華北中部地區(qū)重力場(chǎng)時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征①

羅翔飛， 秦建增， 李真， 謝汝一， 馮建林

(中國(guó)地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002)

摘要：以2009—2013年獲取的9期流動(dòng)重力資料為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析華北中部地區(qū)的重力測(cè)量資料，研究重力場(chǎng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征。資料顯示華北中部地區(qū)重力異常變化十分劇烈，整個(gè)測(cè)區(qū)呈現(xiàn)大面積負(fù)值變化，在局部地區(qū)形成重力變化梯度帶。重力場(chǎng)變化與斷裂活動(dòng)密切相關(guān)，近期出現(xiàn)的反向變化表明該地區(qū)地震危險(xiǎn)性進(jìn)一步加大，這對(duì)地震預(yù)報(bào)工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：重力場(chǎng)； 華北中部地區(qū)； 地震活動(dòng)； 構(gòu)造活動(dòng)

收稿日期：①2014-08-20

基金項(xiàng)目：地震行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201208009)：自然基金(41274113)

作者簡(jiǎn)介：羅翔飛(1972-)，女，高級(jí)工程師，主要從事流動(dòng)重力監(jiān)測(cè)與地震預(yù)報(bào)等研究。E-mail：luoxiangfei@sohu.com。

中圖分類(lèi)號(hào):P315.72+6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0687

Time-space Dynamic Evolution Characteristics of a Gravity

Field in the Middle Area of North China

LUO Xiang-fei， QIAN Jian-zeng， LI Zhen， XIE Ru-yi， FENG Jian-lin

(GeophysicalExplorationCenter，CEA，Zhengzhou450002，Henan，China)

Abstract：Employing the mobile gravity data from 2009 to 2013 as the foundation，mobile gravity observation data of the middle region of North China from 2009 to 20l3 were analyzed，and time-space dynamic evolution characteristics of the gravity field were studied.The change of the gravity field is closely related to the tectonics of active faults.The resulting gravity data showed that the changes in gravity anomalies in North China are severe.In the northern portion of the Shanxi graben zone，centered at the border region in Shanxi，Hebei, and Inner Mongolia，the gravity variation showed a large area of negative anomalies.The entire survey area showed a large area of negative changes in the local area with a gravity gradient formation，which reversed the recent changes，indicating a further increase in regional seismic hazards.This potential guide to earthquake prediction has important practical significance.

Key words： gravity field； the middle area of North China； earthquake activity； tectonic activity

0引言

地面重力場(chǎng)的分布特征是地球形狀和地球內(nèi)部介質(zhì)狀態(tài)的反映。流動(dòng)重力測(cè)量反映的是重力場(chǎng)的非潮汐變化，隨著高精度重力儀的發(fā)展及流動(dòng)重力測(cè)網(wǎng)的不斷優(yōu)化，流動(dòng)重力測(cè)量對(duì)地震活動(dòng)的監(jiān)測(cè)能力不斷提高 。1976年唐山地震、1996年麗江地震及2008年汶川地震等多次大震前，區(qū)域重力場(chǎng)都存在重力異常。通過(guò)研究區(qū)域重力場(chǎng)時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征[1]，提取地震前兆信息，是進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究的重要手段之一。

華北地區(qū)是我國(guó)的政治經(jīng)濟(jì)中心，存在發(fā)震背景，該區(qū)域的中強(qiáng)震危險(xiǎn)性一直倍受關(guān)注。全球、全國(guó)地震活動(dòng)增強(qiáng)的情況下，華北地區(qū)地震活動(dòng)已經(jīng)開(kāi)始活躍 ，未來(lái)地震形勢(shì)將如何發(fā)展，有必要深入研究。為了研究重力場(chǎng)非潮汐變化的時(shí)空特征與華北地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)及地震活動(dòng)的關(guān)系[2]，筆者對(duì)本地區(qū)2009 年以來(lái)重力觀測(cè)資料進(jìn)行整理，系統(tǒng)地分析華北地區(qū)重力場(chǎng)時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征，探討地面重力變化與地殼運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造活動(dòng)的關(guān)系。這對(duì)本地區(qū)重力場(chǎng)基礎(chǔ)研究和潛在地震危險(xiǎn)性分析具有重要意義[3]。

1測(cè)區(qū)概況及資料處理

華北地區(qū)地理位置為30°～42°N，107°～125°E，地殼構(gòu)造是以斷裂運(yùn)動(dòng)為特征的斷塊構(gòu)造，是我國(guó)最古老的板塊——最大一級(jí)斷塊(巖石圈斷裂)。按中國(guó)地震活動(dòng)構(gòu)造劃分，東部可分為太行山斷塊、華北平原斷塊、河淮平原斷塊、膠遼斷塊和蘇滬-南黃海斷塊，是一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造變形復(fù)雜的地區(qū)。除了受西側(cè)青藏高原的東向推擠作用外，還受到東側(cè)太平洋板塊和菲律賓海板塊的俯沖作用的影響。

華北地區(qū)控制性構(gòu)造方向?yàn)镹E-NNE，控制了區(qū)內(nèi)斷裂和盆地的方向。NWW向構(gòu)造雖然規(guī)模較小，但控制了各個(gè)伸展構(gòu)造單元之間的轉(zhuǎn)換走滑活動(dòng)帶。這兩個(gè)方向均有深刻的活動(dòng)背景，可能代表了華北地區(qū)易震層的活動(dòng)特征。華北地區(qū)流動(dòng)重力測(cè)網(wǎng)涵蓋了郯廬斷裂、太行山山前斷裂、山西斷陷盆地等主要斷裂帶，圖1是根據(jù)實(shí)測(cè)重力點(diǎn)繪制的重力測(cè)量路線及構(gòu)造略圖[4]。

圖1　華北地區(qū)重力聯(lián)測(cè)路線及構(gòu)造略圖 Fig.1　A route map of the joint gravity monitoring and tectonic outline in Northern China

所有資料均采用中國(guó)地震局清理攻關(guān)推廣的計(jì)算程序LGADJ和經(jīng)典平差的計(jì)算方法進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算。利用絕對(duì)重力控制的計(jì)算結(jié)果較好，2009—2013年九期觀測(cè)資料的點(diǎn)值平均精度均優(yōu)于7.0×10-8m·s-2(表1)，說(shuō)明本文使用的觀測(cè)資料及處理結(jié)果可靠。

表 1　2009—2013年9期流動(dòng)重力資料

2華北地區(qū)中部重力場(chǎng)的時(shí)空演化特征

2.1重力場(chǎng)的時(shí)空演化特征

2.1.1重力場(chǎng)差分變化

華北強(qiáng)震強(qiáng)化跟蹤項(xiàng)目自2009年4月開(kāi)始實(shí)施，2009年9月開(kāi)始測(cè)量，目前已經(jīng)進(jìn)行了9期。以鄭州、太原和托克托絕對(duì)重力點(diǎn)為統(tǒng)一計(jì)算基準(zhǔn)，對(duì)華北地區(qū)重力資料進(jìn)行統(tǒng)一處理，獲得區(qū)域重力場(chǎng)部分差分圖像(圖2，其中黑色代表等值線，紅色代表斷層)，分析研究等值線變化表明[5-6]：

(1) 2011年3月—2010年9月期間重力場(chǎng)形成正、負(fù)異常區(qū)相間的活動(dòng)格局，在晉蒙、豫魯交界地區(qū)形成了重力高梯度帶。

(2) 2011年9月—2011年3月期間大部分地區(qū)的重力場(chǎng)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，即由下降轉(zhuǎn)為上升，在晉蒙交界、冀魯豫交界地區(qū)石家莊、安陽(yáng)形成重力梯度帶。

(3) 2012年3月—2011年9月期間重力場(chǎng)形成正、負(fù)異常區(qū)相間的活動(dòng)格局，在晉蒙、冀晉、晉豫交界地區(qū)大同、代縣形成重力梯度帶；在冀晉蒙交界區(qū)形成NNE向的重力梯度帶。重力變化梯度帶及零等值線總體展布與太行山山前斷裂帶走向基本一致。

(4) 2012年9月—2012年3月大部分測(cè)點(diǎn)的重力值為下降變化。異常主要集中于晉蒙交界、晉冀交界和豫魯交界地區(qū)。

(5) 2013年3月—2012年9月期間重力場(chǎng)繼承了2012年8月以來(lái)的變化趨勢(shì)，呈大面積的負(fù)值變化，在臨汾—長(zhǎng)治地區(qū)呈正、負(fù)異常區(qū)相間的活動(dòng)格局。

(6) 2013年9月—2013年3月期間測(cè)區(qū)重力場(chǎng)發(fā)生轉(zhuǎn)折變化，中北部由下降轉(zhuǎn)為上升，中部由上升轉(zhuǎn)為下降，南部由下降轉(zhuǎn)為上升。

圖2　華北地區(qū)中部部分重力場(chǎng)差分圖像(單位：10 -8 m·s -2) Fig.2　Maps of gravity changes between two adjacent obseriation campaigns in middle North China 　　 　(Contours are in 10 -8 m·s -2)

圖3　華北地區(qū)中部重力場(chǎng)累積變化動(dòng)態(tài)圖像(單位：10 -8 m·s -2) Fig.3　Maps showing dynamic changes of gravity relative to the first campaign in middle North China 　　　 (Contours are in 10 -8 m·s -2)

2.1.2重力場(chǎng)累積變化

為了分析研究區(qū)較長(zhǎng)時(shí)段的區(qū)域重力場(chǎng)累積變化特征，以2009年9月首期整體觀測(cè)資料為時(shí)間基準(zhǔn)，分別繪制了各期相對(duì)首期的區(qū)域重力場(chǎng)累積變化動(dòng)態(tài)圖像(圖3)。圖3表明研究區(qū)的重力場(chǎng)累積變化具有逐步增強(qiáng)的趨勢(shì)，即近年來(lái)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，整體與局部重力異常的幅度、范圍逐漸增大。這種累積變化的分階段特征為:

(1) 2010年9月—2009年9月在太行山以東形成正異常區(qū)，在太行山以西形成負(fù)異常區(qū)。

(2) 2011年9月—2009年9月山西斷裂帶呈現(xiàn)重力負(fù)值變化，山西斷裂帶以西的呼包鄂爾多斯塊體及其北緣的河套斷凹陷帶則表現(xiàn)出重力正值變化。

(3) 2012年9月—2009年9月除在石家莊周邊地區(qū)形成正異常區(qū)外，整個(gè)測(cè)區(qū)均是大面積負(fù)值變化。

(4) 2013年9月—2009年9月期間重力場(chǎng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，在太行山以西地區(qū)形成北東向的負(fù)異常區(qū)，負(fù)異常幅度有所減小，即在呼和浩特—和林格爾地區(qū)、晉蒙交界地區(qū)形成重力負(fù)值高梯度帶，在太行山以東地區(qū)形成北東向的正異常區(qū)，正異常幅度有所增加，石家莊—安陽(yáng)地區(qū)形成正異常區(qū)，重力變化的梯度帶及零等值線走向總體與太行山斷裂帶走向及岱海—黃旗盆地南緣斷裂帶的走向基本一致；晉冀蒙交界出現(xiàn)了大范圍重力負(fù)值變化(達(dá)-50～-80×10-8m/s2)，山西斷裂帶北段主斷陷帶的大同、山陰、代縣一帶的重力變化則相對(duì)平緩。整個(gè)測(cè)區(qū)自西向東重力逐漸增加的有序性變化以及沿太行山斷裂帶的重力急劇變化，表明該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)，這可能是強(qiáng)震孕育的反映。近期出現(xiàn)的反向變化表明該地區(qū)地震危險(xiǎn)性進(jìn)一步加大[7]。

2.2點(diǎn)值變化特征

測(cè)區(qū)重力點(diǎn)值自2010年開(kāi)始出現(xiàn)同步下降變

圖4　華北重力點(diǎn)值部分變化曲線圖 Fig.4　Gravity variation at some gravity observation stations in Northern China

化，晉冀蒙交界地區(qū)、山西地震帶上的重力測(cè)點(diǎn)點(diǎn)值2013年9月同步出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化(圖4)。出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化地區(qū)主要有：大同縣、玫瑰營(yíng)、興和縣、陽(yáng)高、陽(yáng)方口等，都是地震發(fā)生危險(xiǎn)較大的地區(qū)[10-11]。

3重力變化分析

流動(dòng)重力測(cè)量反映的是區(qū)域重力場(chǎng)的非潮汐變化，地殼內(nèi)部的物質(zhì)遷移、構(gòu)造活動(dòng)和地震孕育等過(guò)程都可以在流動(dòng)重力復(fù)測(cè)結(jié)果中反映出來(lái)。重力變化形態(tài)與地殼深部構(gòu)造活動(dòng)分布一致，重力場(chǎng)有規(guī)律的變化與區(qū)域應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)動(dòng)態(tài)活動(dòng)及地震活動(dòng)有關(guān)。地震發(fā)生在大范圍區(qū)域性重力變化背景下局部重力正異常變化梯度帶上，異常區(qū)的長(zhǎng)軸方向及梯度帶走向與震源主應(yīng)力場(chǎng)方向及發(fā)震構(gòu)造線方向一致[7-8]。

華北地區(qū)重力場(chǎng)出現(xiàn)較大范圍的區(qū)域性重力異常，并產(chǎn)生與地震孕育有關(guān)的局部重力異常區(qū)。重力資料顯示華北地區(qū)重力異常變化十分劇烈。2012年7月—2009年9月除在石家莊周邊地區(qū)形成正異常區(qū)外，整個(gè)測(cè)區(qū)均是大面積負(fù)值變化。2013年度測(cè)區(qū)重力場(chǎng)呈現(xiàn)出持續(xù)下降的變化態(tài)勢(shì)，晉冀蒙交界地區(qū)、山西地震帶上的重力測(cè)點(diǎn)點(diǎn)值已出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化，冀魯豫地區(qū)重力測(cè)點(diǎn)點(diǎn)值仍然持續(xù)下降變化，并在晉冀蒙交界、山西中南部、冀魯豫交界等地區(qū)形成重力變化梯度帶，可見(jiàn)華北地區(qū)重力場(chǎng)變化劇烈。對(duì)重力變化與地震關(guān)系的研究結(jié)果表明，強(qiáng)震前重力場(chǎng)往往出現(xiàn)較大空間范圍的區(qū)域性重力異常及重力變化高梯度帶，地震易發(fā)生在重力場(chǎng)發(fā)生反向轉(zhuǎn)折變化時(shí)段[12]。

4結(jié)論

本文以2009—2013年獲取的9期流動(dòng)重力資料為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析華北中部地區(qū)2009-2013年期間重力測(cè)量資料，研究重力場(chǎng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征。重力資料顯示華北地區(qū)重力變化十分劇烈，整個(gè)測(cè)區(qū)呈現(xiàn)大面積負(fù)值變化，在局部地區(qū)形成重力變化梯度帶。重力場(chǎng)變化與斷裂活動(dòng)密切相關(guān)，近期出現(xiàn)的反向變化，表明該地區(qū)地震危險(xiǎn)性進(jìn)一步加大，這對(duì)指導(dǎo)地震預(yù)報(bào)工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

致謝:謹(jǐn)以此文向中國(guó)地震局地球物理勘探中心成立60周年獻(xiàn)禮。

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