李 盛,胡久常,廖桂金,王志成,江 蕾

（1. 海南省地震局,?？?570203；2.廣東省地震局,廣州 510070）

關(guān)鍵字：連續(xù)重力；流動(dòng)重力；重力累積變化；重力變化異常；地震

0 引言

地表重力變化主要是由地表觀測點(diǎn)的位置變化、地殼內(nèi)部密度變化和地殼構(gòu)造變形引起的的綜合反映[1-6]。地震重力監(jiān)測主要監(jiān)測地表或空間重力場時(shí)間變化,即動(dòng)態(tài)重力變化。動(dòng)態(tài)重力場變化是地表位移運(yùn)動(dòng)（主要為測點(diǎn)垂直位移）和地球內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)移或變化的綜合反映,是地球內(nèi)部變形與密度變化耦合運(yùn)動(dòng)的重要表征物理量[7]。地震的孕育過程包含于地殼運(yùn)動(dòng)過程中,因此,通過對動(dòng)態(tài)重力場變化的深入分析,綜合地震活動(dòng)和動(dòng)力構(gòu)造背景條件信息,有可能捕獲某些反映強(qiáng)震孕育過程的某些有效信息（即前兆信息）,這是利用重力手段開展地震預(yù)測的基本出發(fā)點(diǎn)。

目前的地面重力監(jiān)測手段主要有：連續(xù)重力和流動(dòng)重力。連續(xù)重力觀測是通過固定的定點(diǎn)臺(tái)站上的連續(xù)觀測,獲得定點(diǎn)臺(tái)站的連續(xù)重力變化（主要為潮汐）及其表征周圍地殼物性特征的時(shí)間變化的結(jié)果,同時(shí)通過多臺(tái)的綜合觀測形成臺(tái)陣,從而可研究相關(guān)區(qū)域地殼的構(gòu)造變化。流動(dòng)重力觀測是通過定期或不定期的相對重力觀測,將測網(wǎng)內(nèi)各點(diǎn)按一定的形式進(jìn)行相對聯(lián)測,并輔以一定的絕對重力觀測加以控制,形成可用位場變化表示的觀測網(wǎng)絡(luò),獲得高精度重力場（非潮汐）的空間和時(shí)間變化。

目前,利用連續(xù)重力和流動(dòng)重力觀測資料探索進(jìn)行地震預(yù)測研究和服務(wù),取得了一些成果和進(jìn)展,并在實(shí)踐中得到應(yīng)用。如我國重力臺(tái)站的M2波潮汐因子在印尼大震前均表現(xiàn)出較長時(shí)間(有的超過3個(gè)月)的趨勢性下降；而同期加卸載響應(yīng)比變化不顯著,這可能是加卸載響應(yīng)比對近區(qū)反應(yīng)強(qiáng),對遠(yuǎn)區(qū)反應(yīng)弱的緣故,同時(shí)也說明能夠通過對M2波潮汐因子變化了解全球重力場變化信息[8]。日本MS9.0地震前沈陽臺(tái)、青島臺(tái)、溧陽臺(tái)和廈門臺(tái)等臺(tái)重力原始觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)喇叭口狀的重力異常擾動(dòng)現(xiàn)象[9]。成都、烏什和鄭州3臺(tái)(套)連續(xù)重力觀測儀在日本MS9.0地震震前3天出現(xiàn)了明顯的重力擾動(dòng)異?，F(xiàn)象[10]。對2014年2月12日于田MS7.3級(jí)地震震前陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)重力觀測資料的分析發(fā)現(xiàn),于田地震前存在 4～8 s 的重力擾動(dòng)信號(hào),并分別于震前6 d 和2 d 出現(xiàn)在中國大陸不同區(qū)域。前者信號(hào)強(qiáng)度在我國東北鶴崗臺(tái)最強(qiáng),向西至庫爾勒—于田臺(tái)逐漸減弱,形成一個(gè)條帶;后者信號(hào)強(qiáng)度在我國東南沿海溫州—廈門臺(tái)最強(qiáng),向西至襄樊—萬州臺(tái)逐漸減弱[11]。而在流動(dòng)重力方面,地震大都發(fā)生在活動(dòng)板塊的邊界或活動(dòng)斷裂帶上；構(gòu)造活動(dòng)斷裂帶由于其差異運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈而構(gòu)造變形非連續(xù)性最強(qiáng),易產(chǎn)生急劇的重力變化,最有利于應(yīng)力的高度積累而孕育地震；地震活動(dòng)與重力場變化空間上分布的不均勻性和時(shí)間上的不連續(xù)性息息相關(guān),主要表現(xiàn)為中國大陸MS6.8級(jí)以上強(qiáng)震主要發(fā)生在重力場變化分布差異較為劇烈的地區(qū)和重力變化發(fā)生轉(zhuǎn)折的時(shí)段[12-13]。經(jīng)過多年的實(shí)踐和研究,祝意青等[14-18]在深入研究區(qū)域重力場演化特征的基礎(chǔ)上,提出定性和定量相結(jié)合研究與強(qiáng)震孕育有關(guān)的重力變化背景與異常,總結(jié)了利用重力場變化資料進(jìn)行地震危險(xiǎn)性和危險(xiǎn)地點(diǎn)預(yù)測的方法,包括重力場變化對地震的前兆反映能力、強(qiáng)震孕育發(fā)生過程中的重力異常特征等。

2019年10月12日,廣西北流—廣東化州地區(qū)（22.18°N,110.51°E）發(fā)生MS5.2地震,震源深度10 km。本文擬從重力學(xué)科角度,深入分析震前粵桂瓊地區(qū)的時(shí)空重力變化特征,識(shí)別、提取和論證可能存在的重力異常,以充實(shí)該地震的震例信息,為華南地區(qū)重力學(xué)科預(yù)測指標(biāo)體系的豐富完善提供一些經(jīng)驗(yàn)和參考。

1 連續(xù)重力觀測資料分析

重力隨時(shí)間的變化,可分為潮汐變化和非潮汐變化。前者如地球潮汐與地球自轉(zhuǎn)變化,后者一般是地球物質(zhì)遷移引起的重力隨時(shí)間的變化[19]。臺(tái)站重力潮汐曲線包含成分為:Yt=σA（t）+Y0(t),式中Y為逐時(shí)讀數(shù),A（t）為t時(shí)刻引潮力(t取值介于0～23 h) , σ為潮汐因子,Y0(t)為儀器零點(diǎn)漂移, 第一項(xiàng)為地球彈性介質(zhì)對潮汐力的響應(yīng), 第二項(xiàng)則是漂移, 其中包括儀器本身漂移、外界干擾等, 同時(shí)還包含了地下密度變化和物質(zhì)遷移。

粵桂瓊地區(qū)目前有4個(gè)臺(tái)站在運(yùn)行連續(xù)重力觀測,分別是廣東深圳臺(tái)、廣西靈山臺(tái)、憑祥臺(tái)和海南瓊中臺(tái)（各臺(tái)站位置、廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震震中分布以及震中距見圖1）,其中靈山臺(tái)、憑祥臺(tái)和瓊中臺(tái)觀測儀器是PET/Gphone相對重力儀（美國LaCoste&Romberg公司生產(chǎn)）,采樣率為1 s；深圳臺(tái)觀測儀器是DZW相對重力儀（武漢地震科學(xué)儀器研究院生產(chǎn)）,采樣率為60 s。

圖1 粵桂瓊地區(qū)連續(xù)重力臺(tái)站分布圖Fig.1 The distribution map of continuous gravity stations in Guangdong, Guangxi and Hainan area

1.1 重力數(shù)據(jù)擾動(dòng)分析

重力儀記錄的震前重力擾動(dòng)大多來自7.0 級(jí)以上地震,且震源深度小于20 km[20]。廣西北流—廣東化州5.2級(jí)前粵桂瓊地區(qū)連續(xù)重力觀測數(shù)據(jù)是否存在此類現(xiàn)象,在此從原始數(shù)據(jù)及其濾波曲線兩個(gè)方向入手。因重力擾動(dòng)信號(hào)一般是高頻信號(hào),因此對于分鐘值采樣的數(shù)據(jù)（深圳臺(tái)）,在此不做分析。

原始數(shù)據(jù)方面,靈山臺(tái)、憑祥臺(tái)和瓊中臺(tái)的原始秒數(shù)據(jù)在震前均無明顯的擾動(dòng)的異常（圖2,以距離震中最小的靈山臺(tái)為例）。

圖2 靈山臺(tái)原始秒數(shù)據(jù)時(shí)序曲線Fig.2 The time series curve of second data of Lingshan station

因震前重力擾動(dòng)異常均為高頻信號(hào),分別設(shè)置2 種濾波器對原始秒數(shù)據(jù)濾波。對靈山臺(tái)、憑祥臺(tái)和瓊中臺(tái)原始秒數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波（截止頻率為0.01 Hz ,即保留周期100 s 以內(nèi)的信號(hào)）和帶通濾波（帶通頻率為0.125～0.25 Hz ,即保留周期為4～8 s 的信號(hào)）,以剔除固體潮、長趨勢漂移、大氣影響、地下水影響和地球自由振蕩等信號(hào),直觀展現(xiàn)地震發(fā)生前的地震、微震和擾動(dòng)異常信號(hào),濾波曲線見圖3（圖中黑色的曲線表示0.01 Hz高通濾波,藍(lán)色曲線表示0.125 ～0.25 Hz帶通濾波）。由圖3可見,濾波后,靈山臺(tái)、憑祥臺(tái)在震前無明顯的擾動(dòng)異?，F(xiàn)象；瓊中臺(tái)10月9日至10月10日大于0.01 Hz的高頻信號(hào)較強(qiáng),這主要是該段時(shí)間受到降雨干擾導(dǎo)致。

圖3 原始數(shù)據(jù)濾波時(shí)序曲線Fig.3 The filtering timing curve of raw data

1.2 潮汐因子變化

在地震預(yù)報(bào)中用固體潮預(yù)報(bào)地震的主要方法在于監(jiān)測其潮汐因子的變化, 一般情況下,潮汐因子在1% 的儀器觀測精度范圍內(nèi)變化, 由于在應(yīng)力場作用下, 其介質(zhì)的變化可能導(dǎo)致潮汐因子地震前的變化。潮汐分析法主要采用潮汐因子時(shí)間序列分析的方法。潮汐調(diào)和分析采用潮汐因子滑動(dòng)算法（窗長30 d,步長2 d）進(jìn)行,因在各潮波中,M2波（月亮的主半日波）振幅最大,也最為穩(wěn)定,因此在地震分析預(yù)報(bào)中主要跟蹤M2波潮汐因子的變化。

潮汐因子的物理表達(dá)為：

按開爾文地球模型（不可壓縮、均質(zhì)、彈性球體）中2階勒夫數(shù)的物理表達(dá)如下：

潮汐因子變化與地球半徑（R）、當(dāng)?shù)氐厍蛑亓觯╣）、地球密度（ρ）的變化成正比,與拉梅常數(shù)（μ）的變化成反比。上述公式表明,潮汐因子與觀測站的位置、物性參數(shù)有關(guān)系,潮汐因子變化反應(yīng)觀測站周圍地區(qū)的位置、物性參數(shù)的變化[21]。

分析2013年以來憑祥、靈山、深圳和瓊中臺(tái)的M2波潮汐因子變化（圖4）,靈山臺(tái)M2波潮汐因子變化最為穩(wěn)定,最大變化幅度僅為0.34% ;深圳臺(tái)基本呈上下起伏變化；憑祥臺(tái)M2波潮汐因子整體呈向下變化趨勢, 2019年以來變化幅度較??；瓊中臺(tái)總體變化平穩(wěn),尤其是2019年1月以來,M2波潮汐因子變化幅度很小。廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震前,以上4個(gè)臺(tái)站的重力M2波潮汐因子均無明顯的異常變化,震前一年的變化幅度未超過1%。

圖4 瓊中臺(tái)、深圳臺(tái)、憑祥臺(tái)和靈山臺(tái)M2波潮汐因子時(shí)序變化Fig.4 The time changes of tidal factors of M2 wave in Qiongzhong, Shenzhen, Pingxiang and Lingshan seismic stations

2 流動(dòng)重力觀測資料分析

地球重力場是基本的地球物理場之一,它與地球形狀和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān),地球內(nèi)部或地表的任何質(zhì)量改變均可引起地球重力場的改變。地震的孕育發(fā)生過程中要產(chǎn)生地球物質(zhì)的再分布,地球重力場及其時(shí)間變化包含著這種分布及其變化效應(yīng)。因此,進(jìn)行重復(fù)重力測量獲取地球重力場及其變化,從中分離地震孕育信息,是獲取地震預(yù)報(bào)所需的前兆信息的重要途徑之一[22]。流動(dòng)重力測量反映的是區(qū)域重力場的非潮汐變化信息,包括構(gòu)造信息和非構(gòu)造信息。因而,地殼內(nèi)部的物質(zhì)遷移、地殼構(gòu)造和地震的形成過程等,都可以在流動(dòng)重力復(fù)測結(jié)果中反映出來[23]。

2011年以來海南島陸與廣東雷州半島地區(qū)均進(jìn)行了流動(dòng)重力測量,每年2期[23],雷州半島測區(qū)和海南測區(qū)每期流動(dòng)測量的時(shí)間準(zhǔn)同步。2011年至2017年上半年,雷瓊地區(qū)分別作為相對獨(dú)立的測網(wǎng),未進(jìn)行雷瓊地區(qū)聯(lián)測,在進(jìn)行資料平差處理和動(dòng)態(tài)分析時(shí)也是兩個(gè)測網(wǎng)獨(dú)立進(jìn)行,這種按各省區(qū)監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行的分散研究,由于觀測信息在空間密度上嚴(yán)重不足,不能捕捉到孕震過程中出現(xiàn)的完整前兆信息[24],存在缺陷和不足。2017年下半年,雷瓊地區(qū)開始進(jìn)行跨瓊州海峽聯(lián)測,截至2019年12月,雷瓊地區(qū)已連續(xù)5期進(jìn)行了聯(lián)測。目前,雷瓊地區(qū)共有流動(dòng)重力測點(diǎn)131個(gè),測段140個(gè),其中海南島測點(diǎn)66個(gè),測段69個(gè),雷州半島測點(diǎn)65個(gè),測段70個(gè),另有公共測段1個(gè)（即為海南向榮村—廣東海安）,同時(shí),雷瓊地區(qū)共有重力絕對基準(zhǔn)點(diǎn)兩個(gè),分別是雷州半島的湛江和海南的瓊中（雷瓊地區(qū)流動(dòng)重力聯(lián)測圖見圖5）。

圖5 海南島陸-雷州地區(qū)流動(dòng)重力測網(wǎng)圖Fig.5 The map of mobile gravity survey in the Hainan Island-Leizhou area

跟蹤雷瓊聯(lián)測后也即2017年10月以來雷瓊地區(qū)重力場變化。采用高精度重力測量資料處理系統(tǒng)軟件-《LGADJ》進(jìn)行自由網(wǎng)平差,對2017年10月至2019年8月雷瓊地區(qū)一共5期流動(dòng)重力觀測資料進(jìn)行平差處理,各期資料的平差精度見表1。除2017年第二期和2018年第一期的點(diǎn)值平均精度稍大于10×10-8m·s-2外,其他各期的平均精度均小于10×10-8m·s-2,反應(yīng)觀測資料可靠。

表1 雷瓊地區(qū)重力觀測資料情況Table 1 Information of the gravity survey in Hainan Island-Leizhou area

2.1 重力場差分動(dòng)態(tài)變化圖像

2017年10月以來,雷瓊地區(qū)分別發(fā)生了2018年3月20日陽江4.2級(jí)地震、2019年3月5日廣東雷4.1級(jí)地震、2019年8月20日海南三亞4.2級(jí)地震和2019年10月12日廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震。圖6是2017年10月以來雷瓊地區(qū)相鄰兩期區(qū)域重力場的

差分圖像,分析圖6表明：

（1）2017年10月以來,雷瓊地區(qū)重力場差分動(dòng)態(tài)變化總體比較平穩(wěn),相鄰兩期的重力場變化均在 40×10-8m·s-2以內(nèi)。

（2）2017-10 ～ 2018-05（雷州測區(qū)流動(dòng)重力野外觀測時(shí)間位于陽江4.2級(jí)地震發(fā)震之前）期間,陽江4.2級(jí)地震震中附近地區(qū)形成南北向、重力場差異變化達(dá)40×10-8m·s-2正負(fù)變化梯度帶,地震發(fā)生于梯度帶等值線的拐彎部位；其他相鄰兩期重力場變化,無顯著的異常特征。

圖6 雷瓊地區(qū)不同時(shí)段的重力場差分動(dòng)態(tài)變化圖像（單位：10-8m·s-2）Fig.6 Maps of differential dynamic images of gravity field at different periods in Hainan island and Leizhou Peninsula (unit：10-8m·s-2)

2.2 重力場累積動(dòng)態(tài)變化圖像

為了分析雷瓊地區(qū)較長時(shí)段的區(qū)域重力場累積變化特征,我們以2017年10月觀測資料為時(shí)間基準(zhǔn),分別繪制了各測期相對首期的區(qū)域重力場累積變化動(dòng)態(tài)圖像（圖7）,分析圖7表明：

（1）陽江—茂名地區(qū)重力場并未隨著陽江4.2級(jí)地震的發(fā)生,出現(xiàn)震后恢復(fù)的過程,反而呈現(xiàn)重力場變化繼續(xù)增大的過程,至2019年3月,該地區(qū)的重力場正變化達(dá)到近50×10-8m·s-2,一直到2019年8月,該地區(qū)的累積重力場變化維持在40×10-8m·s-2水平,相對于2019年3月,重力場變化最大幅度稍有下降,其后的2019年10月12日發(fā)生廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震。

（2）雷州4.1級(jí)地震前后,震中附近地區(qū)的重力場變化均無明顯的異?，F(xiàn)象。

（3）2017年10月以來,海南島陸南部逐漸形成一個(gè)北西向的正負(fù)重力場變化異常梯度帶,總體變化態(tài)勢表現(xiàn)為自西北向東南由正向負(fù)的趨勢；其正負(fù)變化差異的幅度也隨著時(shí)間變化逐漸增高,至2019年8月,異常梯度帶重力正負(fù)變化差異達(dá)70×10-8m·s-2,范圍約60 km。三亞4.2級(jí)地震震中位于2017-10～2019-03、2017-10～2019-08累積重力變化異常梯度帶的零值線上。

圖7 雷瓊地區(qū)不同時(shí)段的重力場累積動(dòng)態(tài)變化圖像（單位：10-8m·s-2）Fig.7 Maps of accumulative dynamic changes of gravity field at different time periods in Hainan island and Leizhou Peninsula(unit:10-8m·s-2)

2.3 重力場變化與三亞4.2級(jí)地震、廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震

2000年以來,祝意青等根據(jù)多次中長期中強(qiáng)地震的成功預(yù)測經(jīng)驗(yàn)與震例總結(jié),在深入研究區(qū)域重力場演化特征的基礎(chǔ)上,提出定性和定量相結(jié)合研究與強(qiáng)震孕育有關(guān)的重力變化背景與異常,總結(jié)了利用重力場變化資料進(jìn)行地震危險(xiǎn)性和危險(xiǎn)地點(diǎn)預(yù)測的方法,包括重力場變化對地震的前兆反映能力、強(qiáng)震孕育發(fā)生過程中的重力異常特征等（見表2）[14-18]。廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震前,震中附近地區(qū)—年半、兩年的累積重力變化形成幅值約50×10-8m·s-2、范圍約100 km的異常特征,地震發(fā)生在重力場正變化梯度帶上且附近存在構(gòu)造斷裂,符合表2所總結(jié)的地震重力異常與地震孕育發(fā)生的關(guān)系,因此,認(rèn)為該異常是廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震的前兆異常。而三亞4.2級(jí)地震震中附近地區(qū)無明顯的活斷層分布,震前重力變化梯度帶的異常范圍也小于100 km,這些特征尚未達(dá)到發(fā)生5級(jí)地震的異常形態(tài)與范圍,不具有發(fā)生5級(jí)地震地震的背景,它可能反映的是震中附近小范圍局部異常特征與三亞4.2級(jí)地震存在對應(yīng)關(guān)系。

表2 地震重力異常與地震孕育發(fā)生的關(guān)系Table 2 The relationship between seismic gravity anomalies and the occurrence of earthquakes

3 討論與結(jié)論

本文對粵桂瓊地區(qū)4個(gè)臺(tái)站的連續(xù)重力觀測資料和2017年以來的雷瓊地區(qū)的流動(dòng)重力觀測資料進(jìn)行分析,主要探討了廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震前上述觀測資料的變化特征。根據(jù)上述分析,認(rèn)為：

（1）廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震前靈山臺(tái)、憑祥臺(tái)和瓊中臺(tái)的重力原始數(shù)據(jù)無異常擾動(dòng)現(xiàn)象,粵桂瓊4個(gè)重力臺(tái)站的重力M2波潮汐因子變化也無異?，F(xiàn)象。目前,利用連續(xù)重力觀測資料捕捉5級(jí)左右地震震前前兆異常尚具有很大的難度,無明顯的震例可供借鑒,也無類似公開可靠的研究成果發(fā)表。本文在這一方面的研究進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)。

（2）2017年10月以來雷瓊地區(qū)的流動(dòng)重力聯(lián)測后的觀測資料分析表明（此前的觀測資料,因未聯(lián)測,在此不作分析）,北流—化州5.2地震、陽江4.2級(jí)地震和三亞4.2級(jí)地震前,震中區(qū)均存在重力變化異常。其中廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震異常持續(xù)時(shí)間達(dá)2年,異常范圍約100 km ,異常量級(jí)50×10-8m·s-2,地震發(fā)生于重力場變化的高梯度帶上；陽江4.2級(jí)地震異常持續(xù)時(shí)間約0.5年,異常范圍約100 km,異常量級(jí)40×10-8m·s-2,地震發(fā)生于重力場變化的高梯度帶等值線的拐彎部位；三亞4.2級(jí)地震異常持續(xù)時(shí)間達(dá)2年,異常范圍約60 km ,異常量級(jí)50×10-8m·s-2,地震發(fā)生于重力場變化的高梯度帶的零值線上。這些研究成果,進(jìn)一步驗(yàn)證了區(qū)域重力場觀測不僅對于強(qiáng)震,甚至中強(qiáng)地震位置、震級(jí)的判定也具有一定的優(yōu)勢。而且,對于4～5級(jí)地震,區(qū)域重力場在震前也可能有一定的異常反應(yīng),當(dāng)然這需要高精度的觀測數(shù)據(jù)、更高分辨率的測網(wǎng)布局和更加精細(xì)的數(shù)據(jù)處理。雷瓊地區(qū)的測網(wǎng)分布相對合理,測段間距一般介于20～30 km ,有些測段間距甚至低于20 km,這相對于其他全國流動(dòng)重力測網(wǎng)而言,具有一定優(yōu)勢。