李玉森，底欣欣，臧石磊，李 偉，商占鑫

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

早在上世紀70年代，我國學者在海城M7.3地震和唐山M7.5級地震專題研究中開展了重力變化與地震對應關(guān)系的初步探索，并取得了一定的成果［1］。近年來，隨著我國大陸重力監(jiān)測網(wǎng)的不斷優(yōu)化和完善，重力觀測在地震監(jiān)測預報中的作用不斷提升。一些學者專家李輝、祝意青、申重陽、陳石等先后開展了重力學與地震的專題研究，成功捕捉了汶川M8.0、蘆山M7.0、于田M7.3和九寨溝M7.0等地震前兆信息，并進行了較好的中期預判，尤其是在強震地點的判定上有了較大的突破；同時在總結(jié)多個典型震例的基礎(chǔ)上，給出地震與重力異常判定的經(jīng)驗指標［2-12］。

遼寧地區(qū)地處大華北震區(qū)和東北震區(qū)的結(jié)合地帶，有1975年海城M7.3強震歷史，自2012年以來，遼寧地區(qū)地震活動性顯著增強，中小震相對活躍，遼中南地區(qū)長期以來一直被視為地震重點監(jiān)視防御區(qū)，做好地震預判是重中之重。遼寧地區(qū)重力研究起步較晚，由于震例較少，諸多研究領(lǐng)域均處于起步階段，重力監(jiān)測在地震預報中的作用有待提高。筆者從重力學角度出發(fā)，統(tǒng)計重力變化與地震的對應關(guān)系，結(jié)合具體震例提取重力異常指標，構(gòu)建遼寧地區(qū)重力異常指標體系，為今后地震分析預報提供科學依據(jù)。

1 流動重力簡介

遼寧省流動重力觀測始于1990年，最初建立30多個觀測點。20多年間經(jīng)歷3次測網(wǎng)升級改造。2018年初，在湖北省地震局地震研究所的指導和協(xié)助下，完成最新一次測網(wǎng)升級，按標準新建和改建測點共12個，形成69個測點和84個測段，平均點距50 km，形成東到通化、西至山海關(guān)、南抵煙臺、北接通遼，面積達20萬平方公里的大遼寧重力測網(wǎng)。如圖1所示：

圖1 遼寧地區(qū)重力測網(wǎng)示意圖Fig.1 The sketch of gravity network of Liaoning

2 數(shù)據(jù)處理方法

遼寧地區(qū)重力觀測采用高精度拉科斯特重力儀（LCR-G型），每年2期重力觀測。外業(yè)觀測自差 （小于 25μGal） 和互差 （小于30μGal） 均符合規(guī)范要求。由于遼寧測區(qū)絕對重力點稀缺，本文采用自由網(wǎng)平差，然后歸算到絕對重力點（沈陽）的數(shù)據(jù)處理方法，在數(shù)據(jù)處理過程中合理確定各臺儀器的先驗方差，同時對一次項、固體潮、零漂和儀器高改正，經(jīng)過反復計算得到最優(yōu)解算結(jié)果［13-14］。平面圖統(tǒng)一采用克里金差值法，等值線間隔10μGal。

3 重力變化分析

3.1 燈塔M5.1地震

2013年1月遼寧燈塔發(fā)生M5.1地震，震源深度7km，震中位于郯廬斷裂帶（遼東濱海段），震源機制為走滑型。這是遼寧省自1999年岫巖M5.4地震之后，在遼中南地區(qū)發(fā)生的一次顯著的地震事件。震前遼寧測區(qū)流動重力觀測數(shù)據(jù)顯示該區(qū)域已存在異常信息，具體如下：圖2A為震前一年半的累積變化圖，遼中南地區(qū)出現(xiàn)四象限變化特征，四象限中心處于燈塔附近，北部沈陽和南部海城地區(qū)重力上升變化較為強烈，最大變化量50μGal左右，表明該區(qū)域處于能量累積狀態(tài)。

圖2B和圖2C為半年累積變化圖。震前一年到震前半年出現(xiàn)明顯的正負反向變化，最大變化量50μGal，0值線基本保持不變，以燈塔為中心，在南北兩側(cè)形成兩處重力變化高梯度帶。震前半年在沈陽地區(qū)和海岫地區(qū)的正重力變化趨勢強烈，燈塔和遼陽地區(qū)呈U型負變化形態(tài)切斷連續(xù)正重力變化區(qū)域，形成區(qū)域性重力異常。

圖2 燈塔M5.1震前重力變化空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of gravity change before Dengta M5.1 earthquake

重力點值時序變化顯示2013年1月23日發(fā)生燈塔M5.1地震，是發(fā)生在重力變化上升到極值后，轉(zhuǎn)而下降的過程中。重力剖面變化強烈，呈現(xiàn)兩負兩正的變化形態(tài)，由北向南依次為正（沈陽、白塔）—負（燈塔、遼陽）—正（海城）—負（熊岳、李官），最大變化量50μGal左右［15-16］。

綜上所述，遼寧中部燈塔附近地區(qū)的重力變化一定程度上反映了燈塔M5.1地震的前兆異常信息。

3.2 朝陽M4.6地震

2016年5月23日，朝陽地區(qū)發(fā)生M4.6地震，震源深度6 km，震中位于赤峰—開原斷裂附近，該斷裂為近EW向，位于中朝準地臺與北部地槽的交界地帶，屬于壓-剪性斷裂。重力變化分析如下。

圖3 朝陽M4.6震前重力變化空間分布圖Fig.3 Spatial distribution map of gravity change before Chaoyang M4.6 earthquake

差分變化：圖3A和3B兩個區(qū)間的鄰期變化發(fā)生正負反轉(zhuǎn)，北部區(qū)域呈現(xiàn)由正到負的轉(zhuǎn)折性變化，該過程中重力變化幅度達60μGal，高梯度帶一直沿NW向展布，震中位于0值線上。

累積變化：圖3C兩年累計顯示，區(qū)域內(nèi)正負變化交替分布，正變化相對強勢，以朝陽為中心的負變化區(qū)沿朝陽—北票斷裂東西向展布并實現(xiàn)閉合，將西部正重力變化區(qū)截斷，在西北部形成赤峰正重力變化區(qū)，西南部形成綏中正重力變化區(qū)，區(qū)域重力最大量在 70μGal左右，在朝陽-北票斷裂和赤峰—開原斷裂上兩處形成重力變高梯度帶；圖3D三年累計顯示，區(qū)域正負重力變化顯著增強，四象限特征明顯，重力變化高梯度帶依舊存在，其中朝陽周邊最大梯度值達150μGal，在此區(qū)間內(nèi)，發(fā)生朝陽M4.6雙震和喀左M3.8地震，震中均位于0值線附近。

重力點值時序變化圖3E顯示，2013年以來呈現(xiàn)出同步變化趨勢，從15年4月開始，有一個急劇下降的過程，其中最大變化量在-90μGal左右，16年5月反向回升。朝陽M4.6地震發(fā)生在重力值上升后持續(xù)下降過程中。震中附近三個點朝陽、大廟和馬迷水變化量最大［17］。

綜上所述，朝陽地區(qū)的重力變化，尤其是累積變化能夠充分的反映地震的孕育和發(fā)展過程。

3.3 海城M4.4地震

2017年12月19日在遼寧海城地區(qū)發(fā)生M4.4地震，震源深度10 km，震中烈度為Ⅵ度，震中位于海城河斷裂上。海岫地區(qū)歷史上發(fā)生過海城M7.3級強震，2012年以后該區(qū)域中小震群相對活躍，多為淺源地震，其中最主要一次是2017年12月發(fā)生在海城的M4.4地震。重力變化分析如下。

圖4 海城M4.4震前重力變化空間分布圖Fig.4 Spatial distribution map of gravity change before Haicheng M4.4 earthquake

圖4A：一年半的累積變化，0值線在海城地區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)折，而后沿海城河斷裂延伸，并伴有正負變化高梯度帶，最大梯度值為70μGal。

半年差分變化，從圖4C-4B，遼中南地區(qū)在短期內(nèi)出現(xiàn)大范圍重力反向變化，四象限特征初現(xiàn)，重力在短時間呈現(xiàn)由負轉(zhuǎn)正的變化過程，形成能量累積，0值線控制整個區(qū)域，并在遼陽、岫巖地區(qū)形成大范圍轉(zhuǎn)折，說明重力區(qū)域變化不均勻，具體表現(xiàn)為沿海城河斷裂出現(xiàn)差異的重力變化。在此時段發(fā)生海城M4.4地震。

圖4D：通過震前測期和震后測期的實時比較，尚未出現(xiàn)明顯異常，說明震前的重力異常在震后通過快速恢復調(diào)整，趨于正常。

重力剖面變化：選取震中附近兩條測線海城—熊岳和北鐵—岫巖進行重力剖面分析，如圖5所示。

圖5 蓋州—海城—岫巖重力剖面變化圖Fig.5 Change of gravity profile from Gaizhou-Haicheng-Xiuyan

北東向跨海城河斷裂重力點值呈下降趨勢，2017年9月與2017年5月相比，蓋縣和大石橋測點下降幅值增大。北西向沿海城河斷裂析木—偏嶺段起伏較大，其中西腰測點變化幅度達40μGal，西腰測點短期內(nèi)的快速上升—下降直接反應了海城河斷裂構(gòu)造運動的重要佐證。

4 重力異常指標分析

2008年汶川地震之后。祝意青等研究探討了重力異常變化與地震三要素的關(guān)系，通過重力異常區(qū)的范圍和幅度、持續(xù)時間、重力變化梯度的大小及其特征，研究未來地震趨勢，總結(jié)的重力異常特征指標如下［18］。

表1 重力異常與地震孕育發(fā)生的關(guān)系

結(jié)合祝意青、申重陽等在重力與地震領(lǐng)域的研究成果，從宏觀和微觀、定性和定量多個角度分析遼寧地區(qū)重力變化與地震的關(guān)系，提取重力異常特征指標。在三次地震（燈塔M5.1、朝陽M4.6、海城M4.4） 事件中的提取重力異常共性指標，初步構(gòu)建遼寧地區(qū)重力異常判定指標體系。

表2 遼寧省重力異常指標統(tǒng)計表

綜上所述，遼寧地區(qū)近期內(nèi)M5.0±0.5震級檔的重力異常指標如下：

（1） 重力異常范圍維持在100～200公里之間；孕育時間0.5～3a不等，遼南地區(qū)地震孕育時間較短，遼西地區(qū)較長；短期重力異常量值在50μGal以上，個別震例長期累積變化達80μGal以上；

（2）平面圖中震中位置多位于梯度帶中±20μGal等值線之間的區(qū)域，遼寧地區(qū)M5.0±0.5多屬于短期局部異常，空間異常分布特征有以下幾點：正負高低四象限分布，沿構(gòu)造斷裂線的重力高梯度帶，0值線拐點等；時間序列上，中小震往往發(fā)生在重力變化上升到極值后的下降過程中；

（3） 遼中南地區(qū)地震活動性較強，重力變化較為強烈，鄰期變化對于重力異常的判定更有指示性，而遼西地區(qū)地震活動性較弱，重力變化相對緩慢，區(qū)域異常更多的從累積變化中反映。

5 結(jié)論與討論

通過研究分析遼寧地區(qū)近年來主要地震事件與重力變化之間的對應關(guān)系，筆者認為重力異常變化對于地震的中短期預報具有一定的參考價值，尤其是對潛在震中位置的判定，可信度較高。在引入全國其他地區(qū)重力異常與地震孕育特征指標的基礎(chǔ)上，初步建立了遼寧地區(qū)M5.0±0.5震級檔重力異常指標體系。由于現(xiàn)階段遼寧地區(qū)可研究的震例有限，無論從震例數(shù)量還是震級等客觀因素給研究帶來一定的約束，筆者研究的三次震例僅代表現(xiàn)階段的研究成果，所表現(xiàn)出的共性特征還需要實踐的檢驗。以上提出的遼寧地區(qū)M5.0±0.5震級檔的重力異常指標，能夠為地震分析預能夠科學依據(jù)，尤其是對地震可能發(fā)生的震級、地點的預判具有一定的指示意義，但是對于6級以上地震的分析研究還需繼續(xù)探索。