2013年莱州MS4.6、2015年乳山MS4.6级地震前后重力场变化特征

陆汉鹏，李建奎，王锋吉，张刚

（山东省地震局，济南250014）

2013年莱州MS4.6、2015年乳山MS4.6级地震前后重力场变化特征

陆汉鹏，李建奎，王锋吉，张刚

（山东省地震局，济南250014）

利用山东测区2009—2015年的流动重力资料，采用绝对重力控制，相对重力联测的经典平差方法，给出了山东测区重力场动态变化图像，系统地分析了2013年11月23日莱州MS4.6级、2015年5月22日乳山MS4.6级地震前后重力场的空间变化和段差变化特点，并结合地质构造及机理探讨了重力变化特征与莱州地震、乳山地震之间的关系。结果表明：莱州MS4.6级地震震区位于重力场差分变化零值线拐弯区域；乳山MS4.6级地震震区位于重力场差分变化正异常的最大区域。另外，从跨断裂的段差变化可以看出，地震发震前后重力段差必然在断裂带两侧有一次明显的累积上升过程，且幅度较大，一般在转折下降时易发震。

莱州地震；乳山地震；重力变化；地质构造

0 引言

2013年11月23日山东莱州市南发生了MS4.6级地震，这也是继1995年9月苍山MS5.2级地震后第二次在山东内陆发生的较大地震，震中位于莱州南柞村镇属于山东流动重力测区范围（图1）。2014年乳山震群地震频发，并于2015年5月22日又发生了与莱州地震同级的乳山MS4.6级地震。为了对震后进行震例总结，充分采用近年实测重力资料，利用绝对重力与相对重力结合的经典平差方法，对山东测区重力变化特点及可靠性进行了分析。

1 资料处理与计算

山东省地震局每年租用中国地震局2台高精度金属弹簧LCR-G型重力仪，而且自2009年以来一直使用LCR-G999和LCR-G1027两台重力仪，这样可以减少更换不同型号重力仪带来的系统误差的影响，2009年之后山东测区每年进行两期的相对流动重力观测，并增加了绝对重力观测进行起算基准控制，野外采用PDA掌上电脑记录，往返自差、互差均小于限差要求。对流动重力观测资料进行预处理和平差计算，预处理是对重力固体潮改正、气压改正、仪器高改正和仪器漂移改正等，有效地消除了系统误差；平差计算则以单台仪器的重力段差观测值为平差元素，利用中国地震局实用化攻关推广的应用软件LGADJ对数据资料处理，起算基准选用泰安、日照2个绝对重力点，平差计算时，先对多期观测资料计算结果进行整体分析，初步了解各台仪器的观测精度，合理确定各台仪器的先验方差，再重新做平差计算，以得到最佳解算结果。

图1 山东地质构造及重力测点分布图Fig.1 Distributionmap of the tectonic and the gravity surveying points in Shandong Province

本文图件分析主要选用2012—2013年（震前）、2014—2015年（震后）近四年的重力资料。近年重力观测精度较高，其观测精度（见表1）。

表1 山东地区重力测量精度情况（LCR-G型重力仪，单位：×10-8m·s-2）Table 1 The precision of gravity survey in Shandong area（LCR-G gravimeter）（Units:×10-8m·s-2）

2 重力场变化特征

2011年3.11日本9.0级大地震后对山东测区产生了明显地影响，2012年山东测区地震活动明显增强，2012年2期复测结果显示（图2a、图2b）：鲁北及胶东北部出现重力场的加剧上升与反向大幅度减小的剧烈变化，并在2012年一年内发生3～4级小震活动，其中，在下半年胶东北部下降幅度较大，并在2012年7～8月分别发生ML3.1、ML3.8、ML3.2、ML3.9四次莱州地震，当时正是重力观测期间。2013年上半年重力变化明显减弱（图2c）基本是小幅度的下降变化，2013年下半年（图2d）复测后鲁南及胶东反向上升，尤其特别注意的是在胶东正异常区域的零值线出现扭曲,其拐弯区域位于莱州东侧。当时观测时间是2013年8月份，一般地震发生在重力变化的梯度带的零值线区域，其拐弯处是值得注意地区，虽然此区域梯度带不明显，但观测结束后在此区域发生了莱州MS4.6级有感地震。此次地震发生在2013年11月23日13：44，微观震中位于N37.10°、E120.02°,宏观震中位于莱州市柞村镇，此次地震发生在莱州断裂带附近，Ⅴ度区等震线为北东走向椭圆形[1]。2014年上半年复测显示（图2e），山东测区出现大幅度的上升态势，上升变化超过30×10-8m/s2的测点多达110个，达到了近几年异常上升测点最高值，变化最大的区域主要集中在鲁北及胶东测区，重力场的上升预示着能量的逐渐积累，2014年上半年观测结果是否受2013年莱州地震的震后滞后效应影响值得考虑。2014年下半年（图2f）复测显示重力场大部分下降趋势平缓，也说明山东测区重力场积累处于调整松弛阶段。2015年上半年（图2g）山东整体变化幅度比较均匀，正负变化区域面积相当，鲁南测区的中、南部趋势下降，鲁南北部的沂水西区域出现较大幅度的上升变化，并与沂水东部下降的正负变化差异较大，其中沂水、莒县小区域显现的等值线比较密集，观测期间在莒县连续发生了M 2.1级、M 2.4级两次小震。2015年下半年（图2h）山东整体变化幅度较上半年减小，重力场出现反向下降变化，季节性变化又明显突出，尤其沂水西部区域下降幅度较大，沂水、莒县东、西区域正负差异变化又比较明显，重力变化零值线向东扭曲剧烈，上升区域在莒县、莒南东南区域，下半年沂水西部区域没有延续上半年持续上升异常态势，但正、负差异变化特点应该引起注意。

总之，相邻两期的重力场动态变化较好地反映了半年尺度的重力变化，先前重力场表现出上半年上升、下半年下降的正负交替的季节性变化，而2015年上半年以上升为主的变化有所改变，2015年上半年打破季节性变化，下半年重力场的下降变化又延续先前的季节性变化特征。

由于重力变化受起算控制点及网型大小影响，对近期资料采用分网平差、单独计算胶东测区的方法得到2014年12月至2015年8月差分及累积重力场变化图像（如图3a、3b），发现胶东南部海阳至荣成区域重力变化上升幅度较大，其中乳山测点上升最大为53×10-8m/s2，由于受2014年乳山震群影响，2014年12月专门对胶东测区加密观测，至2015年第一期观测仅3个多月时间出现了如此大的变化也是值得关注的。胶东测区62个测点，超过30×10-8m/s2的测点21个，异常比例达到33%。2015年第一期观测结束后2个月之内发生乳山MS4.6级地震，此次地震震中就位于重力差分变化最大区域，与2013年莱州MS4.6级地震重力变化特征不太一致。

3 重力段差变化与地震

地震重力测量中，流动重力采用的是相对重力测量手段，而段差变化不要求每期测量都有绝对点控制，段差变化的计算相比点值变化，可认为与平差方法选择无关，误差不因为基点的选取会出现累积变化大。段差变化可以认为是一种重力水平梯度的方向变化，与潜在发震位置更具有相关性。

图2 山东测区重力变化等值线图Fig.2 Isolinemap of gravity variation in the area of Shandong

图3 胶东测区重力变化等值线图Fig.3 Isolinemap of gravity variation in the area of Jiaodong

在靠近莱州西附近的沂沭断裂带两侧选用昌邑-新河测段做时序分析（图4a），自2009年6月观测至2012年8月平稳波动，2012年8月至2013年8月重力值加速上升，1年累积变化达到最高值44×10-8m/s2，观测结束3个月发生莱州M 4.6级地震。在靠近乳山附近的乳山断裂两侧选用海阳-乳山测段做时序分析（图4b），自2009年至2012年逐年波动上升，2013年大幅转折下降，其中2013年8月下降速率较大，下降到最低值，2014年3月复测显示出现转折上升，并在转折上升中发生莱州M4.6级地震，地震之后段差变化继续直线上升，至2015年3月上升到最高值，自2013年8月持续上升至2015年4月不到2年时间累积段差41×10-8m/s2，观测结束后1个月发生乳山MS4.6级地震。2015年下半年观测转折下降。此次地震位于牟平-乳山断裂带附近海域，其最大烈度初步确定为Ⅴ+度。从这次地震的宏观烈度考察结果看，Ⅴ度等震线长轴为北西向，长约26 km。由于段差变化不受平差计算及起算点精度影响，实测结果更具有可靠性。通过以上2个跨断裂的段差变化图可以看出，地震发震前后重力测点必然在断裂带两侧有一次明显的异常升降过程，且幅度较大[2]，一般在转折下降时易发震。重力段差时序变化能较好地反映跨断裂地段的重力动态变化[3]。

（b）海阳-乳山测段图4段差时序变化图Fig.4 Timing diagram of segment difference

4 重力场变化与地震的机理分析

山东位于华北构造区的东南部，新构造期地壳运动的性质、强度等具有明显的分区特征。

莱州与乳山地震处于鲁中南-鲁东上升山地区内，并发生在新构造单元的边界带上，莱州地震震中距沂沭断裂带东边界的昌邑-大店断裂的分支-景芝断裂约15 km，震中虽然没有对应的第四纪活动断层，但其附近发育有北东向柞村断裂、北北东向莱州断裂，该区存在发生中强地震背景[1]。乳山地震震中距离乳山断裂较近，附近海阳断裂与乳山断裂交叉分布是发生中强地震频繁的区域。由于地震是震源区介质发生的快速破裂错动或是原断层的失稳现象，在地震的孕育过程中，由于地壳内部应力的长期作用，应力、应变的积累，孕震区内介质的物理、力学性质会发生不同程度的变化，导致活动性断层产生蠕动变化，这种蠕动变化以地面形变和物质质量变化表现出来，地壳形变会导致地面空间位置的变化，地壳的介质密度也可能会发生不同程度的变化，地壳和上地幔内还可能存在着物质的迁移等变化，所有这些变化都将导致重力场的变化，并且通过地表的重力测量反映出来[4-7]。重力变化与构造应力之间有着密切的联系，当区域构造应力场发生强弱变化时，重力场图像也会随之出现时空变化，重力场变化能反映区域应力场的微动态活动，在区域构造应力场增强的过程中，地壳中的物质迁移出现有序性分布，相应的区域重力场也出现有序变化。莱州地震与乳山地震就是在这种地质构造复杂，地下物质能量累加，重力场逐渐增强，反映的区域应力场也随之增强的背景下发生的。

根据山东省地震台网中心记录到的波形资料，利用P波初动、振幅比、波形反演等方法计算的震源机制解显示，莱州地震为右旋走滑型，乳山地震为左旋走滑型，莱州与乳山地震发生前该区地下介质密度都可能存在一定的变化。

5 结语

笔者对山东测区重力场空间变化及段差变化特征进行了详细地分析，并且结合2次中等地震进行了探讨，总体来说具有以下变化特点：

（1）在空间分布上，2013年莱州MS4.6级地震震区位于重力差分变化零值线的拐弯区域；2015年乳山MS4.6级地震震区位于重力差分变化正异常的最大区域，两个区域重力场变化形态不同，但都位于重力变化等值线的异常区域，重力场的明显区域性变化与地震有一定的关联性，有时震前出现明显异常有时受震后滞后效应影响。震前震后重力变化形态上的差异反映了地质构造活动的不同，震后是地表活断裂的活动，震前可能是深部孕震层构造应力的相对集中。

（2）对具有可靠性的跨断裂的重力段差变化特点进行了分析，并与地震关系进行了讨论，发现重力段差变化在莱州与乳山地震前都出现明显的上升增强态势，两年之内上升累积都在40×10-8m/s2左右，具有4级左右地震的监控能力，震后重力段差反向减小。因为重力场变化与活动断裂构造密切相关，重力段差变化反映了断裂的构造运动，其变化主要是构造应力作用下活动断层两盘的物质变迁和构造变形差异运动产生的重力效应。

[1]李杰，朱成林，冯志军，等.莱州M 4.6级地震前山东形变异常特征[J].大地测量与地球动力学，2014，34（6）：9-13.

[2]李盛，陈维超，郭昱琴.海南岛陆地区重力场变化与地震关系研究[J].地震地磁观测与研究，2013，34(3/4)：13-17.

[3]朱治国，王晓强，刘代芹，等.2005—2009年喀什一伽师地区重力场变化与地震[J].地震研究，2011，34（2）：143-147.

[4]许仪西，杨婕，张永固，等.福建东南沿海重力场演变特征及其与地震的关系[J].华南地震，2009，29（3）：78-84.

[5]刘代芹，王晓强，李杰，等.2009年阿合奇5.5、阿图什MS5.0地震前后重力场变化分析[J].内陆地震，2010，6（2）：144-148.

[6]陈运泰，顾浩鼎，卢造勋，等.1975年海城地震与1976年唐山地震前后的重力变化[J].地震学报，1980，（1）：21-31.

[7]祝意青，徐云马，梁伟锋，等.2008年新疆于田MS7．3地震的中期预测[J].大地测量与地球动力学，2008，28（5）：13-15.

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

陆汉鹏，李建奎，王锋吉，等.2013年莱州MS4.6、2015年乳山MS4.6级地震前后重力场变化特征[J].华南地震，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

地震行业科研专项（201508009-12）；山东地震局合同制项目（15Y116）

陆汉鹏（1971-），男，高级工程师，主要从事流动野外监测工作.

E-mail：luhanpenglzx@163.com.