晉冀蒙交界區(qū)重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化及潛在危險(xiǎn)區(qū)分析

賈宇鵬 郝鵬飛 檀玉娟 李洋洋 李勇江 劉冬陽(yáng)

摘要：對(duì)2013—2017年晉冀蒙交界區(qū)的流動(dòng)重力觀測(cè)資料重新進(jìn)行整體平差計(jì)算，對(duì)比分析了該區(qū)域不同尺度的重力場(chǎng)變化特征，再結(jié)合重力場(chǎng)變化和深部構(gòu)造特征探討了潛在危險(xiǎn)區(qū)。結(jié)果表明：測(cè)區(qū)出現(xiàn)了區(qū)域性重力異常，形成了與構(gòu)造斷裂較為一致的重力梯度帶，這可能預(yù)示著存在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或應(yīng)力增強(qiáng)作用，同時(shí)應(yīng)注意大同—張家口和石家莊—邢臺(tái)一帶的地震危險(xiǎn)性。

關(guān)鍵詞：晉冀蒙;重力場(chǎng);地殼速度模型;地震危險(xiǎn)區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)：P315726?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1000-0666（2019）03-0398-07

0 引言

重力場(chǎng)是地球基本物理場(chǎng)之一，對(duì)重力場(chǎng)及其變化的研究為揭示地球內(nèi)部構(gòu)造及其變化提供了基礎(chǔ)。重力場(chǎng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征可為研究現(xiàn)今地殼構(gòu)造與地震孕育發(fā)生的相互關(guān)系提供一定的根據(jù)。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家利用地震前后重力場(chǎng)變化資料在尋求發(fā)震機(jī)理、探討地震趨勢(shì)分析等方面做了大量工作，取得了諸多的研究成果（祝意青等，2012，2013;梁偉鋒等，2012;劉善華等，2011;陳石等，2011;郝洪濤等，2014;王同慶等，2018;陳兆輝等，2018;張永奇等，2017）。

晉冀蒙交界地區(qū)是華北乃至中國(guó)大陸東部地震活動(dòng)最為活躍的地區(qū)之一，歷史上曾發(fā)生過(guò)多次中強(qiáng)地震。山西中部到晉冀蒙交界區(qū)的重力場(chǎng)變化一直受到關(guān)注，有很多的研究成果值得借鑒（王同慶等，2017;賈宇鵬等，2015;李真等，2013;馮建林等，2013）。深入研究該地區(qū)重力場(chǎng)隨時(shí)間的變化對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作有重要意義。

本文收集2013—2017年晉冀蒙交界區(qū)的流動(dòng)重力資料，以絕對(duì)重力點(diǎn)作為控制基準(zhǔn)，采用中國(guó)地震局《LGADJ》程序?qū)τ^測(cè)資料進(jìn)行經(jīng)典平差處理，獲得了該地區(qū)差分及累積重力場(chǎng)變化圖像。同時(shí)結(jié)合華北地殼深部模型和地震展布情況對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的重力場(chǎng)變化特征進(jìn)行討論。

1 觀測(cè)資料與數(shù)據(jù)處理

11 資料選取

本文主要研究區(qū)域（36°～42°N，111°～117°E）和重力聯(lián)測(cè)路線(xiàn)如圖1所示。所選數(shù)據(jù)包含了中國(guó)地震局地球物理勘探中心、中國(guó)地震局地球物理研究所、河北省地震局、山東省地震局等單位的10期相對(duì)重力聯(lián)測(cè)資料，以及中國(guó)地震局地震研究所提供的絕對(duì)重力觀測(cè)資料。觀測(cè)儀器為L(zhǎng)CR-G型重力儀和CG-5重力儀，測(cè)量之前均對(duì)儀器進(jìn)行細(xì)致調(diào)試，儀器狀態(tài)良好，觀測(cè)資料可靠。

12 數(shù)據(jù)處理

采用經(jīng)典平差方法，在絕對(duì)重力（太原、長(zhǎng)治、包頭、白家疃、烏加河等）控制下，對(duì)2013—2017年的流動(dòng)重力觀測(cè)資料進(jìn)行整網(wǎng)統(tǒng)一平差計(jì)算。對(duì)各單位公共點(diǎn)段的異常情況進(jìn)行重點(diǎn)核實(shí)，去除非數(shù)據(jù)原因引起的重力場(chǎng)畸變;對(duì)一些突跳的重力點(diǎn)值具體分析并進(jìn)行修正。在相對(duì)重力資料處理過(guò)程中作了固體潮、一次項(xiàng)系數(shù)等改正，獲得了不同時(shí)間段的重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化結(jié)果。相對(duì)重力聯(lián)測(cè)均每年觀測(cè)2期，精度優(yōu)于15×10-8 ms-2。

2 區(qū)域重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化特征

21 半年尺度重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化

從2015—2017年半年尺度的重力場(chǎng)變化特征（圖2）可以看出，重力場(chǎng)主要是小幅調(diào)整變化，幅值受季節(jié)影響下重力場(chǎng)的正常狀態(tài)，約為（-30～30）×10-8 ms-2。2015-09—2016-04，重力場(chǎng)總體呈現(xiàn)小幅正值變化;2016-04—2016-09，重力場(chǎng)出現(xiàn)南北小幅正值、中間負(fù)值變化的情形;2016-09—2017-04，南部的重力場(chǎng)正值變化向北擴(kuò)大且幅值小幅增加，中部重力場(chǎng)負(fù)值范圍縮小，但是幅值小幅增加，北部范圍縮小;2017-04—2017-09，重力場(chǎng)中西部出現(xiàn)正值變化，最大約為20×10-8 ms-2，周邊地區(qū)出現(xiàn)大面積負(fù)值變化，但幅值不大。

22 一年尺度重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化

2013—2017年一年尺度的重力場(chǎng)變化特征（圖3）顯示：重力場(chǎng)主要是調(diào)整變化，幅值約為（-40～40）×10-8 ms-2，重力零值線(xiàn)在大同附近，并形成持續(xù)重力梯度帶，幅值約為50×10-8 ms-2。圖3中所示的6個(gè)地震中有5個(gè)發(fā)生在重力場(chǎng)反轉(zhuǎn)的時(shí)段，僅2016年12月18日清徐M43地震發(fā)生在重力場(chǎng)持續(xù)變化過(guò)程中。2013-09—2014-09，重力場(chǎng)主要是負(fù)值變化，最大幅值約為40×10-8 ms-2。2014-09—2015-09，重力零值線(xiàn)基本沿呼和浩特—大同—保定方向延伸，重力場(chǎng)呈現(xiàn)南正北負(fù)的特征。2015-09—2016-09，重力場(chǎng)發(fā)生反轉(zhuǎn)，在此過(guò)程中發(fā)生了3次4級(jí)以上地震，重力零值線(xiàn)依舊在大同附近。2016-09—2017-09，重力場(chǎng)呈現(xiàn)西南正東北負(fù)的情形，此期間發(fā)生了2次4級(jí)以上地震。重力零值線(xiàn)基本沿呼和浩特—大同—石家莊方向延伸。

23 重力場(chǎng)累積動(dòng)態(tài)變化

2013—2017年重力場(chǎng)累積的變化特征見(jiàn)圖4?？傮w來(lái)看，重力場(chǎng)東部變化比較劇烈，西部變化相對(duì)平緩，張家口一帶重力零值線(xiàn)出現(xiàn)拐彎，重力持續(xù)累積形成梯度帶，幅值約為40×10-8 ms-2;石家莊一帶重力變化最為顯著，持續(xù)累積形成NNE向梯度帶，幅值約為70×10-8 ms-2。2013-09—2014-09，重力場(chǎng)基本呈現(xiàn)大面積負(fù)值變化，最大變化幅值約為40×10-8 ms-2;2013-09—2015-09，重力場(chǎng)較上期在南部呈現(xiàn)大面積的正值變化，石家莊—邢臺(tái)一帶持續(xù)呈現(xiàn)負(fù)異常，并出現(xiàn)重力梯度帶;2013-09—2016-09，重力場(chǎng)變化整體延續(xù)

了上一期的變化趨勢(shì)，正值范圍有所擴(kuò)大。大同—張家口和石家莊—邢臺(tái)一帶依然處于重力零值線(xiàn)和梯度帶附近，并且重力場(chǎng)持續(xù)加強(qiáng)。2013-09—2017-09，重力場(chǎng)整體延續(xù)了上一期的正值變化，幅值不大。

24 重力測(cè)點(diǎn)時(shí)序變化

從圖5可以看出，所選重力測(cè)點(diǎn)主要分布在太行山山前斷裂帶和山西斷陷帶。不同測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)基本一致，總體呈上升變化。2015年第一期到第二期，所有測(cè)點(diǎn)重力值均是上升狀態(tài);2015年第二期到2016年第一期，除后房子和五寨以外，其余測(cè)點(diǎn)重力值保持上升;2016年第一期到2017年第一期，重力值變化較為平緩，部分測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折調(diào)整;2017年第一期到2017年第二期，除原平以外，其余測(cè)點(diǎn)重力值均保持上升。太行山附近的東山鄉(xiāng)測(cè)點(diǎn)重力變化最大，幅值近70×10-8 ms-2，山西斷陷帶北部的鳳凰山測(cè)點(diǎn)重力變化最小，幅值約為25×10-8 ms-2。

25 垂直形變和地下水對(duì)重力場(chǎng)變化的影響

觀測(cè)重力值會(huì)受到地形變、地下水等變化的共同作用，因此在重力場(chǎng)分析中考慮環(huán)境因素的變化尤為重要。

（1）分析GPS觀測(cè)結(jié)果解算的垂直向位移信息對(duì)重力場(chǎng)變化的影響。一般考慮地表垂直形變產(chǎn)生的重力效應(yīng)時(shí)，把垂直形變?chǔ)腍產(chǎn)生的重力變化用δg表示，δg可用自由空氣校正公式計(jì)算：

從式（1）可看出，高程每抬升或下降1 cm，將引起約3086×10-8 ms-2的重力下降或者上升變化，其遠(yuǎn)小于重力場(chǎng)的觀測(cè)誤差，因此垂直形變的影響可以忽略不計(jì)。

（2）一些學(xué)者對(duì)地下水對(duì)重力測(cè)量造成的影響做了細(xì)致分析。如地下水位變化3 m，無(wú)限平面層引力效應(yīng)的垂直分量遠(yuǎn)區(qū)域很小;潛水水位對(duì)唐山地震前2期的重力測(cè)量結(jié)果影響較小，最大不超過(guò)9×10-8 ms-2，因此，引起唐山震前重力場(chǎng)變化的主要原因不是地下水（賈民育等，1983）。引起水文運(yùn)動(dòng)的因素很多，只從單個(gè)因素著手不能準(zhǔn)確估計(jì)對(duì)重力場(chǎng)變化的影響效果。從地下水的滲透方程出發(fā)解決了這樣的問(wèn)題，武漢九峰站地下水變化引起的重力效應(yīng)，峰對(duì)峰重力變化幅度約為16×10-8 ms-2（賀前錢(qián)等，2016）。

研究區(qū)東南部位于華北平原，近些年地下水流失對(duì)重力場(chǎng)的變化造成一定的影響，重力值下降約10×10-8 ms-2，在分析重力場(chǎng)變化時(shí)應(yīng)將下降的幅值考慮進(jìn)去;研究區(qū)西部與北部地下水流失相對(duì)不大，造成的重力值下降很小，分析重力場(chǎng)變化特征時(shí)，地下水的影響可以忽略不計(jì)。

3 討論

重力場(chǎng)主要分析一定空間范圍、數(shù)年尺度的變化情況，而速度結(jié)構(gòu)和地震展布反映了大范圍、長(zhǎng)時(shí)間尺度的發(fā)震背景。重力場(chǎng)的變化對(duì)地震的發(fā)生位置具有較好的指示作用，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注重力零值線(xiàn)和重力梯度帶附近;中上地殼P波速度的高、低速交界偏高速區(qū)域一般較容易發(fā)生地震，高速區(qū)域一般代表穩(wěn)定剛性的地塊，低速一般代表被破壞的或者被改造的區(qū)域;地震震中的投影一般沿著斷裂帶分布，差異大的高、低速之間的區(qū)域和斷裂在地表以下的延伸有一定關(guān)系。重力場(chǎng)變化圖、P波速度圖和震中投影圖中具有相關(guān)性的區(qū)域?qū)Φ卣鸢l(fā)生的位置有一定的指示性，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。

分析華北地區(qū)三維地殼結(jié)構(gòu)并收集模型數(shù)據(jù)（段永紅等，2002，2016;魏文博等，2007;陳凌等，2010），使用HBCrust10模型將1970—2017年研究區(qū)發(fā)生的30級(jí)以上地震，按照3個(gè)不同深度分別投影到對(duì)應(yīng)的P波速度圖（圖6）上。由圖6可見(jiàn)，地震主要沿著山西斷陷帶和太行山東山前斷裂展布，在大同、張家口、太原和邢臺(tái)附近集中分布。而大同—張家口和石家莊—邢臺(tái)一帶處于在三者差異均較明顯的區(qū)域，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這2個(gè)區(qū)域的地震危險(xiǎn)性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)晉冀蒙交界區(qū)流動(dòng)重力資料的整理計(jì)算，對(duì)比分析不同尺度的重力場(chǎng)變化特征，探討了重力場(chǎng)變化和深部構(gòu)造在地震孕育發(fā)生過(guò)程中的聯(lián)系，得到以下主要結(jié)論：

（1）重力場(chǎng)的變化能夠較好地反映構(gòu)造斷裂的活動(dòng)和深部物質(zhì)遷移等信息。重力場(chǎng)累積尺度變化中，大同附近持續(xù)3年出現(xiàn)重力零等值線(xiàn);張家口重力場(chǎng)變化表現(xiàn)為持續(xù)負(fù)變化，重力零值線(xiàn)出現(xiàn)拐彎;石家莊—邢臺(tái)一帶形成比較顯著的NNE向梯度帶。

（2）地震容易發(fā)生在地殼速度差異較大的區(qū)域，地震震中投影顯示了沿?cái)嗔褞У卣鸱植嫉那闆r，重力場(chǎng)的變化對(duì)地震發(fā)生位置具有指示性，結(jié)合這3點(diǎn)可以對(duì)孕震位置做出更好的判斷。

（3）大同—張家口和石家莊—邢臺(tái)一帶處于重力場(chǎng)變化圖、P波速度圖和震中投影圖差異均較明顯的區(qū)域，因此在未來(lái)1～5年內(nèi)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這2個(gè)區(qū)域的地震危險(xiǎn)性。

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