笔者主要分析了2012年3月以来研究区重力场变化特征,即山西平遥MS4.1地震前后的重力场动态变化,分析了重力场差分动态变化、累积变化的动态图像、震中附近重力点值和部分测段段差的变化情况(图2~5)。
2.1 重力场差分动态变化
从研究区重力场差分动态变化图(图2)中可以看出:
(1)2012-08~2013-03期间(图2a),研究区域总体以正值变化为主,平遥地震震中区及其附近重力变化平缓。测区中部朔州、静乐、霍县附近出现小幅的负异常变化。
(2)2013-03~2013-08期间(图2b),区域重力变化表现为西负东正、正值为主的变化。在兴县—吕梁—午城一带西侧有大于-30×10-8 ms-2的重力异常变化。而其东侧大面积地区延续了上一期正值变化趋势,仅在沁县附近出现小幅负值变化。
(3)2013-08~2014-03期间(图2c),研究区域重力场总体态势由上一期的自西向东由负到正的趋势转化为自北向南由负到正的趋势变化。大致以平遥—阳泉为界,测区北部主要表现为重力场负变化的趋势,仅在静乐附近出现小幅正异常区域。测区南部则为正值变化,安泽、和顺一带变化明显。重力零值线在平遥附近,与断裂带方向基本一致。
(4)2014-03~2014-08期间(图2d),地震之后,比较前两期可以看出,重力场变化基本以调整恢复为主,表现为轻微的正变化,小范围出现小幅负值区域。
2.2 重力场累积动态变化
为了分析研究区较长时段的区域重力场累积变化特征,以2012年3月山西网观测资料为对比基准,分别绘制了山西平遥MS4.1地震震前、震后各期相对基准的区域重力场累积变化动态图像(图3)。从图3中可以看出,研究区的重力场正累积范围逐步增加,负累积变化逐步增强。在震中附近产生局部重力异常变化区,平遥—灵石一带形成了与太谷断裂走向基本一致的重力变化高梯度带,可能预示着与地震发生相关的构造运动或应力增强作用。
(1)2012-03~2013-03期间(图3a),研究区域自北向南整体表现正负相间的格局,北部重力场正值变化较为平缓,中部出现大面积负值变化,南部临汾一带显示正值变化,长治一带形成了较大幅度的正异常,幅值超过30×10-8 ms-2。长治与临汾正值变化有着“呼应、联合”的态势。
(2)2012-03~2013-08期间(图3b),北部重力场正值变化有扩大趋势,在岢岚—静乐—忻州一带形成正负异常变化区分界线。中部负值变化区域有所减小,但是幅值增大。南部的临汾、长治的正异常区域也联合起来向北发展。研究区域整体呈现南部、北部对中部平遥地区的挤压态势,并且在平遥—灵石一带形成的重力变化高梯度带与太谷断裂带走向基本一致。平遥处于重力变化零值线上。
(3)2012-03~2014-03期间(图3c),整
个研究区域的重力变化剧烈,具有四象限分区现象。阳泉一带重力场持续负值变化,范围向北有所扩大; 临汾—霍县—沁县一带的正异常持续增加,使得平遥—灵石沿太谷断裂走向的重力高梯度带进一步加剧,幅值超过45×10-8 ms-2。平遥处于重力变化高梯度带的拐弯部位。
(4)2012-03~2014-08期间(图3d),地
图2 重力场差分动态变化图像(单位:10-8 ms-2)(a)2012-08~2013-03;(b)2013-03~2013-08;(c)2013-08~2014-03;(d)2014-03~2014-08
Fig.2 Maps of dynamic variation of gravity field difference(uint:10-8 ms-2)
震之后,可以明显看出南部临汾—霍县—沁县一带的重力正值变化有所减退,平遥附近的重力变化“零”值线向南偏移。这应该是震前加载在太谷断裂上的应力在震后得到释放,使得平遥地区的物质密度下降从而导致重力场的变化重新分布。同样还可看到阳泉附近的负异常范围缩小恢复到震前稍长一段时间的水平。
2.3 重力点值时序变化
重力点值时序变化能较好地突出异常测点的动态变化,可以分析不同位置测点的重力变化累积程度。选取平遥MS4.1地震震中附近的9个测点(图4),这些测点都(除分水岭)处于重力累积变化负值区。绘制其重力点值变化图(图5)可以研究距离震中不同距离、不同断裂带上变化的
图3 重力场累积变化动态图像(单位:10-8 ms-2)(a)2012-03~2013-03;(b)2012-03~2013-08;(c)2012-03~2014-03;(d)2012-03~2014-08
Fig.3 Maps of cumulated dynamic change of gravity field(unit:10-8 ms-2)
积累程度。2012-03~2014-08期间,平差计算后这些测点的点值平均精度为5.6×10
-8 ms
-2。
从图4b可以看出,震中附近测点的重力值变化有着较好的同步性,重力值基本都出现了下降—平缓—较大幅值上升—下降—下降的变化过程,太谷断裂附近(黑线)重力变化幅度明显大于交城断裂附近(虚线)。2013年3月之前,这2个断裂附近测点的重力值变化基本一致; 2013年3月
图4 平遥MS4.1地震震中附近重力点(a)及其重力测值的时序变化(b)
Fig.4 Gravity points around the epicenter of the Pingyao MS4.1 earthquake(a),and their sequence variation of gravity measuring(b)
至2014年8月,地震发生前一年左右,各个测点的趋势近乎一致,出现较大幅值的上升后转为下降,在随后反向恢复过程中发生平遥M
S4.1地震。2013年8月之后的两个时间段,重力点在时空演化上显示出一定的规律性,太谷断裂附近出现下降—持续下降(实线),而交城断裂则是平缓—下降(虚线),相比而言有一定的滞后性,其变化幅值明显小于前者。
段差的变化可以反映测段之间梯度的变化。太古断裂两侧的 “祁县—平遥”,“祁县—太谷”,“祁县—分水岭”的测段平差后的段差值(表1),段差变化如图5所示。段差变化可能对于深入认识构造活动和孕震过程有一定指示意义。由图可以看出,2012-03~2013-03期间,这3个测段的变化趋势基本一致; 2013-03~2014-03期间,祁县—平遥,祁县—分水岭测段重力段差持续上升,祁县—太谷测段变化较平缓; 2014-03~2014-08期间,地震之后祁县—太谷转而上升。由于平遥地震震级较小,震中附近重力段差在震前一年时间变化较为明显。
两条断裂对造成地震的应力积累和物质迁移有着“阻碍”作用,造成了不同程度的重力负累积。特别是地震前重力场在太谷断裂的西北侧的负积累和东南侧的正积累,形成挤压、闭锁态势,当能量超过临界值后就发生了地震。
图5 太古断裂两侧部分测段的段差变化
Fig.5 Gravity difference vaiation on both sides of the Taigu Fault
表1 太古断裂两侧部分测段的段差(单位:10-5 ms-2)
Tab.1 Gravity difference on both sides of the Taigu Fault(unit:10-5 ms-2)