流动重力和区域GPS测量是2种常规的前兆形变观测手段,多期的重复测量可以较好地反映出地球重力场和地壳形变的变化特征(李辉等,2009; 祝意青等,2012; 陈石等,2011; 王小亚等,2002; 刘峡等,2006)。在地震的孕育过程中,地壳内部应力的作用、应变的积累、介质密度的变化和物质迁移等都将导致区域重力场和应变场不同程度的变化(申重阳等,2009; 祝意青等,2009; 杨国华等,2012; 武艳强等,2013)。因此综合分析重力和应变场的动态变化,从中提取具有前兆意义的异常,可以为地震趋势研判提供可靠的判定依据(戴王强等,2007; 陈石等,2011)。

山西断陷带位于鄂尔多斯块体与华北平原块体衔接部位,是华北主要地震活动带之一,其强震活动频繁、地震灾害严重(王秀文,1995)。该断陷带由一系列断陷盆地及其间的横向隆起组成的一条北北东向的活动构造带构成,总体呈“S”型,区域内主要活动断裂为北东、北北东和北东东向3组,它们控制着盆地的边界和盆地的发育(国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组,1988)。目前针对山西断陷带重力场和GPS应变场的研究成果并不少见(祝意青等,2013; 李真等,2013; 冯建林等,2013; 玄松柏等,2014; 贾宇鹏等,2015; 王秀文等,2016; 郭良迁等,2010; 王秀文等,2010),但大多是将重力和GPS单独进行分析,本文着重在分析山西断陷带2009—2015年最新的重力场变化特征的基础上,结合相同时间尺度的应变场,共同探讨地下物质密度变化引起的地表重力变化与反映地表微形变的应变场的时-空变化特征的一致性,以获得新的见解和认识。

随着地震监测预报工作的深入开展,观测技术在不断发展,全国地震流动重力测网的监测能力也在不断提升,中国地震局于2009年对大华北地区主要活动构造带上的地震重力区域网进行了调整、优化和改造(李辉等,2010),使很多分散的区域网有效地连接起来,并对测网进行绝对重力控制,形成了完整的大华北重力监测网。山西地区的重力监测网主要由中国地震局地球物理勘探中心每期使用2～6台LCR-G型仪器完成,每年观测两期。为了使处理结果更加准确、可靠,平差精度更高,本文使用山西地区及其周边河北、河南、首都圈等多个测网2009年以来共13期的流动重力复测资料进行联合平差计算,测区重力测网分布如图1所示。

图1 山西及邻区重力测网及GPS测点分布图
Fig.1 Distribution map of gravity survey network and GPS measuring sites in Shanxi and its adjacent areas

每期资料处理均采用同期绝对重力控制下的相对重力联测的经典平差方法,其中绝对重力点选取的是太原、郑州、白家疃、托克托,绝对重力控制的均匀分布可有效减小相对重力联测中传递误差的影响。平差后单期重力观测资料的点值平均精度均优于10×10^-8 m/s²(表1),说明本研究使用的观测资料和处理结果是可靠的。

为了有效地监测山西断陷带地壳运动和大震活动趋势,山西省地震局于1995年沿山西带两侧布设了由40个点组成的GPS监测网,点位分布跨越了山西地区南北向的主要断裂带,且分布较为均匀,相邻点距约为十几至数十千米不等。目前除3个测站遭到破坏外,其余37个测站均能正常使用。计算时,为了使对研究区场的描述更加清晰和全面,除了该地区的37个测站外,还使用了周边网络工程和陆态网络的区域站观测资料一同解算。

表1 山西及周边地区重力测量资料情况(LCR-G型重力仪)
Tab.1 Information of gravity survey in Shanxi and its adjacent area(using LCR-G gravity meters)

由于地表重力变化既是对深部物质运动信息的反映,同时地表变形运动也会对重力变化产生一定影响。一般来说,考虑地表垂直变形产生的重力效应时,把垂直形变δH产生的重力变化δg用自由空气校正公式(曾华霖,1999)表示:δg=-0.308 6δH,即每抬升或下降1 cm,将引起约3.086×10^-8 m/s²的重力下降或上升变化。目前高精度垂直运动观测主要通过区域水准观测来获取,但由于其观测周期长,无法与重力观测同步,只能利用有关水准测量成果粗略估算地表垂直运动对重力变化的影响(申重阳等,2009)。

图4 2011—2012年(a)、2012—2013年(b)、2013—2014年(c)和2014—2015年(d)山西及邻区重力水平总梯度动态变化图像(单位:10-8.m·s-2/°)
Fig.4 Maps showing total horizontal gradient of gravity changes in Shanxi and its adjacent areas in 2011—2012(a),2012—2013(b),2013—2014(c)and 2014—2015(d)(unit:10-8.m·s-2/°)

图5 山西地区部分测段分布(a)及不同测段段差时序变化特征(b)～(i)
Fig.5 Partial segments distribution(a)and the temporal variation characteristics of segments(b)～(i)in the Shanxi area

图6 山西南部不跨断裂测段分布(a)及段差时序变化特征(b)～(c)
Fig.6 The temporal variation characteristics(b)～(c)and distribution(a)of segments for the non-crossing faults in the south of Shanxi

本文利用由精密水准观测结果解算的垂直向位移信息,获得山西北部和晋冀蒙交界范围内2006—2013年期间的垂直形变速率,如图7所示(水准测量和计算结果由一测中心监测二队完成提供)。

垂直形变场反映出晋冀蒙交界地区山区上升、盆地下沉的运动格局,总体小于10 mm/a。按前述自由空气校正公式和垂直形变年速率计算,研究区高程变化对重力场的影响每年不超过3×10^-8 m/s²。

图7 2006—2013年晋冀蒙地区垂直形变速率(单位:mm/a)
Fig.7 Map of vertical deformation velocities in Shanxi-Hebei-Inner Mongolia area for the period from 2006 to 2013(unit:mm/a)

在北部的集宁—清水河一带为主要的相对隆升区,南部太原—阳泉—石家庄地区相对下降,下降速率并不大,平均为4～8 mm/a。图2b显示该区域同期的重力呈现负变化,重力和水准并没有呈现理论的负相关关系,分析认为该地区可能由于华北地下水开采导致地面下沉和重力负变化。

在深入分析山西断陷带及邻区近年重力变化特征后,本文尝试将相同时间尺度的重力场和GPS观测反映的应变场相结合,初步探讨山西断陷带地下物质密度变化引起的地表重力变化与反映地表微形变的应变场的时-空变化特征的一致性。

最大剪应变反映的是局部区域构造活动性的强弱,面应变的值在一定程度上反映了地壳中应变能的状态及大小,负值表示该区收缩,正值表示该区膨胀。

2013—2015年山西断陷带的重力场和应变场的变化特征整体显现出:在重力场正负变化零值

图8 2013—2015年山西地区重力重力变化(单位:10-8 m/s2)(a)、最大剪应变(单位:10-9/a)(b)和面应变(单位:10-9/a)(c)
Fig.8 Gravity change(unit:10-8 m/s2)(a),Maximum shear strain(unit:10-9/a)(b) and Surface strain(unit:10-9/a)(c)in Shanxi area during 2013 and 2015

线附近基本对应着最大剪应变的几个高值区,同时面应变表现为挤压收缩和膨胀拉张变形的过渡区域,表明这段时间内随着应力积累局部应变持续增大,地下物质密度产生变化,这些地区的构造活动性处在一个较强的状态,同时存在部分小震活动; 研究区东南部面应变和重力变化的零值线都沿太行山山前断裂展布,说明断裂两侧的重力场和面应变膨胀率分别呈现2种不同的状态,二者具有一定的共生性特征。值得注意的是,面应变结果显示在五台—阳泉区域形成了负值中心,最大剪应变显示该地区相对闭锁,位于几个构造相对活跃的中心,同一时期的重力变化特征显示在同一区域表现为重力累积正变化,说明该区域地壳中应变能在周边膨胀拉伸的包围下处于挤压收缩的状态,深部物质向该区迁移,导致局部区域密度增高,这也进一步表明GPS所揭示的地表微形变是对物质运移的一种间接反映,与地下物质密度变化具有较好一致性。

由于本文旨在尝试对比相同时间尺度的重力场和GPS所揭示的应变信息的相关性和时空一致性,又由于流动GPS观测反映的垂向位移变化精度较低,其误差与变化量基本在同一量级,难以在重力观测误差精度中得到认证和分辨,故文中并没有列出GPS垂向变化结果。

通过处理分析山西及邻区2009—2015年重力场及其水平总梯度的动态变化特征,结合重点地区跨断裂测段的段差时序变化特征详细分析局部地段的异常特征,最后将相同时间尺度的重力场和应变场放到一起,初步探讨山西断陷带重力场变化与反映地表微形变的速度和应变场的时-空变化特征的一致性,得到以下初步结论:

(1)山西北部阳原—大同至晋冀蒙交界区域在累积重力场变化中表现为持续的负变化,重力场差分变化特征在该地区出现了由负到正变化的演化过程,且等值线发生了近90°的弯曲,显示出大同盆地及其周缘的NE、NEE向的口泉断裂、恒山山前断裂、六棱山山前断裂等活动构造区域具有一定的重力孕震特征; 山西南部临汾—夏县一带在多年的累积变化中呈现重力上升趋势,体现了该地区能量在不断积累,在最新的一期重力场差分变化中突然发生由正到负的大面积反转,并于2016年3月12日发生了运城4.4级地震。

(2)近期的重力场动态变化显示晋冀豫交界的邯郸—安阳一带沿太行山山前断裂形成了正负差异达100×10^-8 m/s²左右的高梯度带,并在安阳附近等值线发生转折弯曲,同时最大剪应变也显示该区域处于相对高值活跃期,应予以关注。

(3)重力水平总梯度具有比重力异常更高的分辨率,根据一年尺度的重力水平总梯度的动态变化特征,更加直观地显示出,在山西北部恒山断裂、六棱山断裂和口泉断裂附近的阳原—大同一带、南部中条山断裂的运城—夏县一带和中东部的太行山断裂安阳附近,形成了水平总梯度的高值区集中区,与重力场所反应的异常位置十分一致且异常更为明显。

(4)跨断裂测段段差的时序变化较好地突出局部地段的重力异常变化特征,也间接反映了山西北部的大同盆地和南部的临汾盆地在周缘断裂的控制下正处在一个相对活跃的时期。

(5)研究区内由地壳垂直运动引起的地表重力变化较为有限,重力场变化是对地壳深部介质密度变化和物质迁移过程的主要反映。

(6)通过对比分析认为相同时间尺度的重力场和应变场有较好的对应关系,联合分析重力和应变场有助于对地壳形变和深部物质的变化产生的孕震机理获得更深刻的认识。