基金项目:安徽省地下结构探测与震灾风险防范重点实验室(筹)开放基金(KLB-2025KFQN-004).
第一作者简介:孙鸿博(1985-),工程师,主要从事跨断层水准、重力、流动地磁和跨断层土壤气的数据采集及分析工作.E-mail:33840828@qq.com.
通信作者简介:梁 霄(1991-),工程师,主要从事重力、跨断层水准及流动地磁的数据采集及分析工作.E-mail:lx1068@126.com.
(1.安徽省地震局,安徽 合肥 230031; 2.安徽省地下结构探测与震灾风险防范重点实验室(筹),安徽 合肥 230031)
(1.Anhui Earthquake Agency,Hefei 230031,Anhui,China)(2.Anhui Key Laboratory of Subsurface Exploration and Earthquake Hazard RiskPrevention(in prep.),Hefei 230031,Anhui,China)
gravity field variation; the Bayesian adjustment; the Tancheng-Lujiang Fault Zone; the Bouguer gravity anomaly; wavelet decomposition
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0059
地震的孕育和发展伴随着构造活动、质量迁移和密度变化等物理过程,这些过程会引起地球重力场的非潮汐变化(黄江培等,2023)。由于地球形状的不规则性和内部物质分布的不均匀性,重力场会随时间和空间产生变化。大量研究表明,重力场在地震前后都会有不同程度的变化(陈运泰等,1980; 陈石,王谦身,2015)。为了监测地震前后的重力场变化,中国地震局在中国境内布设了密集的流动地震重力观测网络(付广裕,2023; 祝意青等,2022),目前,已经形成了由绝对、相对以及连续重力组成的地震重力监测网,监测能力大大提升,而且产出的数据质量高、可靠性强(徐如刚等,2021)。
郯庐断裂带作为中国东部最重要的断裂带之一,对我国东部地区的区域构造和地震活动有很重要的控制作用(林承灏等,2019),是地震重力观测的重点区域,中国地震局在断裂带上布设了密集的重力观测点。本文通过收集2013—2024年郯庐断裂带中南段及周边地区的重力场变化特征,结合布格重力异常、均衡重力异常以及研究区的运动背景,分析其重力场变化的原因。这对于时变重力场和相关的构造运动、地震活动、强震孕震机理等研究具有科学指导意义。
郯庐断裂带是中国东部规模最大的断裂带,以形成时间长、活动性强、切割深度深为主要特点。该断裂带对中国东部地壳的发育、断裂构造的演化以及地震活动具有重要影响,是一条重要的大地构造界线,其运动状态一直备受关注。根据断裂的构造习性、演化历史和地震活动性,前人将郯庐断裂带分为北、中、南3段,其中渤海湾以南的部分被称为中南段,是郯庐断裂带的主体部分(吕子强等,2013)。图1中的F1断裂带介于F5与F9之间的部分为中段,是全新世活动断裂集中分布的主要段落,也是郯庐断裂带发生强震的主要区域。该地区曾发生过公元前70年的安丘7.0级地震和1668年的郯城8.5级地震。本文研究的郯庐断裂带中南段处于欧亚板块与太平洋板块碰撞的边缘区域。由于重力场的变化是地球介质密度变化的直观反映,因此,研究郯庐断裂带中南段的重力场变化对于理解长期构造作用下区域地壳深部质量变化和物质运移具有重要意义。
郯庐断裂带中南段的重力观测网络(图1)采用了绝对重力和流动重力的混合测网。根据3个不同的省份,分为山东、安徽及江苏3个测区,分别由各省的地震局负责本测区的测量工作。相对重力观测使用了LCR-G型、CG-5型和CG-6等重力仪进行同步观测,研究区内约有350个相对重力测点和400个测段。通过对重力测点进行往返观测,可以获取每个测段中各测点的重力段差(梁霄等,2020; 徐如刚等,2023)。绝对重力观测则采用了FG5和A10型绝对重力仪。每年对区域的绝对重力控制点进行1~2次观测,为相对联测数据提供起算基准,通过平差获得各期具有绝对重力基准控制的重力点值(邢乐林等,2016)。
流动重力主要采用“绝对控制下的相对重力联测”的方式(胡敏章等,2019),每年开展1~2期观测。为了解决仪器漂移及一次项系数变化对重力观测结果的影响,以每一期的淮北、九江、溧阳、泰安、日照、烟台等绝对重力值作为控制,使用经典平差与贝叶斯平差两种方法对重力观测资料进行平差处理(Chen et al,2019)。因为2021年后测区部分区域改为了每年1期观测,为了计算郯庐断裂带中南段近期的重力场变化量,选取2013年上下半年、2020年上下半年和2024年下半年共5期陆地流动重力的观测结果,统计了2种平差方法每一期平差计算得到了所有测点重力值误差的平均值。从表1可以看到,整体重力测量精度均较高,贝叶斯方法在解决仪器漂移及一次项系数变化上具有一定效果,进一步提高了处理精度(Liang et al,2024)。
表1 使用经典平差与贝叶斯平差方法对观测值进行平差处理的精度
Tab.1 Accuracy of the observed values at the observing points obtained through the Bayesian adjustment method and the classical adjustment method
每年开展两期重力观测,上半年的观测时期处于旱季,降水量较少,下半年的观测时期处于雨季,降水量较大。2013年与2020年相对应时期相减,在一定程度上消除了地表水对重力变化的影响。2013-05—2020-05重力场变化是由2013-05和2020-05两期重力数据相减获得,
2013-09—2020-09重力场变化是由2013-09和
2020-09两期重力数据相减获得,各期数据具有独立性。从图2a、b可见,这两期重力场变化的趋势整体较一致,正负值范围基本相同,只是在数值上存在一点差异,因此认为重力场变化的整体趋势是可靠的。为了获取研究区重力场的长期变化特征,对2013-05—2020-05和2013-09—2020-09两期重力场变化进行了平均,从而得到了更可靠的2013—2020年的重力场变化(图2c)。这样做的目的有两个:一是消除个别测点测量时受周围的环境干扰产生的较大误差对整体重力场变化的影响; 二是消除不同时期降雨量等季节性因素对重力场变化的影响。同时,为了获取研究区最新的重力场变化,本文计算了2013-09—2024-09测期重力场变化(图2d)。
图2 2013-05—2020-05(a)、2013-09—2020-09(b)、2013—2020年(c)和2013-09—2024-09(d)郯庐断裂带中南段重力场变化
Fig.2 Variation of the gravity field in the middle-southern section of the Tancheng-Lujiang Fault Zonein the measurement periods 2013-05—2020-05(a),2013-09—2020-09(b),2013—2020(c),and 2013-09—2024-09(d)
从研究区重力场变化可以观察到,2013—2020年研究区的重力场总体呈现北部下降和南部上升的趋势,安徽西北、南部地区重力值上升至50×10-8 m/s2。2013—2024年皖南及鲁北地区重力值继续上升,升至80×10-8 m/s2。宋尚武等(2019)使用精密水准观测资料计算了苏皖地区的垂直形变速率场,发现安徽南部地区地壳整体呈抬升运动,运动速率为2 mm/a。抬升运动会导致重力值的下降,但2013—2024年皖南地区的重力值却是持续上升的,表明该地区的构造运动与地下介质密度变化有关。2013—2020年山东西部地区的济南周边地区重力值下降至-50×10-8 m/s2。2013—2024年该地区重力负变化幅度有所减小,重力变化值为-40×10-8m/s2。由于华北地区地下水超采严重,导致地下水位下降严重(杨会峰等,2021)。笔者认为可能是地下水流失使山东西部的济南周边地区地下质量亏损,进而导致重力值的下降。但自南水北调后,该地区质量亏损有恢复趋势,由于处于恢复初期,故2013—2024年该区域重力变化仍为明显的负变化。
总体上,2013—2020年与2013—2024年研究区重力场变化形态基本一致,但重力变化量级有所区别。郯庐断裂带东侧重力值主要呈上升变化,而其西侧重力值则呈下降趋势,形成了一条重力负变化条带,这表明郯庐断裂带是该区域的主要构造活动控制带。分析认为,这主要是受到太平洋板块向欧亚大陆俯冲的影响,郯庐断裂带东侧受到了挤压力的作用,在重力场上表现为重力值的上升。陈皓等(2022)联合2013—2018年AHCORS(Anhui continuously operating reference station)的观测数据,利用多尺度球面小波法计算得到郯庐断裂带南段的面膨胀率与本文得出对应区域的重力场变化一致,即郯庐断裂带南段的西侧大部分地区呈面膨胀状态,重力值主要呈下降趋势; 在合肥周边以及郯庐断裂带以东地区主要呈面压缩状态,重力值呈现上升趋势。大量研究表明:中国大陆及其周围岩石圈地壳应力场和构造运动可以归结为印度洋板块、太平洋板块、菲律宾海板块与欧亚板块之间的相对运动,以及大陆板块内区域块体之间相互作用的结果。郯庐断裂带主要是受到太平洋板块向欧亚大陆俯冲的影响,其东侧受到了挤压力的作用,在重力场上表现为重力值的上升。
区域重力场的变化叠加了不同深度和不同尺度物质密度不均匀变化所引起的重力场变化的综合效应。小波变换利用其多尺度分析原理,可将信号分解成不同的频率,并聚焦到任一细节进行分析,利用小波变换的特点可以把重力场的变化精细地分解到不同的尺度上(陈兆辉等,2019; 庞卫东等,2014)。本文采用二维离散小波变换技术对研究区重力场变化进行了多尺度分解,最高分解至4阶,获得了1~4阶小波细节图与小波逼近图(图3)。
由于1阶小波细节的重力异常变化幅度较小,且表现为随机噪声特征,与区域构造的关系不大,故本文不进行讨论。为便于分析,采用功率谱分析方法计算了2~4阶小波分解结果的近似场源深度(表2)。
表2 各阶小波分解重力异常对应的近似场源深度
Tab.2 Approximate field source depth corresponding to gravityanomalies decomposed through various wavelet orders
2~4阶小波细节主要反映中上地壳及以上深度的较浅部构造变化引起的重力场的变化(梁霄等,2024)。从图3 a中可以看出:重力场变化的2阶小波细节中存在很多较小的重力异常圈闭,多集中在大型断裂沿线或其两侧; 在断裂较少的地区(如江苏中南部)重力异常的圈闭的数量及量级均较小,表明断裂集中的地区板块的整体性较差,断裂较少的地区板块的整体性较好; 重力场变化的3阶与4阶小波细节的整体形态相似,郯庐断裂带南段(苏皖段)对重力场变化的控制明显, 其两侧存在明显的差异。而在山东地区,重力场的变化与断裂构造的关系不大,未表现出与断裂构造走向相一致的重力场变化特征。
图3 2013—2020年郯庐断裂带中南段重力场变化2阶小波细节(a)、3阶小波细节(b)、4阶小波细节(c)和4阶小波逼近(d)分解图及MS≥3.5地震分布
Fig.3 Wavelet decomposition images of the gravity field variation in the middle-southern section of the Tancheng-Lujiang Fault Zone:the second-order wavelet details(a),the third-order wavelet details(b),the fourth-order wavelet details(c),and the fourth-order wavelet approximation(d)from 2013 to 2020 as well as the distribution of earthquakes with magnitude MS≥3.5[JZ)]
重力场变化的4阶小波逼近结果主要反映中下地壳附近深度构造的运动特征。从图3d可以清晰地看到,重力场呈现北部下降和南部上升的变化趋势,但与重力场变化小波细节不同的是,重力场变化的小波逼近结果在整个郯庐断裂带中南段均出现重力变化等值线的转折,表明在中下地壳,郯庐断裂带作为区域二级构造的转换带对区域重力变化的影响不容忽视,也印证了郯庐断裂带属于一条深大断裂的说法。陈皓等(2022)研究表明郯庐断裂带南段主要表现为右旋走滑,且北部存在着拉张,拉张分量向南逐渐递减,在最南部转变为压缩的状态; 平行断裂的运动速率为 0.10~1.21 mm/a,垂直断裂的运动速率为-0.52~0.76 mm/a。受太平洋板块向欧亚板块逆冲碰撞的影响,郯庐断裂带东侧挤压较为明显,因此郯庐断裂带东侧重力值呈上升的趋势,而郯庐断裂带为一条深大断裂,对太平洋板块的挤压起到了一定的缓冲作用,因此在郯庐断裂带西侧重力变化相对平稳。
为分析重力场变化与地震活动的对应关系,将2013—2022年研究区发生的MS≥3.5地震投至重力变化的小波分析图上(地震的数据来源于中国地震台网中心)。从图3c可见,总体上地震易发生在重力场变化的正负交界过渡带上,在重力变化的极值区域发生的地震较少,这是由于重力变化的正、负异常过渡的高梯度带是物质密度增加与减少的过渡地带,该处产生的物质增减差异运动剧烈,易产生剪应力而首先破裂,从而诱发地震。与郯庐断裂带中段相比,其南段小震频繁,强震较少。郯庐断裂带在控制地壳运动方面起着至关重要的作用,其南段的重力场变化与断层走向更加吻合,可能表明断层并没有闭锁。频繁的小震活动限制了应力的积累。在郯庐断裂的中段,重力场变化与断层走向的相关性不明显,断层可能处于闭锁状态,有利于应力的积累,应加强对该区域的重力场变化的监测。
本文以EGM2008模型给出的2 190阶自由重力异常模型(Pavils et al,2012)为基础,使用Fa2boug 计算程序,地壳密度取 2.67×103 kg/m3,以167 km为计算半径,采用ETOPO1地形数据进行地形改正,计算得到研究区布格重力异常。由于重力观测在地表进行,对深度不敏感,能观测到的场源基本来源于上地壳,为了研究上地壳的密度不均匀性,本文使用小波多尺度分解去除了4阶逼近场所代表的莫霍面起伏的效应,起到了一个去趋势的效果。同时根据 Airy 均衡模型计算得到研究区均衡重力异常(图4)。
图4 去除深部重力效应的郯庐断裂带中南段布格重力异常(a)与均衡重力异常(b)及2013—2022年MS≥3.5地震分布
Fig.4 The Bouguer gravity anomaly after removing the deep gravity effect(a)and the isostatic gravity anomaly(b)in the middle-southern section of the Tancheng-LujiangFault Zone as well as the distribution of earthquakes with magnitude MS≥3.5
布格重力异常是区域场宏观信息的反映,可以反映与断裂构造相关的浅部地壳剩余密度异常体的分布(王鑫等,2015)。从图4a可见,去趋势后的布格重力异常最小值主要集中在东大别地区,可能主要来自深莫霍面分布(Xu et al,2024),该区域浅部地壳密度相对较低。郯庐断裂带两侧布格重力异常有明显差异,总体上西侧较低,东侧较高,郯庐断裂带处于重力异常快速变化的梯度带上,这种差异性变化在郯庐断裂带合肥往南区域更为明显。布格重力异常分布特征揭示了郯庐断裂带是深部构造的转换带。高频分量部分受区域内构造控制较明显,区域内断裂两侧的重力变化呈现高梯度特征。
均衡重力是通过对布格重力异常进行均衡校正得到的,反映了一个地区现今的均衡状态。由于均衡重力异常消除了地壳厚度变化所引起的重力效应,它包含着丰富的地质构造信息,反映了地壳内的不均衡程度(陈石等,2011)。大范围的正均衡异常表示物质相对盈余,负均衡异常表示物质相对亏损。地壳的调整趋向于逐步均衡,而正负异常变化最剧烈的梯级带位置常常代表物质交换活跃,地震发生的可能性较大。研究区均衡重力异常仍呈现东高西低的变化趋势,相比布格重力异常,郯庐断裂带处于重力正负异常过渡带的特征更为突出(图4b)。
在郯庐断裂带中南段附近,布格与均衡重力异常图和地壳等厚图都表现为梯度陡变带(顾勤平等,2022),说明郯庐断裂带地表和深部构造都位于变异带上,是物质变迁和构造变形差异运动强烈的地带。郯庐断裂带两侧的重力相对变化主要是由构造应力作用下活动断层两侧的物质迁移和构造变形差异运动所产生的重力效应所导致的。2013—2022年MS≥3.5地震多发生在正负异常变化梯级带上(图4)。
对比研究区重力异常与近期的重力场的变化可以看到,郯庐断裂带对重力变化的控制作用明显,在郯庐断裂带东西两侧重力异常与重力场的变化分界特征明显; 重力场的变化与重力异常的形态总体较为一致,郯庐断裂带东侧重力均衡正异常的区域重力值仍然在继续上升,这表明欧亚板块与太平洋板块的逆冲碰撞在重力场变化中可能占据着主导作用。受太平洋板块向欧亚板块逆冲碰撞的影响,郯庐断裂带东侧挤压较为明显,因此重力呈上升的趋势,而郯庐断裂带为中国东部的一条深大断裂,对太平洋板块的挤压起到了一定的缓冲作用,因此其西侧重力变化相对平稳。
如图4所示,可看到均衡调整在重力场变化上的作用,皖西北与江苏中部为重力均衡负异常地区,重力场表现为上升的变化趋势,区域的地壳调整趋向逐步均衡,重力场变化与均衡异常的范围较一致。水准观测结果显示(Wang et al,2022):皖西北及江苏中部地区地表沉降作用明显,地表垂直运动速率约为-4~-5 mm/a,2013—2020年重力值上升6~10 μGal,与这两个区域的重力上升值相差较大,因此重力均衡调整不仅对地面高程有影响,对地下密度变化的影响也不容忽视。郯庐断裂带山东段周边鲁西隆起地区为均衡重力正异常区,重力场变化的范围与均衡重力异常范围一致,但重力的非均衡性在增强,该区域的重力场仍呈现上升的变化趋势,表明该地区的重力场变化以构造运动为主,虽然郯庐断裂带穿过该地区,但该地区的整体性较好。GNSS的结果也表明,郯庐断裂带在该区域的右旋平移的滑动中心向西偏移(陈皓等,2022)。山东西部地区,原本均衡异常的量值较小,地壳处于均衡状态,但该区域重力值是下降的,因此认为这与华北板块地下水流失有关,地下质量亏损导致了重力值的下降。
总体上,研究区重力场变化与均衡异常在空间形态上较为一致,但变化趋势可能有差异。现今的地壳活动仍然受到了这些断裂的控制,被断裂切割的小区域块体地壳运动是整体性的。因为布格重力异常与均衡重力异常的边界区域存在断裂的可能性较大,由于断裂处的地层较柔软,在构造运动的影响下易发生变形,因此造成了重力异常的边界与重力场变化的边界较为一致的现象,未来需重点关注重力异常与重力场变化的边界一致的地方发生地震的可能性。
本文采用贝叶斯平差方法对郯庐断裂带中南段的重力观测数据进行分析,将得到的重力场变化进行小波分解,通过EGM2008和Airy均衡模型分别获得布格重力异常和均衡重力异常,得出结论如下:
(1)相比经典平差法,贝叶斯平差法能有效地降低重力仪漂移率及一次项系数变化的影响,提高了数据处理精度。重力场长期变化趋势显示郯庐断裂带对于研究区重力变化控制作用明显。
(2)研究区内大部分3.5级以上地震发生在重力场变化的正负交界过渡带上,在重力变化的极值区发生的地震较少,这是由于重力变化的正、负异常区过渡的高梯度带是物质密度增加与减少的过渡地带,该处产生的物质增减差异运动剧烈,易产生剪应力而首先破裂,从而诱发地震。
(3)研究区总体上重力场变化与均衡异常在空间形态上较为一致,但变化趋势可能有差异,现今的地壳活动仍然受到了这些断裂的控制,被断裂切割的小区域块体地壳运动是整体性的。因为布格重力异常与均衡重力异常的边界区域可能存在断裂,因断裂处的地层较柔软,在构造运动的影响下发生变形,因此重力异常与重力场变化的边界较为一致,可能均位于深断裂的地方。需重点关注重力异常与重力场变化的边界一致的地方发生地震的可能性。
本文使用了安徽、山东、江苏三个省地震局的重力观测数据,在此对三个省局所有的野外观测人员表示衷心的感谢。