首都圈流动重力监测网,北起承德,南至天津小站,东起秦皇岛,西至山西大同,始测于1985年,1986年起使用LCR-G型高精度重力仪进行观测,每年观测4期。观测精度约为 10×10^-8m·s^-2。2000年中国地震局首都圈防震减灾示范区系统工程,对首都圈重力网进行了优化改造,加密埋设了流动重力监测点,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已达150多个,形成15个环和4条支线的规模(图1)。

图1 首都圈重力网及构造略图
Fig.1 Gravity survey network and tectonic sketch in Beijing area

使用中国地震局实用化攻关推广软件(LGADJ),采用孙铭心等(2009)确定重力场动态变化计算的空间基准和时间基准的方法,以用香山绝对点绝对测量结果建立起来的时间基准为起算基准,对1986年和1987年首都圈地区总共8期重力观测资料进行整体经典平差建立空间基准,并对1987～1996年每一期观测资料进行经典平差计算,最后利用每一期重力资料的平差结果减去空间基准,从而获得每一期的重力变化。

为减弱和消除测量粗差和地壳浅表层与局部效应的影响,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每一期的重力变化数据进行拟合推估和滤波(江在森等,2001)。

图2是大同6.1级地震前后重力场变化等值线图。图1中位于首都圈重力观测网西侧的云岗至宣化测线于1991年开始观测,而1989年10月大同6.1级地震震源区位于重力观测网外,以致地震前后震源区重力变化等值线如何分布我们不得而知,尽管如此,在靠近震源区即测网的西北部仍出现了明显异常,重力场动态图像基本显示了异常变化的全过程。

从图2可以看出,与地震有关的重力场动态演化的最显著特征是,孕震区东北侧(重力观测网西北)呈现一个十分醒目的正重力变化区,1987年3月重力正异常发育于测网的西北部,幅度达到30微伽,经历了一年多的波动后,1988年5月重力异常的幅值开始加速增加,首都圈重力场显示出非均匀性变化的增强,1989年1月达到最大值60微伽,随后重力异常幅值开始减速下降,地震发生在重力正异常减速下降的过程中,一年以后重力场异常基本恢复正常。重力变化呈现出上升—加速上升—转折下降—发震—恢复的过程,重力异常从开始到结束持续了大约3年,反映了大同6.1级地震孕育从能量累积到能量释放的全过程。

由于地震发生在重力观测网外,我们无法获得震源区重力变化等值线的分布和走向,但有一点可以肯定,地震发生地点不在正重力变化的核心区域,而在正重力变化核心区的西南一侧,核心部位毗邻孕震区,且正重力变化区范围基本稳定,从图2a中看出震中位于0等值线附近,可以得知大同地震可能就发生在最大重力正异常区西南侧梯级变化带上,但是未看到完整的正负交接过渡的重力变化梯级带。

强震孕育发震的显著重力特征为持续几年的正重力变化(上升),这反映了地震能量的不断积累,而较大规模的重力变化梯级带,有利于构造的破裂而发生地震,这可能为强震地点预测提供依据。

需说明的是,1991年3月26日发生的大同5.8级地震在重力场动态图像中没有异常变化,这是否是由于两次地震时间间隔较短,6.1级地震后地壳应力场出现应力调整,从而干扰了5.8级地震前异常的显现,还有待深入研究。

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地突出异常测点的动态变化。我们给出了重力异常区域内的北辛堡、东花园、辉耀和野场4个测点重力随时间变化的曲线(图3)。从图3中也可以明显看出大同地震前后重力的演化过程,重力变化基本呈现出上升—加速上升—转折下降—发震—恢复的特征。

李瑞浩等(1997)给出以北京为起算点的天津、唐山和山海关测点随时间变化曲线(图4),真实反映了这次强烈地震前后重力变化的全过程。唐山地震前后重力变化具有“上升—加速上升—转折下降—发震—恢复”的基本特征。比较大同地震和唐山地震重力变化阶段特征,不难看出尽管两次地震区域构造动力环境等存在差异,但地震前后重力场变化具有相似的变化特征。

为解释地震前后重力场变化原因,国内外许多学者(陈运泰等,1980)提出了各种引起重力场变化的孕震模式,如形变和质量迁移模式等,这对理解大震的重力变化机制十分有益。

一般来讲,重力变化包含3方面的效应:(1)测点高程变化引起的重力效应;(2)介质密度变化引起的重力效应;(3)地下物质迁移引起的重

图2 大同地震前后首都圈地区重力变化等值线图(单位:10-8 m·s-2)
(a)1987年3月;(b)1987年5月;(c)1987年9月;(d)1987年11月;(e)1988年3月;(f)1988年5月;
(g)1988年9月;(h)1988年11月;(i)1989年1月;(j)1989年3月;(k)1989年7月;
(l)1989年11月;(m)1990年4月;(n)1990年7月;(o)1990年12月
Fig.2 Isoline map of gravity variation before and after MS6.1 Datong earthquake in Beijing area(unit:10-8m·s-2)(a)Mar.1987;(b)May 1987;(c)Sep.1987;(d)Nov.1987;(e)Mar.1988;(f)May 1988; (g)Sep.1988;(h)Nov.1988;(i)Jan.1989;(j)Mar.1989;(k)Jul.1989; (l)Nov.1989;(m)Apr.1990;(n)Jul.1990;(o)Dec.1990

力效应。由于形变场和重力场的变化直接反映了地震在构造力作用下的孕育过程,所以正常情况下,地震前是有重力变化和高程变化的,两者的关系是地面隆起、重力下降或地面下降、重力上升。杨国华等(1994)给出华北地区垂直形变场在大同地震前1983～1988年时段内表现为异常的隆起,唐山地震前自1971年起地壳形变也一直处于上升状态(王双绪,江在森,1997)。可以看出,地表垂直运动对研究区显示的重力正变化难

图3 大同地震前后部分重力点值变化时序图(a)北辛堡;(b)东花园;(c)辉耀;(d)野场
Fig.3 Time sequence of gravity at some stations before and after MS6.1 Datong earthquake (a)Beixinbao;(b)Donghuayuan;(c)Huiyao;(d)Yechang

图4 唐山地震前后重力变化(李瑞浩等,1997)(a)天津;(b)唐山;(c)山海关
Fig.4 Gravity changes before and after MS7.8 Tangshan earthquake(Li et al,1997)(a)Tianjin;(b)Tangshan;(c)Shanhaiguan

从唐山、大同强震前重力异常具有相似性特征分析中可以看出,地下物质迁移可能是引起重力正变化的最主要原因。梅世蓉等(1982)的研究表明,我国华北地区存在一个流动速率较高、粘滞度较低的区域,其深度和范围与上地幔隆起和高导低速层的深度和范围相近,即整个华北地区正处于一个地幔对流速率较高的状态。张国民等(1999)研究表明,大同地震震中区东北侧(重力正异常区)地壳内存在两个高导低速体(由地幔热物质上涌造成)和一个阳原地壳深部断裂带,震中位于高导低速体与深部断裂带端部交汇部位。人工地震探测结果(梅世蓉等,1982)指出,在唐山丰南地区的正下方20多公里深处,存在地壳基底断裂,将莫霍面错开2～3 km,此深部断裂把地幔和地壳串通起来,为地幔热物质的上涌提供了通道。地幔高密度热物质沿着深部直立断裂上涌,造成孕震体上方重力值出现上升的异常变化,地幔热物质上涌所增加的地应力与板块驱动力所造成的本区区域应力场相迭加,在震中区下方的高导低速体与深部断裂带交汇部位产生应力集中区,这里可能是孕育强震最有利的场所,极大地增加了地壳破裂的危险性,可能是板内强震最主要的成因(刘善华等,2002)。板内绝大部分的浅源地震都发生在有高导层的地壳中,地壳中不发育高导层的地区一般不发生强震。