2000～2004年山西重力場變化及小波多尺度分解

馮建林 檀玉娟 秦建增 黃邦武 張瑞敏 謝汝一

中國地震局地球物理勘探中心，鄭州市文化路75號 450002

0 引言

山西地震帶歷史地震和現代地震均比較活躍，歷來是國家重點監測防御區之一，為了有效監測山西地區地殼運動，中國地震局地球物理勘探中心于1991年在該區布置了地震重力監測網（圖1），每年用2臺LCR-G重力儀進行不少于2期的高精度觀測，為研究該區域的重力場時變特征提供了資料，并取得了一系列研究成果（李天生等，1998；馮建林等，2006、2013），本文在上述工作的基礎上，利用山西地震重力監測網2000～2004年的觀測資料和《GDPAS-MRG》軟件，通過擬穩平差方法將2000～2004年來的重力資料統一處理，獲得了2002年9月3日太原ML5.0地震、2003年11月25日洪洞ML5.0地震前后不同時空尺度的重力場變化，并用小波變換方法將2000～2004年的山西重力場動態變化進行多尺度分解，獲得了不同小波尺度下的重力場的累積變化。

1 測網概況與資料處理

山西地震重力監測網于1991年開始運行，當時測點主要分布在山西中南部地區，1997年將測網擴大至山西北部（圖1），其中共有80個測點，90個測段，自北向南依次跨越了六棱山北麓斷裂、恒山北麓斷裂、交城斷裂、太谷斷裂、離石斷裂、羅云山山前斷裂、中條山南麓斷裂等主要活動斷裂，基本覆蓋了 35°～40°N、110.5°E～114.0°E的空間范圍，對 4.5級以上地震具有較好地監測能力（賈民育等，2000；項愛民等，2007）。

圖1 山西地震重力監測網及構造略圖

對2009年以前觀測資料均以離石測點為起算點進行經典平差處理，由于離石測點并不是絕對重力測點，沒有考慮起算基準的擾動，這樣不利于地震重力異常信息的提取（祝意青等，2001a、2001b、2007a、2007b；胡斌等，2006；高好林，2013），本文用《GDPAS-MRG》軟件，采用擬穩平差方法求得各測點重力平差值及其精度，基于平差結果對重力值同點位求差，并采用Nature Neighbor方法將2000～2004年的多期重力變化差值進行網格化，然后利用小波變換將2000～2004年的山西重力場進行多尺度分解，較好地消除了地殼淺表和局部異常源的干擾，突出了地殼深部和區域異常信息。

2 重力場變化及小波多尺度分解

研究區域重力場隨時間的變化，須以相同的時間為基準，本文以2000年9月的觀測資料為基準，其它各期同一時段的觀測資料按時序分別與該時間基準的結果進行差分，這些差分結果之間具有連續性和累積性，可以更好地突出觀測區域重力場的動態演化特征（孫少安等，2012）。

2.1 重力場累積變化

2000年9月～2001年9月（圖2（a））：測區重力場變化較平緩，最大變化幅值在-20×10-8m·s-2左右，以太原為界形成北正南負的變化格局。

圖2 山西測網重力變化等值線圖

2000年9月～2002年9月（圖2（b））：2000年 9月～2001年 9月形成的一正一負 2個重力變化異常區的變化幅度達50×10-8m·s-2，并在2個異常區之間形成近NS向的重力變化高梯度帶，而且圖2（a）中出現在太原、介休附近的2個“0”等值線在本期連在一起，并在太原以北發生轉折，太原ML5.0地震發生在“0”等值線拐彎部位，震中附近太原、介休之間的測點的重力場測值也已由負變正。

2000年9月～2003年9月（圖2（c））：測區北部重力值持續上升，南部以臨汾為中心的重力值持續下降，幅值在-70×10-8m·s-2左右，并形成重力變化高梯度帶；太原至介休間的“0”等值線繼續向南擴展，并在臨汾以北洪洞附近發生拐彎，拐彎部位發生了洪洞ML5.0地震，且震中附近的介休至洪洞之間的重力場由下降改為上升變化態勢。

2000年9月～2004年9月（圖2（d））：山西中北部重力場變化不大，中南部仍然繼續下降，但變化幅度有所減小，在-30×10-8m·s-2左右，可見震后測區重力場處于恢復調整狀態。

2.2 重力場小波多尺度分解結果

小波分析方法是1984年由法國地球物理學家Grossman and Morlet提出的，是目前發展比較成熟的數據處理方法，在布格重力異常、流動重力異常的處理中，已有過很多探索和研究（侯遵澤等，1997；楊文采等，2001；朱桂芝等，2004；劉少明等，2004；祝意青等，2005；玄松柏等，2012；劉芳等，2013；郭樹松等，2014）。該方法的優點是：可將信號分解成不同尺度的成分，對重力異常場進行分離，為解釋重力場變化與深度、密度變化的關系提供了較為簡便的方法。

利用小波分解的Mallat塔式算法，在Matlab下選用二維重力異常分解的雙正交小波基函數“bior3.5”將2000～2004年山西重力場變化進行多尺度分解，通過功率譜分析可得到1階、2階、3階和4階小波變換所反映的大致深度分別為：4～6km、12～15km、25～30km、40～50km，圖 3（a～d）～6（a～d）是 2000～2004年的山西測網重力異常 1～4階小波變換圖，由圖3～6可以看出：

（1）利用小波變換分解重力異常時，1階、2階小波變換等值線圈閉總體范圍小，變化量也較小，主要反映了上地殼淺層各種因素引起的重力場高頻變化只是小尺度的重力場變化。

（2）隨著階次的增加，在 3階小波變換中，1、2階小波變換中的許多弱小細節已不存在，深部構造活動信息更加突出，主要呈較大范圍的區域性變化。在4階小波變換中，這個特點更為明顯，即淺部異常變化小，深部異常變化較為明顯（劉芳等，2013）。

（3）從更長時間尺度（2000年9月～2004年9月）看，4階小波變換中：忻定盆地中重力場的上升幅度逐漸減小，太原盆地中似“四象限”特征明顯，臨汾盆地中重力場的下降幅度逐漸增大。

（4）在3階、4階小波變換中，這2次地震均發生在重力變化高梯度帶“0”等值線附近，可見由小波變換分離出的重力異常作為分析重力場變化圖像的輔助手段，可為將來可能發生中強地震的地點提供判據（祝意青等，2005；郭樹松等，2014）。

3 結論與討論

地震的孕育和發生與地球內部的形變及物質遷移密切相關，國內不少學者對地震前后的重力變化進行過有益的研究與探討（陳運泰等，1980；祝意青等，2001a、2001b、2005、2007a、2007b、2012、2013、2015；張晶等，2001；胡斌等，2006；李輝等，2009；王武星等，2009；申重陽等，2010；劉代芹等，2011；郝洪濤等，2012；高好林，2013；鄭兵等，2014），研究結果表明：重力變化梯級帶及“0”等值線區域是地震發生的有利場所。本文主要分析了2000～2004年的山西重力場累積變化和小波多尺度分解結果，得出以下主要結論：

圖3 山西測網2000年9月～2001年9月重力異常1～4階小波變換細節圖（單位：×10-8 m·s-2）

圖4 山西測網2000年9月～2002年9月重力異常1～4階小波變換細節圖（單位：×10-8m·s-2）

圖5 山西測網2000年9月～2003年9月重力異常1～4階小波變換細節圖（單位：×10-8 m·s-2）

圖6 山西測網2000年9月～2004年9月重力異常1～4階小波變換細節圖（單位：×10-8 m·s-2）

（1）2002年太原ML5.0地震及2003年洪洞ML5.0地震發生前后，震中區附近重力場變化過程大致如下：局部負值變化→局部正值變化→在正向變化的過程中發震，而且這2次地震均發生在重力變化高梯度帶的“0”等值線附近。

（2）小波多尺度分解可以獲得不同小波尺度下的重力場變化，且隨著階次的增加，1、2階小波變換中的許多弱小細節已不存在，3階、4階小波變換深部構造活動信息更加突出，主要呈較大范圍的區域性變化。

致謝：感謝湖北省地震局玄松柏副研究員在小波變換計算方面的幫助，感謝審稿專家為本文進一步完善所提出的有價值的修改意見。