冀鲁豫交界地区重力场变化与区内小震关系探讨①

谢汝一

,刘　越,秦建增,罗翔飞,李　青

(中国地震局地球物理勘探中心,河南 郑州 450002)



冀鲁豫交界地区重力场变化与区内小震关系探讨①

,刘越,秦建增,罗翔飞,李青

(中国地震局地球物理勘探中心,河南 郑州 450002)

冀鲁豫交界地区历史上曾发生过多次中强地震,是一直受关注的地震危险区。利用该区1995—2010年共20期的流动重力观测资料,在统一起算基准、消除系统误差的基础上进行拟稳平差,计算重力场累积变化量;通过对重力场变化的分析,研究测区内重力场动态变化与测区内发生的一系列4级左右地震的关系。研究结果认为:冀鲁豫地区发生ML4.0以上地震前后震区的重力场变化具有明显的“震前持续上升-震后反向恢复”的特征。

冀鲁豫; 重力观测; 地震; 重力场变化

0　引言

我国的重力测量始于二十世纪六十年代初,至今已有50多年的历史。通过地表定点的重力重复测量得到重力场变化信息,这种变化与震源区物质的运移密切相关,其异常直接反映震源体的地壳形变和介质密度(质量)变化[1-6]。重力测量还可以较好地反映活动断层的物质迁移和构造形变引起的地表重力变化。通过定点重力连续观测或定期流动重力重复观测,就有可能捕捉到与震源变化有关的重力前兆信息。因此重力场的空间变化可以为地震预报研究提供地壳深部物质变化信息,其随时间的变化与地震的孕育、发展与发生有内在的密切联系。通过重力异常的研究,可判断地下介质的质量和密度的变化,进而找出地震与重力异常的对应关系[7]。

本文利用冀鲁豫地区流动重力观测资料,研究其重力场动态变化与2005—2010年发生在冀鲁豫交界地区的一系列ML4左右地震的关系。

1　测网及地质构造概况

冀豫鲁测网(图1)始建于1995年 9月,共有41个测点,每年复测2～4期。测网位于河北、河南与山东交界处,华北平原地震带内。该区断裂发育,其中有多条是Q4以来的活动断裂,主要有:NNE-NE向的汤西断裂、汤东断裂、 长垣断裂、聊兰断裂、NWW向的新乡—商丘断裂、磁县—大名断裂和成武—东明断裂等,它们控制着汤阴地堑和东濮凹陷的发育[8]。

深部地震测深研究表明,冀鲁豫地区的地壳上地幔速度结构在纵向和横向上具有明显的不均一性,地壳介质速度偏低[9]。聊兰断裂是华北裂谷盆地与鲁西隆起的分界线[10],是华北平原拗陷区和鲁西隆起区之间的分界断裂,也是地震活动较活跃地区。历史上该区曾发生过多次中强地震,其中最大的一次是1937 年菏泽7.0级地震；1502年范县附近曾发生6.5级地震,1948年和1983年在菏泽分别发生了5.5级和5.9级地震。测区自2005—2010年在聊兰断裂、新乡—商丘断裂带附近连续发生了5次4级以上地震(图1)。

2　重力数据处理

重力资料数据首先进行预处理,预处理主要包括重力固体潮、气压、仪器格值误差、仪器高度和仪器漂移等改正,然后进行平差计算。由于早期冀鲁豫流动重力测网内没有绝对重力和高等级重力控制点,故使用中国地震局实用化攻关推广的应用软件 LGADJ进行拟稳平差[11],统一起算基准,拟稳点采用点位稳定且受外界干扰较小的菏泽、新乡、永和测点。统一平差解算各点重力值,消除系统误差,提高平差结果的精度,得到最佳、合理的解算结果[12]。

图1　冀鲁豫流动重力测网及小震分布图Fig.1　The Ji-Lu-Yu mobile gravity observation network and distribution of small earthquakes

为得到相对稳定的变化基准,采用重力测网前4期(1995年9月—1996年10月)平差结果均值作为重力场变化的基准,计算了2004—2010年共16期重力场累积变化量。

3　重力场时空演化分析

对不规则离散重力点数据采用克里金(Kriging)方法进行最佳拟合推估。该方法网格化精度高,能够尽可能地描述原始数据所隐含的趋势特征,然后使用surfer 软件绘制出重力变化等值线图,获得图2～5所示的区域重力场动态变化图像。

(1)2005年4月27日河南濮阳与山东鄄城ML4.3地震

该地震发生在聊兰断裂的北段,图2为地震前后各两期重力累积变化动态图像。图2(a)～(b)为震前两期重力场变化图像。图2(a)显示测区重力场沿聊兰断裂带出现西北部负值变化,东南大部为正值变化,在新乡和濮阳附近形成密集的重力梯级带,最大变化量达到-80×10-8ms-2。图2(b)图像形态与图2(a)相似,但所显示的负异常的范围和量级大幅减少减小,而正异常明显扩大,在濮阳点附近出现了超过40×10-8ms-2变化量。图2(c)的正值异常区进一步扩大,除新乡、郑州附近的重力场基本维持原有态势外,测区大部分重力场呈现大面积的上升态势,2015年4月27日的濮阳ML4.3地震就发生在重力场的上升过程中。图2(d)显示重力场在量级和形态上基本恢复到图2(b)时的态势。

(2)2006年4月9日河南濮阳ML4.6地震

该地震发生在聊兰断裂的北段,图3为地震前后重力累积变化动态图像。图3(a)和(b)为震前两期重力场变化图像,与图2相似,图3(a)显示测区重力场沿聊兰、长垣断裂带自濮阳—四间房—八柳树形成一负条带异常,其余大部为正值变化,在新乡至濮阳区域形成密集的重力梯级带,最大变化量达到-60×10-8ms-2。图3(b)图像形态与图3(a)相似,负异常在范围和量级上基本保持不变,在濮阳以南出现了超过20×10-8ms-2变化量。图3(c)的正值异常区明显扩大,除新乡、郑州附近的重力场基本维持原有态势外,测区大部分重力场呈现大面积的上升变化,濮阳附近出现了超过25×10-8ms-2变化量,2006年4月9日的濮阳ML4.3地震就发生在重力场的上升过程中。图3(d)显示重力场在量级和形态上基本恢复到震前态势。

图3　濮阳ML4.6地震前后重力累积变化动态图像Fig.3　Dynamic images of calculated gravity change before and after the Puyang ML4.6 earthquake

(3)2008年1月3日、3月10日河南封丘与兰考间ML4.3、ML4.8地震

地震均发生在NW向新乡—商丘断裂附近,该断裂与聊兰断裂南端交汇。图4为地震前后重力累积变化动态图像。图4(a)和图4(b)为震前两期重力场变化图像。图4(a)依然沿聊兰、长垣断裂带沿自濮阳—四间房—八柳树一带形成一负异常条带,其余大部为正值变化,在新乡和濮阳附近形成密集的重力梯级带,最大变化量位于八柳树附近,达到-80×10-8ms-2。图4(b)除新乡、郑州附近的重力场依然维持原有态势外,测区大部出现大面积上升,表现出应力加速上升。在濮阳点以南出现了超过25×10-8ms-2变化量,此后发生了2008年1月3日封丘与兰考间ML4.3地震。图4(c)并没有出现震后的恢复形态,重力场在形态上基本保持了图4(b)的形态不变,震中以东重力场基本保持不变,以西还有所上升,说明能量并未完全释放,此后发生了2008年3月10日封丘与兰考间ML4.8地震。从上述分析可以看出封丘与兰考间的ML4.3、ML4.8地震均发生在重力场的上升过程中。而地震后如图3(d)所示的重力场有所恢复但不明显,究其原因可能是汶川地震孕震过程中印度板块向亚洲板块俯冲,青藏高原物质向东北方向运移的结果。其是受大的孕震环境影响造成的。

图4　2008年1月3日、3月10日河南封丘、兰考地震前后重力累积变化动态图像Fig.4　Dynamic images of calculated gravity change before and after Jan.3,2008,Fengqiu earthquake and Mar.10,2008,Lankao earthquake in Henan province

(4)2010年1月15日河南濮阳ML4.2地震

该地震发生在聊兰断裂北段的西侧。图5为地震前后重力累积变化动态图像。图5(a)显示受汶川地震的影响测区重力场恢复缓慢,沿聊兰、长垣断裂带沿自濮阳—四间房—八柳树一带有一负值条带,其余大部为正值变化,沿长垣和聊兰断裂带走向有一正值条带。图5(b)显示在滑县—东明一带重力场有所上升,由于缺少临震前(200912-G)的重力场资料,无法看到重力场的加速上升,但由图5(a)～(d)依然可以清晰地看出重力场由上升-发震-恢复的全过程。

4　结论

(1)对2005—2010年间发生在豫鲁交界地区5次ML4以上地震震区的重力场在地震前后动态变化的图像分析表明:地震前后震区附近重力场变化具有较为一致的特征,即为明显的“震前持续上升-震后反向恢复”的特征。

(2)重力场变化原因探讨

地壳内部应力的长期作用导致孕震区内介质的物理和力学性质发生不同程度的变化,在断层带附近,由于存在破碎带等地质软弱构造,更容易发生蠕动变形,地壳内部的一些流体可能会产生迁移,导致介质密度发生变化。所有这些变化都会使重力场产生变化,并且通过地表的重力测量反映出来。因此,豫鲁测区大部分异常测点的重力变化应该是由该区地壳形变、地壳的介质密度变化和地壳深部质量迁移等变化共同作用引起的。

(3)数据处理中未对地壳形变、地下水等影响因素加以排除,重力场更细致的变化还有待对这些影响因素进行深入的计算、分析和消除。

图5　2010年1月15日河南濮阳地震前后重力累积变化动态图像Fig.5　Dynamic images of calculated gravity change before and after the Puyang,Henan earthquake on January 15,2010

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Relationship between Gravity Field Change and Small Earthquakes in the Combined Areas of Hebei,Shandong,and Henan Provinces

XIE Ru-yi,LIU Yue,QIN Jian-zeng,LUO Xiang-fei,LI Qing

(Geophysical Exploration Center,CEA,Zhengzhou 450002,Henan,China)

The juncture region of Hebei,Shandong,and Henan provinces (Ji-Lu-Yu region for short),where many middle-strong earthquakes have occurred throughout history,is the focus of this study as an earthquake risk area.We used 20 stages of mobile gravity observation data,gathered from 1995 to 2010 in the region,to calculate the accumulated variation in the gravity field by means of a quasi-stable adjustment,on the basis of a unified calculation datum and elimination of system error.By analyzing variations in the gravity field before and after five earthquakes,the relationship between the dynamic variation in the gravity field and a series of ML>4.0 earthquakes was studied.The earthquakes studied were the ML4.3 earthquake,April 27,2005,epicenter located between Puyang in Henan and Juancheng in Shandong; the Puyang ML4.6 earthquake,April 9,2006; the ML4.3 earthquake,January 3,2008,located between Fengqiu and Lankao in Henan; the ML4.8 earthquake,March 10,2008,located between Fengqiu and Lankao in Henan; and the Puyang ML4.2 earthquake,January 15,2010,The results show that,in this region,the gravity field variation shows a certain regularity before and after earthquakes of magnitude>4.0.This characteristic is obvious in that "gravity values rise continuously before earthquakes and reverse after". In addition,reasons for the regularity in the gravity field variation before and after earthquakes are investigated in this article.

Hebei,Shangdong and Henan provinces; gravity observation; earthquake; gravity field change

2015-06-04

行业专项(201508009,201208008)

谢汝一(1967-),女,工程师,主要从事流动重力重测及数据资料分析研究工作。E-mail:1091103910@ qq.com。

P315.72+6

A

1000-0844(2016)04-0581-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0581