褚慶忠，武 澤，邵先杰，李 輝，陳 禹

（燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004）

0 引言

我國(guó)是地震災(zāi)難最深重的國(guó)家之一，歷史上有記載的較大地震有4400次［1］，全國(guó)有60% 的國(guó)土、50% 的城市、67% 的大城市位于Ⅶ度及以上烈度區(qū)［2］，因此預(yù)測(cè)地震具有十分重要的意義。長(zhǎng)期以來(lái)，人們?yōu)閷ふ矣行У牡卣痤A(yù)測(cè)方法從不同的角度開展不斷深入的研究［3］。由于地震孕育和發(fā)生的地球物理過(guò)程非常復(fù)雜，使得地震的預(yù)測(cè)問(wèn)題仍然沒有很好地解決，地震的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究仍是當(dāng)前最具爭(zhēng)議的國(guó)際性重大課題和難題［4］。在地震發(fā)生前有很多預(yù)兆，重力異常就是其中一種。本文就重力異常與地震的關(guān)系及其對(duì)預(yù)測(cè)地震的作用做了初步的研究。

1 地震重力異常及其形成機(jī)理

1973年6月日本北海道地震前后，曾經(jīng)作過(guò)重力測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用拉科斯特重力儀分別復(fù)測(cè)過(guò)四次，均有100微伽的重力變化［4］。此后在1976年唐山大地震發(fā)生期間、1968年新西蘭因南格華地震前后以及2004年印度尼西亞的蘇門答臘島附近地震發(fā)生前后也曾測(cè)量到重力的變化。這些觀測(cè)證實(shí)了重力會(huì)伴隨著地震而變化。從地震預(yù)報(bào)的角度看，很有必要對(duì)其原因及地震前后的重力變化特征進(jìn)行深入的研究。

地殼在變形過(guò)程中密度發(fā)生改變，該過(guò)程中還可能有質(zhì)量的遷入遷出，引起重力發(fā)生變化。為了說(shuō)明重力變化原因，我們必須分析由上述兩個(gè)因素所帶來(lái)的影響。假設(shè)形變區(qū)相對(duì)于地球很小；形變區(qū)密度均勻，且變化量也均勻，主要為線應(yīng)變；形變區(qū)發(fā)生應(yīng)變后，重心位置保持不變。如圖1所示，P點(diǎn)在Q點(diǎn)引起的重力變化可以用下式來(lái)表明：

圖1 地殼變形引起重力變化示意圖Fig.1 Schematic diagram of gravity changes caused by crustal deformation

式中第一、二項(xiàng)代表由于地下質(zhì)量遷入引起的重力變化；第三項(xiàng)代表變形帶來(lái)的測(cè)量點(diǎn)地面高程變化，從而引起了重力變化?？梢钥闯觯寒?dāng)?shù)貙釉庥鰯D壓時(shí)，密度升高，重力值增大；當(dāng)有外部流體等質(zhì)量遷入時(shí)，重力同樣增大。另外測(cè)量點(diǎn)地面高程的變化所引起的重力變化也同樣不可忽視。

據(jù)此可以推斷：地殼在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下各處發(fā)生擠壓或拉張形變，重力必定處于不平衡狀態(tài)；在均衡力作用下，地殼試圖恢復(fù)到平衡穩(wěn)定條件，這樣的過(guò)程中，重力也在不斷調(diào)整變化；當(dāng)?shù)貧づ蛎浬仙?，可能有流體或地面侵入，同樣會(huì)改變重力分布情況。而在地震即將發(fā)生時(shí)，這一過(guò)程必定會(huì)更加強(qiáng)烈，反映出來(lái)的重力變化也更為集中。

2 研究實(shí)例

以下地震實(shí)例中可以清晰地看到地震前重力異常現(xiàn)象十分明顯，震中附近重力不斷發(fā)生變化，且重力梯度較高。在地震孕育過(guò)程中有著較強(qiáng)的構(gòu)造活動(dòng)，在斷層帶、地殼薄弱區(qū)產(chǎn)生較大的形變，從而形成一些地殼厚度差異帶、密度差異帶，并以重力異常現(xiàn)象反映出來(lái)。

2.1 玉樹地震前后重力變化

2010年4月14日時(shí)49分37秒，在我國(guó)青海省玉樹縣發(fā)生了MS7.1地震。大地構(gòu)造上玉樹震區(qū)處于青藏高原中部，巴顏喀拉地塊與羌塘地塊交界的金沙江縫合帶附近［6］。地震發(fā)生在NWW走向的玉樹—甘孜斷裂上，這一斷裂帶具有左行平移逆沖性質(zhì)，歷史上曾有多次活動(dòng)。而玉樹震中地區(qū)的重力變化過(guò)程為緩減—緩增—緩減—?jiǎng)≡?，推測(cè)此次地震前是地層擠壓形成的，或有地下流體侵入帶來(lái)地層劇烈活動(dòng)。

圖2 2010年玉樹地震前不同時(shí)間段重力變化圖［7］Fig.2 Gravity variation in different periods before the Yushu earthquake in 2010［7］

1998—2000年玉樹周邊地區(qū)重力場(chǎng)以負(fù)值變化為主，變化平緩，而在其西北方向重力異常集中，由時(shí)間與地點(diǎn)推測(cè)為2001年昆侖山口西8.1級(jí)地震的前兆現(xiàn)象；2000—2002年玉樹周邊地區(qū)重力場(chǎng)以正值變化為主，變化趨勢(shì)與上期相反，變化同樣平緩，四川盆地以負(fù)值變化為主，馬爾康地區(qū)重力變化高梯度帶；2002—2005年仍以負(fù)值變化為主，玉樹震中出現(xiàn)了－70×10－8m／s2的重力變化，馬爾康—雅江—汶川地區(qū)重力梯度仍較高，達(dá)到了－70×10－8m／s2，是汶川地震的重力前兆；2005—2008年整個(gè)測(cè)區(qū)重力變化十分明顯，正負(fù)相間現(xiàn)象突出，玉樹附近重力變化達(dá)到了100×10－8m／s2［7］。從圖2（a）、（b）、（c）、（d）可以看出，重力異常在不斷地向地震重心移動(dòng)。

2.2 唐山地震時(shí)重力變化

1976年7月28日唐山地震前，重力復(fù)測(cè)資料經(jīng)過(guò)一系列校正后仍有100×10－8m／s2的重力變化。唐山地震前的1976年7月震中以北不遠(yuǎn)的一條長(zhǎng)約270km的EW向剖面東段的重力增大，最大達(dá)165×10－8m／s2。地震剛發(fā)生后，1976年7月29日整個(gè)剖面的重力略有減??；同年8月重力繼續(xù)減?。?］。

由圖3可以看出，地震前震中地區(qū)重力曾出現(xiàn)重力增大，最大可達(dá)200×10－8m／s2，即使排除地下水、監(jiān)測(cè)點(diǎn)地面高程變化等影響因素，重力異?，F(xiàn)象仍然十分明顯；而后重力開始下降；地震后重力基本恢復(fù)到震前水平。震中東部在1970—1975年期間地面抬升速率為5mm／a，可認(rèn)為該處地層地震前遭受擠壓，部分地面升高，且由外部質(zhì)量涌入，造成重力上升；在地震爆發(fā)后得到釋放，應(yīng)力應(yīng)變情況得到緩解，因此重力下降。

圖3 1976年唐山地震前后周邊重力變化Fig.3 The gravity changes before the Tangshan earthquake in 1976recorded by stations nearby Tangshan city

2.3 汶川地震的重力變化

2008年5月12日汶川發(fā)生8.0級(jí)特大地震。據(jù)GRACE衛(wèi)星重力觀測(cè)，龍門山斷裂帶兩側(cè)震前1～2年西北盤重力變化持續(xù)增大，而東南盤持續(xù)降低，說(shuō)明震前該斷裂帶有著明顯活動(dòng)［9］。

由圖4可以看出1998—2000年之間汶川附近重力緩慢降低；2000—2002年重力急劇增大，附近的馬爾康地區(qū)重力梯度較高，最高達(dá)到了100×10－8m／s2左右；2002—2005年該地區(qū)重力變化變緩，震中位于正負(fù)低值變化的過(guò)渡梯度帶上；2005—2008年重力降低，周邊變化梯度仍然較高。圖4中4個(gè)重力測(cè)點(diǎn)有3個(gè)的重力變化趨勢(shì)基本一致，都表現(xiàn)出緩慢減小—加速增大—減小的變化過(guò)程。

圖4 2008年汶川地震前震中附近點(diǎn)重力變化Fig.4 The gravity changes before the Wenchuan earthquake in 2008recorded by stations nearby the epicenter

汶川地震位于青藏高原與四川盆地分界的龍門山逆沖斷裂帶上［10］，根據(jù)川西地區(qū)活動(dòng)歷史可知，該地區(qū)受青藏高原向東擠壓，存在大型斷裂帶，有多次地震活動(dòng)，而青藏高原擠壓力的來(lái)源是印度洋板塊俯沖作用。重力異常的向東移動(dòng)和重力的兩次反向變化反映了應(yīng)力應(yīng)變由西向東的運(yùn)動(dòng)，證明了板塊運(yùn)動(dòng)正在不斷加劇，從而使斷裂帶在各種應(yīng)力的影響下發(fā)生地震。

3 重力異常在地震預(yù)報(bào)中的作用

地震是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地下質(zhì)量遷移、應(yīng)力應(yīng)變改變等各種因素引起的。而重力變化的緣由主要是地質(zhì)活動(dòng)帶來(lái)的地殼變形和活動(dòng)斷層的物質(zhì)變遷，它能夠反映地震孕育過(guò)程中的地殼活動(dòng)信息，包括區(qū)域的地層的擠壓拉張、斷層平移、地面的抬升下沉和局部的應(yīng)力場(chǎng)變化。因此研究重力場(chǎng)的演化特征可以進(jìn)一步探索當(dāng)前構(gòu)造活動(dòng)情況，將中強(qiáng)地震從孕育到發(fā)生的整個(gè)過(guò)程與重力異?，F(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，為地震預(yù)報(bào)提供可靠的依據(jù)。地震預(yù)報(bào)實(shí)踐表明，重力方法在地展預(yù)報(bào)中有其特殊作用［11］。可通過(guò)重力異常的研究，判斷地下介質(zhì)的質(zhì)量和密度以及地殼彈性模量的變化，找出地震與重力異常的詳細(xì)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

重力預(yù)報(bào)地震方法目前主要是流動(dòng)重力觀測(cè)和GRACE衛(wèi)星觀測(cè)。

（1）流動(dòng)重力觀測(cè)需要收集觀測(cè)區(qū)重復(fù)重力觀測(cè)資料，處理數(shù)據(jù)時(shí)采用統(tǒng)一起算基準(zhǔn)的整體擬穩(wěn)平差計(jì)算方法［12］：①選取測(cè)區(qū)中比較穩(wěn)定的測(cè)點(diǎn)作為統(tǒng)一起算擬穩(wěn)基準(zhǔn)；②對(duì)多期數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立平差計(jì)算，初步了解儀器精度，確定先驗(yàn)方差，然后對(duì)整體資料處理，得到最合理解釋結(jié)果；③刪除個(gè)別不重合點(diǎn)、偏離點(diǎn)；④利用高斯低通方法進(jìn)行濾波，進(jìn)行樣條平滑，以進(jìn)一步消除外界環(huán)境因素影響，突出顯示構(gòu)造因素的重力效應(yīng)。

筆者通過(guò)對(duì)日本松代地區(qū)（1965年—1967年）、唐山（1976年7月28日）、北京高麗營(yíng)（1978年10月3日）、寧夏靈武縣境內(nèi)（1984年11月23日）、遼寧海城（1975年2月4日）、云南龍陵（1976年5月29日）、云南省瀾滄縣竹塘鄉(xiāng)戰(zhàn)馬坡村附近（1988年11月6日）、大同盆地的冊(cè)田凹陷區(qū)（1989年10月18日）、遼寧省朝陽(yáng)市（1994年10月22日）、云南省西南部的孟連縣以西中緬邊境（1995年7月12日）、甘肅永登縣（1995年7月22日）、麗江（1996年2月3日）、陜西省涇陽(yáng)縣（1998年1月5日）、新疆伽師縣（1998年10月）、甘肅省景泰地區(qū)（2000年6月6日）、昆侖山口西（2001年11月14日）、四川省甘孜州境內(nèi)（2001年2月23日）、遼寧海城（2002年6月17日）、甘肅省山丹縣東南部的霍城附近（2003年10月25日）、河南省濮陽(yáng)與范縣間（2006年4月9日）、河北文安（2006年7月4日）、甘肅肅南裕固族自治縣境內(nèi)（2008年3月30日）、四川汶川、北川（2008年5月12日）、青海玉樹（2010年4月14日）、日本東北部海域（2011年3月11日）、四川爐霍（2011年4月10日）、青川—文縣（2011年11月1日）等27個(gè)地區(qū)發(fā)生地震的流動(dòng)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，歸納出與地震相關(guān)的預(yù)報(bào)指標(biāo)為：

①7～8級(jí)以上地震中期預(yù)報(bào)指標(biāo)為：

異常時(shí)間：0.5～3年；

異常幅度：80×10－8～170×10－8m／s2；

發(fā)震范圍：500km。

②5～6級(jí)中強(qiáng)地震預(yù)報(bào)指標(biāo)為：

異常時(shí)間：5～12個(gè)月；

異常幅度：40×10－8～80×10－8m／s2；

發(fā)震范圍：200km。

在分析資料過(guò)程中要考慮在時(shí)間上和空間上的趨勢(shì)性，觀測(cè)條件的變化，如點(diǎn)位挪動(dòng)、聯(lián)測(cè)精度等，同時(shí)在進(jìn)行點(diǎn)值及其變化量相關(guān)分析處理時(shí)可以建立等值線圖，分析重力異常集中區(qū)域的重力梯度變化，來(lái)推測(cè)未來(lái)震中區(qū)。還可以將重力數(shù)據(jù)和地面水準(zhǔn)測(cè)量資料、地下水資料等結(jié)合，研究構(gòu)造運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，了解地下物質(zhì)遷移和地殼的應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)象，提高預(yù)測(cè)地震的準(zhǔn)確性。

已有研究表明［13］，流動(dòng)重力預(yù)報(bào)比較精確，可以用來(lái)預(yù)測(cè)中短期地震。

（2）查詢相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，GRACE衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)中的的最大階次為60階的月重力場(chǎng)模型可以用來(lái)描述地震事件［14］。

使用該模型中需要扣除大氣、海洋、極潮、固體潮、海潮等影響，并對(duì)時(shí)變重力場(chǎng)進(jìn)行平滑濾波處理，通常采用高斯平滑濾波方法，從而獲取某一區(qū)域乃至全球重力變化圖像。而且采用年度重力變化信號(hào)可以更好地反映全球重力場(chǎng)中長(zhǎng)期時(shí)間尺度的變化，更加突出大地震孕震過(guò)程中局部重力場(chǎng)的變化。

圖5（a）為汶川地震前7個(gè)月（2007年10月—2008年4月）的重力場(chǎng)變化，圖5（b）為震后7個(gè)月（2008年6—12月）的重力場(chǎng)變化。由圖5可以看出：汶川地震前印度洋和東南亞菲律賓板塊發(fā)生明顯的重力正值變化，震后正值范圍縮小，證明兩大板塊震前曾有較強(qiáng)烈碰撞運(yùn)動(dòng)，對(duì)汶川地震有重要的影響；震前震源南部重力正變化較小，震后重力增大到極值，反映了地震使得地殼發(fā)生強(qiáng)烈的局部變形和介質(zhì)質(zhì)量、密度等物理變化，這部分應(yīng)力場(chǎng)和重力場(chǎng)也發(fā)生了相應(yīng)的強(qiáng)烈變化［15］。

圖5 來(lái)自GRACE的汶川8.0級(jí)地震前后重力場(chǎng)變化（單位：10－8 m／s2）［15］Fig.5 The gravity changes before and after the Wenchuan MS8.0earthquake by GRACE（unit：10－8 m／s2）

由此可以看出，大震孕育過(guò)程對(duì)衛(wèi)星重力有著較為明顯的影響，因此可以利用GRACE衛(wèi)星測(cè)量來(lái)研究地震，但其探測(cè)能力還有待于重力衛(wèi)星自身技術(shù)的提高和處理方法的改進(jìn)。

GRACE衛(wèi)星觀測(cè)資料能清晰地看出板塊運(yùn)動(dòng)，縮小提前觀測(cè)地震重力異常的范圍，可以用來(lái)進(jìn)行地震的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)地震重力異常的成因分析，并結(jié)合玉樹、唐山和汶川三個(gè)地震實(shí)例探討了重力異?，F(xiàn)象與地震之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出如下結(jié)論：

（1）地震重力異常是普遍存在的，它與地震的孕育過(guò)程有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以利用重力異常來(lái)預(yù)測(cè)地震。

（2）流動(dòng)重力觀測(cè)和GRACE衛(wèi)星觀測(cè)是目前比較常用的利用重力異常預(yù)報(bào)地震的方法，前者可用于預(yù)測(cè)中短期地震，后者可用于預(yù)報(bào)長(zhǎng)期地震。

（3）通過(guò)對(duì)地震帶歷史的研究總結(jié)出地震與重力異常值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將多種地震重力預(yù)測(cè)方法結(jié)合起來(lái)，可以更為精確的預(yù)報(bào)地震，這將是今后一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)之一。

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