首都圈重力场异常变化和动态演化特征

首都圈重力场异常变化和动态演化特征

1文安5.1级地震异常2006年7月4日，河北省文安市发生了5.1级地震。1999年后，张北、大同、盐义和河北28390发生了第二次5.0级地震。这次地震京、津、冀地区的震感较滦县5.0级地震显著。文安5.1级地震发生在首都圈强化监视区内。在该区内,中国地震应急搜救中心在1985年布设了流动重力监测网。文安5.1级地震虽发生在重力网的南侧边缘,但震前首都圈重力场存在较明显的异常变化。本文利用2001年以来的首都圈重力网观测资料对文安5.1级地震前后重力场的变化进行研究,旨在探讨震前重力场动态演化的特征及其孕震机理。2重力数据的简要介绍和处理2.1首都圈重力监测网总测字量表1,第20e。以信首都圈流动重力监测网始建于1985年,2000年进行了优化改造,加密了流动重力监测点,扩大了重力网的监测范围,首都圈流动重力监测网总测点数达到150个,构成15个环和4条支线(图1)。改造后的测网从2001年开始每年观测两期,到现在为止共观测了12期,所有重力测量都是采用LCR-G型重力仪完成的,观测精度优于10×10-8ms-2。2.2高斯型最小二乘估计函数对资料进行处理使用的软件为中国地震局实用化攻关推广软件LGADJ,以香山绝对重力点为起算点对重力网监测资料进行平差。香山绝对重力点点位稳定,外界干扰小,且有高精度的绝对观测值,有利于提取监测区域内可靠的重力变化信息。为减弱和消除测量粗差和地壳浅表与局部效应的影响,提高较大范围和深部构造因素的重力效应。采用最小二乘配置对重力观测数据进行拟合推估和滤波。其数学模型为:l=AX+Us+r(1)式中,l为观测向量;X为非随机的待定参数向量;r为随机观测误差向量;s为信号向量,它包含已知观测信号t和待推估信号u;A和U分别为相应向量的系数矩阵。按最小二乘原理,可以求出非随机参数X和信号s的最佳估值,其中已知观测信号和待推估信号的最佳估值可由下式求得:tˆ=Ctt(Ctt+Crr)−1(l−AX)(2)t^=Ctt(Ctt+Crr)-1(l-AX)(2)uˆ=Cut(Ctt+Crr)−1(l−AX)(3)u^=Cut(Ctt+Crr)-1(l-AX)(3)式中,Ctt为已知观测信号的t的自协方差矩阵;Crr为观测误差的自协方差矩阵;Cut为待估信号和已知观测信号的协方差矩阵。待推估向量u与观测值l是通过协方差Cut联系的,因而应用最小二乘配置的关键是怎样确定信号的协方差。研究表明,高斯型函数适合拟和重力变化的协方差,即:C(d)=C(0)e-k2d2(4)式中,C(d)为两点观测信号的协方差,d为两点间的距离,C(0)为信号在d=0时的协方差,即观测信号的方差,k为待定参数。应用最小二乘配置法的优势在于数据处理中顾及了已知观测量的方差和已知量与待估量的协方差,对推估信号也能给出严密的精度评定,因此能最佳地确定网格化后的地表重力值。3地震前重力场动态变化分析3.1重力持续变化的演变特征及演化趋势利用2001年以来首都圈地区共12期的重力重复观测资料绘制的相应时段的重力变化等值线图如图2。对图2的分析发现:2004年1月滦县5.0级地震后,首都圈重力场异常已经恢复。从2004年第二期和2005年第一期两期的复测结果可以看出,在这一年的时间里,首都圈重力场重力变化总的来看比较平稳(图2(a)、2(b)),变化幅度较小,没有出现与构造有关的重力变化高梯度带,研究区内除北京地区有一幅度不大的负值区,天津地区多年来一直表现重力上升外,首都圈重力场重力升降差异不明显,区域应力场未出现增强现象。但从2005年10月的重力复测结果可以看出,首都圈重力场显示出非均匀性变化特征,区域应力场明显增强(图2(c))。测网的南部出现不同程度的重力上升,上升幅度为(20～40)×10-8ms-2,距离震中不足50km的霸县、堂二里测点上升幅度超过40×10-8ms-2,研究区内北京、天津及附近地区出现重力变化高梯度带,高梯度带的走向与华北地区北东向的活动构造带比较一致。震前3个月,2006年4月的观测结果显示首都圈重力场非均匀性变化继续增强,除延怀地区有一正异常和京西北有一高梯度变化带外,北京西南地区出现明显的重力负异常,霸县、堂二里测点的重力点值较上期下降了(20～30)×10-8ms-2,文安地区的重力变化出现明显的高梯度变化带,地震就发生在高梯度变化带靠近等值线0值线的附近(图2(d))。震后3个月,2006年10月的重力观测显示,首都圈重力场非均匀性变化较2006年6月出现明显减弱(图2(e)),北京地区虽还存在负异常区,但幅度和范围较上期观测结果明显减小,除天津地区由于地面沉降继续呈现重力高值外,首都圈重力场异常出现恢复,区域应力场震后出现调整。需特别指出的是天津地区一直是重力高值区。为了找出其原因,笔者曾到天津水文部门收集地下水资料,发现该地区长期以来大量抽取地下水,抽水已导致地面沉降。由2005—2007年首都圈地区地壳垂直形变等值线图①(图3)中可以清楚地看出天津是负等值线高梯度区。所以该地区的重力高值主要是由于大量抽取地下水造成地面沉降所致。通过以上分析可以看出,2004年11月到2006年10月研究区重力场呈现的平稳—上升—下降—恢复的动态演化图像,比较清晰地反映了重力场由“较均匀态”向文安5.1级地震孕育发生过程中的“非均匀态”,和“发震”的整个演化过程。与2004年1月河北滦县5.0级地震的重力场演化图像一致。3.2准同步的群体性变化特征重力场的时空动态演化较好地反映了区域性重力变化,而重力点值的时序变化能较好的突出异常测点的局部动态变化。我们绘制了震中附近7个测点的重力点值的时序变化图(图4),从图4中可以看出,滦县2004年5.0级地震异常恢复以后,研究区重力变化不论是重力值的上升与下降时间,还是下降后转折恢复的时间都具有准同步的群体性变化特征。其中,距离震中不足30km的霸县测点,从2005年3月到11月半年多的时间里重力值上升了37×10-8ms-2,震前2006年4月观测结果显示重力值下降,震后10月的观测结果显示下降变化出现回升,距离震中不足50km的堂二里测点,从2004年底到2005年11月上升了41×10-8ms-2,震前2006年4月观测结果显示重力值下降,震后10月份的观测结果显示下降变化出现回升。震中附近的武清城关、安平、固安、良乡、下河头等测点也都有准同步的变化,幅度在(20～30)×10-8ms-2之间,震后10月份的观测结果显示,有的下降变化出现回升,有的继续下降变化。文安附近地区重力点值的上升—下降—恢复的准同步群体性变化过程,可能就是此次地震孕育发生过程中明显的中短期前兆反映。4震发生的发生机制1)刘善华等曾研究了2004年1月河北滦县5.0级地震前后的重力场动态演化图像,重力场动态图像较清晰地反映了首都圈重力场由“较均匀态”向滦县5.0级地震孕育发生过程的“非均匀态”进而“发震”的整个演化过程。分析比较发现,文安5.1和滦县5.0两次地震重力场动态演化图像非常相像,地震前后研究区重力场中短期前兆异常均表现为重力点值准同步群体性的上升—下降—上升的变化过程,地震发生在重力点值下降或反向恢复的过程中。震前重力场均出现重力变化高梯度带,高梯度带的走向与活动构造的走向一致,地震就发生在重力变化高梯度带靠近0等值线的附近。2)自20世纪60年代开始,国内外许多学者根据地震发生前后的重力变化,对地震孕育机理进行研究,提出了多种地震孕育的物理模型。文安5.1级地震前震中地区出现重力负值区及重力点值曲线震前出现准同步群体性的下降,符合孕震体在震前发生膨胀的基本物理过程。3)根据地震的发震机制的不同,可以将地震划分为两种类型,第一种类型的地震是地幔热物质的上涌造成的,地幔热物质侵入到孕震体扩容膨胀新增的裂隙中,造成孕震体上方重力值上升的异常变化,唐山地震、大同地震、张北地震等强震的发震机理属于这种类型,这种类型的地震一般为强震,且有时地震并不发生在地表有断裂通过的地方,如张北地震。第二种类型的地震一般为中等强度的地震,是在