2019, Vol. 39
2018-10-11湖北省宜昌市秭归县先后发生4.5级(15：06)和4.1级地震(17：10)，震中位于110.47°E、31.03°N，震源深度7 km。震中周边早在1982年即建立了区域流动重力测网，本次地震位于测网内部，靠近西边界。本文拟对2016年以来三峡地区的流动重力观测资料进行处理分析，以探讨区域流动重力测网对小震前重力场变化的潜在监测能力。
1 三峡流动重力测网三峡流动重力测网始建于1982年，目的是通过监测区域重力场随时间的变化研究构造活动规律及其与地震的关系，为大型水利工程的安全运行提供科学支撑。该测网最初仅有沿长江南北的几条支线，由约30个测点组成。1998年，为研究三峡工程诱发地震的可能机制和规律，中国地震局地震研究所在科技部和长江三峡工程开发总公司的专项资金支持下，对原测网进行大规模改造，舍弃和修缮了一些不稳定和破坏严重的测点，新建了部分测点，其中有些与GNSS测点实现了同址观测，且覆盖范围向西延伸至巴东[1-2]。目前已形成东西、南北向跨度均超过100 km的三峡流动重力测网，最大点距为21 km, 平均点距10 km左右，具备了监测4.0级以上地震的能力。2003年，三峡工程首次蓄水，地震研究所分别于4月下旬、7月上旬和10月下旬组织人员对该网进行观测，记录到较完整的与水库蓄水相关的重力变化[3]。2006年，再次记录到水库二次蓄水产生的重力变化[4]。
目前的三峡流动重力测网分布如图 1所示，由54个重力测点组成，其中包括13个GNSS测点和宜昌连续重力观测点。2009年，该网被纳入中国地震局常态化地震流动重力观测网，在每年的上半年和下半年各观测1期流动重力。
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图 1 三峡流动重力测网 Fig. 1 The Three Gorges mobile gravity network |
2016年以来，中国地震局地震研究所先后对三峡流动重力测网开展了6期观测，前5期使用CG-5型相对重力仪，最后1期使用最新的CG-6型相对重力仪，所有仪器均为经基线场检定的合格仪器。
流动重力观测数据平差方法一般有自由网平差、拟稳平差和绝对重力控制下的经典平差。随着地震流动重力观测中绝对重力测点的增加，目前主要采用经典平差方法进行数据处理。但三峡流动重力测网内部未设置绝对重力测点，虽然在外围与武汉、襄阳、恩施等绝对重力测点实现了联测，但考虑到这些测点距离三峡测网均较远，且绝对重力观测时间与三峡测网相对重力联测时间不同步，若强行将三峡测网资料与外围测网统一采用经典平差方法处理将引起较大的传递误差，从而湮没三峡地区的弱重力变化信号。另外，三峡测网网格距小，仪器运输距离短，全网观测时间跨度小，能获得较高的观测精度。综合考虑上述因素，本文选择黄陵背斜区内相对稳定的观音堂基岩重力测点作为基准进行拟稳平差，并利用郝洪涛等[5]的方法修正因仪器格值系数变化引起的误差，各期点值精度的平均值和仪器格值参数见表 1。从表 1可以看出，三峡流动重力测网点值精度的平均值均优于16 μGal，最高达6 μGal。
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表 1 三峡流动重力测网数据处理精度与仪器格值系数 Tab. 1 The data precision and the instrumentscale coefficient of the Three Gorges mobile gravity network |
差分重力变化能够反映震中附近区域重力场的演化过程。从2016-03~2018-09的差分重力变化(图 2)可以看出，由3、4月至9月，三峡地区重力场变化总体上呈西北负-东南正的区域性变化特征(2016-03~09, 2017-04~09, 2018-04~09)，其余时间则呈西北正-东南负的区域性变化特征(2016-09~2017-04, 2017-09~2018-04)，表现出较明显的季节性变化特征，考虑到研究区水资源比较丰富，这种季节性变化特征可能与地下水变化有关[6]。震中附近重力变化呈先减小(2017-04~09)后增大(2017-09~2018-04)再趋缓(2018-04~09)的过程。
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图 2 2016-03~2018-09差分重力变化 Fig. 2 The differential gravity changes from Mar, 2016 to Sep, 2018 |
同时，年差分重力变化(图 3)显示，2017-04~2018-04重力场变化较2016-03~2017-04有较明显的局部性特征，2016-03~2017-04重力场变化呈西北正-东南负的区域性弱变化特征，而2017-04~2018-04正变化区域已穿过震中附近，表明该区域的构造活动趋势发生较明显的变化。下半年年差分变化(2016-09~2017-09、2017-09~2018-09)则显示了震中区更强的重力场变化，由-20 μGal增大至20 μGal。
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图 3 年差分重力变化 Fig. 3 The annual differential gravity changes |
为避免差分重力变化中季节性特征的影响，分别给出3、4月和9月的2 a累积重力场变化，如图 4所示。由图可知，无论是3、4月还是9月，大致以兴山-巴东一带为界，重力场西北正-东南负的整体特征均呈增强趋势，变化梯度带与震中区断裂带走向基本一致，而地震发生在重力场变化梯度带的零值线附近，与已有的研究结果基本一致[7]。重力场变化特征较好地显示了震区断层两侧差异性变化增强的特征。
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图 4 2 a累积重力场变化 Fig. 4 Cumulative gravity field variation of two years |
1) 从平差精度看，本文根据经验确定的利用单点拟稳平差方法处理研究区内观测资料的策略是正确的，并可作为类似测网资料处理的参考。
2) 从重力场变化图形看，本次地震前震中区经历了先减小(2017-04~09)后增大(2017-09~2018-04)再趋缓(2018-04~09)的过程，2 a尺度的累积重力变化形成了平行于断裂带的重力场变化梯度带，可能意味着震前断裂带活动增强。
3) 综合分析可知，在某些地区只要测网网格距合理且数据处理得当，区域流动重力测网对4.0级小震前的重力场变化具有潜在监测能力。
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