江蘇常州4.2級(jí)地震前的重力變化

宋 浩 范文華 蔣 成 王 維 李婷婷 吳曉峰 代憲鵬

1 江蘇省地震局，南京市衛(wèi)崗3號(hào)，210014

地表重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化包含了十分豐富的地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地震活動(dòng)信息，一直以來(lái)都是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究的基本信息源[1-9]。2021-12-22江蘇省常州市天寧區(qū)(31.77°N，119.98°E)發(fā)生4.2級(jí)地震，震源深度8 km，震中位于無(wú)錫-宿遷斷裂東南側(cè)1 km處。本文利用江蘇重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)2019～2021年流動(dòng)重力測(cè)量資料，分析不同時(shí)間尺度下的重力場(chǎng)變化與常州4.2級(jí)地震間的關(guān)系。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

蘇錫常斷裂為無(wú)錫-宿遷斷裂(亦稱為無(wú)錫-江都斷裂、湖區(qū)斷裂、沿湖斷裂、五湖斷裂)南段的組成部分，斷裂西南側(cè)曾發(fā)生多次中強(qiáng)地震，如999年常州5級(jí)地震、1501年蘇州4級(jí)地震；在無(wú)錫-宿遷斷裂與幕府山-焦山斷裂交會(huì)處的揚(yáng)州、鎮(zhèn)江地區(qū)，還發(fā)生過(guò)1624年揚(yáng)州6級(jí)地震。

2 常州4.2級(jí)地震前重力場(chǎng)變化

2.1 江蘇重力測(cè)網(wǎng)及數(shù)據(jù)處理

20世紀(jì)70年代起，江蘇省地震局持續(xù)開(kāi)展省內(nèi)流動(dòng)重力測(cè)量，1991年開(kāi)始使用PDA手持終端機(jī)記錄并產(chǎn)出電子數(shù)據(jù)，2008年開(kāi)始進(jìn)行每年2期的測(cè)量。江蘇省最新重力測(cè)網(wǎng)由5個(gè)絕對(duì)重力測(cè)點(diǎn)和123個(gè)相對(duì)重力點(diǎn)組成(圖1)，測(cè)網(wǎng)空間分辨率為20～50 km，從西至東基本覆蓋了沂沭斷裂帶、淮陰-響水?dāng)嗔选⒑闈?流均溝斷裂、陳家堡-小海斷裂、茅山斷裂及無(wú)錫-宿遷斷裂等。

F1：沂沭斷裂帶; F2：淮陰-響水?dāng)嗔? F3：洪澤-流均溝斷裂; F4：陳家堡-小海斷裂; F5：幕府山-焦山斷裂; F6：茅山斷裂; F7：板橋-南渡斷裂; F8：無(wú)錫-宿遷斷裂; F9：南通-嘉定斷裂圖1 江蘇及鄰區(qū)重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)和構(gòu)造Fig.1 Gravity monitoring network and structure in Jiangsu and adjacent areas

2019～2021年使用CG-5和Burris相對(duì)重力儀進(jìn)行流動(dòng)重力測(cè)量，聯(lián)測(cè)溧陽(yáng)和日照2個(gè)絕對(duì)重力觀測(cè)點(diǎn)，采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)定重力儀一次項(xiàng)系數(shù)[7]。利用經(jīng)典平差法對(duì)2019～2021年流動(dòng)重力資料進(jìn)行計(jì)算，得到測(cè)網(wǎng)每期重力點(diǎn)的觀測(cè)值。平差計(jì)算時(shí)需要反復(fù)迭代分配各臺(tái)儀器的先驗(yàn)方差，以得到最佳計(jì)算結(jié)果。由表1可知，2019～2021年點(diǎn)值精度平均值均優(yōu)于15 μGal，說(shuō)明流動(dòng)重力數(shù)據(jù)處理結(jié)果可靠。

2.2 震前0.5 a重力差分變化

重力差分變化能夠反映區(qū)域重力場(chǎng)的演化過(guò)程[8]，使用2019-10～2021-10相鄰2期流動(dòng)重力觀測(cè)資料進(jìn)行差分計(jì)算，得到4組0.5 a重力差分結(jié)果(圖2)。

表1 江蘇及鄰區(qū)重力測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理精度

1)由圖2(a)可知，2019-10～2020-05江蘇及鄰區(qū)整體重力場(chǎng)呈北正南負(fù)的變化特征，變化量級(jí)為-40～30 μGal，常州4.2級(jí)地震震中位于NNE向重力變化梯度帶零值線西側(cè)。

2)由圖2(b)可見(jiàn)，與上期重力差分結(jié)果相比，2020-05～10重力場(chǎng)變化形態(tài)發(fā)生了反轉(zhuǎn)，呈北負(fù)南正的變化特征。但常州4.2級(jí)地震震中仍位于NNE向重力變化梯度帶零值線西側(cè)，且該零值線位置和形態(tài)與上一期差分結(jié)果相同。

圖2 2019-10～2021-10重力差分變化Fig.2 Differential gravity change from October 2019 to October 2021

3)由圖2(c)可見(jiàn)，2020-10～2021-05江蘇北部負(fù)變化的范圍縮小，形成以淮安為中心的負(fù)值區(qū)域，海域西側(cè)的陸地區(qū)域重力場(chǎng)呈反向正值變化。江蘇南部重力場(chǎng)仍呈正變化，且變化范圍向江蘇北部擴(kuò)大，在南京-常州-無(wú)錫形成重力正值變化區(qū)域及NWW向重力變化梯度帶，常州4.2級(jí)地震震中附近零值線消失，重力變化值為30～40 μGal。

4)由圖2(d)可見(jiàn)，與上期重力差分結(jié)果相比，2021-05～10重力場(chǎng)變化形態(tài)再次發(fā)生反轉(zhuǎn)，整體呈北正南負(fù)的特征。江蘇北部以淮安地區(qū)為中心的負(fù)值區(qū)域縮小并北移，淮安地區(qū)北負(fù)南正，位于NWW向重力變化梯度帶零值線附近，東側(cè)形成以鹽城為中心的負(fù)值變化區(qū)域。江蘇南部及南京東西側(cè)形成2個(gè)重力負(fù)變化區(qū)域，常州附近重力場(chǎng)形成重力變化梯度帶，變化量級(jí)為-10～20 μGal，常州4.2級(jí)地震震中附近零值線再次出現(xiàn)，但展布形態(tài)由NE向轉(zhuǎn)變?yōu)镹W向。

相鄰2期0.5 a重力差分結(jié)果顯示，常州4.2級(jí)地震震中附近重力場(chǎng)經(jīng)歷了東負(fù)西正-東正西負(fù)-正變化-北負(fù)南正的演化過(guò)程，且有3次震中位于重力變化梯度帶零值線附近，震前1 a重力變化梯度帶發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由NNE向轉(zhuǎn)變?yōu)镹WW向。

2.3 震前重力1 a差分變化

利用同月份觀測(cè)資料進(jìn)行差分計(jì)算，可以減小季節(jié)性變化帶來(lái)的影響。本文利用2019～2021年6期流動(dòng)重力觀測(cè)資料，將相鄰年份的同月份觀測(cè)資料作差，得到4組1 a重力差分變化結(jié)果(圖3)。

1)由圖3(a)可知，2019-05～2020-05江蘇及鄰區(qū)重力場(chǎng)呈南正北負(fù)的變化特征，在常州附近形成與無(wú)錫-宿遷斷裂走向基本一致的重力變化梯度帶，變化量級(jí)為-20～20 μGal。

2)由圖3(b)可知，2020-05～2021-05江蘇及鄰區(qū)重力場(chǎng)整體仍呈南正北負(fù)的變化特征，常州附近重力變化梯度帶發(fā)生近90°轉(zhuǎn)折，在南京-高郵-鹽城形成新的重力變化梯度帶，變化量級(jí)為-20～20 μGal。常州4.2級(jí)地震震中附近出現(xiàn)明顯的零值線拐點(diǎn)。

3)由圖3(c)可知，2019-10～2020-10江蘇及鄰區(qū)重力場(chǎng)被NW向零值線分割，呈東北正西南負(fù)的變化特征，該零值線在常州附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，由與NW向無(wú)錫-宿遷斷裂走向一致轉(zhuǎn)為垂直于無(wú)錫-宿遷斷裂的NE向。

4)由圖3(d)可知，2020-10～2021-10研究區(qū)重力場(chǎng)以正值變化為主，在常州東南和西北形成重力變化梯度帶，常州4.2級(jí)地震震中WNN側(cè)出現(xiàn)封閉零值線，其內(nèi)部呈負(fù)重力變化，而震中東南側(cè)呈正重力變化。

由此可知，震前2 a內(nèi)，每1 a重力差分結(jié)果顯示，重力變化零值線一直在常州附近出現(xiàn)。

3 重力變化與常州4.2級(jí)地震

常州4.2級(jí)地震震級(jí)較低，累積的能量較少，重力場(chǎng)變化范圍和變化量級(jí)也較小。有學(xué)者認(rèn)為，以當(dāng)前流動(dòng)重力觀測(cè)技術(shù)的能力和觀測(cè)精度，在測(cè)網(wǎng)密集地區(qū)可以捕捉到4級(jí)左右地震震前40 km范圍內(nèi)的重力場(chǎng)變化，測(cè)網(wǎng)的空間分辨率應(yīng)達(dá)到20～30 km。準(zhǔn)確獲取30～40 μGal重力場(chǎng)變化則要求觀測(cè)精度不低于15 μGal[9]。江蘇省蘇南地區(qū)流動(dòng)重力測(cè)網(wǎng)密集，觀測(cè)精度一直保持在15 μGal以內(nèi)，使得捕捉4級(jí)地震震前的重力場(chǎng)變化成為可能。常州地震震前0.5 a及1 a的重力差分結(jié)果也顯示，震中附近均出現(xiàn)局部重力場(chǎng)變化，且震中始終位于重力變化零值線附近。

常州地震震中附近有常州、無(wú)錫、蘇州、上海和吳市5個(gè)穩(wěn)定測(cè)點(diǎn)(圖4)，其時(shí)序變化能反映地震孕育過(guò)程。圖5為2019-05～2022-01重力值時(shí)序變化，圖中清晰反映了常州4.2級(jí)地震震前4個(gè)測(cè)點(diǎn)的重力變化呈下降-轉(zhuǎn)折上升-持續(xù)上升-反向變化的特征。震中附近無(wú)錫、蘇州、上海、吳市測(cè)點(diǎn)重力值時(shí)序變化特征顯示，常州東側(cè)正異常變化活躍：2019-05～2020-05重力值呈減小趨勢(shì)，2020-05～2021-10重力值呈同步增大趨勢(shì)，2020-10四測(cè)點(diǎn)的重力值均達(dá)到最近2 a的最大值，2022-01震后加密觀測(cè)顯示，四測(cè)點(diǎn)的重力值均減少約20 μGal，恢復(fù)到震前平均水平。

圖4 震中附近測(cè)點(diǎn)Fig.4 Point measuring near the earthquake center

圖5 測(cè)點(diǎn)重力值時(shí)序變化Fig.5 Time change of gravity value

4 結(jié) 語(yǔ)

常州地震震中附近2019-05～2020-05正負(fù)重力變化過(guò)渡帶的零值線走向與2020-05～2021-05的結(jié)果相比發(fā)生了約90°旋轉(zhuǎn)，2019-10～2020-10正負(fù)重力變化過(guò)渡帶的零值線走向與2020-10～2021-10的結(jié)果相比也發(fā)生了約90°旋轉(zhuǎn)，常州4.2級(jí)地震發(fā)生在零值線走向旋轉(zhuǎn)之后。流動(dòng)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)較好地反映了常州4.2級(jí)地震的前兆現(xiàn)象。

1)0.5 a尺度重力差分變化結(jié)果較好地反映了此次地震下降-轉(zhuǎn)折上升-持續(xù)上升-反向的變化過(guò)程及零值線附近發(fā)震的演化過(guò)程。

2)年重力差分變化分布顯示，零值線一直在常州附近出現(xiàn)，并在鎮(zhèn)江-常州形成與無(wú)錫-宿遷斷裂走向基本一致的重力變化梯度帶，常州4.2級(jí)地震發(fā)生在重力變化零值線附近。

致謝：感謝國(guó)家重力臺(tái)網(wǎng)中心提供的野外觀測(cè)數(shù)據(jù)。