动态变化（胡敏章等，2019）。整理邢台重力测网2019—2021年5期重力测量数据，分析2021年7月宁晋ML3.7地震发生前震中附近测点的重力变化，计算得到红山绝对点、元氏气象、宁晋税务、黄壁庄点、鹿泉测点、贺营测点重力点值变化时序，结果见图2。由图2可见，2020年3月—2020年9月，图像显示重力值均呈下降趋势，2020年9月—2021年9月，图像显示重力值则呈上升趋势，且下降—上升变化趋势具有准同步的群体性特征。该准同步群体性变化过程，可能是2021年7月15日宁晋ML3.7地震孕育发生过程中明显的中短期前兆反映，理论上震后重力点值数据应恢复正常变化，然而9月以来重力测网数据呈上升变化，随后在宁晋ML3.7地震附近于11月25日和12月22日先后发生ML2.5和ML2.8地震，说明地壳累积应力在此次宁晋ML3.7地震的发生过程中并未完全释放。

图2 震中附近测点地震前后重力点值变化时序Fig.2 Time series of changes in gravity point values at sites near the epicenter before and after the earthquake

3 宁晋ML 3.7地震前不同时间尺度重力场变化

4级左右地震自身积累能量较小，为了分析宁晋ML3.7地震前区域重力场的短期前兆特征，能够有效捕捉震前相关重力变化，以相邻2期重力观测资料为时间基准，绘制各重力测点0.5年尺度的区域重力场差分图像，结果见图3；为剔除季节变化及小震对重力场的影响，具体体现邢台地区重力场的整体变化，绘制相邻4期，即1年尺度的区域重力场差分图像，结果见图4。

图3 0.5年尺度的重力场变化(a)2019年9月—2020年3 月；(b)2020年3月—2020年9 月；(c)2020年9月—2021年3 月；(d)2021年3月—2021年9月Fig.3 Gravity field variations on a half-year scale

图4 1年尺度的重力场变化(a)2019年9月—2020年9月；(b)2020年9月—2021年9月Fig.4 Gravity field variations on a one-year scale

（1）0.5年尺度重力场变化。由图3可见：2019年9月—2020年3月[图3(a)]，邢台测区处于重力场正负梯度带分界线，零值线两侧梯度带的重力差异平缓，重力场梯度带平缓，展示为正常状态；2020年3月—2020年9月[图3(b)]，邢台测区重力场正、负梯度带消失，受季节性变化影响，重力为负值变化，零值线在邢台测点西南，但总体梯度带平缓，重力场处于正常状态；2020年9月—2021年3月[图3(c)]，邢台测区重力场由负值变化转为正值变化，零等值线在邢台测量点西南方，从邢台—贺营沿线方向形成明显高梯度带，在与梯度带垂直距离40 km中，重力值变化为50 μGal，并与2020年3月—2020年9月[图3(b)]相同地区对比，重力值变化达60 μGal，2021年7月15日宁晋MS3.7地震发生在重力场高梯度带发散处，清晰反映了震前10个月邢台地区重力场的孕震变化；2021年3月—2021年9月[图3(d)]，在2021年7月宁晋ML3.7地震发生后，邢台地区重力场为恢复状态，但是在红山—宁晋—南智邱沿线仍存在重力场高梯度带，重力差异30 μGal。宁晋ML3.7地震发生后，2021年11月25日宁晋发生ML2.5地震，2021年12月22日邢台任泽区发生ML2.8地震，2次地震均发生在宁晋ML3.7地震附近，说明宁晋ML3.7地震后未将累计能量完全释放。

（2）1年尺度重力场变化。由图4可见：2019年9月—2020年9月，邢台地区重力场零值线位于元氏测点附近，整体表现为重力场负值异常，但重力梯度带平缓，重力变化较小，重力场变化正常；2020年9月—2021年9月，清晰可见邢台地区重力场在宁晋ML3.7地震发生后整体由负值转为正值异常，说明此次宁晋地震的孕震时间约为1年，震后宁晋附近仍存在40 μGal高梯度带，显示累积能量未完全释放，重力场高梯度带依然存在，后于2021年11月25日和12月22先后发生宁晋ML2.5和邢台任泽区ML2.8地震，且震中均位于宁晋ML3.7地震附近。

4 结论

本文分析探讨了2021年宁晋ML3.7地震发生前后不同时间尺度下重力场变化特性以及重力点值时序变化，得到以下结论：

（1）多角度分析发现，宁晋ML3.7地震的孕震时间约为10个月。

（2）从点值时序图、0.5年及1年尺度的重力场变化图均可看出，此次宁晋ML3.7地震前重力场由负值到正值变化，并产生高梯度带，且宁晋ML3.7地震发生后高梯度带未完全恢复。在2021年7月宁晋ML3.7地震后，2021年11月25日宁晋发生ML2.5地震，2021年12月22日邢台任泽区发生ML2.8地震，2次地震震中均位于高梯度带中，反映了宁晋ML3.7地震后累积能量未完全释放，导致重力场高梯度带依然存在。