陸漢鵬，李建奎，王鋒吉，張剛

（山東省地震局，濟(jì)南250014）

2013年萊州MS4.6、2015年乳山MS4.6級地震前后重力場變化特征

陸漢鵬，李建奎，王鋒吉，張剛

（山東省地震局，濟(jì)南250014）

利用山東測區(qū)2009—2015年的流動(dòng)重力資料，采用絕對重力控制，相對重力聯(lián)測的經(jīng)典平差方法，給出了山東測區(qū)重力場動(dòng)態(tài)變化圖像，系統(tǒng)地分析了2013年11月23日萊州MS4.6級、2015年5月22日乳山MS4.6級地震前后重力場的空間變化和段差變化特點(diǎn)，并結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造及機(jī)理探討了重力變化特征與萊州地震、乳山地震之間的關(guān)系。結(jié)果表明：萊州MS4.6級地震震區(qū)位于重力場差分變化零值線拐彎區(qū)域；乳山MS4.6級地震震區(qū)位于重力場差分變化正異常的最大區(qū)域。另外，從跨斷裂的段差變化可以看出，地震發(fā)震前后重力段差必然在斷裂帶兩側(cè)有一次明顯的累積上升過程，且幅度較大，一般在轉(zhuǎn)折下降時(shí)易發(fā)震。

萊州地震；乳山地震；重力變化；地質(zhì)構(gòu)造

0 引言

2013年11月23日山東萊州市南發(fā)生了MS4.6級地震，這也是繼1995年9月蒼山MS5.2級地震后第二次在山東內(nèi)陸發(fā)生的較大地震，震中位于萊州南柞村鎮(zhèn)屬于山東流動(dòng)重力測區(qū)范圍（圖1）。2014年乳山震群地震頻發(fā)，并于2015年5月22日又發(fā)生了與萊州地震同級的乳山MS4.6級地震。為了對震后進(jìn)行震例總結(jié)，充分采用近年實(shí)測重力資料，利用絕對重力與相對重力結(jié)合的經(jīng)典平差方法，對山東測區(qū)重力變化特點(diǎn)及可靠性進(jìn)行了分析。

1 資料處理與計(jì)算

山東省地震局每年租用中國地震局2臺高精度金屬彈簧LCR-G型重力儀，而且自2009年以來一直使用LCR-G999和LCR-G1027兩臺重力儀，這樣可以減少更換不同型號重力儀帶來的系統(tǒng)誤差的影響，2009年之后山東測區(qū)每年進(jìn)行兩期的相對流動(dòng)重力觀測，并增加了絕對重力觀測進(jìn)行起算基準(zhǔn)控制，野外采用PDA掌上電腦記錄，往返自差、互差均小于限差要求。對流動(dòng)重力觀測資料進(jìn)行預(yù)處理和平差計(jì)算，預(yù)處理是對重力固體潮改正、氣壓改正、儀器高改正和儀器漂移改正等，有效地消除了系統(tǒng)誤差；平差計(jì)算則以單臺儀器的重力段差觀測值為平差元素，利用中國地震局實(shí)用化攻關(guān)推廣的應(yīng)用軟件LGADJ對數(shù)據(jù)資料處理，起算基準(zhǔn)選用泰安、日照2個(gè)絕對重力點(diǎn)，平差計(jì)算時(shí)，先對多期觀測資料計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整體分析，初步了解各臺儀器的觀測精度，合理確定各臺儀器的先驗(yàn)方差，再重新做平差計(jì)算，以得到最佳解算結(jié)果。

圖1 山東地質(zhì)構(gòu)造及重力測點(diǎn)分布圖Fig.1 Distributionmap of the tectonic and the gravity surveying points in Shandong Province

本文圖件分析主要選用2012—2013年（震前）、2014—2015年（震后）近四年的重力資料。近年重力觀測精度較高，其觀測精度（見表1）。

表1 山東地區(qū)重力測量精度情況（LCR-G型重力儀，單位：×10-8m·s-2）Table 1 The precision of gravity survey in Shandong area（LCR-G gravimeter）（Units:×10-8m·s-2）

2 重力場變化特征

2011年3.11日本9.0級大地震后對山東測區(qū)產(chǎn)生了明顯地影響，2012年山東測區(qū)地震活動(dòng)明顯增強(qiáng)，2012年2期復(fù)測結(jié)果顯示（圖2a、圖2b）：魯北及膠東北部出現(xiàn)重力場的加劇上升與反向大幅度減小的劇烈變化，并在2012年一年內(nèi)發(fā)生3～4級小震活動(dòng)，其中，在下半年膠東北部下降幅度較大，并在2012年7～8月分別發(fā)生ML3.1、ML3.8、ML3.2、ML3.9四次萊州地震，當(dāng)時(shí)正是重力觀測期間。2013年上半年重力變化明顯減弱（圖2c）基本是小幅度的下降變化，2013年下半年（圖2d）復(fù)測后魯南及膠東反向上升，尤其特別注意的是在膠東正異常區(qū)域的零值線出現(xiàn)扭曲,其拐彎區(qū)域位于萊州東側(cè)。當(dāng)時(shí)觀測時(shí)間是2013年8月份，一般地震發(fā)生在重力變化的梯度帶的零值線區(qū)域，其拐彎處是值得注意地區(qū)，雖然此區(qū)域梯度帶不明顯，但觀測結(jié)束后在此區(qū)域發(fā)生了萊州MS4.6級有感地震。此次地震發(fā)生在2013年11月23日13：44，微觀震中位于N37.10°、E120.02°,宏觀震中位于萊州市柞村鎮(zhèn)，此次地震發(fā)生在萊州斷裂帶附近，Ⅴ度區(qū)等震線為北東走向橢圓形[1]。2014年上半年復(fù)測顯示（圖2e），山東測區(qū)出現(xiàn)大幅度的上升態(tài)勢，上升變化超過30×10-8m/s2的測點(diǎn)多達(dá)110個(gè)，達(dá)到了近幾年異常上升測點(diǎn)最高值，變化最大的區(qū)域主要集中在魯北及膠東測區(qū)，重力場的上升預(yù)示著能量的逐漸積累，2014年上半年觀測結(jié)果是否受2013年萊州地震的震后滯后效應(yīng)影響值得考慮。2014年下半年（圖2f）復(fù)測顯示重力場大部分下降趨勢平緩，也說明山東測區(qū)重力場積累處于調(diào)整松弛階段。2015年上半年（圖2g）山東整體變化幅度比較均勻，正負(fù)變化區(qū)域面積相當(dāng)，魯南測區(qū)的中、南部趨勢下降，魯南北部的沂水西區(qū)域出現(xiàn)較大幅度的上升變化，并與沂水東部下降的正負(fù)變化差異較大，其中沂水、莒縣小區(qū)域顯現(xiàn)的等值線比較密集，觀測期間在莒縣連續(xù)發(fā)生了M 2.1級、M 2.4級兩次小震。2015年下半年（圖2h）山東整體變化幅度較上半年減小，重力場出現(xiàn)反向下降變化，季節(jié)性變化又明顯突出，尤其沂水西部區(qū)域下降幅度較大，沂水、莒縣東、西區(qū)域正負(fù)差異變化又比較明顯，重力變化零值線向東扭曲劇烈，上升區(qū)域在莒縣、莒南東南區(qū)域，下半年沂水西部區(qū)域沒有延續(xù)上半年持續(xù)上升異常態(tài)勢，但正、負(fù)差異變化特點(diǎn)應(yīng)該引起注意。

總之，相鄰兩期的重力場動(dòng)態(tài)變化較好地反映了半年尺度的重力變化，先前重力場表現(xiàn)出上半年上升、下半年下降的正負(fù)交替的季節(jié)性變化，而2015年上半年以上升為主的變化有所改變，2015年上半年打破季節(jié)性變化，下半年重力場的下降變化又延續(xù)先前的季節(jié)性變化特征。

由于重力變化受起算控制點(diǎn)及網(wǎng)型大小影響，對近期資料采用分網(wǎng)平差、單獨(dú)計(jì)算膠東測區(qū)的方法得到2014年12月至2015年8月差分及累積重力場變化圖像（如圖3a、3b），發(fā)現(xiàn)膠東南部海陽至榮成區(qū)域重力變化上升幅度較大，其中乳山測點(diǎn)上升最大為53×10-8m/s2，由于受2014年乳山震群影響，2014年12月專門對膠東測區(qū)加密觀測，至2015年第一期觀測僅3個(gè)多月時(shí)間出現(xiàn)了如此大的變化也是值得關(guān)注的。膠東測區(qū)62個(gè)測點(diǎn)，超過30×10-8m/s2的測點(diǎn)21個(gè)，異常比例達(dá)到33%。2015年第一期觀測結(jié)束后2個(gè)月之內(nèi)發(fā)生乳山MS4.6級地震，此次地震震中就位于重力差分變化最大區(qū)域，與2013年萊州MS4.6級地震重力變化特征不太一致。

3 重力段差變化與地震

地震重力測量中，流動(dòng)重力采用的是相對重力測量手段，而段差變化不要求每期測量都有絕對點(diǎn)控制，段差變化的計(jì)算相比點(diǎn)值變化，可認(rèn)為與平差方法選擇無關(guān)，誤差不因?yàn)榛c(diǎn)的選取會(huì)出現(xiàn)累積變化大。段差變化可以認(rèn)為是一種重力水平梯度的方向變化，與潛在發(fā)震位置更具有相關(guān)性。

圖2 山東測區(qū)重力變化等值線圖Fig.2 Isolinemap of gravity variation in the area of Shandong

圖3 膠東測區(qū)重力變化等值線圖Fig.3 Isolinemap of gravity variation in the area of Jiaodong

在靠近萊州西附近的沂沭斷裂帶兩側(cè)選用昌邑-新河測段做時(shí)序分析（圖4a），自2009年6月觀測至2012年8月平穩(wěn)波動(dòng)，2012年8月至2013年8月重力值加速上升，1年累積變化達(dá)到最高值44×10-8m/s2，觀測結(jié)束3個(gè)月發(fā)生萊州M 4.6級地震。在靠近乳山附近的乳山斷裂兩側(cè)選用海陽-乳山測段做時(shí)序分析（圖4b），自2009年至2012年逐年波動(dòng)上升，2013年大幅轉(zhuǎn)折下降，其中2013年8月下降速率較大，下降到最低值，2014年3月復(fù)測顯示出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升，并在轉(zhuǎn)折上升中發(fā)生萊州M4.6級地震，地震之后段差變化繼續(xù)直線上升，至2015年3月上升到最高值，自2013年8月持續(xù)上升至2015年4月不到2年時(shí)間累積段差41×10-8m/s2，觀測結(jié)束后1個(gè)月發(fā)生乳山MS4.6級地震。2015年下半年觀測轉(zhuǎn)折下降。此次地震位于牟平-乳山斷裂帶附近海域，其最大烈度初步確定為Ⅴ+度。從這次地震的宏觀烈度考察結(jié)果看，Ⅴ度等震線長軸為北西向，長約26 km。由于段差變化不受平差計(jì)算及起算點(diǎn)精度影響，實(shí)測結(jié)果更具有可靠性。通過以上2個(gè)跨斷裂的段差變化圖可以看出，地震發(fā)震前后重力測點(diǎn)必然在斷裂帶兩側(cè)有一次明顯的異常升降過程，且幅度較大[2]，一般在轉(zhuǎn)折下降時(shí)易發(fā)震。重力段差時(shí)序變化能較好地反映跨斷裂地段的重力動(dòng)態(tài)變化[3]。

（b）海陽-乳山測段圖4段差時(shí)序變化圖Fig.4 Timing diagram of segment difference

4 重力場變化與地震的機(jī)理分析

山東位于華北構(gòu)造區(qū)的東南部，新構(gòu)造期地殼運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)、強(qiáng)度等具有明顯的分區(qū)特征。

萊州與乳山地震處于魯中南-魯東上升山地區(qū)內(nèi)，并發(fā)生在新構(gòu)造單元的邊界帶上，萊州地震震中距沂沭斷裂帶東邊界的昌邑-大店斷裂的分支-景芝斷裂約15 km，震中雖然沒有對應(yīng)的第四紀(jì)活動(dòng)斷層，但其附近發(fā)育有北東向柞村斷裂、北北東向萊州斷裂，該區(qū)存在發(fā)生中強(qiáng)地震背景[1]。乳山地震震中距離乳山斷裂較近，附近海陽斷裂與乳山斷裂交叉分布是發(fā)生中強(qiáng)地震頻繁的區(qū)域。由于地震是震源區(qū)介質(zhì)發(fā)生的快速破裂錯(cuò)動(dòng)或是原斷層的失穩(wěn)現(xiàn)象，在地震的孕育過程中，由于地殼內(nèi)部應(yīng)力的長期作用，應(yīng)力、應(yīng)變的積累，孕震區(qū)內(nèi)介質(zhì)的物理、力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生不同程度的變化，導(dǎo)致活動(dòng)性斷層產(chǎn)生蠕動(dòng)變化，這種蠕動(dòng)變化以地面形變和物質(zhì)質(zhì)量變化表現(xiàn)出來，地殼形變會(huì)導(dǎo)致地面空間位置的變化，地殼的介質(zhì)密度也可能會(huì)發(fā)生不同程度的變化，地殼和上地幔內(nèi)還可能存在著物質(zhì)的遷移等變化，所有這些變化都將導(dǎo)致重力場的變化，并且通過地表的重力測量反映出來[4-7]。重力變化與構(gòu)造應(yīng)力之間有著密切的聯(lián)系，當(dāng)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場發(fā)生強(qiáng)弱變化時(shí)，重力場圖像也會(huì)隨之出現(xiàn)時(shí)空變化，重力場變化能反映區(qū)域應(yīng)力場的微動(dòng)態(tài)活動(dòng)，在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場增強(qiáng)的過程中，地殼中的物質(zhì)遷移出現(xiàn)有序性分布，相應(yīng)的區(qū)域重力場也出現(xiàn)有序變化。萊州地震與乳山地震就是在這種地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地下物質(zhì)能量累加，重力場逐漸增強(qiáng)，反映的區(qū)域應(yīng)力場也隨之增強(qiáng)的背景下發(fā)生的。

根據(jù)山東省地震臺網(wǎng)中心記錄到的波形資料，利用P波初動(dòng)、振幅比、波形反演等方法計(jì)算的震源機(jī)制解顯示，萊州地震為右旋走滑型，乳山地震為左旋走滑型，萊州與乳山地震發(fā)生前該區(qū)地下介質(zhì)密度都可能存在一定的變化。

5 結(jié)語

筆者對山東測區(qū)重力場空間變化及段差變化特征進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并且結(jié)合2次中等地震進(jìn)行了探討，總體來說具有以下變化特點(diǎn)：

（1）在空間分布上，2013年萊州MS4.6級地震震區(qū)位于重力差分變化零值線的拐彎區(qū)域；2015年乳山MS4.6級地震震區(qū)位于重力差分變化正異常的最大區(qū)域，兩個(gè)區(qū)域重力場變化形態(tài)不同，但都位于重力變化等值線的異常區(qū)域，重力場的明顯區(qū)域性變化與地震有一定的關(guān)聯(lián)性，有時(shí)震前出現(xiàn)明顯異常有時(shí)受震后滯后效應(yīng)影響。震前震后重力變化形態(tài)上的差異反映了地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的不同，震后是地表活斷裂的活動(dòng)，震前可能是深部孕震層構(gòu)造應(yīng)力的相對集中。

（2）對具有可靠性的跨斷裂的重力段差變化特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并與地震關(guān)系進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)重力段差變化在萊州與乳山地震前都出現(xiàn)明顯的上升增強(qiáng)態(tài)勢，兩年之內(nèi)上升累積都在40×10-8m/s2左右，具有4級左右地震的監(jiān)控能力，震后重力段差反向減小。因?yàn)橹亓鲎兓c活動(dòng)斷裂構(gòu)造密切相關(guān)，重力段差變化反映了斷裂的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其變化主要是構(gòu)造應(yīng)力作用下活動(dòng)斷層兩盤的物質(zhì)變遷和構(gòu)造變形差異運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的重力效應(yīng)。

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Characteristics of Gravity Field Change Before and After Laizhou MS4.6 Earthquake in 2013 and Rushan MS4.6 Earthquake in 2015

LU Hanpeng，LIJiankui，WANG Fengji，ZHANG Gang

（Earthquake Administration of Shandong Province，Jinan 250014，China）

Using the flow gravity observation data in Shandong survey area from 2009 to 2015，the absolute gravity control，relative gravity conjunction of the classical adjustment method，the paper gives the dynamic image of gravity field in Shandong survey area and systematically analyzes the spatial variation of gravitational field and segment difference change characteristics before and after the Laizhou MS4.6 earthquake on 23rd November 2013,Rushan MS4.6 earthquake on 22nd May，2015.Combining with the geological structure and earthquake mechanism characteristics analysis,the paper discusses the relation of characteristic of gravity variation and Laizhou earthquake and Rushan earthquake.The results show that Rushan the zone of Laizhou MS4.6 earthquake is located at the gravity field variation difference zero line turn areas；the zone of Rushan MS4.6 earthquake is located at the area with themaximum positive anomaly of gravity field difference.In addition，it can be seen from the cross fault segment difference that the earthquake seismic and gravity difference on both sides the fracture zone inevitably have a significant cumulative rise processwith largemagnitude and earthquakes generally occur in the transition falls.

Laizhou earthquake；Rushan earthquake；Gravitational field variation；Geological structure

P315.7

A

1001-8662（2016）04-0027-07

10.13512/j.hndz.2016.04.005

陸漢鵬，李建奎，王鋒吉，等.2013年萊州MS4.6、2015年乳山MS4.6級地震前后重力場變化特征[J].華南地震，2016，36（4）：27-33.[LU Hanpeng，LI Jiankui，WANG Fengji，et al.Characteristics of Gravity Field Change Before and After Laizhou MS4.6 Earthquake in 2013 and Rushan MS4.6 Earthquake in 2015[J].South china journal of seismology，2016，36（4）：27-33.]

2016-03-09

地震行業(yè)科研專項(xiàng)（201508009-12）；山東地震局合同制項(xiàng)目（15Y116）

陸漢鵬（1971-），男，高級工程師，主要從事流動(dòng)野外監(jiān)測工作.

E-mail：luhanpenglzx@163.com.