摘 要 利用安徽皖北流动重力监测网2005—2007年的流动重力观测资料,分析了安徽定远ML4. 7地震前后皖北区域重力场的动态变化特征。研究结果表明:地震发生在重力负值变化(高值区附近的重力变化)高梯度带上;震前震中附近重力场发生明显减弱,并沿断裂产生重力变化高梯度带;震后重力场呈松驰反向恢复;重力场的动态变化清晰地反映出震源应力场引起的重力源兆变化特征。
1 引言
地震的孕育和发展伴随着构造活动、质量位移和密度变化等物理过程,这些过程都会引起地球重力场变化[1],利用重力资料对监测区域的构造活动进行研究,能比较全面地认识该地区的地质构造活动背景及其与地震的关系。因此在监测区域开展重力场非潮汐变化的流动重力测量被广泛应用于地震预报、地球内部构造和地球动力学过程的研究。
本文旨在以安徽皖北流动重力测网2005—2007年3期流动重力观测数据为基础,分析皖北区域重力场的时空变化特征及其与监测区内2006年7月26日定远ML4. 7地震孕育过程的关系。
2 监测网概况及数据处理
2.1 监测网概况
安徽皖北流动重力监测网始建于1975年海城地震后,主要是通过重复观测监测区域地球重力场随时间的变化来监测测区断裂活动。该网位于安徽省东北部,地理位置为32. 5°~34. 5°N, 116. 5°~118°E,重力测点数24个,共有50个测段,测点平均距离约25千米,复测周期为一年。测网内主要分布了郯城-庐江断裂(F3)、定远-颖上断裂(F17)、固镇-怀远断裂(F2)、太河-五河断裂(F15)、宿北断裂(F13)及临泉-刘府断裂(F16)(图1)。
2.2 数据处理过程及方法
对皖北流动重力监测网观测资料进行了如下4个方面的处理:
1)测点重力值起算基准:由于皖北流动重力监测网没有绝对重力点和高等级重力控制点,因此,选择能长期保存、基础稳定、干扰源少的1900号凤阳测点为重力值起算基准。
2)网区重力场变化基准:由于网区缺少绝对重力测量控制,本文采取文献[2]中提出的方法,以2005年资料的联合平差结果作为重力场变化的基准。
3)观测资料预处理和平差计算:利用武汉地震研究所提供的高精度重力处理软件系统[3],对观测资料进行重力固体潮改正、气压改正、仪器高改正和仪器漂移改正等。平差计算则以单台仪器的重力段差观测值为平差元素,采用测点重力值和仪器参数一并求解的数学模型完成;各期资料的基本情况和平差结果见表1。
4)网格化方法:对于物理模型未知(特别是对于动态观测结果),通过对已有的离散观测点的重力数据进行网格化插值,是得到空间连续变化的重力场等值线图常用的方法,根据文献[4]提出的方法,确定皖北流动重力监测网最佳化网格间距,以此间距对重力数据进行网格化。
3 测区动态重力场变化特征分析
3.1 震区动态重力变化
为了显示出震区不同时间段的重力变化效应,将2005—2007年3期重力资料通过平差后,按相邻时间进行差分,然后绘制出震区重力动态变化等值线图(图2)。
2006年7月26日定远ML4. 7地震发生后,安徽省地震局于8月对该重力网进行了复测。利用2006年(此期为定远地震后几天重力联测资料)与2005年(此期为震前资料)两年的流动重力数据进行分析处理,给出地震前后皖北地区重力场变化空间分布如图2。从图2(a)中我们可以清晰的发现:整个皖北的重力监测网区域重力场,除西南角为下降变化以外,其他地区基本呈上升变化,在网区的东南角,以颖上-定远断裂(F17)为界,更是出现了一个幅度较大的北升(约30×10-8ms-2)南降(约20×10-8ms-2)的异常分布,并形成了一个等值线相对密集的重力变化高梯度带,该高梯度带的走向与构造活动断裂带走向基本一致。定远ML4. 7地震位于颖上-定远断裂(F17)与郯庐断裂带中端(F13)的交汇部位,而交汇部位恰处于异常区的边缘重力变化负值梯度带梯度上,因此重力变化的NW向曲线较好的反映了该区域的构造运动。
从震后重力等值线空间分布图2(b)可以发现,地震后网区重力场基本上恢复到震前的水平,震中区的高梯度带也基本消失。在时间序列上表现为地震发生前重力场上升,震后下降。由于复测周期为一年,无法观测到重力场变化的完整过程,但总体来看,与前人对唐山地震、澜沧-耿马地震,昆仑山口西地震等一些研究结果是一致的[5-9]。
3.2 震中附近重力剖面图的特征分析
为了更清楚地反映地震前后震中附近区域的重力变化特征,我们分别给出了2006-2005、2007-2005相对重力变化在117. 6°E, 32. 5°~32. 8°N之间的累积效应剖面分析(震中位于117. 6°E, 32. 5°N)。从图3可见:定远ML4. 7地震发生在二期的上升区与下降区转折处,即异常区的边缘,重力变化负值梯度带上;震后震中附近的重力值抬升,而震中以北区域-黄泥铺、练铺一带的重力值不断减小,可能处于震后重力场松驰反向恢复阶段。
4 重力场变化原因探讨
地震前后引起地球重力场局部变化的主要原因为:地壳变形引起测点高程的变化;地壳变形引起地壳局部应力场改变导致介质密度变化;地壳变形引起地下物质迁移。为此我们对上述影响重力场变化因素进行了相关分析:
1)根据定远04井的水位观测结果显示水位没有发生异常变化①,因此地下水的影响较小;
2)从重力场时空动态变化与场源前兆的关系[9]可以发现:定远地震重力场兆表现不明显,由震源应力场引起的重力源兆变化较明显;
3)定远地震震源机制解[10]结果表明:异常带走向与地震震源机制解中B节面走向基本一致,定远地震主要受到水平力源;
4)定远地震的震级为ML4. 7,但重力变化量的峰值接近50×10-8ms-2,震级所对应的重力变化量比文献[11]的稍偏大。
综上所述,在较小区域范围产生如此大的重力变化高梯度带的主要可能原因为:水平力源使地壳深处的物质受到挤压作用,加之地壳介质的不均匀性,引起地下物质运移和局部介质的密度变化;地震所引起的重力变化量因不同构造环境、不同构造运动模式、不同地震孕育物理过程将有所差异
5 结论
1)定远地震不是发生在重力变化的峰值处,而是发生于负值变化向正值过渡的高梯度带上。震前,震中附近重力场发生明显减弱,同时沿断裂带产生高梯度带;震后,重力场呈松驰反向恢复;
2)定远地震震源机制解结果表明,异常带走向与地震震源机制解中B节面走向基本一致;
3)从重力场时空动态变化与场源前兆的关系可以发现:定远地震重力场兆表现不明显,由震源应力场引起的重力源兆变化较明显,地震发生在局部重力变化的高梯度带上的零线附近;
4)定远地震的震级为ML4. 7,重力变化量的峰值接近50×10-8ms-2,震级所对应的重力变化量比文献[11]的结果稍偏大。可能由于地质构造、地震孕育物理过程各有不同,在不同构造环境、不同构造运动模式下,对地震所引起的重力变化量有所不同;
5)在应变能积累过程中,受到水平力源作用使地壳深处的物质受到挤压加之地壳介质的不均匀性,从而引起局部区域范围内地下物质迁移及密度变化而产生重力变化梯度带。
参考文献
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