关中流动重力测网的中小地震映震能力分析

2022年5月31日12:28:27关中流动重力测网的中小地震映震能力分析已关闭评论
摘要

张永奇 丁晓光 曹建平++翟宏光苏利娜 郑增记 摘要:采用拟稳平差方法对1992—2011年陕西关中重力测网流动观测资料进行平差计算,获得各期高精度重力值,利用Kriging插值算法获得差分及累积重力场变化图像,结合1998年1月5日泾阳MS48地震及2009年11月5日高陵MS44地震,分析2次地震前后重力场及重力点值时序变化特征。结果表明:(1)2次地震前后都有较明显的重力异常变化,变化过程表现为正向―负向―正向重力变化,符合地震扩容模式;(2)2次地震的发生与渭河断裂及泾阳—渭南断裂构造活动有关,震

张永奇 丁晓光 曹建平++翟宏光苏利娜 郑增记
摘要:采用拟稳平差方法对1992—2011年陕西关中重力测网流动观测资料进行平差计算,获得各期高精度重力值,利用Kriging插值算法获得差分及累积重力场变化图像,结合1998年1月5日泾阳MS48地震及2009年11月5日高陵MS44地震,分析2次地震前后重力场及重力点值时序变化特征。结果表明:(1)2次地震前后都有较明显的重力异常变化,变化过程表现为正向―负向―正向重力变化,符合地震扩容模式;(2)2次地震的发生与渭河断裂及泾阳—渭南断裂构造活动有关,震中位置处于重力等值线零值线及拐弯处,但2次地震前重力累积变化不明显;(3)关中西部重力测点在2次地震前后重力值变化显著,关中东部重力点值变化不明显,震中附近的测点在泾阳地震前后变化明显,在高陵地震前后变化不明显。
关键词:关中地区;流动重力测量;重力场变化;泾阳MS48地震;高陵MS44地震
中图分类号:P315726文献标识码:A文章编号:1000-0666(2017)02-0248-09
0引言
我国流动重力测量始于20世纪60年代邢台地震发生后,其结果反映的是区域重力场的非潮汐变化信息。地震在孕育过程中伴随着区域构造应力场变化、地壳内部物质迁移以及地球介质密度变化,这些信息可以被流动重力测量观测到(陈运泰等,1980;顾功叙等,1997)。随着高精度重力测量仪器的发展和流动重力网的优化改造,流动重力的监测能力得到进一步的提高(李瑞浩等,1997)。研究表明,在大、中强地震前后可以观测到显著的重力变化,甚至在一些中小地震前后都可以观测到重力变化(陈运泰等,1980;祝意青等,2012,2013b;李清林等,1997;李天生,范文,1992;梁伟锋等,2012;郑兵等,2015;贾宇鹏等,2015)。因此通过研究重力场变化特征,可为区域地震趋势的研判提供参考依据。优化改造重力监测网的布局,对捕捉地震前兆信号尤为重要(贾民育,1996;贾民育,詹洁晖,2000;项爱民等,2007)。近年来,我国学者在6级以上地震的中短期预测预报方面进行了深入探索,取得了较好的成绩,研究结果进一步表明重力测量是一项有效的地震前兆监测手段(祝意青等,2009,2013a)。
陕西关中重力测网始建于20世纪80年代,于90年代初进行了优化改造。重力测网每年观测1期,2008年汶川MS80地震发生后,加密为每年观测2期。重力测网观测期间,发生了1998年1月5日泾阳MS48地震、2009年11月5日高陵MS44地震,针对这2次地震事件,不同的学者对其发震构造、震源机制、地壳形变等方面进行了较为深入的研究,得出一些重要的结论(王卫东,2002;戴王强等,2007;高好林等,2005,2006;曹建平等,2017)。笔者在前人研究成果的基础上,基于关中重力测网重复观测资料,对泾阳MS48地震、高陵MS44地震前后的重力场、重力点值时序变化特征进行分析,探讨重力场异常变化与地震活动的相关性,同时对地震前后重力变化进行机理分析。
1测区概况及数据处理
关中地区位于鄂尔多斯块体、甘青块体、华北及华南块体之间,在我国现代构造变形的大陆动力学格局中具有特殊的地位。关中地区不仅是我国东西部大地构造的分界带和解耦带,也是鄂尔多斯、华北、华南等构造块体差异运动的调节带。区域内发育了大量左旋走滑及正断性质的断裂,如陇县—宝鸡断裂带、渭河断裂、华山山前断裂、秦岭北麓断裂、口镇—关山断裂等,这些断裂不仅控制着区域内构造应力场分布格局,对地震的孕育过程也具有重要的影响。1998年1月5日泾阳MS48地震、2009年11月5日高陵MS44地震均发生在渭河断裂附近的泾阳—渭南断裂上(吴富春等,2000;王平等,2014)。
关中重力测网主要覆盖关中地区,大体范围是(34°N~358°N,1065°E~1105°E)。自1992年起,每期由2台LCR-G型重力仪开展观测。为了确保相对重力联测精度,减少仪器误差影响,仪器格值在测前都按照规范要求进行了长基线场地标定,观测精度达到规范要求。关中重力测网包括121个测点,但由于破坏及改造,每期测点个数及网形不尽相同,但基本保持观测120个点左右,关中地区重力网及主要构造见图1。平差计算采用中国地震局实用化攻关推广软件LGADJ,平差起算基准采用拟稳基准,拟稳点的选取遵循以下原则:①观测资料连续,没有中断和停测;②点值变化平稳,没有明显的趋势性变化;③测点处于相对稳定的构造区,离活动断裂相对较远;④墩标稳定,属于混凝土埋石点。按照上述原则选择了测区的9个测点,拟稳点具体情况见表1。平差计算过程如下:①资料预处理,进行固体潮、气压、一次项、仪器高、周期误差等改正;②对多期重力资料计算结果进行整体分析,了解不同仪器的观测精度,以此确定各台仪器的先验方差,再进行平差计算,确保结果合理可靠;[JP2]③采用kriging插值算法进行重力值拟合推估,同时进行样条平滑和高斯滤波。最终得到重力测点精度平均值优于10×10-8 m/s2,精度统计详见表2。
2重力场时空变化特征分析
21泾阳MS48地震前后重力场动态差分变化
[KG(0.2mm]本文首先分析1998年1月5日泾阳MS48地震前后重力变场化特征,如图2所示。由图2a(1995年7月—1996年7月)可知,渭河盆地内部重力场等值线空间展布基本沿着渭河断裂、扶风—礼泉断裂和北山山前断裂等,渭河断裂南侧重力场主要表现为负值变化,其北侧主要表现为正值变化,预示着该时段重力场变化特征受活动断裂带控制。在永寿、三原及大荔等地区出现重力线拐弯现象,研究表明这些拐弯部位有利于地震孕育,近年来多个震例显示这种重力线[JP3]拐弯处易于地震发生(祝意青,2009,2013a,b)。[JP]总体上看,图2a中重力变化幅度不大,基本在(-20~30)×10-8 m/s2变化。由图2b(1996年7月—1997年7月)可知,本期重力场变化幅度有所增强,同时变化趋势出现反转,基本以永寿—泾阳—临潼一线为界,其东北向区域重力场呈现较大范围负值变化,西南向区域重力场呈现为正值变化。图2c(1997年7月—1998年10月)显示,关中西部出现大范围的重力场负值变化,尤其是凤翔以西地区重力场最大负值变化达-50×10-8 m/s2。关中东部出现大范围的重力场正值变化,最大变化集中在韩城附近,量值达35×10-8 m/s2。重力场零等值线分布在咸阳―西安―蓝田一带,泾阳位于零等值线附近的西北侧,并形成重力变化梯度带,正负差异变化达到45×10-8 m/s2,1998年1月5日在泾阳发生了MS48地震。图2d(1998年10月—1999年7月)显示泾阳MS48地震后重力场变化再次出现反转,震中附近重力场由正值變化转为负值变化,这与震后物质重新分布、应力重新调整的特征有一定的对应关系。图2e(1999年7月—2000年7月)出现了和上期(图2d)不同的变化趋势,以永寿—泾阳—临潼为界,西南部出现大范围重力场负值变化,东北部出现大范围正值变化,重力变化高梯度带依然在泾阳附近,差异变化约50×10-8 m/s2。图2f(2000年7月—2001年5月)显示重力等值线分布格局与震前状态(图2a)相似,量值变化与震前水平相当,区别在于渭河断裂以南地区重力场表现为正值变化,以北表现为负值变化。总体上泾阳MS48地震前后震中区重力场变化遵循正向—负向—正向变化的动态演化过程,符合地震扩容模式,即地下岩石压缩—膨胀—流体扩散的3个阶段的演化特征,只是这种变化有稍许的滞后效应。
22高陵MS44地震前后重力场动态差分变化
2009年11月5日陕西省高陵县发生了MS44地震,该地震前后重力场变化特征如图3所示。图3a(2006年8月—2007年7月)显示重力场自西向东表现为正值―负值―正值变化特征,分界线大体为彬县—咸阳—西安和黄龙—大荔—华县,但重力场变化幅度较小,基本在(-30~20)×10-8 m/s2之间,只在韩城、蒲城形成2个局部重力异常区,量值分别是25×10-8 m/s2、-30×10-8 m/s2。图3b(2007年7月—2008年5月)与上期(图3a)相比出现重力场反向变化,震中高陵地区由上期的负值变化变为正值变化。旬邑—麟游—周至以西出现较大范围的重力负值变化,但变化量值不大,另外在韩城出现较大范围重力场负值变化。临潼—渭南—华县以南出现大范围的重力正值变化,变化达50×10-8 m/s2。震中高陵处于重力正值变化区域。图3c(2008年5月—2009年5月)显示关中地区重力场变化特征进一步发生调整,整个关中地区重力场以正值变化为主,正向变化值位于永寿、旬邑附近,达40×10-8 m/s2。咸阳—三原—铜川—大荔一线的东南地区重力场出现负值变化,负向变化最大值位于洛南地区,达-35×10-8 m/s2,零值线位于三原附近,震中高陵位于零值线附近。由图3d(2009年5—9月)可知,高陵地震前震中附近形成重力四象限分布格局,地震震中处于四象限的鞍部。这种重力场分布格局可能受2008年5月12日四川汶川MS80地震遠场效应影响。汶川地震后地震能量沿北川—青川断裂向北东方向扩散,引起北东方向的陕西南部及关中地区应力场重新调整,物质重新分布,从而导致关中中部渭河断裂出现局部应力集中,进而诱发2009年11月5日的高陵MS44地震。图3e(2009年5月—2010年6月)显示高陵MS44地震后由于震后应力场松弛效应,高陵震中附近重力变化梯度带消失,重力场由0×10-8 m/s2变化为-5×10-8 m/s2,相比上期(图3d)重力场分布格局发生顺时针旋转。图3f(2010年6月—2011年6月)显示重力场在进一步应力场调整作用下,负值变化区域显著缩小,正值变化区域明显扩大。高陵地震前后重力场变化也符合地震扩容理论。
232次地震前重力场累积变化
重力场累积变化图像可以直观判断研究区域重力累积变化情况,可以对研究区域未来地震发震概率研判提供一定的参考。为此本文分析了泾阳MS48地震、高陵MS44地震前的重力累积变化情况,如图4所示。图4a(1993年7月—1997年7月)显示,重力场累积变化并不显著,整个关中地区重力场基本以正值变化为主,铜川—泾阳—蒲城以北出现重力场局部负值变化,周至地区出现局部的负值变化。泾阳MS48地震震中位于重力场变化的零值线附近,重力变化幅度不大,研究表明这种现象属于局部“硬化”,表明该地区附近的渭河断裂构造活动加强,而震中闭锁程度增大(祝意青等,2013b)。除此之外,地震往往发生在重力变化零值线及等值线拐弯处(申重阳等,2010;祝意青等,2013a,b),而1998年1月5日泾阳MS48地震恰好发生在具有这种特征的位置。图4b(2006年7月—2009年9月)显示,与泾阳MS48地震前重力场累积变化相似,高陵MS44地震前重力累积变化也不显著,在震中北部和南部出现2个较大的重力场负值变化区,量值分别为-35×10-8m/s2、-25×10-8m/s2,震中处于重力场变化零值线及等值线拐弯附近,同样高陵MS44地震前也属于局部“硬化”现象(祝意青等,2013b)。另外2次地震的震源机制解与重力场变化等值线展布具有一定的对应关系。从泾阳MS48地震和高陵MS44地震前的重力累积变化 [KG(0.1mm]来看,重力的累积量较小,尤其是4~5级左右的中小地震,震前很难发现明显的重力累积变化。但2次地震震中都处于重力变化零值线及等值线拐弯处,因此可将该特征作为中小地震的研判指标(申重阳等,2010;祝意青等,2009,2012,2013a,b)。[KG)]
242次地震前后重力点值时序变化
重力点值时序变化可以反映地震前后重力点异常变化的情况,从而可以分析距离地震震中不同距离、不同方位、不同断裂附近重力点值的变化过程及趋势。限于篇幅,本文只选取了关中西部、中部、东部地区不同断裂部位的18个重力点(图5),绘制了这些测点1992—2012年时间序列,重点分析这些测点对泾阳MS48和高陵MS44两次地震的响应关系,具体如图6所示。选取的18个重力测点中部分测点在2次地震前后变化显著,变化量大于25倍的点值精度均值,有的变化不显著,甚至与点值精度均值大小相当。但这些测点都可以在一定程度上反映2次地震前后重力变化过程。
[JP2]图6a表示的是关中西部的重力点值变化情况,其中凤翔、岐山、扶风测点位于陇县—岐山—马召断裂附近,距离2次地震震中相对较远,泾阳MS48地震前后这3个点都出现上升—下降—加速上升—下降(发震)—小幅上升—加速下降的变化过程,而地震发生在重力值下降的过程中;高陵MS44地震前后这3个点的变化过程是:下降—上升—下降—上升(发震)—小幅上升—下降,与泾阳地震发震时不同,高陵地震发震时处于重力上升过程。永寿、礼泉、乾县测点位于口镇—关山断裂、北山山前断裂、扶风—礼泉断裂附近,泾阳地震前重力变化比较平缓,发震在重力负值变化过程中,高陵地震前后经历了快速上升—快速下降—缓慢上升(发震)—缓慢下降的变化过程。[JP]
图6b表示的关中东部的重力点值变化情况,其中澄城、韩城、合阳测点位于韩城断裂附近,泾阳MS48、高陵MS44地震前后重力变化幅度不大,地震发生时这3个测点都是处于重力正值变化过程;华县、党木、渭南测点分别处于华山山前断裂、双泉—临猗断裂、渭南塬前断裂附近,这3个测点在2次地震前后重力变化幅度也不大,基本在重力正向变化过程中发生地震。
图6c表示的是关中中部即2次地震震中附近重力点值变化情况。其中零口、临潼、吕家堡位于长安—临潼断裂、长安—临潼断裂、渭南塬前断裂附近,泾阳MS48地震前后这3个测点重力变化相对较大,基本在重力下降过程中发生地震,高陵MS44地震前后重力变化比较平稳,只有吕家堡测点在震前出现快速上升和下降的过程;而处于震中西侧的三原、淡村、分水闸的3个测点,分别位于扶风—礼泉断裂、北山山前断裂附近,2次地震前后重力点值变化比较明显,尤其是泾阳地震前后,重力处于快速上升—下降—上升—下降的变化过程。与图6a中测点相比,变化更加剧烈,同时变化趋势发生转向,如凤翔等测点在泾阳地震发震时处于下降变化,而三原等测点则处于上升变化,同样的,高陵地震发震时2个区域的测点也出现变化趋势转向的情况。
3结论与讨论
地震从孕育到发生是一个从应力积累到能量释放的过程,在地震孕育过程中,随着震源区应力的不断积累,使得地壳内部的物质发生迁移,致使地壳内部密度发生变化,从而使得该处地表的重力值发生变化(祝意青等,2009)。陕西关中地理位置特殊,活动断裂发育,泾阳MS48地震、高陵MS44地震都发生在渭河断裂与渭南塬前断裂交叉部位,因此必然受到断裂活动的影响。
泾阳MS48地震发生在渭河断陷盆地内的乾县—咸阳塬断块和固市—西安断块的交接部位,北侧是口镇—关山断裂,南侧是渭河隐伏断裂,东侧是泾阳—渭南断裂,关于发震断裂,不同的学者研究结果不同,但基本认为与渭河断裂有关(王卫东,2002;吴富春等,2000)。泾阳地震震中既是莫霍面等深线急剧变化的地段,也是地壳P波和S波高速带的边缘地段,符合强震发生的构造背景和条件。泾阳地震发震时处于重力下降过程中,与区域布格重力异常同向负值变化,表明在地震孕育過程中物质发生运移、密度重新分布,同时表明区域应力场得到增强(王卫东,2002)。由重力场差分变化图像和累积变化图像可知,泾阳地震前重力变化不显著,累积变化不明显,可能的原因是在泾阳地震孕育过程中,震源区应力作用方式是以水平为主的左旋走滑,断裂主要表现为水平错动,断裂两盘质量密度差异变化较小,故而重力异常变化不显著(高好林等,2005)。
高陵MS44地震发生在渭河盆地内部的泾阳—渭南断裂,震源机制解表明该地震为正断型,节面走向为东西向,与泾阳—渭南断裂的构造特征吻合(王平等,2014)。高陵地震震中与泾阳地震震中相距较近,但震源机制却不尽相同,从重力场演变角度来看两者也存在差异,表明高陵地震主要受泾阳—渭南断裂活动控制,震前重力场动态演化经历了下降—上升—下降的变化过程,震前1年时间内震中周缘都处于重力场负值变化,而震中却表现为较弱的正值变化,显示出局部“硬化”现象(祝意青等,2013b),震后震中重力场进一步向负值变化,表明应力场进行局部调整,两年后震中重力场由负值变化转向正值变化,符合地震扩容理论变化规律。2次地震重力累积变化不明显,没有形成显著的正或负变化异常区,这与强震孕育中会产生较大的重力累积变化量不符(申重阳等,2010)。
通过计算并分析2次地震前后的重力场、重力点值时间序列,得到如下结论:
(1)基于1992—2011年的陕西关中重力测网数据,分析了泾阳MS48、高陵MS44地震前后的重力场动态演化图像,发现地震孕育过程中重力场符合正向—负向—正向变化的规律,符合地震扩容理论,即地下岩体的压缩—膨胀—流体扩散3个阶段。在2次地震震中都出现了局部“硬化”现象(祝意青等,2013b),表明震中区处于闭锁增强阶段,重力场动态图像表明2次地震均发生在重力场负向变化过程中。
(2)泾阳MS48、高陵MS44地震都发生在渭河断裂和泾阳—渭南断裂附近,震源机制解表明2次地震受2条断裂的活动影响。2次地震震中都位于重力场等值线拐弯处及零值线附近,表明地震易于在重力正负交替变化的部位,尤其是转折部位发生(申重阳等,2010;祝意青等,2009,2012,2013a,b)。但2次地震前重力累积变化不显著,可能与地震震级较小有关。
(3)从泾阳MS48、高陵MS44地震前后的重力点值时间序列来看,关中西部的重力点值在震前、震后变化幅度较大,尤其是陇县—宝鸡断裂带附近的测点,且2次地震发生时这些测点都处于重力负向变化;而关中东部在2次地震前后变化不是很明显,且发震时重力测点处于正向变化;关中中部即震中附近的测点对泾阳地震的同震反映较大,而对高陵地震反映不明显。
[HTK]感谢两位审稿专家对本文提出的宝贵意见和建议,对于本文质量的提高大有益处。同时对陕西省地震局流动重力室同事的辛勤工作表示衷心的感谢。
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