張永奇 丁曉光 曹建平++翟宏光蘇利娜 鄭增記
摘要:采用擬穩(wěn)平差方法對1992—2011年陜西關(guān)中重力測網(wǎng)流動觀測資料進行平差計算,獲得各期高精度重力值,利用Kriging插值算法獲得差分及累積重力場變化圖像,結(jié)合1998年1月5日涇陽MS48地震及2009年11月5日高陵MS44地震,分析2次地震前后重力場及重力點值時序變化特征。結(jié)果表明:(1)2次地震前后都有較明顯的重力異常變化,變化過程表現(xiàn)為正向―負向―正向重力變化,符合地震擴容模式;(2)2次地震的發(fā)生與渭河斷裂及涇陽—渭南斷裂構(gòu)造活動有關(guān),震中位置處于重力等值線零值線及拐彎處,但2次地震前重力累積變化不明顯;(3)關(guān)中西部重力測點在2次地震前后重力值變化顯著,關(guān)中東部重力點值變化不明顯,震中附近的測點在涇陽地震前后變化明顯,在高陵地震前后變化不明顯。
關(guān)鍵詞:關(guān)中地區(qū);流動重力測量;重力場變化;涇陽MS48地震;高陵MS44地震
中圖分類號:P315726文獻標識碼:A文章編號:1000-0666(2017)02-0248-09
0引言
我國流動重力測量始于20世紀60年代邢臺地震發(fā)生后,其結(jié)果反映的是區(qū)域重力場的非潮汐變化信息。地震在孕育過程中伴隨著區(qū)域構(gòu)造應力場變化、地殼內(nèi)部物質(zhì)遷移以及地球介質(zhì)密度變化,這些信息可以被流動重力測量觀測到(陳運泰等,1980;顧功敘等,1997)。隨著高精度重力測量儀器的發(fā)展和流動重力網(wǎng)的優(yōu)化改造,流動重力的監(jiān)測能力得到進一步的提高(李瑞浩等,1997)。研究表明,在大、中強地震前后可以觀測到顯著的重力變化,甚至在一些中小地震前后都可以觀測到重力變化(陳運泰等,1980;祝意青等,2012,2013b;李清林等,1997;李天生,范文,1992;梁偉鋒等,2012;鄭兵等,2015;賈宇鵬等,2015)。因此通過研究重力場變化特征,可為區(qū)域地震趨勢的研判提供參考依據(jù)。優(yōu)化改造重力監(jiān)測網(wǎng)的布局,對捕捉地震前兆信號尤為重要(賈民育,1996;賈民育,詹潔暉,2000;項愛民等,2007)。近年來,我國學者在6級以上地震的中短期預測預報方面進行了深入探索,取得了較好的成績,研究結(jié)果進一步表明重力測量是一項有效的地震前兆監(jiān)測手段(祝意青等,2009,2013a)。
陜西關(guān)中重力測網(wǎng)始建于20世紀80年代,于90年代初進行了優(yōu)化改造。重力測網(wǎng)每年觀測1期,2008年汶川MS80地震發(fā)生后,加密為每年觀測2期。重力測網(wǎng)觀測期間,發(fā)生了1998年1月5日涇陽MS48地震、2009年11月5日高陵MS44地震,針對這2次地震事件,不同的學者對其發(fā)震構(gòu)造、震源機制、地殼形變等方面進行了較為深入的研究,得出一些重要的結(jié)論(王衛(wèi)東,2002;戴王強等,2007;高好林等,2005,2006;曹建平等,2017)。筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上,基于關(guān)中重力測網(wǎng)重復觀測資料,對涇陽MS48地震、高陵MS44地震前后的重力場、重力點值時序變化特征進行分析,探討重力場異常變化與地震活動的相關(guān)性,同時對地震前后重力變化進行機理分析。
1測區(qū)概況及數(shù)據(jù)處理
關(guān)中地區(qū)位于鄂爾多斯塊體、甘青塊體、華北及華南塊體之間,在我國現(xiàn)代構(gòu)造變形的大陸動力學格局中具有特殊的地位。關(guān)中地區(qū)不僅是我國東西部大地構(gòu)造的分界帶和解耦帶,也是鄂爾多斯、華北、華南等構(gòu)造塊體差異運動的調(diào)節(jié)帶。區(qū)域內(nèi)發(fā)育了大量左旋走滑及正斷性質(zhì)的斷裂,如隴縣—寶雞斷裂帶、渭河斷裂、華山山前斷裂、秦嶺北麓斷裂、口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂等,這些斷裂不僅控制著區(qū)域內(nèi)構(gòu)造應力場分布格局,對地震的孕育過程也具有重要的影響。1998年1月5日涇陽MS48地震、2009年11月5日高陵MS44地震均發(fā)生在渭河斷裂附近的涇陽—渭南斷裂上(吳富春等,2000;王平等,2014)。
關(guān)中重力測網(wǎng)主要覆蓋關(guān)中地區(qū),大體范圍是(34°N~358°N,1065°E~1105°E)。自1992年起,每期由2臺LCR-G型重力儀開展觀測。為了確保相對重力聯(lián)測精度,減少儀器誤差影響,儀器格值在測前都按照規(guī)范要求進行了長基線場地標定,觀測精度達到規(guī)范要求。關(guān)中重力測網(wǎng)包括121個測點,但由于破壞及改造,每期測點個數(shù)及網(wǎng)形不盡相同,但基本保持觀測120個點左右,關(guān)中地區(qū)重力網(wǎng)及主要構(gòu)造見圖1。平差計算采用中國地震局實用化攻關(guān)推廣軟件LGADJ,平差起算基準采用擬穩(wěn)基準,擬穩(wěn)點的選取遵循以下原則:①觀測資料連續(xù),沒有中斷和停測;②點值變化平穩(wěn),沒有明顯的趨勢性變化;③測點處于相對穩(wěn)定的構(gòu)造區(qū),離活動斷裂相對較遠;④墩標穩(wěn)定,屬于混凝土埋石點。按照上述原則選擇了測區(qū)的9個測點,擬穩(wěn)點具體情況見表1。平差計算過程如下:①資料預處理,進行固體潮、氣壓、一次項、儀器高、周期誤差等改正;②對多期重力資料計算結(jié)果進行整體分析,了解不同儀器的觀測精度,以此確定各臺儀器的先驗方差,再進行平差計算,確保結(jié)果合理可靠;[JP2]③采用kriging插值算法進行重力值擬合推估,同時進行樣條平滑和高斯濾波。最終得到重力測點精度平均值優(yōu)于10×10-8 m/s2,精度統(tǒng)計詳見表2。
2重力場時空變化特征分析
21涇陽MS48地震前后重力場動態(tài)差分變化
[KG(0.2mm]本文首先分析1998年1月5日涇陽MS48地震前后重力變場化特征,如圖2所示。由圖2a(1995年7月—1996年7月)可知,渭河盆地內(nèi)部重力場等值線空間展布基本沿著渭河斷裂、扶風—禮泉斷裂和北山山前斷裂等,渭河斷裂南側(cè)重力場主要表現(xiàn)為負值變化,其北側(cè)主要表現(xiàn)為正值變化,預示著該時段重力場變化特征受活動斷裂帶控制。在永壽、三原及大荔等地區(qū)出現(xiàn)重力線拐彎現(xiàn)象,研究表明這些拐彎部位有利于地震孕育,近年來多個震例顯示這種重力線[JP3]拐彎處易于地震發(fā)生(祝意青,2009,2013a,b)。[JP]總體上看,圖2a中重力變化幅度不大,基本在(-20~30)×10-8 m/s2變化。由圖2b(1996年7月—1997年7月)可知,本期重力場變化幅度有所增強,同時變化趨勢出現(xiàn)反轉(zhuǎn),基本以永壽—涇陽—臨潼一線為界,其東北向區(qū)域重力場呈現(xiàn)較大范圍負值變化,西南向區(qū)域重力場呈現(xiàn)為正值變化。圖2c(1997年7月—1998年10月)顯示,關(guān)中西部出現(xiàn)大范圍的重力場負值變化,尤其是鳳翔以西地區(qū)重力場最大負值變化達-50×10-8 m/s2。關(guān)中東部出現(xiàn)大范圍的重力場正值變化,最大變化集中在韓城附近,量值達35×10-8 m/s2。重力場零等值線分布在咸陽―西安―藍田一帶,涇陽位于零等值線附近的西北側(cè),并形成重力變化梯度帶,正負差異變化達到45×10-8 m/s2,1998年1月5日在涇陽發(fā)生了MS48地震。圖2d(1998年10月—1999年7月)顯示涇陽MS48地震后重力場變化再次出現(xiàn)反轉(zhuǎn),震中附近重力場由正值變化轉(zhuǎn)為負值變化,這與震后物質(zhì)重新分布、應力重新調(diào)整的特征有一定的對應關(guān)系。圖2e(1999年7月—2000年7月)出現(xiàn)了和上期(圖2d)不同的變化趨勢,以永壽—涇陽—臨潼為界,西南部出現(xiàn)大范圍重力場負值變化,東北部出現(xiàn)大范圍正值變化,重力變化高梯度帶依然在涇陽附近,差異變化約50×10-8 m/s2。圖2f(2000年7月—2001年5月)顯示重力等值線分布格局與震前狀態(tài)(圖2a)相似,量值變化與震前水平相當,區(qū)別在于渭河斷裂以南地區(qū)重力場表現(xiàn)為正值變化,以北表現(xiàn)為負值變化??傮w上涇陽MS48地震前后震中區(qū)重力場變化遵循正向—負向—正向變化的動態(tài)演化過程,符合地震擴容模式,即地下巖石壓縮—膨脹—流體擴散的3個階段的演化特征,只是這種變化有稍許的滯后效應。
22高陵MS44地震前后重力場動態(tài)差分變化
2009年11月5日陜西省高陵縣發(fā)生了MS44地震,該地震前后重力場變化特征如圖3所示。圖3a(2006年8月—2007年7月)顯示重力場自西向東表現(xiàn)為正值―負值―正值變化特征,分界線大體為彬縣—咸陽—西安和黃龍—大荔—華縣,但重力場變化幅度較小,基本在(-30~20)×10-8 m/s2之間,只在韓城、蒲城形成2個局部重力異常區(qū),量值分別是25×10-8 m/s2、-30×10-8 m/s2。圖3b(2007年7月—2008年5月)與上期(圖3a)相比出現(xiàn)重力場反向變化,震中高陵地區(qū)由上期的負值變化變?yōu)檎底兓?。旬邑—麟游—周至以西出現(xiàn)較大范圍的重力負值變化,但變化量值不大,另外在韓城出現(xiàn)較大范圍重力場負值變化。臨潼—渭南—華縣以南出現(xiàn)大范圍的重力正值變化,變化達50×10-8 m/s2。震中高陵處于重力正值變化區(qū)域。圖3c(2008年5月—2009年5月)顯示關(guān)中地區(qū)重力場變化特征進一步發(fā)生調(diào)整,整個關(guān)中地區(qū)重力場以正值變化為主,正向變化值位于永壽、旬邑附近,達40×10-8 m/s2。咸陽—三原—銅川—大荔一線的東南地區(qū)重力場出現(xiàn)負值變化,負向變化最大值位于洛南地區(qū),達-35×10-8 m/s2,零值線位于三原附近,震中高陵位于零值線附近。由圖3d(2009年5—9月)可知,高陵地震前震中附近形成重力四象限分布格局,地震震中處于四象限的鞍部。這種重力場分布格局可能受2008年5月12日四川汶川MS80地震遠場效應影響。汶川地震后地震能量沿北川—青川斷裂向北東方向擴散,引起北東方向的陜西南部及關(guān)中地區(qū)應力場重新調(diào)整,物質(zhì)重新分布,從而導致關(guān)中中部渭河斷裂出現(xiàn)局部應力集中,進而誘發(fā)2009年11月5日的高陵MS44地震。圖3e(2009年5月—2010年6月)顯示高陵MS44地震后由于震后應力場松弛效應,高陵震中附近重力變化梯度帶消失,重力場由0×10-8 m/s2變化為-5×10-8 m/s2,相比上期(圖3d)重力場分布格局發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)。圖3f(2010年6月—2011年6月)顯示重力場在進一步應力場調(diào)整作用下,負值變化區(qū)域顯著縮小,正值變化區(qū)域明顯擴大。高陵地震前后重力場變化也符合地震擴容理論。
232次地震前重力場累積變化
重力場累積變化圖像可以直觀判斷研究區(qū)域重力累積變化情況,可以對研究區(qū)域未來地震發(fā)震概率研判提供一定的參考。為此本文分析了涇陽MS48地震、高陵MS44地震前的重力累積變化情況,如圖4所示。圖4a(1993年7月—1997年7月)顯示,重力場累積變化并不顯著,整個關(guān)中地區(qū)重力場基本以正值變化為主,銅川—涇陽—蒲城以北出現(xiàn)重力場局部負值變化,周至地區(qū)出現(xiàn)局部的負值變化。涇陽MS48地震震中位于重力場變化的零值線附近,重力變化幅度不大,研究表明這種現(xiàn)象屬于局部“硬化”,表明該地區(qū)附近的渭河斷裂構(gòu)造活動加強,而震中閉鎖程度增大(祝意青等,2013b)。除此之外,地震往往發(fā)生在重力變化零值線及等值線拐彎處(申重陽等,2010;祝意青等,2013a,b),而1998年1月5日涇陽MS48地震恰好發(fā)生在具有這種特征的位置。圖4b(2006年7月—2009年9月)顯示,與涇陽MS48地震前重力場累積變化相似,高陵MS44地震前重力累積變化也不顯著,在震中北部和南部出現(xiàn)2個較大的重力場負值變化區(qū),量值分別為-35×10-8m/s2、-25×10-8m/s2,震中處于重力場變化零值線及等值線拐彎附近,同樣高陵MS44地震前也屬于局部“硬化”現(xiàn)象(祝意青等,2013b)。另外2次地震的震源機制解與重力場變化等值線展布具有一定的對應關(guān)系。從涇陽MS48地震和高陵MS44地震前的重力累積變化 [KG(0.1mm]來看,重力的累積量較小,尤其是4~5級左右的中小地震,震前很難發(fā)現(xiàn)明顯的重力累積變化。但2次地震震中都處于重力變化零值線及等值線拐彎處,因此可將該特征作為中小地震的研判指標(申重陽等,2010;祝意青等,2009,2012,2013a,b)。[KG)]
242次地震前后重力點值時序變化
重力點值時序變化可以反映地震前后重力點異常變化的情況,從而可以分析距離地震震中不同距離、不同方位、不同斷裂附近重力點值的變化過程及趨勢。限于篇幅,本文只選取了關(guān)中西部、中部、東部地區(qū)不同斷裂部位的18個重力點(圖5),繪制了這些測點1992—2012年時間序列,重點分析這些測點對涇陽MS48和高陵MS44兩次地震的響應關(guān)系,具體如圖6所示。選取的18個重力測點中部分測點在2次地震前后變化顯著,變化量大于25倍的點值精度均值,有的變化不顯著,甚至與點值精度均值大小相當。但這些測點都可以在一定程度上反映2次地震前后重力變化過程。
[JP2]圖6a表示的是關(guān)中西部的重力點值變化情況,其中鳳翔、岐山、扶風測點位于隴縣—岐山—馬召斷裂附近,距離2次地震震中相對較遠,涇陽MS48地震前后這3個點都出現(xiàn)上升—下降—加速上升—下降(發(fā)震)—小幅上升—加速下降的變化過程,而地震發(fā)生在重力值下降的過程中;高陵MS44地震前后這3個點的變化過程是:下降—上升—下降—上升(發(fā)震)—小幅上升—下降,與涇陽地震發(fā)震時不同,高陵地震發(fā)震時處于重力上升過程。永壽、禮泉、乾縣測點位于口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂、北山山前斷裂、扶風—禮泉斷裂附近,涇陽地震前重力變化比較平緩,發(fā)震在重力負值變化過程中,高陵地震前后經(jīng)歷了快速上升—快速下降—緩慢上升(發(fā)震)—緩慢下降的變化過程。[JP]
圖6b表示的關(guān)中東部的重力點值變化情況,其中澄城、韓城、合陽測點位于韓城斷裂附近,涇陽MS48、高陵MS44地震前后重力變化幅度不大,地震發(fā)生時這3個測點都是處于重力正值變化過程;華縣、黨木、渭南測點分別處于華山山前斷裂、雙泉—臨猗斷裂、渭南塬前斷裂附近,這3個測點在2次地震前后重力變化幅度也不大,基本在重力正向變化過程中發(fā)生地震。
圖6c表示的是關(guān)中中部即2次地震震中附近重力點值變化情況。其中零口、臨潼、呂家堡位于長安—臨潼斷裂、長安—臨潼斷裂、渭南塬前斷裂附近,涇陽MS48地震前后這3個測點重力變化相對較大,基本在重力下降過程中發(fā)生地震,高陵MS44地震前后重力變化比較平穩(wěn),只有呂家堡測點在震前出現(xiàn)快速上升和下降的過程;而處于震中西側(cè)的三原、淡村、分水閘的3個測點,分別位于扶風—禮泉斷裂、北山山前斷裂附近,2次地震前后重力點值變化比較明顯,尤其是涇陽地震前后,重力處于快速上升—下降—上升—下降的變化過程。與圖6a中測點相比,變化更加劇烈,同時變化趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)向,如鳳翔等測點在涇陽地震發(fā)震時處于下降變化,而三原等測點則處于上升變化,同樣的,高陵地震發(fā)震時2個區(qū)域的測點也出現(xiàn)變化趨勢轉(zhuǎn)向的情況。
3結(jié)論與討論
地震從孕育到發(fā)生是一個從應力積累到能量釋放的過程,在地震孕育過程中,隨著震源區(qū)應力的不斷積累,使得地殼內(nèi)部的物質(zhì)發(fā)生遷移,致使地殼內(nèi)部密度發(fā)生變化,從而使得該處地表的重力值發(fā)生變化(祝意青等,2009)。陜西關(guān)中地理位置特殊,活動斷裂發(fā)育,涇陽MS48地震、高陵MS44地震都發(fā)生在渭河斷裂與渭南塬前斷裂交叉部位,因此必然受到斷裂活動的影響。
涇陽MS48地震發(fā)生在渭河斷陷盆地內(nèi)的乾縣—咸陽塬斷塊和固市—西安斷塊的交接部位,北側(cè)是口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂,南側(cè)是渭河隱伏斷裂,東側(cè)是涇陽—渭南斷裂,關(guān)于發(fā)震斷裂,不同的學者研究結(jié)果不同,但基本認為與渭河斷裂有關(guān)(王衛(wèi)東,2002;吳富春等,2000)。涇陽地震震中既是莫霍面等深線急劇變化的地段,也是地殼P波和S波高速帶的邊緣地段,符合強震發(fā)生的構(gòu)造背景和條件。涇陽地震發(fā)震時處于重力下降過程中,與區(qū)域布格重力異常同向負值變化,表明在地震孕育過程中物質(zhì)發(fā)生運移、密度重新分布,同時表明區(qū)域應力場得到增強(王衛(wèi)東,2002)。由重力場差分變化圖像和累積變化圖像可知,涇陽地震前重力變化不顯著,累積變化不明顯,可能的原因是在涇陽地震孕育過程中,震源區(qū)應力作用方式是以水平為主的左旋走滑,斷裂主要表現(xiàn)為水平錯動,斷裂兩盤質(zhì)量密度差異變化較小,故而重力異常變化不顯著(高好林等,2005)。
高陵MS44地震發(fā)生在渭河盆地內(nèi)部的涇陽—渭南斷裂,震源機制解表明該地震為正斷型,節(jié)面走向為東西向,與涇陽—渭南斷裂的構(gòu)造特征吻合(王平等,2014)。高陵地震震中與涇陽地震震中相距較近,但震源機制卻不盡相同,從重力場演變角度來看兩者也存在差異,表明高陵地震主要受涇陽—渭南斷裂活動控制,震前重力場動態(tài)演化經(jīng)歷了下降—上升—下降的變化過程,震前1年時間內(nèi)震中周緣都處于重力場負值變化,而震中卻表現(xiàn)為較弱的正值變化,顯示出局部“硬化”現(xiàn)象(祝意青等,2013b),震后震中重力場進一步向負值變化,表明應力場進行局部調(diào)整,兩年后震中重力場由負值變化轉(zhuǎn)向正值變化,符合地震擴容理論變化規(guī)律。2次地震重力累積變化不明顯,沒有形成顯著的正或負變化異常區(qū),這與強震孕育中會產(chǎn)生較大的重力累積變化量不符(申重陽等,2010)。
通過計算并分析2次地震前后的重力場、重力點值時間序列,得到如下結(jié)論:
(1)基于1992—2011年的陜西關(guān)中重力測網(wǎng)數(shù)據(jù),分析了涇陽MS48、高陵MS44地震前后的重力場動態(tài)演化圖像,發(fā)現(xiàn)地震孕育過程中重力場符合正向—負向—正向變化的規(guī)律,符合地震擴容理論,即地下巖體的壓縮—膨脹—流體擴散3個階段。在2次地震震中都出現(xiàn)了局部“硬化”現(xiàn)象(祝意青等,2013b),表明震中區(qū)處于閉鎖增強階段,重力場動態(tài)圖像表明2次地震均發(fā)生在重力場負向變化過程中。
(2)涇陽MS48、高陵MS44地震都發(fā)生在渭河斷裂和涇陽—渭南斷裂附近,震源機制解表明2次地震受2條斷裂的活動影響。2次地震震中都位于重力場等值線拐彎處及零值線附近,表明地震易于在重力正負交替變化的部位,尤其是轉(zhuǎn)折部位發(fā)生(申重陽等,2010;祝意青等,2009,2012,2013a,b)。但2次地震前重力累積變化不顯著,可能與地震震級較小有關(guān)。
(3)從涇陽MS48、高陵MS44地震前后的重力點值時間序列來看,關(guān)中西部的重力點值在震前、震后變化幅度較大,尤其是隴縣—寶雞斷裂帶附近的測點,且2次地震發(fā)生時這些測點都處于重力負向變化;而關(guān)中東部在2次地震前后變化不是很明顯,且發(fā)震時重力測點處于正向變化;關(guān)中中部即震中附近的測點對涇陽地震的同震反映較大,而對高陵地震反映不明顯。
[HTK]感謝兩位審稿專家對本文提出的寶貴意見和建議,對于本文質(zhì)量的提高大有益處。同時對陜西省地震局流動重力室同事的辛勤工作表示衷心的感謝。
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