冀魯豫交界地區(qū)重力場變化與區(qū)內(nèi)小震關(guān)系探討①

謝汝一

,劉　越,秦建增,羅翔飛,李　青

(中國地震局地球物理勘探中心,河南 鄭州 450002)

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冀魯豫交界地區(qū)重力場變化與區(qū)內(nèi)小震關(guān)系探討①

,劉越,秦建增,羅翔飛,李青

(中國地震局地球物理勘探中心,河南 鄭州 450002)

冀魯豫交界地區(qū)歷史上曾發(fā)生過多次中強(qiáng)地震,是一直受關(guān)注的地震危險區(qū)。利用該區(qū)1995—2010年共20期的流動重力觀測資料,在統(tǒng)一起算基準(zhǔn)、消除系統(tǒng)誤差的基礎(chǔ)上進(jìn)行擬穩(wěn)平差,計算重力場累積變化量;通過對重力場變化的分析,研究測區(qū)內(nèi)重力場動態(tài)變化與測區(qū)內(nèi)發(fā)生的一系列4級左右地震的關(guān)系。研究結(jié)果認(rèn)為:冀魯豫地區(qū)發(fā)生ML4.0以上地震前后震區(qū)的重力場變化具有明顯的“震前持續(xù)上升-震后反向恢復(fù)”的特征。

冀魯豫; 重力觀測; 地震; 重力場變化

0　引言

我國的重力測量始于二十世紀(jì)六十年代初,至今已有50多年的歷史。通過地表定點的重力重復(fù)測量得到重力場變化信息,這種變化與震源區(qū)物質(zhì)的運移密切相關(guān),其異常直接反映震源體的地殼形變和介質(zhì)密度(質(zhì)量)變化[1-6]。重力測量還可以較好地反映活動斷層的物質(zhì)遷移和構(gòu)造形變引起的地表重力變化。通過定點重力連續(xù)觀測或定期流動重力重復(fù)觀測,就有可能捕捉到與震源變化有關(guān)的重力前兆信息。因此重力場的空間變化可以為地震預(yù)報研究提供地殼深部物質(zhì)變化信息,其隨時間的變化與地震的孕育、發(fā)展與發(fā)生有內(nèi)在的密切聯(lián)系。通過重力異常的研究,可判斷地下介質(zhì)的質(zhì)量和密度的變化,進(jìn)而找出地震與重力異常的對應(yīng)關(guān)系[7]。

本文利用冀魯豫地區(qū)流動重力觀測資料,研究其重力場動態(tài)變化與2005—2010年發(fā)生在冀魯豫交界地區(qū)的一系列ML4左右地震的關(guān)系。

1　測網(wǎng)及地質(zhì)構(gòu)造概況

冀豫魯測網(wǎng)(圖1)始建于1995年 9月,共有41個測點,每年復(fù)測2～4期。測網(wǎng)位于河北、河南與山東交界處,華北平原地震帶內(nèi)。該區(qū)斷裂發(fā)育,其中有多條是Q4以來的活動斷裂,主要有:NNE-NE向的湯西斷裂、湯東斷裂、 長垣斷裂、聊蘭斷裂、NWW向的新鄉(xiāng)—商丘斷裂、磁縣—大名斷裂和成武—東明斷裂等,它們控制著湯陰地塹和東濮凹陷的發(fā)育[8]。

深部地震測深研究表明,冀魯豫地區(qū)的地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)在縱向和橫向上具有明顯的不均一性,地殼介質(zhì)速度偏低[9]。聊蘭斷裂是華北裂谷盆地與魯西隆起的分界線[10],是華北平原拗陷區(qū)和魯西隆起區(qū)之間的分界斷裂,也是地震活動較活躍地區(qū)。歷史上該區(qū)曾發(fā)生過多次中強(qiáng)地震,其中最大的一次是1937 年菏澤7.0級地震；1502年范縣附近曾發(fā)生6.5級地震,1948年和1983年在菏澤分別發(fā)生了5.5級和5.9級地震。測區(qū)自2005—2010年在聊蘭斷裂、新鄉(xiāng)—商丘斷裂帶附近連續(xù)發(fā)生了5次4級以上地震(圖1)。

2　重力數(shù)據(jù)處理

重力資料數(shù)據(jù)首先進(jìn)行預(yù)處理,預(yù)處理主要包括重力固體潮、氣壓、儀器格值誤差、儀器高度和儀器漂移等改正,然后進(jìn)行平差計算。由于早期冀魯豫流動重力測網(wǎng)內(nèi)沒有絕對重力和高等級重力控制點,故使用中國地震局實用化攻關(guān)推廣的應(yīng)用軟件 LGADJ進(jìn)行擬穩(wěn)平差[11],統(tǒng)一起算基準(zhǔn),擬穩(wěn)點采用點位穩(wěn)定且受外界干擾較小的菏澤、新鄉(xiāng)、永和測點。統(tǒng)一平差解算各點重力值,消除系統(tǒng)誤差,提高平差結(jié)果的精度,得到最佳、合理的解算結(jié)果[12]。

圖1　冀魯豫流動重力測網(wǎng)及小震分布圖Fig.1　The Ji-Lu-Yu mobile gravity observation network and distribution of small earthquakes

為得到相對穩(wěn)定的變化基準(zhǔn),采用重力測網(wǎng)前4期(1995年9月—1996年10月)平差結(jié)果均值作為重力場變化的基準(zhǔn),計算了2004—2010年共16期重力場累積變化量。

3　重力場時空演化分析

對不規(guī)則離散重力點數(shù)據(jù)采用克里金(Kriging)方法進(jìn)行最佳擬合推估。該方法網(wǎng)格化精度高,能夠盡可能地描述原始數(shù)據(jù)所隱含的趨勢特征,然后使用surfer 軟件繪制出重力變化等值線圖,獲得圖2～5所示的區(qū)域重力場動態(tài)變化圖像。

(1)2005年4月27日河南濮陽與山東鄄城ML4.3地震

該地震發(fā)生在聊蘭斷裂的北段,圖2為地震前后各兩期重力累積變化動態(tài)圖像。圖2(a)～(b)為震前兩期重力場變化圖像。圖2(a)顯示測區(qū)重力場沿聊蘭斷裂帶出現(xiàn)西北部負(fù)值變化,東南大部為正值變化,在新鄉(xiāng)和濮陽附近形成密集的重力梯級帶,最大變化量達(dá)到-80×10-8ms-2。圖2(b)圖像形態(tài)與圖2(a)相似,但所顯示的負(fù)異常的范圍和量級大幅減少減小,而正異常明顯擴(kuò)大,在濮陽點附近出現(xiàn)了超過40×10-8ms-2變化量。圖2(c)的正值異常區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大,除新鄉(xiāng)、鄭州附近的重力場基本維持原有態(tài)勢外,測區(qū)大部分重力場呈現(xiàn)大面積的上升態(tài)勢,2015年4月27日的濮陽ML4.3地震就發(fā)生在重力場的上升過程中。圖2(d)顯示重力場在量級和形態(tài)上基本恢復(fù)到圖2(b)時的態(tài)勢。

(2)2006年4月9日河南濮陽ML4.6地震

該地震發(fā)生在聊蘭斷裂的北段,圖3為地震前后重力累積變化動態(tài)圖像。圖3(a)和(b)為震前兩期重力場變化圖像,與圖2相似,圖3(a)顯示測區(qū)重力場沿聊蘭、長垣斷裂帶自濮陽—四間房—八柳樹形成一負(fù)條帶異常,其余大部為正值變化,在新鄉(xiāng)至濮陽區(qū)域形成密集的重力梯級帶,最大變化量達(dá)到-60×10-8ms-2。圖3(b)圖像形態(tài)與圖3(a)相似,負(fù)異常在范圍和量級上基本保持不變,在濮陽以南出現(xiàn)了超過20×10-8ms-2變化量。圖3(c)的正值異常區(qū)明顯擴(kuò)大,除新鄉(xiāng)、鄭州附近的重力場基本維持原有態(tài)勢外,測區(qū)大部分重力場呈現(xiàn)大面積的上升變化,濮陽附近出現(xiàn)了超過25×10-8ms-2變化量,2006年4月9日的濮陽ML4.3地震就發(fā)生在重力場的上升過程中。圖3(d)顯示重力場在量級和形態(tài)上基本恢復(fù)到震前態(tài)勢。

圖3　濮陽ML4.6地震前后重力累積變化動態(tài)圖像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日河南封丘與蘭考間ML4.3、ML4.8地震

地震均發(fā)生在NW向新鄉(xiāng)—商丘斷裂附近,該斷裂與聊蘭斷裂南端交匯。圖4為地震前后重力累積變化動態(tài)圖像。圖4(a)和圖4(b)為震前兩期重力場變化圖像。圖4(a)依然沿聊蘭、長垣斷裂帶沿自濮陽—四間房—八柳樹一帶形成一負(fù)異常條帶,其余大部為正值變化,在新鄉(xiāng)和濮陽附近形成密集的重力梯級帶,最大變化量位于八柳樹附近,達(dá)到-80×10-8ms-2。圖4(b)除新鄉(xiāng)、鄭州附近的重力場依然維持原有態(tài)勢外,測區(qū)大部出現(xiàn)大面積上升,表現(xiàn)出應(yīng)力加速上升。在濮陽點以南出現(xiàn)了超過25×10-8ms-2變化量,此后發(fā)生了2008年1月3日封丘與蘭考間ML4.3地震。圖4(c)并沒有出現(xiàn)震后的恢復(fù)形態(tài),重力場在形態(tài)上基本保持了圖4(b)的形態(tài)不變,震中以東重力場基本保持不變,以西還有所上升,說明能量并未完全釋放,此后發(fā)生了2008年3月10日封丘與蘭考間ML4.8地震。從上述分析可以看出封丘與蘭考間的ML4.3、ML4.8地震均發(fā)生在重力場的上升過程中。而地震后如圖3(d)所示的重力場有所恢復(fù)但不明顯,究其原因可能是汶川地震孕震過程中印度板塊向亞洲板塊俯沖,青藏高原物質(zhì)向東北方向運移的結(jié)果。其是受大的孕震環(huán)境影響造成的。

圖4　2008年1月3日、3月10日河南封丘、蘭考地震前后重力累積變化動態(tài)圖像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日河南濮陽ML4.2地震

該地震發(fā)生在聊蘭斷裂北段的西側(cè)。圖5為地震前后重力累積變化動態(tài)圖像。圖5(a)顯示受汶川地震的影響測區(qū)重力場恢復(fù)緩慢,沿聊蘭、長垣斷裂帶沿自濮陽—四間房—八柳樹一帶有一負(fù)值條帶,其余大部為正值變化,沿長垣和聊蘭斷裂帶走向有一正值條帶。圖5(b)顯示在滑縣—東明一帶重力場有所上升,由于缺少臨震前(200912-G)的重力場資料,無法看到重力場的加速上升,但由圖5(a)～(d)依然可以清晰地看出重力場由上升-發(fā)震-恢復(fù)的全過程。

4　結(jié)論

(1)對2005—2010年間發(fā)生在豫魯交界地區(qū)5次ML4以上地震震區(qū)的重力場在地震前后動態(tài)變化的圖像分析表明:地震前后震區(qū)附近重力場變化具有較為一致的特征,即為明顯的“震前持續(xù)上升-震后反向恢復(fù)”的特征。

(2)重力場變化原因探討

地殼內(nèi)部應(yīng)力的長期作用導(dǎo)致孕震區(qū)內(nèi)介質(zhì)的物理和力學(xué)性質(zhì)發(fā)生不同程度的變化,在斷層帶附近,由于存在破碎帶等地質(zhì)軟弱構(gòu)造,更容易發(fā)生蠕動變形,地殼內(nèi)部的一些流體可能會產(chǎn)生遷移,導(dǎo)致介質(zhì)密度發(fā)生變化。所有這些變化都會使重力場產(chǎn)生變化,并且通過地表的重力測量反映出來。因此,豫魯測區(qū)大部分異常測點的重力變化應(yīng)該是由該區(qū)地殼形變、地殼的介質(zhì)密度變化和地殼深部質(zhì)量遷移等變化共同作用引起的。

(3)數(shù)據(jù)處理中未對地殼形變、地下水等影響因素加以排除,重力場更細(xì)致的變化還有待對這些影響因素進(jìn)行深入的計算、分析和消除。

圖5　2010年1月15日河南濮陽地震前后重力累積變化動態(tài)圖像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

行業(yè)專項(201508009,201208008)

謝汝一(1967-),女,工程師,主要從事流動重力重測及數(shù)據(jù)資料分析研究工作。E-mail:1091103910@ qq.com。

P315.72+6

A

1000-0844(2016)04-0581-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0581