海南島陸重力場(chǎng)演化特征研究

李　盛，王趙清，李　硯，陳維超

（海南省地震局，?？凇?70203）

海南島陸重力場(chǎng)演化特征研究

李盛，王趙清，李硯，陳維超

（海南省地震局，海口570203）

對(duì)2003—2014年共18期海南島陸流動(dòng)重力復(fù)測(cè)資料進(jìn)行系統(tǒng)整理和處理，分別從重力場(chǎng)時(shí)空變化角度分析了海南島陸重力場(chǎng)累積變化和重點(diǎn)地區(qū)測(cè)點(diǎn)重力點(diǎn)值時(shí)序變化，以認(rèn)識(shí)海南島陸重力場(chǎng)演化特征；并重點(diǎn)研究了海南陵水近海2004年7月9日ML4.1級(jí)、7月30日ML級(jí)4.3雙震和2012年11月5日萬(wàn)寧近海ML4.1級(jí)地震前后附近地區(qū)測(cè)點(diǎn)重力點(diǎn)值時(shí)序變化，發(fā)現(xiàn)上述地震前后海南島陸重力場(chǎng)均無(wú)異常變化。

重力場(chǎng)；斷裂帶；重力點(diǎn)值；地震；異常

李盛，王趙清，李硯，等.海南島陸重力場(chǎng)演化特征研究［J］.華南地震，2016，36（2）：70-76.［LI Sheng，WANG Zhaoqing，LI Yan，et al，et al.Study on the Evolution Characteristic of Gravity Field in Hainan Island［J］.South china journal of seismology，2016，36（2）：70-76.］

0　引言

地球重力場(chǎng)是基本的地球物理場(chǎng)之一，它與地球形狀和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，地球內(nèi)部或地表的任何質(zhì)量改變均可引起地球重力場(chǎng)的改變。進(jìn)行重復(fù)重力測(cè)量獲取地球重力場(chǎng)及其變化，從中分離地震孕育信息，是獲取地震預(yù)報(bào)所需的前兆信息的重要途徑之一［1］。流動(dòng)重力測(cè)量反映的是區(qū)域重力場(chǎng)的非潮汐變化信息，包括構(gòu)造信息和非構(gòu)造信息。因而，地殼內(nèi)部的物質(zhì)遷移、地殼構(gòu)造和地震的形成過(guò)程等，都可以在流動(dòng)重力復(fù)測(cè)結(jié)果中反映出來(lái)［2］。而地表重力變化主要由地表觀測(cè)點(diǎn)的位置變化、地表整體變形運(yùn)動(dòng)以及地球內(nèi)部因構(gòu)造塊體變形運(yùn)動(dòng)的密度變化效應(yīng)引起［3］。包含了十分豐富的地球變動(dòng)和地震運(yùn)動(dòng)信息。

海南島陸流動(dòng)重力測(cè)量起步于2003年，至2014年12月（其中2003—2008年，每年復(fù)測(cè)一期，之后均每年復(fù)測(cè)兩期），已連續(xù)進(jìn)行了18期的流動(dòng)重力復(fù)測(cè)工作，獲取了大量觀測(cè)資料，為我們的相關(guān)研究提供了大量素材。本文筆者對(duì)海南島陸地區(qū)的流動(dòng)重力觀測(cè)資料進(jìn)行了較為系統(tǒng)地處理分析研究，總結(jié)重力場(chǎng)演化特征，并對(duì)震例進(jìn)行分析。

1　資料概況

1.1海南島陸地區(qū)構(gòu)造概況

海南島陸地處于東南沿海地震帶的西南端，地層發(fā)育較齊全，從中元古界長(zhǎng)城系列新生界第四系，除缺泥盆系和侏羅系外，其他地層均有分布。主要活動(dòng)斷裂有近東西向、北東向和北西向3組斷裂帶，分別是馬裊-鋪前、王五-文教斷裂帶等近東西向活動(dòng)斷裂，瓊東南斷裂帶、文昌-瓊海-三亞斷裂帶等北東向活動(dòng)斷裂和長(zhǎng)流-仙溝、鋪前-清瀾等北西向活動(dòng)斷裂帶。從區(qū)域新構(gòu)造分區(qū)來(lái)講，海南島陸可分為兩個(gè)新構(gòu)造分區(qū)，以王五-文教斷裂為界，北部地區(qū)和廣東雷州半島為雷瓊斷陷帶，南部為瓊中南隆起區(qū)。

1.2海南流動(dòng)重力測(cè)網(wǎng)概況

目前，海南島陸流動(dòng)重力測(cè)網(wǎng)共有55個(gè)點(diǎn)，60個(gè)測(cè)段。測(cè)點(diǎn)在屬于地震烈度區(qū)劃為Ⅷ度設(shè)防區(qū)的瓊北地區(qū)分布較為密集，大體呈 “田”字形，測(cè)段跨越馬裊-鋪前、王五-文教、長(zhǎng)流-仙溝和鋪前-清瀾等主要活動(dòng)斷裂（圖1）。

2　海南島陸重力場(chǎng)演化特征分析

2003—2009年，海南島陸流動(dòng)重力測(cè)量所使用的儀器是Lacoste-Rombeg-G型重力儀；2009—2014年，測(cè)量?jī)x器是CG-5型重力儀，上述兩臺(tái)儀器的觀測(cè)精度均達(dá)到10×10-8m·s-2。觀測(cè)資料的計(jì)算處理采用中國(guó)地震局推廣的實(shí)用化攻關(guān)軟件 “LGADJ高精度重力測(cè)量資料處理系統(tǒng)”進(jìn)行，計(jì)算過(guò)程中對(duì)固體潮、氣壓、儀器高等相關(guān)干擾因素項(xiàng)目進(jìn)行了改正，采用擬穩(wěn)平差方法進(jìn)行平差處理，以大致坡、烏石、那大和三亞四個(gè)測(cè)點(diǎn)為擬穩(wěn)點(diǎn)（該4個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于測(cè)網(wǎng)的東北部、中部、西部和南部，且2003年至2014年測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位均未發(fā)生改變）。通過(guò)對(duì)18期觀測(cè)資料的平差處理，得到各期流動(dòng)重力觀測(cè)的點(diǎn)值精度（表1），均值為9.58×10-8m·s-2，達(dá)到較高水平。

表1　海南島陸流動(dòng)重力測(cè)量信息Table1 The mobile gravity measurement information of Hainan Island

反映測(cè)區(qū)重力場(chǎng)變化有兩種方式：一是測(cè)區(qū)重力場(chǎng)的平面變化圖，注重區(qū)域性、持續(xù)性和異常幅度；二是重力點(diǎn)值的時(shí)序變化圖，注重趨勢(shì)性、持續(xù)性［4］。這兩種方式都能直觀的反映測(cè)區(qū)重力場(chǎng)的時(shí)間、空間和強(qiáng)度變化，從圖中能較好地分辨出重力場(chǎng)的變化特征。下面從這兩個(gè)方面探討海南島陸重力場(chǎng)演化特征，并結(jié)合震例加以分析。

2.1重力場(chǎng)空間變化

從重力場(chǎng)累積變化分析。2003年 11月至2010年5月海南島陸瓊西北少數(shù)地區(qū)重力場(chǎng)呈負(fù)變化，其中變化最大的測(cè)點(diǎn)是白馬井，達(dá)到-73.8× 10-8m·s-2，而其余呈負(fù)變化測(cè)點(diǎn)的重力變幅均在40×10-8m·s-2以內(nèi)；除此之外，島陸其他地區(qū)均呈正變化（圖2a，圖中虛線代表負(fù)變化，實(shí)線代表正變化，下同），重力場(chǎng)累積變化較大的地區(qū)集中于瓊東南地區(qū)。而2010年5月至2014年5月期間，海南島陸重力場(chǎng)變化則總體較為平緩（圖2b），均小于50×10-8m·s-2，且大部分地區(qū)重力場(chǎng)變化未達(dá)到30×10-8m·s-2，其中瓊中北地區(qū)重力場(chǎng)呈正變化，瓊南地區(qū)則呈負(fù)變化，顯示出長(zhǎng)趨勢(shì)重力場(chǎng)交替、動(dòng)態(tài)變化的特征。表現(xiàn)形式包括增加、減小、遷移、反轉(zhuǎn)等多種現(xiàn)象，反映出網(wǎng)區(qū)構(gòu)造活動(dòng)的普遍性和復(fù)雜性［5］。根據(jù)重力變化所展現(xiàn)的正重力變化一般反映地表沉降或地下物質(zhì)增多或其迭加效應(yīng)，而負(fù)重力變化一般反映地表隆升或地下物質(zhì)減少或其迭加效應(yīng)的理論［6］，2003年11月至2010 年5月海南島陸物質(zhì)流動(dòng)的總體方向?yàn)閺奈飨驏|流動(dòng)，而2010年5月至2014年5月海南島陸物質(zhì)流動(dòng)的總體方向?yàn)閺哪舷虮绷鲃?dòng)，這些變化是重力場(chǎng)變化的內(nèi)在反映。

2.2重力點(diǎn)值時(shí)序變化

重力點(diǎn)值的時(shí)序變化能較好地反映測(cè)點(diǎn)處重力的變化趨勢(shì)。海南北部和東部是地震活動(dòng)相對(duì)活躍地區(qū)，海南島陸及近海所發(fā)中強(qiáng)地震大部分集中于上述兩區(qū)域。下面以海南北部的重力點(diǎn)值時(shí)序變化為例進(jìn)行分析，至于海南東部的重力點(diǎn)值時(shí)序變化則將在下面的震例分析中研究。

圖2　海南島陸重力變化等值線圖（單位：×10-8m·s-2）Fig.2 Isoline map of gravity field change in Hainan Island（unit：×10-8m·s-2）

定安、三門(mén)坡測(cè)點(diǎn)位于王五-文教斷裂帶上，大致坡、文昌和抱羅，則位于王五-文教斷裂和馬裊-鋪前斷裂帶附近（圖1），上述各點(diǎn)均位于雷瓊斷陷帶新構(gòu)造分區(qū)上。從圖3中可看出，各點(diǎn)的重力值變化協(xié)同性較好，變化趨勢(shì)基本一致，反映了了海南北部地區(qū)重力場(chǎng)變化較為均勻，地殼運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)遷移和密度重新分布較為有序穩(wěn)定，無(wú)重大差異性變化。

2.3震例分析

2003年以來(lái)海南島陸及近海共發(fā)生3次 ML4.0以上地震，分別是2004年7月9日、7月30日陵水近海ML4.1和ML4.3雙震以及2012年11 月5日萬(wàn)寧近海ML4.1地震。研究地震前后海南島陸和震中附近地區(qū)重力場(chǎng)變化特征，對(duì)于認(rèn)識(shí)海南島陸重力場(chǎng)變化與地震的關(guān)系，建立海南島陸重力場(chǎng)變化預(yù)測(cè)地震的指標(biāo)體系具有重要作用。

圖3　重力點(diǎn)值時(shí)序變化圖Fig.3 Timing variations map of gravity point value

正負(fù)重力異常變化梯度帶的零線附近，是物質(zhì)密度增加與減少的過(guò)渡地帶，該處產(chǎn)生的物質(zhì)增減差異運(yùn)動(dòng)劇烈，能量易于聚集，從而誘發(fā)地震［7］。從2003年11月至2004年11月海南島陸重力場(chǎng)差分變化（圖4a）分析來(lái)看，陵水近海ML4.1 （110.48°E，18.12°N）和ML4.3（110.48°E，18.62° N）雙震震中附近地區(qū)不存在重力場(chǎng)變化高梯度區(qū)，也不在重力場(chǎng)正負(fù)異常變化的零線附近；而從2004年11月至2005年6月重力場(chǎng)差分變化（圖4b）來(lái)看 ，整個(gè)海南島陸重力場(chǎng)變化較為平緩，震中附近地區(qū)重力場(chǎng)變化無(wú)異常。進(jìn)一步對(duì)震中附近測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)值時(shí)序變化（圖5）進(jìn)行分析，萬(wàn)寧（震中距76.0 km）、牛漏（震中距77.8 km）、光坡（震中距66.9 km）、軍田（震中距72 km）和林旺（震中距84.8 km）在2003年11月至2004年11月間的重力變化分別是 14.7×10-8m·s-2、30.6×10-8m·s-2、 24.4×10-8m·s-2和25.8×10-8m·s-2，上述各測(cè)點(diǎn)的重力變化只有牛漏超出了中國(guó)地震局1998年《地震重力測(cè)量規(guī)范》中規(guī)定的異常下限30×10-8m·s-2，但結(jié)合2003年和2004年流動(dòng)重力觀測(cè)的點(diǎn)值精度（分別是9.5×10-8m·s-2和13.3×10-8m·s-2）來(lái)看，異常判定的下限應(yīng)為34.6×10-8m·s-2，因此在2003年11月至2004年11月期間震中附近地區(qū)的測(cè)點(diǎn)重力變化均未達(dá)到異常的閾值。需要說(shuō)明的是陵水近海ML4.1和ML4.3雙震地震發(fā)生時(shí)刻正好處于兩期流動(dòng)重力觀測(cè)之間，利用2003和2004年兩期流動(dòng)重力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行重力場(chǎng)空間變化分析和重力點(diǎn)值時(shí)序變化分析并不能完全客觀反應(yīng)陵水雙震之前的重力場(chǎng)變化情況，這對(duì)認(rèn)識(shí)陵水雙震與重力場(chǎng)變化的內(nèi)在關(guān)系具有一定的局限性，但就目前對(duì)既有資料的分析來(lái)看，陵水近海ML4.1 和ML4.3雙震前后海南島陸重力場(chǎng)無(wú)異常變化。

圖4　海南島陸重力變化等值線圖（單位：×10-8ms-2）Fig.4 Isoline map of gravity field change in Hainan Island（unit：×10-8m·s-2）

2012年11月5日萬(wàn)寧近海發(fā)生ML4.1地震（110.95°E，18.62°N），從半年尺度的重力場(chǎng)變化（圖5a和5b）來(lái)看，震前和震后海南島陸重力場(chǎng)變化均較小，震中附近地區(qū)的重力場(chǎng)變化無(wú)異常。從震中附近地區(qū)測(cè)點(diǎn)的重力點(diǎn)值時(shí)序變化（圖6）來(lái)看，萬(wàn)寧（震中距64.0 km）、牛漏（震中距75.3 km）、光坡（震中距96.2 km）等測(cè)點(diǎn)重力值變化在2011年至2013年期間各半年變化均在20×10-8m·s-2以內(nèi)。因此，萬(wàn)寧近海ML4.1地震震前震后海南島陸重力場(chǎng)無(wú)異常變化。

3　結(jié)語(yǔ)

地震大都發(fā)生在活動(dòng)板塊的邊界或活動(dòng)斷裂帶上，已有研究結(jié)果表明，與地震發(fā)生有關(guān)的重力場(chǎng)變化是分布在地殼所有深度上的地下流體變化的響應(yīng)［8-10］。由于流動(dòng)重力觀測(cè)主要反映的是深部地下流體運(yùn)移變遷的信息，因此干擾較少，資料信度較高。本文主要從重力場(chǎng)時(shí)空變化的角度，分析研究了海南島陸重力場(chǎng)演化特征：

（1）無(wú)論是半年或一年尺度的差分變化分析，還是長(zhǎng)時(shí)間的累積變化分析，海南島陸重力場(chǎng)正負(fù)變化區(qū)域成片成群分布，呈交替、動(dòng)態(tài)變化。尤其是屬于雷瓊斷陷帶的瓊北地區(qū)，盡管2003年以來(lái)各測(cè)點(diǎn)重力變化幅度有所差異，但相鄰兩期重力場(chǎng)變化方向幾乎一致。

圖5　海南島陸重力變化等值線圖（單位：×10-8m·s-2）Fig.5 Isoline map of gravity field change in Hainan Island（unit：×10-8m·s-2）

圖6　重力點(diǎn)值時(shí)序變化圖Fig.6 Timing variations map of gravity point value

（2）對(duì)于海南島陸近海ML4.5以下地震，在震前和震后海南島陸重力場(chǎng)無(wú)明顯異常變化。大量研究表明，重力場(chǎng)變化對(duì)MS5.0以上地震有較好的反應(yīng)［11-14］，2003年以來(lái)海南島陸及近海所發(fā)生的3次ML4.0以上地震均位于近海海域之中，而重力測(cè)量均在島陸，測(cè)點(diǎn)與震中的距離均在60 km以上，且所發(fā)生地震震級(jí)均在ML4.0～4.5之間，因此上述認(rèn)識(shí)是客觀且具有說(shuō)服力的。對(duì)于海南島陸ML4.0以上地震前后重力場(chǎng)是否存在異常變化，因目前尚無(wú)震例，所以暫時(shí)無(wú)法給出明確的認(rèn)識(shí)和論據(jù)。

此外，瓊北地區(qū)與雷州半島同屬于雷瓊斷陷帶，地質(zhì)構(gòu)造具有相似性。未來(lái)可考慮兩地跨海聯(lián)測(cè)，豐富觀測(cè)資料，這對(duì)于兩地的重力場(chǎng)特征分析和震情研判都大有裨益。

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Study on the Evolution Characteristic of Gravity Field in Hainan Island

LI Sheng，WANG Zhaoqing，LI Yan，CHEN Weichao
（Earthquake Administration of Hainan province，Haikou 570203，China）

The paper processes a total of 18 mobile gravity retest data of Hainan Island from 2003 to 2014，and analyzes the cumulative changes of gravity field and the timing variations of gravity point value of measuring points in key areas from the perspective of time and space changes of gravity field，to recognize the gravity field evolution of Hainan Island.The paper focuses on the timing variations of gravity point value of measuring points before and after the ML4.1 earthquake on July 9th，2004，ML4.3 double earthquakes on July 30th，2004 in Lingshui offshore and ML4.1 earthquake on November 5th，2012 in Wanning offshore，and the results show that there is no abnormal changes of the gravity field of Hainan Island before and after the above earthquakes.

Gravity field；Fault zone；Gravity point value；Earthquake；Anomaly

P315.6

A

1001-8662（2016）02-0070-07

10.13512/j.hndz.2016.02.011

2015-06-26

中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃（XH15034Y）和中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、科研三結(jié)合課題（152102）

李盛 （1986-），男，工程師，主要從事地震重力觀測(cè)分析和地震活動(dòng)性研究.

E-mail：lishyiyuan@163.com.