关中流动重力测网的中小地震映震能力分析

张永奇 丁晓光 曹建平++翟宏光苏利娜 郑增记

摘要：采用拟稳平差方法对1992—2011年陕西关中重力测网流动观测资料进行平差计算，获得各期高精度重力值，利用Kriging插值算法获得差分及累积重力场变化图像，结合1998年1月5日泾阳MS48地震及2009年11月5日高陵MS44地震，分析2次地震前后重力场及重力点值时序变化特征。结果表明：（1）2次地震前后都有较明显的重力异常变化，变化过程表现为正向―负向―正向重力变化，符合地震扩容模式；（2）2次地震的发生与渭河断裂及泾阳—渭南断裂构造活动有关，震中位置处于重力等值线零值线及拐弯处，但2次地震前重力累积变化不明显；（3）关中西部重力测点在2次地震前后重力值变化显著，关中东部重力点值变化不明显，震中附近的测点在泾阳地震前后变化明显，在高陵地震前后变化不明显。

关键词：关中地区；流动重力测量；重力场变化；泾阳MS48地震；高陵MS44地震

中图分类号：P315726文献标识码：A文章编号：1000-0666（2017）02-0248-09

0引言

我国流动重力测量始于20世纪60年代邢台地震发生后，其结果反映的是区域重力场的非潮汐变化信息。地震在孕育过程中伴随着区域构造应力场变化、地壳内部物质迁移以及地球介质密度变化，这些信息可以被流动重力测量观测到（陈运泰等，1980；顾功叙等，1997）。随着高精度重力测量仪器的发展和流动重力网的优化改造，流动重力的监测能力得到进一步的提高（李瑞浩等，1997）。研究表明，在大、中强地震前后可以观测到显著的重力变化，甚至在一些中小地震前后都可以观测到重力变化（陈运泰等，1980；祝意青等，2012，2013b；李清林等，1997；李天生，范文，1992；梁伟锋等，2012；郑兵等，2015；贾宇鹏等，2015）。因此通过研究重力场变化特征，可为区域地震趋势的研判提供参考依据。优化改造重力监测网的布局，对捕捉地震前兆信号尤为重要（贾民育，1996；贾民育，詹洁晖，2000；项爱民等，2007）。近年来，我国学者在6级以上地震的中短期预测预报方面进行了深入探索，取得了较好的成绩，研究结果进一步表明重力测量是一项有效的地震前兆监测手段（祝意青等，2009，2013a）。

陕西关中重力测网始建于20世纪80年代，于90年代初进行了优化改造。重力测网每年观测1期，2008年汶川MS80地震发生后，加密为每年观测2期。重力测网观测期间，发生了1998年1月5日泾阳MS48地震、2009年11月5日高陵MS44地震，针对这2次地震事件，不同的学者对其发震构造、震源机制、地壳形变等方面进行了较为深入的研究，得出一些重要的结论（王卫东，2002；戴王强等，2007；高好林等，2005，2006；曹建平等，2017）。笔者在前人研究成果的基础上，基于关中重力测网重复观测资料，对泾阳MS48地震、高陵MS44地震前后的重力场、重力点值时序变化特征进行分析，探讨重力场异常变化与地震活动的相关性，同时对地震前后重力变化进行机理分析。

1测区概况及数据处理

关中地区位于鄂尔多斯块体、甘青块体、华北及华南块体之间，在我国现代构造变形的大陆动力学格局中具有特殊的地位。关中地区不仅是我国东西部大地构造的分界带和解耦带，也是鄂尔多斯、华北、华南等构造块体差异运动的调节带。区域内发育了大量左旋走滑及正断性质的断裂，如陇县—宝鸡断裂带、渭河断裂、华山山前断裂、秦岭北麓断裂、口镇—关山断裂等，这些断裂不仅控制着区域内构造应力场分布格局，对地震的孕育过程也具有重要的影响。1998年1月5日泾阳MS48地震、2009年11月5日高陵MS44地震均发生在渭河断裂附近的泾阳—渭南断裂上（吴富春等，2000；王平等，2014）。

关中重力测网主要覆盖关中地区，大体范围是（34°N～358°N，1065°E～1105°E）。自1992年起，每期由2台LCR-G型重力仪开展观测。为了确保相对重力联测精度，减少仪器误差影响，仪器格值在测前都按照规范要求进行了长基线场地标定，观测精度达到规范要求。关中重力测网包括121个测点，但由于破坏及改造，每期测点个数及网形不尽相同，但基本保持观测120个点左右，关中地区重力网及主要构造见图1。平差计算采用中国地震局实用化攻关推广软件LGADJ，平差起算基准采用拟稳基准，拟稳点的选取遵循以下原则：①观测资料连续，没有中断和停测；②点值变化平稳，没有明显的趋势性变化；③测点处于相对稳定的构造区，离活动断裂相对较远；④墩标稳定，属于混凝土埋石点。按照上述原则选择了测区的9个测点，拟稳点具体情况见表1。平差计算过程如下：①资料预处理，进行固体潮、气压、一次项、仪器高、周期误差等改正；②对多期重力资料计算结果进行整体分析，了解不同仪器的观测精度，以此确定各台仪器的先验方差，再进行平差计算，确保结果合理可靠；[JP2]③采用kriging插值算法进行重力值拟合推估，同时进行样条平滑和高斯滤波。最终得到重力测点精度平均值优于10×10-8 m/s2，精度统计详见表2。

2重力场时空变化特征分析

21泾阳MS48地震前后重力场动态差分变化

[KG（0.2mm]本文首先分析1998年1月5日泾阳MS48地震前后重力变场化特征，如图2所示。由图2a（1995年7月—1996年7月）可知，渭河盆地内部重力场等值线空间展布基本沿着渭河断裂、扶风—礼泉断裂和北山山前断裂等，渭河断裂南侧重力场主要表现为负值变化，其北侧主要表现为正值变化，预示着该时段重力场变化特征受活动断裂带控制。在永寿、三原及大荔等地区出现重力线拐弯现象，研究表明这些拐弯部位有利于地震孕育，近年来多个震例显示这种重力线[JP3]拐弯处易于地震发生（祝意青，2009，2013a，b）。[JP]总体上看，图2a中重力变化幅度不大，基本在（-20～30）×10-8 m/s2变化。由图2b（1996年7月—1997年7月）可知，本期重力场变化幅度有所增强，同时变化趋势出现反转，基本以永寿—泾阳—临潼一线为界，其东北向区域重力场呈现较大范围负值变化，西南向区域重力场呈现为正值变化。图2c（1997年7月—1998年10月）显示，关中西部出现大范围的重力场负值变化，尤其是凤翔以西地区重力场最大负值变化达-50×10-8 m/s2。关中东部出现大范围的重力场正值变化，最大变化集中在韩城附近，量值达35×10-8 m/s2。重力场零等值线分布在咸阳―西安―蓝田一带，泾阳位于零等值线附近的西北侧，并形成重力变化梯度带，正负差异变化达到45×10-8 m/s2，1998年1月5日在泾阳发生了MS48地震。图2d（1998年10月—1999年7月）显示泾阳MS48地震后重力场变化再次出现反转，震中附近重力场由正值變化转为负值变化，这与震后物质重新分布、应力重新调整的特征有一定的对应关系。图2e（1999年7月—2000年7月）出现了和上期（图2d）不同的变化趋势，以永寿—泾阳—临潼为界，西南部出现大范围重力场负值变化，东北部出现大范围正值变化，重力变化高梯度带依然在泾阳附近，差异变化约50×10-8 m/s2。图2f（2000年7月—2001年5月）显示重力等值线分布格局与震前状态（图2a）相似，量值变化与震前水平相当，区别在于渭河断裂以南地区重力场表现为正值变化，以北表现为负值变化。总体上泾阳MS48地震前后震中区重力场变化遵循正向—负向—正向变化的动态演化过程，符合地震扩容模式，即地下岩石压缩—膨胀—流体扩散的3个阶段的演化特征，只是这种变化有稍许的滞后效应。

22高陵MS44地震前后重力场动态差分变化

2009年11月5日陕西省高陵县发生了MS44地震，该地震前后重力场变化特征如图3所示。图3a（2006年8月—2007年7月）显示重力场自西向东表现为正值―负值―正值变化特征，分界线大体为彬县—咸阳—西安和黄龙—大荔—华县，但重力场变化幅度较小，基本在（-30～20）×10-8 m/s2之间，只在韩城、蒲城形成2个局部重力异常区，量值分别是25×10-8 m/s2、-30×10-8 m/s2。图3b（2007年7月—2008年5月）与上期（图3a）相比出现重力场反向变化，震中高陵地区由上期的负值变化变为正值变化。旬邑—麟游—周至以西出现较大范围的重力负值变化，但变化量值不大，另外在韩城出现较大范围重力场负值变化。临潼—渭南—华县以南出现大范围的重力正值变化，变化达50×10-8 m/s2。震中高陵处于重力正值变化区域。图3c（2008年5月—2009年5月）显示关中地区重力场变化特征进一步发生调整，整个关中地区重力场以正值变化为主，正向变化值位于永寿、旬邑附近，达40×10-8 m/s2。咸阳—三原—铜川—大荔一线的东南地区重力场出现负值变化，负向变化最大值位于洛南地区，达-35×10-8 m/s2，零值线位于三原附近，震中高陵位于零值线附近。由图3d（2009年5—9月）可知，高陵地震前震中附近形成重力四象限分布格局，地震震中处于四象限的鞍部。这种重力场分布格局可能受2008年5月12日四川汶川MS80地震遠场效应影响。汶川地震后地震能量沿北川—青川断裂向北东方向扩散，引起北东方向的陕西南部及关中地区应力场重新调整，物质重新分布，从而导致关中中部渭河断裂出现局部应力集中，进而诱发2009年11月5日的高陵MS44地震。图3e（2009年5月—2010年6月）显示高陵MS44地震后由于震后应力场松弛效应，高陵震中附近重力变化梯度带消失，重力场由0×10-8 m/s2变化为-5×10-8 m/s2，相比上期（图3d）重力场分布格局发生顺时针旋转。图3f（2010年6月—2011年6月）显示重力场在进一步应力场调整作用下，负值变化区域显著缩小，正值变化区域明显扩大。高陵地震前后重力场变化也符合地震扩容理论。

232次地震前重力场累积变化

重力场累积变化图像可以直观判断研究区域重力累积变化情况，可以对研究区域未来地震发震概率研判提供一定的参考。为此本文分析了泾阳MS48地震、高陵MS44地震前的重力累积变化情况，如图4所示。图4a（1993年7月—1997年7月）显示，重力场累积变化并不显著，整个关中地区重力场基本以正值变化为主，铜川—泾阳—蒲城以北出现重力场局部负值变化，周至地区出现局部的负值变化。泾阳MS48地震震中位于重力场变化的零值线附近，重力变化幅度不大，研究表明这种现象属于局部“硬化”，表明该地区附近的渭河断裂构造活动加强，而震中闭锁程度增大（祝意青等，2013b）。除此之外，地震往往发生在重力变化零值线及等值线拐弯处（申重阳等，2010；祝意青等，2013a，b），而1998年1月5日泾阳MS48地震恰好发生在具有这种特征的位置。图4b（2006年7月—2009年9月）显示，与泾阳MS48地震前重力场累积变化相似，高陵MS44地震前重力累积变化也不显著，在震中北部和南部出现2个较大的重力场负值变化区，量值分别为-35×10-8m/s2、-25×10-8m/s2，震中处于重力场变化零值线及等值线拐弯附近，同样高陵MS44地震前也属于局部“硬化”现象（祝意青等，2013b）。另外2次地震的震源机制解与重力场变化等值线展布具有一定的对应关系。从泾阳MS48地震和高陵MS44地震前的重力累积变化 [KG（0.1mm]来看，重力的累积量较小，尤其是4～5级左右的中小地震，震前很难发现明显的重力累积变化。但2次地震震中都处于重力变化零值线及等值线拐弯处，因此可将该特征作为中小地震的研判指标（申重阳等，2010；祝意青等，2009，2012，2013a，b）。[KG）]

242次地震前后重力点值时序变化

重力点值时序变化可以反映地震前后重力点异常变化的情况，从而可以分析距离地震震中不同距离、不同方位、不同断裂附近重力点值的变化过程及趋势。限于篇幅，本文只选取了关中西部、中部、东部地区不同断裂部位的18个重力点（图5），绘制了这些测点1992—2012年时间序列，重点分析这些测点对泾阳MS48和高陵MS44两次地震的响应关系，具体如图6所示。选取的18个重力测点中部分测点在2次地震前后变化显著，变化量大于25倍的点值精度均值，有的变化不显著，甚至与点值精度均值大小相当。但这些测点都可以在一定程度上反映2次地震前后重力变化过程。

[JP2]图6a表示的是关中西部的重力点值变化情况，其中凤翔、岐山、扶风测点位于陇县—岐山—马召断裂附近，距离2次地震震中相对较远，泾阳MS48地震前后这3个点都出现上升—下降—加速上升—下降（发震）—小幅上升—加速下降的变化过程，而地震发生在重力值下降的过程中；高陵MS44地震前后这3个点的变化过程是：下降—上升—下降—上升（发震）—小幅上升—下降，与泾阳地震发震时不同，高陵地震发震时处于重力上升过程。永寿、礼泉、乾县测点位于口镇—关山断裂、北山山前断裂、扶风—礼泉断裂附近，泾阳地震前重力变化比较平缓，发震在重力负值变化过程中，高陵地震前后经历了快速上升—快速下降—缓慢上升（发震）—缓慢下降的变化过程。[JP]

图6b表示的关中东部的重力点值变化情况，其中澄城、韩城、合阳测点位于韩城断裂附近，泾阳MS48、高陵MS44地震前后重力变化幅度不大，地震发生时这3个测点都是处于重力正值变化过程；华县、党木、渭南测点分别处于华山山前断裂、双泉—临猗断裂、渭南塬前断裂附近，这3个测点在2次地震前后重力变化幅度也不大，基本在重力正向变化过程中发生地震。

图6c表示的是关中中部即2次地震震中附近重力点值变化情况。其中零口、临潼、吕家堡位于长安—临潼断裂、长安—临潼断裂、渭南塬前断裂附近，泾阳MS48地震前后这3个测点重力变化相对较大，基本在重力下降过程中发生地震，高陵MS44地震前后重力变化比较平稳，只有吕家堡测点在震前出现快速上升和下降的过程；而处于震中西侧的三原、淡村、分水闸的3个测点，分别位于扶风—礼泉断裂、北山山前断裂附近，2次地震前后重力点值变化比较明显，尤其是泾阳地震前后，重力处于快速上升—下降—上升—下降的变化过程。与图6a中测点相比，变化更加剧烈，同时变化趋势发生转向，如凤翔等测点在泾阳地震发震时处于下降变化，而三原等测点则处于上升变化，同样的，高陵地震发震时2个区域的测点也出现变化趋势转向的情况。

3结论与讨论

地震从孕育到发生是一个从应力积累到能量释放的过程，在地震孕育过程中，随着震源区应力的不断积累，使得地壳内部的物质发生迁移，致使地壳内部密度发生变化，从而使得该处地表的重力值发生变化（祝意青等，2009）。陕西关中地理位置特殊，活动断裂发育，泾阳MS48地震、高陵MS44地震都发生在渭河断裂与渭南塬前断裂交叉部位，因此必然受到断裂活动的影响。

泾阳MS48地震发生在渭河断陷盆地内的乾县—咸阳塬断块和固市—西安断块的交接部位，北侧是口镇—关山断裂，南侧是渭河隐伏断裂，东侧是泾阳—渭南断裂，关于发震断裂，不同的学者研究结果不同，但基本认为与渭河断裂有关（王卫东，2002；吴富春等，2000）。泾阳地震震中既是莫霍面等深线急剧变化的地段，也是地壳P波和S波高速带的边缘地段，符合强震发生的构造背景和条件。泾阳地震发震时处于重力下降过程中，与区域布格重力异常同向负值变化，表明在地震孕育過程中物质发生运移、密度重新分布，同时表明区域应力场得到增强（王卫东，2002）。由重力场差分变化图像和累积变化图像可知，泾阳地震前重力变化不显著，累积变化不明显，可能的原因是在泾阳地震孕育过程中，震源区应力作用方式是以水平为主的左旋走滑，断裂主要表现为水平错动，断裂两盘质量密度差异变化较小，故而重力异常变化不显著（高好林等，2005）。

高陵MS44地震发生在渭河盆地内部的泾阳—渭南断裂，震源机制解表明该地震为正断型，节面走向为东西向，与泾阳—渭南断裂的构造特征吻合（王平等，2014）。高陵地震震中与泾阳地震震中相距较近，但震源机制却不尽相同，从重力场演变角度来看两者也存在差异，表明高陵地震主要受泾阳—渭南断裂活动控制，震前重力场动态演化经历了下降—上升—下降的变化过程，震前1年时间内震中周缘都处于重力场负值变化，而震中却表现为较弱的正值变化，显示出局部“硬化”现象（祝意青等，2013b），震后震中重力场进一步向负值变化，表明应力场进行局部调整，两年后震中重力场由负值变化转向正值变化，符合地震扩容理论变化规律。2次地震重力累积变化不明显，没有形成显著的正或负变化异常区，这与强震孕育中会产生较大的重力累积变化量不符（申重阳等，2010）。

通过计算并分析2次地震前后的重力场、重力点值时间序列，得到如下结论：

（1）基于1992—2011年的陕西关中重力测网数据，分析了泾阳MS48、高陵MS44地震前后的重力场动态演化图像，发现地震孕育过程中重力场符合正向—负向—正向变化的规律，符合地震扩容理论，即地下岩体的压缩—膨胀—流体扩散3个阶段。在2次地震震中都出现了局部“硬化”现象（祝意青等，2013b），表明震中区处于闭锁增强阶段，重力场动态图像表明2次地震均发生在重力场负向变化过程中。

（2）泾阳MS48、高陵MS44地震都发生在渭河断裂和泾阳—渭南断裂附近，震源机制解表明2次地震受2条断裂的活动影响。2次地震震中都位于重力场等值线拐弯处及零值线附近，表明地震易于在重力正负交替变化的部位，尤其是转折部位发生（申重阳等，2010；祝意青等，2009，2012，2013a，b）。但2次地震前重力累积变化不显著，可能与地震震级较小有关。

（3）从泾阳MS48、高陵MS44地震前后的重力点值时间序列来看，关中西部的重力点值在震前、震后变化幅度较大，尤其是陇县—宝鸡断裂带附近的测点，且2次地震发生时这些测点都处于重力负向变化；而关中东部在2次地震前后变化不是很明显，且发震时重力测点处于正向变化；关中中部即震中附近的测点对泾阳地震的同震反映较大，而对高陵地震反映不明显。

[HTK]感谢两位审稿专家对本文提出的宝贵意见和建议，对于本文质量的提高大有益处。同时对陕西省地震局流动重力室同事的辛勤工作表示衷心的感谢。

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