李樹鵬 祝意青 賈 媛 崔華偉 殷海濤 吳 雙 王鋒吉 陸漢鵬

1)山東省地震局，濟(jì)南 250014 2)中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054

0 引言

沂沭斷裂帶是郯廬斷裂帶的山東段(朱光等，2001)，是魯西斷塊與魯東斷塊的構(gòu)造分界線，歷史上發(fā)生過1668年郯城8級(jí)地震和公元前70年安丘7級(jí)地震，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失(晁洪太等，1995； 王志才等，2015)。其中安丘-莒縣斷裂是沂沭斷裂帶內(nèi)的全新世活動(dòng)斷層，前人通過野外地質(zhì)調(diào)查、 大地電磁、 小地震活動(dòng)分析、 GPS速度場等手段對該斷裂進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為沂沭斷裂帶北段目前處于閉鎖階段，有發(fā)生7級(jí)以上強(qiáng)震的可能性(徐錫偉等，2017)。

流動(dòng)重力觀測是強(qiáng)震中長期預(yù)報(bào)的有效手段(祝意青等，2012)。山東省地震局20多年來利用LCR-G和CG-5相對重力儀在沂沭斷裂帶地區(qū)開展了每0.5a一期的流動(dòng)重力重復(fù)觀測，取得了大量重力變化觀測成果； 2019年位于沂沭斷裂帶北段的昌邑—新河測段出現(xiàn)重力異常，中國地震局據(jù)此將該區(qū)域圈定為6級(jí)地震危險(xiǎn)區(qū)，后經(jīng)核實(shí)確定該異常為地下水減少所致。由此可見，對于流動(dòng)重力觀測中出現(xiàn)的異常，有必要明確是由構(gòu)造引起的還是非構(gòu)造背景場變化所引起，尤其要加強(qiáng)對有強(qiáng)震背景地區(qū)的非構(gòu)造背景場的認(rèn)識(shí)。

在分析2010—2020年間的重力變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，沂沭斷裂帶北段的重力變化幅度明顯大于其他區(qū)域，重力變化梯度帶沿?cái)嗔褞Х植?，明確該變化是否為構(gòu)造背景場變化所致對于地震中長期預(yù)測至關(guān)重要。為此，本文以沂沭斷裂帶及周邊地區(qū)為研究區(qū)，以高精度流動(dòng)重力觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合大地構(gòu)造、 地層巖性、 地下水、 GPS等背景場資料，通過高時(shí)空分辨率地殼形變場圖像及地下水變化的時(shí)-空分布特征，定量計(jì)算GPS及地下水變化對重力觀測的影響，獲取經(jīng)校正的重力場變化圖像，所得結(jié)果對沂沭斷裂帶地區(qū)的強(qiáng)震中長期預(yù)報(bào)具有重要的實(shí)際意義。

1 重力異常概況

山東省地震局利用LCR-G型和CG-5型重力儀在沂沭斷裂帶地區(qū)開展每0.5a一期的流動(dòng)重力觀測，在對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行固體潮、 儀器高、 一次項(xiàng)、 氣壓等改正的基礎(chǔ)上，以泰安、 日照、 煙臺(tái)絕對重力點(diǎn)作為起算基準(zhǔn)點(diǎn)，采用經(jīng)典平差方法進(jìn)行處理計(jì)算，獲得各測點(diǎn)的絕對重力值。各期資料的觀測情況見表1。22期資料的點(diǎn)值平均精度介于7.2～14.8μGal之間，數(shù)據(jù)精度較高，質(zhì)量可靠。

表1 山東省重力觀測資料情況(LCR-G型及CG-5型重力儀)

通過 2010年8月—2020年9月重力觀測資料的差分處理結(jié)果可見，研究區(qū)各個(gè)區(qū)域的重力場變化情況差異較大(圖1)，具體表現(xiàn)為： 1)在以廣饒為中心的近圓形區(qū)域內(nèi)重力場呈現(xiàn)大幅度正變化，各測點(diǎn)的變化情況為： 柳橋上升247μGal； 廣饒上升196μGal； 濱北上升35.8μGal； 龐家下降4.3μGal； 壽光上升19μGal； 稻田上升37μGal。2)在以昌邑為中心的圓形區(qū)域內(nèi)重力場呈現(xiàn)大幅負(fù)變化，各測點(diǎn)的變化情況為： 昌邑下降130μGal； 濰坊下降11μGal； 明村下降38μGal。除上述2個(gè)地區(qū)外，淄博一帶的重力場下降48μGal，其他區(qū)域的重力場變化幅度在40μGal以內(nèi)。

圖1 2010-08—2020-09原始重力變化圖

表2 重力變化與震級(jí)的定量指標(biāo)

從圖1 可以看出，沂沭斷裂帶北段的東、 西兩側(cè)出現(xiàn)大范圍的正、 負(fù)變化。其中東部呈現(xiàn)負(fù)變化，下降中心在濰坊市昌邑一帶，下降幅度約為130μGal，平面直徑約為80km； 西部呈大幅度的正變化，上升中心位于柳橋—廣饒，正變化高達(dá)247μGal，正變化區(qū)域的直徑>100km。參考前人總結(jié)的重力變化量級(jí)與震級(jí)的定量指標(biāo)(表2)(賈民育等，2000； 祝意青等，2018； 胡敏章等，2019)，沂沭斷裂帶北段周圍的重力變化幅度對應(yīng)著MS>8的地震； 與此同時(shí)，斷裂西部正變區(qū)域的直徑僅為100km，明顯<8級(jí)地震所對應(yīng)的直徑約600km的范圍。在區(qū)域存在地下水漏斗、 地面沉降，且重力變化平面范圍與變化量級(jí)所對應(yīng)的震級(jí)存在矛盾的情況下，上述重力場異常變化可能由干擾導(dǎo)致。因此，對地下水及GPS變化進(jìn)行分析并明確重力變化是否由構(gòu)造導(dǎo)致勢在必行。

2 研究區(qū)概況與分類

研究區(qū)按照地理地貌不同可分為2類，即平原區(qū)和山地丘陵區(qū)。2類分區(qū)的構(gòu)造背景、 地層巖性、 地貌、 水文地質(zhì)等都存在明顯差異。

2.1 平原區(qū)概況

研究區(qū)內(nèi)的平原區(qū)位于魯西—魯北平原區(qū)東部，該區(qū)古近-新近紀(jì)以來以大幅度沉降運(yùn)動(dòng)為主，新生界不整合地覆蓋于老地層之上，地表全部為第四系沉積物(任虎興，2017)。地勢由南向北傾斜，南緣與魯中南山地丘陵接壤，自南向北發(fā)育了山前沖積扇、 沖積平原、 濱海平原，山前沖積扇以冰積或洪積為主，上部多為亞黏土，下部以砂礫石為主； 沖積平原主要沉積了沖積、 洪積物； 濱海平原以沖積為主，并夾有多層海相地層(錢永，2007)。

平原區(qū)含水層的分布規(guī)律和富水性受古地理、 古氣候等條件的影響，尤其受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制。含水層組的分布和富水性復(fù)雜多變，表現(xiàn)出水平和垂直方向上的變化性。含水層主要為第四紀(jì)松散沉積物孔隙含水層，按照深度劃分可分為淺層含水層、 中深層孔隙含水層和深層孔隙含水層。其中，淺層含水層的埋深多<50m，性質(zhì)一般是非承壓潛水，水儲(chǔ)層以粉砂巖、 細(xì)砂巖、 松散砂土為主，多受到條帶狀分布的古河道控制； 中—深層含水層埋深>50m，含水層厚度變化較大，由20m至數(shù)百米不等，地下水性質(zhì)為承壓水，儲(chǔ)層巖性以砂泥互層、 細(xì)砂巖、 松散黏土、 砂礫石為主。良好的地下水儲(chǔ)層為該區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了條件。自20世紀(jì)80年代起地下水位開始下降，且下降的速率逐年加大。21世紀(jì)以來，淄博—廣饒—濰坊、 昌邑等地大量開采淺層潛水用于生活、 農(nóng)業(yè)灌溉，在這一帶發(fā)育了連片的潛水漏斗(圖2)； 而濱州—廣饒—壽光一帶對深層承壓水進(jìn)行了大量開采，發(fā)育有深層地下水漏斗(孫曉明，2007； 曹濱，2017； 孫景林等，2018)。

圖2 沂沭斷裂帶及周邊地區(qū)的地層分布圖

地下水位下降與地面塌陷、 地裂縫、 咸水入侵、 地面沉降等地質(zhì)問題有著緊密的聯(lián)系，由于平原區(qū)巖性為第四紀(jì)松散沉積物，且在濱州—廣饒一帶開采深度大，所開采的多為承壓水，承壓水減少后，深部地層孔隙承壓能力下降，原本的孔隙結(jié)構(gòu)不足以支撐上部負(fù)荷，黏土層形成了不可逆的塑性壓實(shí)，導(dǎo)致深層地下水漏斗區(qū)出現(xiàn)地面沉降問題。地下水位下降與地面沉降均會(huì)造成重力觀測值改變，多年累積的改變量對重力的干擾甚至高達(dá)數(shù)百μGal，因此有必要對漏斗區(qū)的重力觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行地下水改正及形變改正。

2.2 山地丘陵區(qū)概況

山地丘陵區(qū)自新構(gòu)造時(shí)期以來以隆起運(yùn)動(dòng)為主，地表出露分布了大面積的巖漿巖、 深成變質(zhì)巖、 碳酸鹽巖等(圖2)，其中太古宇變質(zhì)巖、 多期的花崗巖、 火山巖等占大多數(shù)。這類巖石多形成于高溫高壓環(huán)境并經(jīng)歷了長期的壓實(shí)作用，其孔隙度明顯低于第四紀(jì)松散沉積物，同時(shí)其孔隙連通性也較差，因此這類巖層一般不具備作為大規(guī)模地下水儲(chǔ)層的條件。同時(shí)，山地丘陵區(qū)的地下水主要分布在濱海河谷、 山間谷地、 基巖裂隙和碳酸鹽巖地區(qū)，相較于平原區(qū)，這類地區(qū)的地下水具有分布范圍有限、 含水層厚度小、 巖石孔隙度較小、 地下水補(bǔ)給來源較少等特點(diǎn)。上述2個(gè)因素導(dǎo)致山地丘陵區(qū)的水資源相對較貧乏，不具備大規(guī)模開發(fā)地下水的條件，需要大量采水的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)在此區(qū)域分布很少。

此外，山地丘陵區(qū)分布的巖石硬度高且顆粒間固結(jié)性更好，出現(xiàn)水位變化時(shí)，地層產(chǎn)生的幾何形變一般為彈性形變，待水位恢復(fù)后，這類巖石會(huì)恢復(fù)原貌。據(jù)此特性，山地丘陵區(qū)會(huì)出現(xiàn)局部的地下水位季節(jié)性變化，但不會(huì)造成地面沉降、 地面塌陷等問題。

綜上所述，山地丘陵區(qū)多年以來幾乎沒有地下水漏斗、 地面沉降、 地面塌陷等環(huán)境地質(zhì)問題(孫曉明，2007)，據(jù)此推斷重力場在該分區(qū)的觀測研究很少受到上述干擾。為簡化問題，可將山地丘陵區(qū)視為無需排除地下水及GPS干擾的理想重力場。

3 地下水異常及校正

通過分析2010年8月—2020年9月間研究區(qū)部分觀測井的水位數(shù)據(jù)可以看出，該區(qū)地下水位的變化具有分區(qū)性(圖3，4)。位于山地丘陵區(qū)的棲霞魯07井、 莒南魯14井、 棗莊魯15井、 蒙陰魯33井和諸城昌城、 萊蕪張家洼等地的井水位近十年來總體穩(wěn)定，最大變化幅度在5m以內(nèi)，具有季節(jié)性波動(dòng)特征； 位于平原區(qū)的昌邑井、 廣饒魯03井、 壽光井的水位總體上呈明顯下降趨勢，尤其是自2014年以來地下水開采速率明顯加快。其中，廣饒—壽光、 昌邑兩地的地下水位下降情況在研究區(qū)內(nèi)最為突出。

圖3 山東省流動(dòng)重力測量路線及觀測井、 CORS站分布圖

3.1 廣饒—壽光的地下水異常

廣饒—壽光的地下水漏斗呈近長條狀分布，走向EW，東邊以彌河為界，向S發(fā)展到廣饒、 壽光的南部。漏斗中心區(qū)域主要沿廣饒、 壽光一線發(fā)育，其中廣饒大王—壽光化龍、 壽光城西的水位埋深最大(劉詠明等，2015)。

廣饒—壽光的漏斗由廣饒、 壽光牛頭漏斗發(fā)展而來。該漏斗處于黃河的下游地區(qū)，其分處的水文地質(zhì)單元是淡水分布區(qū)，地下水賦存和資源條件良好，但其地形高、 引黃條件差，導(dǎo)致地下水補(bǔ)給較困難。該區(qū)自20世紀(jì)60年代末開始開發(fā)利用淺層地下水，形成地下水降落漏斗并向縱深發(fā)展； 1980年廣饒南部淺層的地下水水位埋深已達(dá)8m； 1985年廣饒漏斗向縱深發(fā)展，與壽光牛頭鎮(zhèn)漏斗連為一體，之后漏斗區(qū)逐漸向S偏移； 1995年漏斗中心水位埋深已達(dá)29.04m，水位降速為1.5～1.7m/a； 1995—2005年漏斗水位面積略有增加，但水位變幅較小，廣饒漏斗發(fā)展相對平衡(劉詠明等，2015)。

2010年以來，廣饒一帶的淺層地下水開采得到有效遏制，同時(shí)受到海水入侵及年均降雨量增加的影響，淺層地下水水位有小幅回升(圖4)。與此同時(shí)，廣饒—壽光深層地下水漏斗發(fā)展加快，廣饒魯03井位于廣饒測點(diǎn)北15km處，觀測深度為2048m，觀測段巖性為下古近-新近系砂巖，該井自2010年以來的水位平均降速達(dá)2.27m/a，2014年后水位下降最快時(shí)速度達(dá)4m/a(圖4)； 需要說明的是，廣饒魯03井的觀測層段位于承壓含水層，其觀測到的水位變化只能反映深部壓力的大小，不代表承壓含水層每年缺失4m厚的水層，但深層地下水漏斗會(huì)引起地面沉降，這與廣饒、 壽光CORS站觀測到的地面垂向大幅下降具有很好的對應(yīng)。

圖4 觀測井水位變化時(shí)序圖

3.2 昌邑地下水異常情況

昌邑地區(qū)水文環(huán)境影響因素較多，其中地下水側(cè)向補(bǔ)給、 灌溉回歸補(bǔ)給、 蒸發(fā)、 河流滲漏等因素僅使地下水位出現(xiàn)小幅度的年內(nèi)波動(dòng)，人工大規(guī)模開采地下水是潛水位下降的主要原因，這導(dǎo)致昌邑及周邊地區(qū)形成地下水位降落漏斗(李樹鵬等，2020)?；诓氐貐^(qū)2口水井2010—2020年期間的井水深度變化(部分?jǐn)?shù)據(jù)通過內(nèi)插值法獲取)擬合了測點(diǎn)下方的水位變化，得到的最低水位和最高水位分別為-3.2m和-24m，平均水位為-13.6m，變化量可達(dá)-20.8m。

3.3 地下水的重力效應(yīng)

研究區(qū)開采的地下水分為承壓水和潛水2類。其中，廣饒—壽光一帶大量開采承壓水，承壓水沒有自由水面，水體承受靜水壓力，與有壓管道中的水流相似。由于承壓水位變化僅反映深部水體壓力變化，不代表水體的實(shí)際變化量，因此并不直接影響重力。但由于靜水壓力下降會(huì)導(dǎo)致固體骨架承受更多的上部負(fù)荷壓力，當(dāng)作為水儲(chǔ)層的第四紀(jì)松散沉積物所受壓力超過承壓能力極限時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不可逆的塑性形變，孔隙被壓實(shí)，儲(chǔ)層空間減少，宏觀上表現(xiàn)為地面沉降(圖8)； 壽光—昌邑一帶存在潛水漏斗，潛水儲(chǔ)藏于第一隔水層之上，埋藏深度不大，受降雨和農(nóng)田灌溉影響較大。潛水具有只受重力加速度作用影響的自由表面，而沒有承受其他壓力，因此只需要計(jì)算缺失水體的直接引力?？刹捎脽o限平面層模型(賈民育等，1983； 張為民等，2005； van Campetal.，2006； 王曉兵等，2009； Kazamaetal.，2012； 張坤，2017)進(jìn)行計(jì)算，公式為

Δg1=2×π×G×μ×ρ水×Δh≈42×μ×ρ水×Δh1

(1)

式(1)中，G為萬有引力常數(shù)，μ為給水度，Δh1為水位變化高差(單位： m)，ρ水=1000kg/m3。上述參數(shù)中，給水度μ的選取對計(jì)算地下水漏斗對重力的影響至關(guān)重要，但目前不同學(xué)者對華北地區(qū)含水層的給水度大小認(rèn)識(shí)不一。岳建利等(2008)在計(jì)算地下水下降對絕對重力觀測的影響時(shí)，對給水度取值為0.03和0.035； 賈金生等(2003)通過Visual Modflow模擬研究表明河北欒城的潛水含水層的給水度在0.14～0.17之間； 張兆吉(2009)給出的河北欒城一帶的潛水含水層的給水度為0.08～0.12； 裴源生等(2020)給出華北地區(qū)亞黏土、 中細(xì)砂的含水層給水度為0.03； 孫曉明等(2007)認(rèn)為魯中南丘陵山前沖洪積平原巖性多為中粗砂、 礫卵石，給水度為0.1～0.3； 馬海麗(2015)認(rèn)為魯北平原黃河三角洲的地下水給水度平均值為0.063； 李佩成(1999)給出的黃土含水層的平均給水度為0.15，且給水度隨深度增加逐漸減??； 范堯等(2016)對中粗砂層的重力給水度取值0.15； 錢永(2007)參考《黃淮海平原水文地質(zhì)綜合評價(jià)》(1)地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所，1992，黃淮海平原水文地質(zhì)綜合評價(jià)。給出了巖性分類及單一巖性給水度的參考值(表3)。已有研究結(jié)果給出的給水度取值范圍差異較大，如何合理選取十分重要。考慮到研究區(qū)內(nèi)昌邑、 寒亭附近測點(diǎn)僅受到潛水位下降的影響，并未出現(xiàn)地面沉降的情況，我們根據(jù)其重力變化與潛水位變化的關(guān)系，利用式(1)擬合得到研究區(qū)潛水含水層的給水度為0.117，相關(guān)系數(shù)R為0.8331(圖5)。該擬合結(jié)果與張兆吉(2009)的研究成果一致。

表3 巖性分類及單一巖性的μ值(錢永，2007)

圖5 重力變化與潛水位變化的相關(guān)性擬合

表4 地下水位校正結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過克里金插值法獲得潛水變化對重力觀測影響的分布圖(圖6)，可見以壽光、 昌邑兩地為中心，形成2個(gè)負(fù)變化的區(qū)域，下降區(qū)的平面直徑均約為60km。

圖6 潛水變化對重力觀測影響的分布圖

4 地面沉降及校正

研究區(qū)的平原地區(qū)現(xiàn)有廣饒、 壽光、 寒亭、 昌邑4座CORS站，近十年來連續(xù)觀測了非潮汐位移變化值。CORS網(wǎng)解算時(shí)的地球動(dòng)力學(xué)改正采用國際地球自轉(zhuǎn)和參考系統(tǒng)服務(wù)IERS2010協(xié)議，移去了固體潮、 海潮負(fù)荷、 周日和半日大氣潮負(fù)荷的影響，并將超過3倍中誤差的數(shù)值作為粗差予以剔除。以2010年1月為基準(zhǔn)，生成2010年1月—2020年1月(昌邑?cái)?shù)據(jù)時(shí)段為2011年1月—2020年10月，廣饒數(shù)據(jù)時(shí)段為2010年1月—2017年11月)的CORS站大地高日變化，垂向數(shù)據(jù)的中誤差M介于6.1～8.6mm之間，表明資料精度較高，質(zhì)量可靠(圖7)。

直立仰頭試驗(yàn)及手法復(fù)位對急性頸源性耳鳴診治的療效分析（張家鵬 郭億蓮 陳世忠 蘇健 盧標(biāo)清 劉婷）4∶295

圖7 廣饒、 壽光、 寒亭、 昌邑CORS站的時(shí)變數(shù)據(jù)

圖7 給出了廣饒、 壽光、 寒亭、 昌邑4座CORS站大地高變化連續(xù)數(shù)據(jù)及水平運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。在垂向運(yùn)動(dòng)方面，位于廣饒—壽光漏斗區(qū)的觀測點(diǎn)出現(xiàn)明顯沉降，其中廣饒平均每年沉降85.2mm、 壽光平均每年沉降63.6mm； 位于東部昌邑漏斗區(qū)的觀測點(diǎn)則沒有明顯的垂向趨勢性運(yùn)動(dòng)，近十年來的垂向年平均變化量在1mm以內(nèi)，在整體保持穩(wěn)定的同時(shí)也存在波浪式的周期運(yùn)動(dòng)，總體表現(xiàn)為上半年上升、 下半年下降的特征，且變化幅度在40mm以內(nèi)。上述差異產(chǎn)生的原因是廣饒、 壽光一帶的地下水開采深度已達(dá)到深部的承壓水處，由于承壓水被大量開采且補(bǔ)給速度不足，無法滿足水位動(dòng)態(tài)平衡，故出現(xiàn)承壓水水位下降，形成降壓漏斗并導(dǎo)致地面沉降； 而在寒亭、 昌邑一帶，地下水開采多為潛水，承壓水的開采與補(bǔ)給較好地保持了平衡，深部承壓含水層的靜水壓力傳遞相對穩(wěn)定，未出現(xiàn)地面沉降的情況(圖8)。

圖8 地下水開采及地面沉降示意圖

深層承壓水下降引起地面沉降的重力效應(yīng)包括3部分： 單純的地面沉降影響(圖8 中的Δh2)、 下降部分的質(zhì)量虧損(圖8 中Δh2對應(yīng)的空白區(qū)域)、 沉降體地層密度增量Δρ引起的重力異常(圖8 中的承壓水降壓漏斗區(qū)域)(胡斌等，2005)。對重力觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直形變校正時(shí)應(yīng)根據(jù)校正區(qū)域的幾何形態(tài)以選擇具體方法，若垂向形變遠(yuǎn)小于計(jì)算區(qū)域的半徑，可將其近似看作無限平面層，一般借鑒靜態(tài)重力場中的布格校正原理，從而得到重力變化與垂直形變的近似比值關(guān)系，前提成立時(shí)該方法的誤差 ≤1% (華昌才等，1995； Williams-Jones，2002； 胡斌等，2005)； 若垂向形變的量級(jí)較大，利用近似比值關(guān)系求解的誤差超過10%，為提高精度應(yīng)建立數(shù)學(xué)模型通過積分求解(Nowell，1999)。本文研究區(qū)的垂向形變最大處不足1m，沉降區(qū)半徑約為50km，可看作無限平面層，采用上述第1種方法求解。由于沉降區(qū)內(nèi)僅有廣饒、 壽光2個(gè)CORS站點(diǎn)存在較大幅度的地面沉降，且這2個(gè)點(diǎn)同時(shí)受到地下水位變化的干擾，難以通過擬合得到重力變化(Δg2)與高程變化(Δh2)的比，因此在分析二者的相關(guān)性時(shí)參考華昌才等(1995)、 胡斌等(2005)的研究結(jié)果，即當(dāng)?shù)谒募o(jì)黏土層出現(xiàn)地面沉降時(shí)，重力變化與高程變化的比在(0.214～0.23)×10-5s-2之間，則有

Δg2=-0.22×Δh2

(2)

式(2)中，Δh2為測點(diǎn)垂直變化高差(單位： mm)。

通過式(2)計(jì)算2010年8月—2020年9月間地面沉降累計(jì)對重力觀測的影響(表5)，得到廣饒上升190.56μGal、 壽光上升142.25μGal、 寒亭區(qū)下降1.56μGal、 昌邑下降0.22μGal。整體而言，沉降產(chǎn)生的重力影響局限在廣饒—壽光一帶，而濰坊以東的區(qū)域所受影響較小。

表5 地表形變及校正結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過克里金插值法獲得地表形變對重力觀測影響分布圖(圖9)，可以看出大幅的正值影響集中在以廣饒為中心、 直徑約100km的圓形區(qū)域內(nèi)。

圖9 地表形變對重力觀測影響分布圖

5 異常性質(zhì)判定

通過地下水校正與沉降校正獲取了2010-08—2020-09期間重力的真實(shí)變化。結(jié)果顯示，平原區(qū)受干擾測點(diǎn)的重力變化與地下水變化有明顯相關(guān)性(表6)。具體表現(xiàn)為： 廣饒實(shí)測上升196μGal，綜合干擾量上升195.72μGal，干擾值占實(shí)測變化值的99.9%，校正后上升0.28μGal； 昌邑實(shí)測下降130μGal，綜合干擾量下降102.43μGal，干擾值占比實(shí)測值變化的78%，校正后下降27.57μGal； 壽光實(shí)測上升19μGal，綜合干擾量上升53.06μGal，干擾值超過實(shí)測值的100%，校正后下降34.06μGal，屬于正常變化范圍內(nèi)。

表6 地下水及地面沉降校正結(jié)果

通過分析校正后的重力變化圖(圖10)可知，2010—2020年間沂沭斷裂帶地區(qū)重力變化整體相對平穩(wěn)，沒有大規(guī)模地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的物質(zhì)遷移，同時(shí)正、 負(fù)過渡區(qū)域變化平緩，重力變化梯度值較小，表明未出現(xiàn)明顯地下物質(zhì)差異運(yùn)動(dòng)。研究表明，沂沭斷裂帶每千米垂直形變速率基本在1.00mm/a以下，屬斷裂活動(dòng)水平較弱的地區(qū)(李杰等，2018)； 山東地區(qū)不同塊體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相對穩(wěn)定(殷海濤等，2008，2013)，整體向SE運(yùn)動(dòng)，沂沭斷裂帶兩側(cè)塊體相對運(yùn)動(dòng)速率在0.5～2.5mm/a之間波動(dòng)(朱成林等，2018)。因此本文認(rèn)為，2010年以來沂沭斷裂帶北段重力場出現(xiàn)的多年期異常變化為地下水變化及地面沉降導(dǎo)致，校正后該地區(qū)重力場變化平穩(wěn)，構(gòu)造應(yīng)力積累有限且未發(fā)生持續(xù)、 大規(guī)模的物質(zhì)遷移，近期發(fā)生強(qiáng)震的可能性不大。

圖10 2010-08—2020-09校正后的重力變化圖

6 測點(diǎn)點(diǎn)值時(shí)序變化及校正

圖11 廣饒測點(diǎn)的重力變化時(shí)序圖

研究區(qū)內(nèi)變化量最大且受干擾最大的測點(diǎn)是廣饒。該測點(diǎn)于2010年1月—2020年10月間的重力一直波動(dòng)上升，累計(jì)變化高達(dá)250μGal，其中2017年10月—2018年10月上升速度最快，2018年10月之后上升趨于平緩(圖11)。廣饒測點(diǎn)存在開采深層承壓水及地面沉降問題，潛水水位近年來有小幅度回升，潛水水位上升的平均速率為0.1m/a，按照前文所述的校正方法，得到其對重力觀測產(chǎn)生的平均影響約為0.49μGal/a； 地面沉降的平均速度為-85.2mm/a，對重力產(chǎn)生的平均影響為18.74μGal/a； 地下水變化與地面沉降共同引起的重力變化干擾為19.23μGal/a，在重力年均變化量中占比超過90%。從圖11 可以看出，廣饒測點(diǎn)的重力原始曲線與形變影響時(shí)序曲線有很強(qiáng)的相關(guān)性，表明廣饒測點(diǎn)出現(xiàn)的重力上升主要是地表形變導(dǎo)致，受地下水的影響很小。排除干擾后，校正的重力時(shí)序線呈波浪式變化，沒有明顯的趨勢性升降變化，變化總體保持在-23～77μGal的范圍內(nèi)。

壽光測點(diǎn)2010年1月—2020年10月間的重力觀測值一直呈波動(dòng)變化，總體上有微弱的上升趨勢，累計(jì)變化約為50μGal，其中2017年3月—2018年10月出現(xiàn)幅度約為±50μGal的波動(dòng)變化(圖12)。壽光測點(diǎn)同時(shí)存在地下水減少及地面沉降問題，但由于二者產(chǎn)生的影響一正一負(fù)，相互消減，因此該點(diǎn)雖然觀測環(huán)境大幅度變化，但原始重力測量值變化并不劇烈。壽光地下水位的平均變化速率為-1.79m/a，對重力觀測產(chǎn)生的平均影響約為-8.80μGal/a； 地面沉降的平均速度為-63.6mm/a，對重力產(chǎn)生的平均影響為13.99μGal/a； 地下水變化與地面沉降共同引起的重力變化干擾平均為5.19μGal/a。壽光測點(diǎn)經(jīng)校正后的重力時(shí)序線呈波浪式變化，沒有明顯的趨勢性升降變化，變化總體保持在-32～27μGal的范圍內(nèi)。

圖12 壽光測點(diǎn)的重力變化時(shí)序圖

昌邑測點(diǎn)2010年1月—2020年10月間的重力觀測值呈波動(dòng)下降變化，2012年之后波動(dòng)幅度均在50μGal以上，波動(dòng)周期為2～3a，其中最大降幅為2014年3月—2016年9月，下降90μGal(圖13)。昌邑測點(diǎn)的地下水減少未引起地面沉降問題，地下水位下降的平均速率為-2.05m/a，對重力觀測產(chǎn)生的平均影響約為-10.07μGal/a。昌邑測點(diǎn)的重力原始曲線與地下水影響的時(shí)序線有很強(qiáng)的相關(guān)性，重力曲線在其兩側(cè)反復(fù)波動(dòng)，表明昌邑測點(diǎn)出現(xiàn)的重力下降主要由地下水下降導(dǎo)致，受地表形變的影響很小。排除干擾后，校正的重力時(shí)序線呈波浪式變化，沒有明顯的趨勢性升降變化，變化總體保持在-74～26μGal的范圍內(nèi)。

圖13 昌邑測點(diǎn)的重力變化時(shí)序圖

對于上述測點(diǎn)，在今后進(jìn)行資料整理分析時(shí)有必要根據(jù)年均校正值做簡單的校正，具體是對廣饒測點(diǎn)的實(shí)測變化量進(jìn)行-19.23μGal/a的常數(shù)校正，壽光、 昌邑測點(diǎn)的年均校正量分別為-5.19μGal/a和10.07μGal/a。

研究區(qū)內(nèi)常年存在地下水變化及地面沉降情況的測點(diǎn)每年的干擾幅度基本在40μGal以內(nèi)。我們在分析半年期或一年期的重力變化時(shí)，常將這類幅度有限的變化視為正常變化，然而長期來看，這些測點(diǎn)的累積重力變化可高達(dá)200μGal以上，將對資料分析產(chǎn)生極大影響，因此必須對每期數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的校正。在日常資料處理中，可根據(jù)測點(diǎn)近年受干擾的量值變化規(guī)律計(jì)算其年均校正常數(shù)，并將該常數(shù)作為對應(yīng)測點(diǎn)的常規(guī)校正項(xiàng)。這項(xiàng)校正可彌補(bǔ)目前流動(dòng)觀測工作中校正項(xiàng)缺失的不足，對今后流動(dòng)重力測量資料的分析、 應(yīng)用以及相關(guān)研究提供參考，具有一定的積極意義。

下面通過舉例具體說明。圖14a 為未經(jīng)過校正的2018-03—2021-03重力變化圖，以廣饒為中心出現(xiàn)重力場正變區(qū)域，最大變化幅度達(dá)70μGal，并存在重力高梯度帶及正負(fù)轉(zhuǎn)換帶； 圖14b 為對廣饒、 壽光、 昌邑3點(diǎn)進(jìn)行校正后繪制的重力變化圖，其中廣饒—昌邑一帶的重力場變化幅度明顯減小，沂沭斷裂帶地區(qū)整體重力場變化平穩(wěn)。因此，地下水及GPS校正能夠有效避免非構(gòu)造背景場變化對重力觀測產(chǎn)生的干擾，對震情研判具有積極作用。

圖14 2018-03—2021-03重力變化圖

7 結(jié)論

(1)沂沭斷裂帶北段2010年8月以來的重力異常變化與地下水位下降及地面沉降有強(qiáng)相關(guān)性，地下水位變化對重力的影響可達(dá)-102.21μGal，沉降的最大影響為190.56μGal，最大綜合影響可達(dá)195.72μGal，通過各項(xiàng)改正后重力場整體穩(wěn)定，正、 負(fù)過渡區(qū)域變化不劇烈，表明未出現(xiàn)大的地下物質(zhì)差異運(yùn)動(dòng)，同時(shí)結(jié)合水準(zhǔn)及GPS研究資料推測，沂沭斷裂帶北段近期發(fā)生強(qiáng)震可能性不大。

(2)地下水及地面沉降對流動(dòng)重力觀測的影響主要出現(xiàn)在第四系分布的沂沭斷裂帶北段，而基巖出露的沂沭斷裂帶中南段鮮有此類干擾。當(dāng)平原地區(qū)出現(xiàn)因非構(gòu)造背景場變化導(dǎo)致的重力異常時(shí)，易被誤識(shí)為地震前兆。因此對重力異常進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行地下水及垂直形變校正，消除因非構(gòu)造背景場差異變化導(dǎo)致的重力異常。

(3)深層承壓水漏斗區(qū)往往伴隨地面沉降及顯著重力變化，淺層潛水下降一般不引起地面沉降，但水體流失會(huì)使地面出現(xiàn)一定的重力負(fù)值變化。

(4)在日常資料處理中，可根據(jù)測點(diǎn)近年來受地下水及垂直形變干擾的量級(jí)變化規(guī)律計(jì)算其年均校正常數(shù)，這對流動(dòng)重力資料的分析、 應(yīng)用以及相關(guān)研究具有一定積極意義。