華北中部地區重力場時空動態演化特征①

華北中部地區重力場時空動態演化特征①

羅翔飛， 秦建增， 李真， 謝汝一， 馮建林

(中國地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002)

摘要：以2009—2013年獲取的9期流動重力資料為基礎，系統分析華北中部地區的重力測量資料，研究重力場的時空動態演化特征。資料顯示華北中部地區重力異常變化十分劇烈，整個測區呈現大面積負值變化，在局部地區形成重力變化梯度帶。重力場變化與斷裂活動密切相關，近期出現的反向變化表明該地區地震危險性進一步加大，這對地震預報工作具有重要的現實意義。

關鍵詞：重力場； 華北中部地區； 地震活動； 構造活動

收稿日期：①2014-08-20

基金項目：地震行業科研專項(201208009)：自然基金(41274113)

作者簡介：羅翔飛(1972-)，女，高級工程師，主要從事流動重力監測與地震預報等研究。E-mail：luoxiangfei@sohu.com。

中圖分類號:P315.72+6文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0687

Time-space Dynamic Evolution Characteristics of a Gravity

Field in the Middle Area of North China

LUO Xiang-fei， QIAN Jian-zeng， LI Zhen， XIE Ru-yi， FENG Jian-lin

(GeophysicalExplorationCenter，CEA，Zhengzhou450002，Henan，China)

Abstract：Employing the mobile gravity data from 2009 to 2013 as the foundation，mobile gravity observation data of the middle region of North China from 2009 to 20l3 were analyzed，and time-space dynamic evolution characteristics of the gravity field were studied.The change of the gravity field is closely related to the tectonics of active faults.The resulting gravity data showed that the changes in gravity anomalies in North China are severe.In the northern portion of the Shanxi graben zone，centered at the border region in Shanxi，Hebei, and Inner Mongolia，the gravity variation showed a large area of negative anomalies.The entire survey area showed a large area of negative changes in the local area with a gravity gradient formation，which reversed the recent changes，indicating a further increase in regional seismic hazards.This potential guide to earthquake prediction has important practical significance.

Key words： gravity field； the middle area of North China； earthquake activity； tectonic activity

0引言

地面重力場的分布特征是地球形狀和地球內部介質狀態的反映。流動重力測量反映的是重力場的非潮汐變化，隨著高精度重力儀的發展及流動重力測網的不斷優化，流動重力測量對地震活動的監測能力不斷提高 。1976年唐山地震、1996年麗江地震及2008年汶川地震等多次大震前，區域重力場都存在重力異常。通過研究區域重力場時空動態演化特征[1]，提取地震前兆信息，是進行地震監測預報研究的重要手段之一。

華北地區是我國的政治經濟中心，存在發震背景，該區域的中強震危險性一直倍受關注。全球、全國地震活動增強的情況下，華北地區地震活動已經開始活躍 ，未來地震形勢將如何發展，有必要深入研究。為了研究重力場非潮汐變化的時空特征與華北地區構造活動及地震活動的關系[2]，筆者對本地區2009 年以來重力觀測資料進行整理，系統地分析華北地區重力場時空動態演化特征，探討地面重力變化與地殼運動和構造活動的關系。這對本地區重力場基礎研究和潛在地震危險性分析具有重要意義[3]。

1測區概況及資料處理

華北地區地理位置為30°～42°N，107°～125°E，地殼構造是以斷裂運動為特征的斷塊構造，是我國最古老的板塊——最大一級斷塊(巖石圈斷裂)。按中國地震活動構造劃分，東部可分為太行山斷塊、華北平原斷塊、河淮平原斷塊、膠遼斷塊和蘇滬-南黃海斷塊，是一個地質構造變形復雜的地區。除了受西側青藏高原的東向推擠作用外，還受到東側太平洋板塊和菲律賓海板塊的俯沖作用的影響。

華北地區控制性構造方向為NE-NNE，控制了區內斷裂和盆地的方向。NWW向構造雖然規模較小，但控制了各個伸展構造單元之間的轉換走滑活動帶。這兩個方向均有深刻的活動背景，可能代表了華北地區易震層的活動特征。華北地區流動重力測網涵蓋了郯廬斷裂、太行山山前斷裂、山西斷陷盆地等主要斷裂帶，圖1是根據實測重力點繪制的重力測量路線及構造略圖[4]。

圖1　華北地區重力聯測路線及構造略圖 Fig.1　A route map of the joint gravity monitoring and tectonic outline in Northern China

所有資料均采用中國地震局清理攻關推廣的計算程序LGADJ和經典平差的計算方法進行統一計算。利用絕對重力控制的計算結果較好，2009—2013年九期觀測資料的點值平均精度均優于7.0×10-8m·s-2(表1)，說明本文使用的觀測資料及處理結果可靠。

表 1　2009—2013年9期流動重力資料

2華北地區中部重力場的時空演化特征

2.1重力場的時空演化特征

2.1.1重力場差分變化

華北強震強化跟蹤項目自2009年4月開始實施，2009年9月開始測量，目前已經進行了9期。以鄭州、太原和托克托絕對重力點為統一計算基準，對華北地區重力資料進行統一處理，獲得區域重力場部分差分圖像(圖2，其中黑色代表等值線，紅色代表斷層)，分析研究等值線變化表明[5-6]：

(1) 2011年3月—2010年9月期間重力場形成正、負異常區相間的活動格局，在晉蒙、豫魯交界地區形成了重力高梯度帶。

(2) 2011年9月—2011年3月期間大部分地區的重力場出現了轉折，即由下降轉為上升，在晉蒙交界、冀魯豫交界地區石家莊、安陽形成重力梯度帶。

(3) 2012年3月—2011年9月期間重力場形成正、負異常區相間的活動格局，在晉蒙、冀晉、晉豫交界地區大同、代縣形成重力梯度帶；在冀晉蒙交界區形成NNE向的重力梯度帶。重力變化梯度帶及零等值線總體展布與太行山山前斷裂帶走向基本一致。

(4) 2012年9月—2012年3月大部分測點的重力值為下降變化。異常主要集中于晉蒙交界、晉冀交界和豫魯交界地區。

(5) 2013年3月—2012年9月期間重力場繼承了2012年8月以來的變化趨勢，呈大面積的負值變化，在臨汾—長治地區呈正、負異常區相間的活動格局。

(6) 2013年9月—2013年3月期間測區重力場發生轉折變化，中北部由下降轉為上升，中部由上升轉為下降，南部由下降轉為上升。

圖2　華北地區中部部分重力場差分圖像(單位：10 -8 m·s -2) Fig.2　Maps of gravity changes between two adjacent obseriation campaigns in middle North China 　　 　(Contours are in 10 -8 m·s -2)

圖3　華北地區中部重力場累積變化動態圖像(單位：10 -8 m·s -2) Fig.3　Maps showing dynamic changes of gravity relative to the first campaign in middle North China 　　　 (Contours are in 10 -8 m·s -2)

2.1.2重力場累積變化

為了分析研究區較長時段的區域重力場累積變化特征，以2009年9月首期整體觀測資料為時間基準，分別繪制了各期相對首期的區域重力場累積變化動態圖像(圖3)。圖3表明研究區的重力場累積變化具有逐步增強的趨勢，即近年來隨著時間的增長，整體與局部重力異常的幅度、范圍逐漸增大。這種累積變化的分階段特征為:

(1) 2010年9月—2009年9月在太行山以東形成正異常區，在太行山以西形成負異常區。

(2) 2011年9月—2009年9月山西斷裂帶呈現重力負值變化，山西斷裂帶以西的呼包鄂爾多斯塊體及其北緣的河套斷凹陷帶則表現出重力正值變化。

(3) 2012年9月—2009年9月除在石家莊周邊地區形成正異常區外，整個測區均是大面積負值變化。

(4) 2013年9月—2009年9月期間重力場出現轉折，在太行山以西地區形成北東向的負異常區，負異常幅度有所減小，即在呼和浩特—和林格爾地區、晉蒙交界地區形成重力負值高梯度帶，在太行山以東地區形成北東向的正異常區，正異常幅度有所增加，石家莊—安陽地區形成正異常區，重力變化的梯度帶及零等值線走向總體與太行山斷裂帶走向及岱海—黃旗盆地南緣斷裂帶的走向基本一致；晉冀蒙交界出現了大范圍重力負值變化(達-50～-80×10-8m/s2)，山西斷裂帶北段主斷陷帶的大同、山陰、代縣一帶的重力變化則相對平緩。整個測區自西向東重力逐漸增加的有序性變化以及沿太行山斷裂帶的重力急劇變化，表明該區域的構造應力場增強，這可能是強震孕育的反映。近期出現的反向變化表明該地區地震危險性進一步加大[7]。

2.2點值變化特征

測區重力點值自2010年開始出現同步下降變

圖4　華北重力點值部分變化曲線圖 Fig.4　Gravity variation at some gravity observation stations in Northern China

化，晉冀蒙交界地區、山西地震帶上的重力測點點值2013年9月同步出現轉折變化(圖4)。出現轉折變化地區主要有：大同縣、玫瑰營、興和縣、陽高、陽方口等，都是地震發生危險較大的地區[10-11]。

3重力變化分析

流動重力測量反映的是區域重力場的非潮汐變化，地殼內部的物質遷移、構造活動和地震孕育等過程都可以在流動重力復測結果中反映出來。重力變化形態與地殼深部構造活動分布一致，重力場有規律的變化與區域應力-應變場動態活動及地震活動有關。地震發生在大范圍區域性重力變化背景下局部重力正異常變化梯度帶上，異常區的長軸方向及梯度帶走向與震源主應力場方向及發震構造線方向一致[7-8]。

華北地區重力場出現較大范圍的區域性重力異常，并產生與地震孕育有關的局部重力異常區。重力資料顯示華北地區重力異常變化十分劇烈。2012年7月—2009年9月除在石家莊周邊地區形成正異常區外，整個測區均是大面積負值變化。2013年度測區重力場呈現出持續下降的變化態勢，晉冀蒙交界地區、山西地震帶上的重力測點點值已出現轉折變化，冀魯豫地區重力測點點值仍然持續下降變化，并在晉冀蒙交界、山西中南部、冀魯豫交界等地區形成重力變化梯度帶，可見華北地區重力場變化劇烈。對重力變化與地震關系的研究結果表明，強震前重力場往往出現較大空間范圍的區域性重力異常及重力變化高梯度帶，地震易發生在重力場發生反向轉折變化時段[12]。

4結論

本文以2009—2013年獲取的9期流動重力資料為基礎，系統分析華北中部地區2009-2013年期間重力測量資料，研究重力場的時空動態演化特征。重力資料顯示華北地區重力變化十分劇烈，整個測區呈現大面積負值變化，在局部地區形成重力變化梯度帶。重力場變化與斷裂活動密切相關，近期出現的反向變化，表明該地區地震危險性進一步加大，這對指導地震預報工作具有重要的現實意義。

致謝:謹以此文向中國地震局地球物理勘探中心成立60周年獻禮。

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