辽宁省重力异常指标体系研究

李玉森，底欣欣，臧石磊，李 伟，商占鑫

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

早在上世纪70年代，我国学者在海城M7.3地震和唐山M7.5级地震专题研究中开展了重力变化与地震对应关系的初步探索，并取得了一定的成果［1］。近年来，随着我国大陆重力监测网的不断优化和完善，重力观测在地震监测预报中的作用不断提升。一些学者专家李辉、祝意青、申重阳、陈石等先后开展了重力学与地震的专题研究，成功捕捉了汶川M8.0、芦山M7.0、于田M7.3和九寨沟M7.0等地震前兆信息，并进行了较好的中期预判，尤其是在强震地点的判定上有了较大的突破；同时在总结多个典型震例的基础上，给出地震与重力异常判定的经验指标［2-12］。

辽宁地区地处大华北震区和东北震区的结合地带，有1975年海城M7.3强震历史，自2012年以来，辽宁地区地震活动性显著增强，中小震相对活跃，辽中南地区长期以来一直被视为地震重点监视防御区，做好地震预判是重中之重。辽宁地区重力研究起步较晚，由于震例较少，诸多研究领域均处于起步阶段，重力监测在地震预报中的作用有待提高。笔者从重力学角度出发，统计重力变化与地震的对应关系，结合具体震例提取重力异常指标，构建辽宁地区重力异常指标体系，为今后地震分析预报提供科学依据。

1 流动重力简介

辽宁省流动重力观测始于1990年，最初建立30多个观测点。20多年间经历3次测网升级改造。2018年初，在湖北省地震局地震研究所的指导和协助下，完成最新一次测网升级，按标准新建和改建测点共12个，形成69个测点和84个测段，平均点距50 km，形成东到通化、西至山海关、南抵烟台、北接通辽，面积达20万平方公里的大辽宁重力测网。如图1所示：

图1 辽宁地区重力测网示意图Fig.1 The sketch of gravity network of Liaoning

2 数据处理方法

辽宁地区重力观测采用高精度拉科斯特重力仪（LCR-G型），每年2期重力观测。外业观测自差 （小于 25μGal） 和互差 （小于30μGal） 均符合规范要求。由于辽宁测区绝对重力点稀缺，本文采用自由网平差，然后归算到绝对重力点（沈阳）的数据处理方法，在数据处理过程中合理确定各台仪器的先验方差，同时对一次项、固体潮、零漂和仪器高改正，经过反复计算得到最优解算结果［13-14］。平面图统一采用克里金差值法，等值线间隔10μGal。

3 重力变化分析

3.1 灯塔M5.1地震

2013年1月辽宁灯塔发生M5.1地震，震源深度7km，震中位于郯庐断裂带（辽东滨海段），震源机制为走滑型。这是辽宁省自1999年岫岩M5.4地震之后，在辽中南地区发生的一次显著的地震事件。震前辽宁测区流动重力观测数据显示该区域已存在异常信息，具体如下：图2A为震前一年半的累积变化图，辽中南地区出现四象限变化特征，四象限中心处于灯塔附近，北部沈阳和南部海城地区重力上升变化较为强烈，最大变化量50μGal左右，表明该区域处于能量累积状态。

图2B和图2C为半年累积变化图。震前一年到震前半年出现明显的正负反向变化，最大变化量50μGal，0值线基本保持不变，以灯塔为中心，在南北两侧形成两处重力变化高梯度带。震前半年在沈阳地区和海岫地区的正重力变化趋势强烈，灯塔和辽阳地区呈U型负变化形态切断连续正重力变化区域，形成区域性重力异常。

图2 灯塔M5.1震前重力变化空间分布图Fig.2 Spatial distribution map of gravity change before Dengta M5.1 earthquake

重力点值时序变化显示2013年1月23日发生灯塔M5.1地震，是发生在重力变化上升到极值后，转而下降的过程中。重力剖面变化强烈，呈现两负两正的变化形态，由北向南依次为正（沈阳、白塔）—负（灯塔、辽阳）—正（海城）—负（熊岳、李官），最大变化量50μGal左右［15-16］。

综上所述，辽宁中部灯塔附近地区的重力变化一定程度上反映了灯塔M5.1地震的前兆异常信息。

3.2 朝阳M4.6地震

2016年5月23日，朝阳地区发生M4.6地震，震源深度6 km，震中位于赤峰—开原断裂附近，该断裂为近EW向，位于中朝准地台与北部地槽的交界地带，属于压-剪性断裂。重力变化分析如下。

图3 朝阳M4.6震前重力变化空间分布图Fig.3 Spatial distribution map of gravity change before Chaoyang M4.6 earthquake

差分变化：图3A和3B两个区间的邻期变化发生正负反转，北部区域呈现由正到负的转折性变化，该过程中重力变化幅度达60μGal，高梯度带一直沿NW向展布，震中位于0值线上。

累积变化：图3C两年累计显示，区域内正负变化交替分布，正变化相对强势，以朝阳为中心的负变化区沿朝阳—北票断裂东西向展布并实现闭合，将西部正重力变化区截断，在西北部形成赤峰正重力变化区，西南部形成绥中正重力变化区，区域重力最大量在 70μGal左右，在朝阳-北票断裂和赤峰—开原断裂上两处形成重力变高梯度带；图3D三年累计显示，区域正负重力变化显著增强，四象限特征明显，重力变化高梯度带依旧存在，其中朝阳周边最大梯度值达150μGal，在此区间内，发生朝阳M4.6双震和喀左M3.8地震，震中均位于0值线附近。

重力点值时序变化图3E显示，2013年以来呈现出同步变化趋势，从15年4月开始，有一个急剧下降的过程，其中最大变化量在-90μGal左右，16年5月反向回升。朝阳M4.6地震发生在重力值上升后持续下降过程中。震中附近三个点朝阳、大庙和马迷水变化量最大［17］。

综上所述，朝阳地区的重力变化，尤其是累积变化能够充分的反映地震的孕育和发展过程。

3.3 海城M4.4地震

2017年12月19日在辽宁海城地区发生M4.4地震，震源深度10 km，震中烈度为Ⅵ度，震中位于海城河断裂上。海岫地区历史上发生过海城M7.3级强震，2012年以后该区域中小震群相对活跃，多为浅源地震，其中最主要一次是2017年12月发生在海城的M4.4地震。重力变化分析如下。

图4 海城M4.4震前重力变化空间分布图Fig.4 Spatial distribution map of gravity change before Haicheng M4.4 earthquake

图4A：一年半的累积变化，0值线在海城地区发生转折，而后沿海城河断裂延伸，并伴有正负变化高梯度带，最大梯度值为70μGal。

半年差分变化，从图4C-4B，辽中南地区在短期内出现大范围重力反向变化，四象限特征初现，重力在短时间呈现由负转正的变化过程，形成能量累积，0值线控制整个区域，并在辽阳、岫岩地区形成大范围转折，说明重力区域变化不均匀，具体表现为沿海城河断裂出现差异的重力变化。在此时段发生海城M4.4地震。

图4D：通过震前测期和震后测期的实时比较，尚未出现明显异常，说明震前的重力异常在震后通过快速恢复调整，趋于正常。

重力剖面变化：选取震中附近两条测线海城—熊岳和北铁—岫岩进行重力剖面分析，如图5所示。

图5 盖州—海城—岫岩重力剖面变化图Fig.5 Change of gravity profile from Gaizhou-Haicheng-Xiuyan

北东向跨海城河断裂重力点值呈下降趋势，2017年9月与2017年5月相比，盖县和大石桥测点下降幅值增大。北西向沿海城河断裂析木—偏岭段起伏较大，其中西腰测点变化幅度达40μGal，西腰测点短期内的快速上升—下降直接反应了海城河断裂构造运动的重要佐证。

4 重力异常指标分析

2008年汶川地震之后。祝意青等研究探讨了重力异常变化与地震三要素的关系，通过重力异常区的范围和幅度、持续时间、重力变化梯度的大小及其特征，研究未来地震趋势，总结的重力异常特征指标如下［18］。

表1 重力异常与地震孕育发生的关系

结合祝意青、申重阳等在重力与地震领域的研究成果，从宏观和微观、定性和定量多个角度分析辽宁地区重力变化与地震的关系，提取重力异常特征指标。在三次地震（灯塔M5.1、朝阳M4.6、海城M4.4） 事件中的提取重力异常共性指标，初步构建辽宁地区重力异常判定指标体系。

表2 辽宁省重力异常指标统计表

综上所述，辽宁地区近期内M5.0±0.5震级档的重力异常指标如下：

（1） 重力异常范围维持在100～200公里之间；孕育时间0.5～3a不等，辽南地区地震孕育时间较短，辽西地区较长；短期重力异常量值在50μGal以上，个别震例长期累积变化达80μGal以上；

（2）平面图中震中位置多位于梯度带中±20μGal等值线之间的区域，辽宁地区M5.0±0.5多属于短期局部异常，空间异常分布特征有以下几点：正负高低四象限分布，沿构造断裂线的重力高梯度带，0值线拐点等；时间序列上，中小震往往发生在重力变化上升到极值后的下降过程中；

（3） 辽中南地区地震活动性较强，重力变化较为强烈，邻期变化对于重力异常的判定更有指示性，而辽西地区地震活动性较弱，重力变化相对缓慢，区域异常更多的从累积变化中反映。

5 结论与讨论

通过研究分析辽宁地区近年来主要地震事件与重力变化之间的对应关系，笔者认为重力异常变化对于地震的中短期预报具有一定的参考价值，尤其是对潜在震中位置的判定，可信度较高。在引入全国其他地区重力异常与地震孕育特征指标的基础上，初步建立了辽宁地区M5.0±0.5震级档重力异常指标体系。由于现阶段辽宁地区可研究的震例有限，无论从震例数量还是震级等客观因素给研究带来一定的约束，笔者研究的三次震例仅代表现阶段的研究成果，所表现出的共性特征还需要实践的检验。以上提出的辽宁地区M5.0±0.5震级档的重力异常指标，能够为地震分析预能够科学依据，尤其是对地震可能发生的震级、地点的预判具有一定的指示意义，但是对于6级以上地震的分析研究还需继续探索。