华北中部地区重力场时空动态演化特征①

华北中部地区重力场时空动态演化特征①

罗翔飞， 秦建增， 李真， 谢汝一， 冯建林

(中国地震局地球物理勘探中心，河南 郑州 450002)

摘要：以2009—2013年获取的9期流动重力资料为基础，系统分析华北中部地区的重力测量资料，研究重力场的时空动态演化特征。资料显示华北中部地区重力异常变化十分剧烈，整个测区呈现大面积负值变化，在局部地区形成重力变化梯度带。重力场变化与断裂活动密切相关，近期出现的反向变化表明该地区地震危险性进一步加大，这对地震预报工作具有重要的现实意义。

关键词：重力场； 华北中部地区； 地震活动； 构造活动

收稿日期：①2014-08-20

基金项目：地震行业科研专项(201208009)：自然基金(41274113)

作者简介：罗翔飞(1972-)，女，高级工程师，主要从事流动重力监测与地震预报等研究。E-mail：luoxiangfei@sohu.com。

中图分类号:P315.72+6文献标志码：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

地面重力场的分布特征是地球形状和地球内部介质状态的反映。流动重力测量反映的是重力场的非潮汐变化，随着高精度重力仪的发展及流动重力测网的不断优化，流动重力测量对地震活动的监测能力不断提高 。1976年唐山地震、1996年丽江地震及2008年汶川地震等多次大震前，区域重力场都存在重力异常。通过研究区域重力场时空动态演化特征[1]，提取地震前兆信息，是进行地震监测预报研究的重要手段之一。

华北地区是我国的政治经济中心，存在发震背景，该区域的中强震危险性一直倍受关注。全球、全国地震活动增强的情况下，华北地区地震活动已经开始活跃 ，未来地震形势将如何发展，有必要深入研究。为了研究重力场非潮汐变化的时空特征与华北地区构造活动及地震活动的关系[2]，笔者对本地区2009 年以来重力观测资料进行整理，系统地分析华北地区重力场时空动态演化特征，探讨地面重力变化与地壳运动和构造活动的关系。这对本地区重力场基础研究和潜在地震危险性分析具有重要意义[3]。

1测区概况及资料处理

华北地区地理位置为30°～42°N，107°～125°E，地壳构造是以断裂运动为特征的断块构造，是我国最古老的板块——最大一级断块(岩石圈断裂)。按中国地震活动构造划分，东部可分为太行山断块、华北平原断块、河淮平原断块、胶辽断块和苏沪-南黄海断块，是一个地质构造变形复杂的地区。除了受西侧青藏高原的东向推挤作用外，还受到东侧太平洋板块和菲律宾海板块的俯冲作用的影响。

华北地区控制性构造方向为NE-NNE，控制了区内断裂和盆地的方向。NWW向构造虽然规模较小，但控制了各个伸展构造单元之间的转换走滑活动带。这两个方向均有深刻的活动背景，可能代表了华北地区易震层的活动特征。华北地区流动重力测网涵盖了郯庐断裂、太行山山前断裂、山西断陷盆地等主要断裂带，图1是根据实测重力点绘制的重力测量路线及构造略图[4]。

图1　华北地区重力联测路线及构造略图 Fig.1　A route map of the joint gravity monitoring and tectonic outline in Northern China

所有资料均采用中国地震局清理攻关推广的计算程序LGADJ和经典平差的计算方法进行统一计算。利用绝对重力控制的计算结果较好，2009—2013年九期观测资料的点值平均精度均优于7.0×10-8m·s-2(表1)，说明本文使用的观测资料及处理结果可靠。

表 1　2009—2013年9期流动重力资料

2华北地区中部重力场的时空演化特征

2.1重力场的时空演化特征

2.1.1重力场差分变化

华北强震强化跟踪项目自2009年4月开始实施，2009年9月开始测量，目前已经进行了9期。以郑州、太原和托克托绝对重力点为统一计算基准，对华北地区重力资料进行统一处理，获得区域重力场部分差分图像(图2，其中黑色代表等值线，红色代表断层)，分析研究等值线变化表明[5-6]：

(1) 2011年3月—2010年9月期间重力场形成正、负异常区相间的活动格局，在晋蒙、豫鲁交界地区形成了重力高梯度带。

(2) 2011年9月—2011年3月期间大部分地区的重力场出现了转折，即由下降转为上升，在晋蒙交界、冀鲁豫交界地区石家庄、安阳形成重力梯度带。

(3) 2012年3月—2011年9月期间重力场形成正、负异常区相间的活动格局，在晋蒙、冀晋、晋豫交界地区大同、代县形成重力梯度带；在冀晋蒙交界区形成NNE向的重力梯度带。重力变化梯度带及零等值线总体展布与太行山山前断裂带走向基本一致。

(4) 2012年9月—2012年3月大部分测点的重力值为下降变化。异常主要集中于晋蒙交界、晋冀交界和豫鲁交界地区。

(5) 2013年3月—2012年9月期间重力场继承了2012年8月以来的变化趋势，呈大面积的负值变化，在临汾—长治地区呈正、负异常区相间的活动格局。

(6) 2013年9月—2013年3月期间测区重力场发生转折变化，中北部由下降转为上升，中部由上升转为下降，南部由下降转为上升。

图2　华北地区中部部分重力场差分图像(单位：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)

图3　华北地区中部重力场累积变化动态图像(单位：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重力场累积变化

为了分析研究区较长时段的区域重力场累积变化特征，以2009年9月首期整体观测资料为时间基准，分别绘制了各期相对首期的区域重力场累积变化动态图像(图3)。图3表明研究区的重力场累积变化具有逐步增强的趋势，即近年来随着时间的增长，整体与局部重力异常的幅度、范围逐渐增大。这种累积变化的分阶段特征为:

(1) 2010年9月—2009年9月在太行山以东形成正异常区，在太行山以西形成负异常区。

(2) 2011年9月—2009年9月山西断裂带呈现重力负值变化，山西断裂带以西的呼包鄂尔多斯块体及其北缘的河套断凹陷带则表现出重力正值变化。

(3) 2012年9月—2009年9月除在石家庄周边地区形成正异常区外，整个测区均是大面积负值变化。

(4) 2013年9月—2009年9月期间重力场出现转折，在太行山以西地区形成北东向的负异常区，负异常幅度有所减小，即在呼和浩特—和林格尔地区、晋蒙交界地区形成重力负值高梯度带，在太行山以东地区形成北东向的正异常区，正异常幅度有所增加，石家庄—安阳地区形成正异常区，重力变化的梯度带及零等值线走向总体与太行山断裂带走向及岱海—黄旗盆地南缘断裂带的走向基本一致；晋冀蒙交界出现了大范围重力负值变化(达-50～-80×10-8m/s2)，山西断裂带北段主断陷带的大同、山阴、代县一带的重力变化则相对平缓。整个测区自西向东重力逐渐增加的有序性变化以及沿太行山断裂带的重力急剧变化，表明该区域的构造应力场增强，这可能是强震孕育的反映。近期出现的反向变化表明该地区地震危险性进一步加大[7]。

2.2点值变化特征

测区重力点值自2010年开始出现同步下降变

图4　华北重力点值部分变化曲线图 Fig.4　Gravity variation at some gravity observation stations in Northern China

化，晋冀蒙交界地区、山西地震带上的重力测点点值2013年9月同步出现转折变化(图4)。出现转折变化地区主要有：大同县、玫瑰营、兴和县、阳高、阳方口等，都是地震发生危险较大的地区[10-11]。

3重力变化分析

流动重力测量反映的是区域重力场的非潮汐变化，地壳内部的物质迁移、构造活动和地震孕育等过程都可以在流动重力复测结果中反映出来。重力变化形态与地壳深部构造活动分布一致，重力场有规律的变化与区域应力-应变场动态活动及地震活动有关。地震发生在大范围区域性重力变化背景下局部重力正异常变化梯度带上，异常区的长轴方向及梯度带走向与震源主应力场方向及发震构造线方向一致[7-8]。

华北地区重力场出现较大范围的区域性重力异常，并产生与地震孕育有关的局部重力异常区。重力资料显示华北地区重力异常变化十分剧烈。2012年7月—2009年9月除在石家庄周边地区形成正异常区外，整个测区均是大面积负值变化。2013年度测区重力场呈现出持续下降的变化态势，晋冀蒙交界地区、山西地震带上的重力测点点值已出现转折变化，冀鲁豫地区重力测点点值仍然持续下降变化，并在晋冀蒙交界、山西中南部、冀鲁豫交界等地区形成重力变化梯度带，可见华北地区重力场变化剧烈。对重力变化与地震关系的研究结果表明，强震前重力场往往出现较大空间范围的区域性重力异常及重力变化高梯度带，地震易发生在重力场发生反向转折变化时段[12]。

4结论

本文以2009—2013年获取的9期流动重力资料为基础，系统分析华北中部地区2009-2013年期间重力测量资料，研究重力场的时空动态演化特征。重力资料显示华北地区重力变化十分剧烈，整个测区呈现大面积负值变化，在局部地区形成重力变化梯度带。重力场变化与断裂活动密切相关，近期出现的反向变化，表明该地区地震危险性进一步加大，这对指导地震预报工作具有重要的现实意义。

致谢:谨以此文向中国地震局地球物理勘探中心成立60周年献礼。

参考文献(References)

[1]祝意青，胡斌，朱桂芝，等.河西地区重力场及其动态演化特征[J].大地测量与地球动力学，2003，23(4)：44-48.

ZHU Yi-qing，HU Bin，ZHU Gui-zhi，et a1.Study on Gravity Field and Its Dynamic Evolutional Characteristics in Hexi Area[J].Journal of Geodesy and Geodynamics，2003，23(4)：44-48.(in Chinese)

[2]蒋福珍.华北地区重力场变化与构造运动的关系[J].地壳形变与地震，1998，18(1)：38-45.

JIANG Fu-Zhen.Primary Study on the Variation of Gravity Field of Northern China and Its Relationship With Tectonic Movements[J].Crustal Deformation Arthquake，1998，18(1)：38-45.(in Chinese)

[3]秦建增，李清林，郭德科，等.河南范县ML4.3地震前后的重力场变化与预报过程[J].西北地震学报，2007，29(4)：380-384.

QIN Jian-zeng，LI Qing-lin，GUO De-ke，et a1.Short-term Change of Gravity Field before and after FanxianML4.3 Earthquake in Henan and the Prediction Process[J].Northwestern Seismological Journal，2007，29(4)：380-384.(in Chinese)

[4]李真，陈石，秦建增，等.多网重力数据联合平差和系统误差改正[J].地震，2012，32(2)：95-104.

LI Zhen，CHEN Shi，QING Jian-zeng，et a1.Combined Aajustment and Systematic Error Correction of Multi-network Repeated Gravity Observation[J].Earthquake，2012，32(2)：95-104.(in Chinese)

[5]祝意青，胡斌，张永志.永登5.8级地震前后的重力场动态图像特征研究[J].地壳形变与地震，1999，19(1)：71-77.

ZHU Yi-qing，HU Bin，ZHANG Yong-zhi.Study of the Dynamic Pattern Characteristics of Gravity Field Around YongdengMS5.8 Earthquake[J].Crustal Deformation and Earthquake，1999，19(1)：71-77.(in Chinese)

[6]祝意青，江在森，陈兵，等.南北地震带和青藏块体东部重力变化演化与地震特征[J].中国地震，2001，17(1)：56-69.

ZHU Yi-qing，JIANG Zai-sen，CHEN Bing，et al.Study on Evolution of Gravity Field and Earthquake Prediction in the North-south Seismic Belt and the Eastern Qinghai—Xizang Block[J].Earthquake Research in China，2001，17(1)：56-69.(in Chinese)

[7]祝意青，闻学泽，张晶，等.华北中部重力场的动态变化及其强震危险含义[J].地球物理学报，2013，56(2)：531-541.

ZHU Yin-qing，WEN Xue-ze，ZHANG Jing，et al.Dynamic Variation of the Gravity Field in Middle North China and Its Implication for Seismic Potential[J].Chinese J Geophys，2013，56(2)：531-541.(in Chinese)

[8]申重阳，李辉，孙少安，等.重力场动态变化与汶川MS8.0地震孕育过程[J].地球物理学报，2011，52(10)：2547-2557.

SHEN Chong-yang，LI Hui，SU Shao-an，et al.Dynamic Variations of Gravity and the Preparation Process of the WenchuanMS8.0 Earthquake[J].Chinese Journal of Geophysics，2011，52(10)：2547-2557.(in Chinese)

[9]李辉，申重阳，孙少安，等.中国大陆近期重力场动态变化图像[J].大地测量与地球动力学，2009，29(3)：1-10.

LI Hui，SHEN Chong-yang，SUN Shao-an，et al.Dynamic Gravity Chang in Recent Years in China Continent[J].Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，29(3)：1-10.(in Chinese)

[10]苏树朋，张纳莉，史彦华，等.华北地区重力场变化特征研究[J].华北地震科学，2010，28(1)：52-58.

SU Shu-peng，ZHANG Na-li，SHI Yan-hua，et al.Study on the Characteristics of Gravity Variations in North China Area[J].North China Earthquake Sciences，2010，28(1)：52-58.(in Chiese)

[11]王勇，张为民，詹金刚，等.重复绝对重力测量观测到的滇西地区和拉萨点的重力变化及其意义[J].地球物理学报，2004，47(1)：95-100.

WANG Yong，ZHANG Wei-ming，ZHAN Jing-gang， et al.Gravity Change Detected by Repeated Absolute Gravity Measurements in the Western Yunnan and Lasha，China and its Implication[J].Chinese J Geophys，2004，47(1)：95-100.(in Chinese)

[12]孟夏，孟万辉，徐敬文，等.流动重力测量结果及其与地震的关系[J].西北地震学报，2001，23(1)：74-77.

MENG Xia，MENG Wan-hui，XU Jin-wen，et al.Mobile Gravity Measurement Results and Their Relation to Earthquakes[J].Northwestern Seismological Journal，2001，23(1)：74-77.(in Chinese)