本文主要研究区域(36°～42°N,111°～117°E)和重力联测路线如图1所示。所选数据包含了中国地震局地球物理勘探中心、中国地震局地球

图1 研究区重力联测路线
Fig.1 The gravity joint surveying routes in the study area

物理研究所、河北省地震局、山东省地震局等单位的10期相对重力联测资料,以及中国地震局地震研究所提供的绝对重力观测资料。观测仪器为LCR-G型重力仪和CG-5重力仪,测量之前均对仪器进行细致调试,仪器状态良好,观测资料可靠。

采用经典平差方法,在绝对重力(太原、长治、包头、白家疃、乌加河等)控制下,对2013—2017年的流动重力观测资料进行整网统一平差计算。对各单位公共点段的异常情况进行重点核实,去除非数据原因引起的重力场畸变; 对一些突跳的重力点值具体分析并进行修正。在相对重力资料处

理过程中作了固体潮、一次项系数等改正,获得了不同时间段的重力场动态变化结果。相对重力联测均每年观测2期,精度优于15×10^-8 ms^-2。

从2015—2017年半年尺度的重力场变化特征(图2)可以看出,重力场主要是小幅调整变化,幅值受季节影响下重力场的正常状态,约为(-30～30)×10^-8 ms^-2。2015-09—2016-04,重力场总体呈现小幅正值变化; 2016-04—2016-09,重力

图2 半年尺度的重力场变化图(单位:10-8 ms-2)
Fig.2 Gravity change patterns in a-half-year period(uint:10-8 ms-2)

场出现南北小幅正值、中间负值变化的情形; 2016-09—2017-04,南部的重力场正值变化向北扩大且幅值小幅增加,中部重力场负值范围缩小,但是幅值小幅增加,北部范围缩小; 2017-04—2017-09,重力场中西部出现正值变化,最大约为20×10^-8 ms^-2,周边地区出现大面积负值变化,但幅值不大。

2013—2017年一年尺度的重力场变化特征(图3)显示:重力场主要是调整变化,幅值约为(-40～40)×10^-8 ms^-2,重力零值线在大同附近,并形成持续重力梯度带,幅值约为50×10^-8 ms^-2。图3中所示的6个地震中有5个发生在重力场反转的时段,仅2016年12月18日清徐M4.3地震发生在重力场持续变化过程中。2013-09—2014-09,重力场主要是负值变化,最大幅值约为40×10^-8 ms^-2。2014-09—2015-09,重力零值线基本沿呼和浩特—大同—保定方向延伸,重力场呈现南正北负的特征。2015-09—2016-09,重力场发生反转,在此过程中发生了3次4级以上地震,重力零值线依旧在大同附近。2016-09—2017-09,重力场呈现西南正东北负的情形,此期间发生了2次4级以上地震。重力零值线基本沿呼和浩特—大同—石家庄方向延伸。

图3 一年尺度的重力场变化图(单位:10-8 ms-2)
Fig.3 Gravity change patterns in one-year period(uint:10-8 ms-2)

2013—2017年重力场累积的变化特征见图4。总体来看,重力场东部变化比较剧烈,西部变化相对平缓,张家口一带重力零值线出现拐弯,重力持续累积形成梯度带,幅值约为40×10^-8 ms^-2; 石家庄一带重力变化最为显著,持续累积形成NNE向梯度带,幅值约为70×10^-8 ms^-2。2013-09—2014-09,重力场基本呈现大面积负值变化,最大变化幅值约为40×10^-8 ms^-2; 2013-09—2015-09,重力场较上期在南部呈现大面积的正值变化,石家庄—邢台一带持续呈现负异常,并出现重力梯度带; 2013-09—2016-09,重力场变化整体延续

了上一期的变化趋势,正值范围有所扩大。大同—张家口和石家庄—邢台一带依然处于重力零值线和梯度带附近,并且重力场持续加强。2013-09—2017-09,重力场整体延续了上一期的正值变化,幅值不大。

从图5可以看出,所选重力测点主要分布在太行山山前断裂带和山西断陷带。不同测点的变化趋势基本一致,总体呈上升变化。2015年第一期到第二期,所有测点重力值均是上升状态; 2015年第二期到2016年第一期,除后房子和五寨以外,其余测点重力值保持上升; 2016年第一期到2017年

图4 累积年尺度的重力场变化图(单位:10-8 ms-2)
Fig.4 Gravity change patterns in one or more years periods(uint:10-8 ms-2)

第一期,重力值变化较为平缓,部分测点出现转折调整; 2017年第一期到2017年第二期,除原平以外,其余测点重力值均保持上升。太行山附近的东山乡测点重力变化最大,幅值近70×10^-8 ms^-2,山西断陷带北部的凤凰山测点重力变化最小,幅值约为25×10^-8 ms^-2。

图5 部分测点重力点值时序变化图
Fig.5 Time series gravity changes at some observation stations

观测重力值会受到地形变、地下水等变化的共同作用,因此在重力场分析中考虑环境因素的变化尤为重要。

(1)分析GPS观测结果解算的垂直向位移信息对重力场变化的影响。一般考虑地表垂直形变产生的重力效应时,把垂直形变δ_H产生的重力变化用δ_g表示,δ_g可用自由空气校正公式计算:

δ_g=-0.308 6δ_H(1)

从式(1)可看出,高程每抬升或下降1 cm,将引起约3.086×10^-8 ms^-2的重力下降或者上升变化,其远小于重力场的观测误差,因此垂直形变的影响可以忽略不计。

(2)一些学者对地下水对重力测量造成的影响做了细致分析。如地下水位变化3 m,无限平面层引力效应的垂直分量远区域很小; 潜水水位对唐山地震前2期的重力测量结果影响较小,最大不超过9×10^-8 ms^-2,因此,引起唐山震前重力场变化的主要原因不是地下水(贾民育等,1983)。引起水文运动的因素很多,只从单个因素着手不能准确估计对重力场变化的影响效果。从地下水的渗透方程出发解决了这样的问题,武汉九峰站地下水变化引起的重力效应,峰对峰重力变化幅度约为16×10^-8 ms^-2(贺前钱等,2016)。

研究区东南部位于华北平原,近些年地下水流失对重力场的变化造成一定的影响,重力值下降约10×10^-8 ms^-2,在分析重力场变化时应将下降的幅值考虑进去; 研究区西部与北部地下水流失相对不大,造成的重力值下降很小,分析重力场变化特征时,地下水的影响可以忽略不计。