基于重力儀靜態觀測數據研究長寧6.0級地震活動性

陳 挺，嚴 迪，楊 劍，廖國忠，余 舟，李鴻泰

(1.四川省地質礦產勘查開發局物探隊，四川 成都 610072；2.中國地質調查局成都地質調查中心，四川 成都 610082)

地震構造活動會引起重力場的擾動變化，Martin等通過評估日本東北大地震的記錄數據，發現以光速傳播的重力信號始終在其對應地震波信號傳到地震監測站之前率先到達。劉棟勛等(1984)發現了一些重力變化與地震有關的事實，如1976年7月28日唐山7.8級地震前后，在震中不遠的一條剖面上進行了兩次重力測量，發現震前震后剖面觀測重力值最大差值達0.165×10-5m/s2；1995年7月12日云南省孟連縣7.3級地震，吳國華(1998)在滇西實驗場重力網紅河斷裂以西觀測到重力異常變化；祝意青等(1999,2002,2003)通過流動重力測量，觀測到較可靠的重力隨時間變化數據；郝曉光等(2008)在汶川大地震前監測到“重力擾動”逐漸增大，直至地震發生。這些觀測記錄說明地震在孕育發生過程中會伴隨地下物質密度變化和深部物質遷移(李子濤等，2005)，從而引起重力變化。

筆者在參與中國地質調查局成都地質調查中心“四川會理—鹽源及鄰區1∶25萬區域重力調查”項目期間，通過對長寧6.0級地震的重力觀測數據分析，認為地震發生時檢測到重力值的變化，往往是震動干擾引起的，這種觀測重力值的瞬時變化容易被誤認為是重力值變化引起的，重力值是否變化應該比較地震前后的觀測值是否發生變化，而不能簡單的以地震活動時所取得的錯誤觀測重力值作為評價標準，因為重力值的改變必然是由場源體的空間和密度變化所引起。當地震震級較小時，這種重力異常變化往往非常微弱，僅在震源區或離震源較近的構造斷裂附近才能觀測到(李子濤等，2003)，說明震區附近重力異常變化與主干斷裂在空間上關系密切(周斌等，2018)。

1 長寧震區地質構造背景

長寧地區主要地質構造為長寧背斜，該背斜東起敘永縣，分布于興文縣、長寧縣雙河，西至珙縣天星橋一帶，構造東西長100 km，南北寬20 km，呈不對稱的復式大背斜。長寧背斜是一個多斷裂構造的背斜，斷裂多發育在由古生界地層組成的背斜核部或兩翼，以小斷裂為主，呈高角度壓性逆沖斷層，震中附近斷層傾角最高達80°。斷裂與褶皺緊密相伴，主要斷裂往往伴隨褶皺而發育，構造的延伸方向與褶皺線形跡一致(蔡一川等，2015)。

2 引起重力值變化的原因分析

通過正演模型的模擬計算，分析影響重力值變化的主要因素。圖1左為水平地層模型，上層模型密度為2.45 g/cm3，下層模型密度為2.55 g/cm3，背景密度為2.67 g/cm3。其重力異常曲線為對稱的單支雙曲線形狀。圖1右為水平地層受到擠壓作用后形成的逆斷層模型，由于擠壓力的持續作用，左上層模型密度變為2.50 g/cm3，左下層模型密度為2.60 g/cm3，右上層模型密度為2.45 g/cm3，右下層模型密度為2.55 g/cm3，背景密度為2.67 g/cm3。其重力異常曲線(右圖中實線)為不規則形狀。

圖1 水平地層正演模型及逆斷層正演模型重力異常

從上述兩個模型重力異常值比較圖知，由于斷裂破碎作用，引起原始水平地層的空間分布位置和密度值發生變化，其異常值也發生變化，變化幅值最大達2.71×10-5m/s2。從正演模型對比結果知，引起重力值變化的主要因素為地質體的空間分布形態和密度的改變。

3 長寧地震實測重力靜態數據分析

本次項目使用的CG-5型自動重力儀是加拿大Scintrex公司研制的數字重力儀(曹金國等，2018)。在正式工作前，對重力儀進行了調節試驗、靜態試驗、動態試驗、多臺儀器間的一致性試驗，試驗結果滿足規范要求。

長寧6.0級地震發生前，筆者正在距離震中72.9 km的云南省鹽津縣普洱鎮進行重力靜態觀測，由于當時地震震級較大，所使用的CG-5型重力儀在地震活動作用下，在觀測水平面上發生了約20 cm的位移。發生位移后對儀器進行了重新調平操作，隨后發生的珙縣5.1級地震也被成功記錄到。截至2019年7月20日，重力靜態觀測儀分別在鹽津縣普洱鎮和珙縣上羅鎮成功記錄到地震活動18次，說明長寧地震具有主震突出、余震豐富的特點，震后的應力釋放可能還需持續相當長的時間。本次用于分析的數據主要包括經固體潮和零點位移改正后得到重力儀的靜態觀測數據和重力儀實時觀測數據的標準差。

重力值標準差在儀器讀數記錄里用“S.D.”表示，重力儀讀數時每秒鐘更新一次。由于重力高頻信號在重力數據采集中往往作為干擾信號，被儀器自帶的濾波器過濾掉，最終得到的重力觀測值是濾波處理后的結果。在野外觀測時，S.D.指標主要用來衡量單點觀測質量，當S.D.較小時，表示環境震動噪聲處于較低水平，設置觀測時間內的數值較接近平均值，觀測質量合格；當S.D.較大時，表示環境震動噪聲處于較高水平，觀測時間內出現很多高頻重力信號，數據質量不合格，需要重新觀測。正是由于S.D.值包括了重力儀自身噪聲和環境震動等重力高頻干擾信號，它可以用來衡量信號噪聲的大小。通過對比地震發生時重力儀記錄的S.D.值，認為S.D.值可用于地震不確定性的一種測量。

下面通過對地震發生時記錄的重力觀測值和S.D.值進行分析，來說明重力值和S.D.值與地震的相關性。在平穩場中，S.D.值一般小于0.020×10-5m/s2，當儀器記錄S.D.值小于或等于該值時，認為地震震動活動停止。其中表1是發震時重力儀記錄靜的讀數時間間隔的靜態觀測數據統計表，共計記錄到8次地震。為了更詳細的研究重力場和S.D.值隨時間的變化規律，將普洱鎮重力儀的時間間隔設置為10分鐘，上羅鎮的設置為1分鐘。

表1 發震時刻重力儀記錄靜態觀測數據統計

3.1 宜賓市長寧6.0級地震和珙縣5.1級地震重力靜態觀測數據分析

2019年6月17日22時55分在四川省宜賓市長寧縣發生6.0級地震，震源深度16 km。2019年6月17日23時36分在四川省宜賓市珙縣發生5.1級地震，震源深度16 km。圖2左、右分別是經改正后的重力觀測值隨時間的變化曲線。長寧縣6.0級地震在22時55分突然爆發，導致儀器自帶的地震濾波功能失效，觀測重力值與地震爆發前的觀測值相差4.466×10-5m/s2，到23時5分由地震引起的S.D.值降為0.766×10-5m/s2，此時刻觀測重力值與地震爆發前的觀測值相差-0.002×10-5m/s2，可見儀器自帶的地震濾波功能已經濾掉了重力高頻干擾信號。23時36分珙縣5.1級地震繼長寧6.0級地震后爆發，從圖2左、右可知，剔除發震時刻的畸變重力數據，在云南省鹽津縣普洱鎮觀測到的長寧縣6.0級地震、珙縣5.1級地震并未引起重力觀測值的明顯變化。

圖2 長寧6.0級(左)、珙縣5.1級(右)地震重力值隨時間變化

圖3 長寧6.0級地震、珙縣5.1級地震標準差隨時間變化

圖3是上述兩次地震發生時刻重力儀記錄的S.D.值隨時間的變化曲線，從圖知，22時55分19秒S.D.值高達23.066×10-5m/s2，23時36分33秒S.D.值高達11.708×10-5m/s2。6.0級地震引起的重力擾動是5.1級地震的1.97倍。在平穩場中，S.D.值一般小于0.020×10-5m/s2，23時16分S.D.值為0.155×10-5m/s2，23時26分S.D.值為0.038×10-5m/s2，近似為正常值的2倍，說明距離發震時間半小時后地震擾動雖然減小，但是并未停止。23時36分珙縣5.1級地震繼長寧6.0級地震后爆發，S.D.值突然升為11.708×10-5m/s2，直到6月18日00時06分，S.D.值降為0.013×10-5m/s2，此時該次地震活動已經平息。

3.2 宜賓市珙縣2.9級地震重力靜態觀測數據分析

2019年7月15日16時48分在四川省宜賓市珙縣發生2.9級地震，震源深度8 km。重力儀距離震中7.8 km。由于在鹽津縣普洱鎮設置的10分鐘讀數時間間隔，不能精確的記錄到重力值和S.D.值的變化規律，因此在珙縣上羅鎮進行靜態觀測時，將讀數時間間隔設置為1分鐘。圖4左是經改正后的重力觀測值隨時間的變化曲線。從左圖中知，在選取的36分鐘時段范圍內，重力值變化幅度僅為0.006×10-5m/s2，地震前后重力值無明顯變化。圖4右是地震發生時刻重力儀記錄的S.D.值隨時間的變化曲線，從圖知，16時48分S.D.值高達0.935×10-5m/s2。在平穩場中，S.D.值一般小于0.020×10-5m/s2，16時54分S.D.值為0.014×10-5m/s2，說明從發震到停止用時6分鐘。

圖4 珙縣2.9級地震重力值及地震標準差隨時間變化

通過對長寧6.0級地震(重力儀距離震中72.9 km)、珙縣5.1級地震(重力儀距離震中62.7 km)、珙縣2.9級地震(重力儀距離震中7.8 km)前后經固體潮和零點位移改正后的重力值分析，發現地震后靜態觀測的重力數據與震前只有幾個微伽的變化，而重力儀自身的重復觀測精度為0.005×10-5m/s2，故認為地震前后重力值未發生變化。地震發生時引起的重力值畸變主要是由于振動干擾引起的錯誤讀數，該讀數并非是由于地震引起地下地質結構改變導致的。通過對記錄的S.D.值分析，計算了地震從開始到結束的持續時間，長寧6.0級地震從發震到結束用時約30分鐘，珙縣5.1級地震從發震到結束用時約20分鐘，珙縣2.9級地震從發震到結束用時6分鐘。可見地震震級大小與當次地震活動持續時間呈正相關關系，即震級越大，地震活動持續時間越長。

4 結論

通過正演模型分析，認為引起重力場改變的主要因素是地下地質體在斷裂活動作用下發生了空間位移和密度分布的改變。通過比較重力靜態觀測數據，本次長寧6.0級地震，在地震波到達之前未能觀測到有效的重力異常變化信號，地震前后未觀測到明顯的重力值變化。這可能是由于本次地震未引起地下地質體空間分布形態的較大改變且測站距離震中距離較遠所致。通過對S.D.值的分析，認為地震震級大小與當次地震活動持續時間呈正相關關系， S.D.值受震中與測站的距離影響較小，普洱鎮和上羅鎮都能明顯觀測到S.D.值從突變達到最大值到逐漸衰減到正常讀數范圍的過程。