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。

图1 研究区及流动重力测网分布
Fig.1 The gravimetric network and the geologicalstructures in the study area

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)。

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M_S≥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。