重力观测是地球物理场探测中的一项重要手段，为地震监测预报提供重要的背景信息。辽宁地区的重力观测已有30多年的历史，期间积累了大量观测成果和学科经验，为重力学科在地震研究中的应用提供了基础条件。2013-01-23辽宁灯塔发生M5.1地震，震源深度7 km，震中位于郯庐断裂带辽东滨海段，震源机制解显示地震为右旋走滑兼拉张性质。该地震是继1999年岫岩M5.4地震后，辽宁省海岫地区发生的又一次显著地震，打破了辽南地区十几年的地震平静期。本文以灯塔M5.1地震为例，对震前重力变化特征进行深入研究，并总结其重力异常指标^[1-10]，为辽宁地区重力异常的识别和判断提供科学依据，进一步开发重力观测在地震监测预报中的应用价值。

1 区域测网概况

辽宁地区地处亚欧大陆东岸，其地壳运动主要受太平洋板块NWW向的俯冲作用影响，区域内地质构造复杂，断裂广布，主要受郯庐断裂带控制，同时分布着NE向金州断裂、太子河断裂、庄河断裂和NW向的海城河断裂、柳河隐伏断裂等，辽中南地区地块相对破碎，构造活动较为强烈^[11]。

研究区地震活动主要集中在海城河断裂和金州断裂盖州段附近，历史上曾发生海城M7.3、岫岩M5.4等中强地震，2012年后该地区中小震群活跃，多为浅源地震，其中2013-01发生的灯塔M5.1地震震中位于郯庐断裂带中段和北段的过渡地带。本文主要针对灯塔M5.1地震的震前重力异常变化展开深入研究，研究范围为122°~124°E、40°~42°N，区域内有1个绝对重力观测点和50个相对重力观测点，平均点距25 km，测点基本覆盖了郯庐断裂滨海段、海城河断裂、金州断裂、太子河断裂等，具体见图 1。

2 数据处理

辽宁地区重力观测采用的是高精度拉科斯特重力仪(LCR-G型)^[12]，分别于每年4~5月和8~9月进行2期测量，本文选取2011~2013年5期重力观测数据，其中外业观测自差小于25 μGal，互差小于30 μGal，均符合规范要求。利用LGADJ软件对各期数据进行平差计算，考虑到辽宁测区仅有1个绝对重力点，在进行经典平差时会产生绝对控制不足的现象，对计算结果会产生一定的影响，故选取自由网平差再归算到绝对重力点(21007600号点——沈阳AC)的方法，在数据处理过程中合理确定各仪器的先验方差，同时对一次项、固体潮、零漂和仪器高进行改正，得到最优的计算结果^[13]。2011~2013年5期数据的平均点值精度为10.3 μGal，精度较高，具体见表 1。

3 重力变化空间分布

选取2011~2013年5期重力观测数据绘制重力变化空间分布图，其差分变化和累积变化均以2011-05测期为基期，等值线图采用克里金插值法，等值线间隔为10 μGal，结果见图 2。

由图可知：

1) 2011-05~09期间。下辽河平原地区为重力变化上升区，变化量为20 μGal左右，向东、向南均为重力变化下降区，海城、岫岩地区变化量达30 μGal，辽中南地区重力变化相对平稳。

2) 2011-09~2012-05期间。研究区重力场四象限分布特征显现，西北部沿新民-辽阳方向为重力上升区，变化量为30 μGal左右，海城、大石桥以南沿金州断裂也呈明显的重力上升趋势；沿海城河断裂形成分别以岫岩和海城为中心的重力下降区，并被金州断裂分割，最大变幅为30 μGal；海城地区出现0值线拐点，等值线密集曲折，梯度带开始形成。从该时段开始，辽中南及周边地区小震群相对活跃，2012-02在营口发生M_L4.7地震，截至同年10月，该地区共发生3级以上地震9次；灯塔M5.1地震震前10 d在庄河海域发生M_L4.3地震，震前1周发生海城M_L3.0地震群，震前2 d发生科尔沁M_L4.4地震群，这些地震活动对于灯塔M5.1地震具有一定的指示意义^[14]。

3) 2012-05~09期间。与2011-09~2012-05相比，0值线走向基本一致，重力场呈反向变化，最大变化量为50 μGal，辽阳-灯塔一带形成负值凹陷区，南北两侧分别形成沈阳-新民、海城-盖州重力上升区，灯塔地区附近等值线弯曲密集，并伴有正负变化高梯度带。该期间内具有明显的重力异常特征，正负反转，变化量进一步增大，显示该区域地震紧迫性在不断增强。

4) 2012-09~2013-05期间。与2012-05~09相比，重力场再次发生反向变化，上升、下降趋势明显，高梯度带持续存在，灯塔地区重力场由负转正，重力值上升，最大变化量在40 μGal左右。研究区南部岫岩地区重力变化呈下降趋势，该期间内灯塔与苏家屯交界处发生M5.1地震。

5) 2011-05~2012-09期间。1.5 a尺度的累积变化显示，研究区内重力场呈北正南负的变化分布，盖州以北到沈阳地区形成大范围的重力场变化正异常区，累积变化量在50 μGal以上，并在灯塔地区形成局部低值正异常，呈凹陷型分布，显示震前该区域能量不断累积的正重力变化特征。

4 重力点值时序和剖面变化

图 3为灯塔地区附近测点2011~2013年的重力点值时序变化图，以2011-05测期为基期。由图可知，灯塔附近8个测点在2011-05~2012-05整体呈上升趋势，随后震中附近的西草沟及辽阳测点率先进入下降阶段，幅度为40 μGal左右，震中南北两侧测点的重力值继续上升，在2012-09转而下降(转折点)，最大幅度达50 μGal，此下降过程比震中测点晚0.5 a，说明震中附近及其邻区出现差异性的重力变化。该期间内辽宁及周边地区小震活跃，2012年开始先后出现营口4.0级地震群、海城3.0级地震群活动，表明该地区构造应力明显增强，与测期内的重力异常变化相一致^[15]，2013-01-23发生的灯塔M5.1地震就发生在重力变化上升到极值转而下降的过程中。图 3中正负转折的变化趋势在一定程度上反映了灯塔地震的重力前兆异常信息。

以灯塔地区的西草沟测点为中心，沿北东向建立长度为200 km的重力剖面。图 4分别为2011-05~09、2011-09~2012-05、2012-05~09期间的重力剖面线，结果显示，剖面整体变化幅度较大，变化量在2011-05~09和2011-09~2012-05分别出现不同程度的上升和下降，2012-05~09即灯塔M5.1地震前0.5 a，重力剖面变化非常剧烈，呈现两负两正的变化形态，由北向南依次为正(沈阳、白塔)-负(灯塔、辽阳)-正(海城)-负(熊岳、李官)，最大段差变化量在50 μGal左右，异常特征明显。

5 重力非潮汐性变化

图 5(来源于中国地震局地震研究所2014年度重力会商报告)为2013-01-23辽宁灯塔M5.1地震震前位于震中东北向50 km处沈阳台的非潮汐重力变化，由图可知，2011-06~2013-01期间，卫星重力变化呈间歇性上升趋势，并在2013-12达到峰值后下降；非潮汐重力变化在2012-09转而下降，卫星重力和非潮汐重力共同反映2011-06以来沈阳地区的重力累积效应，显示灯塔地震发生在重力变化达到峰值后的下降过程中，与图 4中灯塔附近重力点值时序变化趋势相一致。以上结果说明，沈阳台非潮汐重力变化与流动重力变化结果一致，图 4和5中的异常为震中及附近区域的宏观重力异常变化，综合反映了灯塔M5.1地震的重力前兆异常信息。

6 日本M_W9.0地震与灯塔M5.1地震的关系探讨

2011-03-11日本东部发生M_W9.0地震，对整个中国东部地区的地震活动性及地球物理场状态产生较大的影响，东北地区同震水平位移量最大达35 mm，超过该地区的年均背景运动速率(20 mm)。从辽宁及周边地区的GPS速度场结果来看，区域内主要构造带的影响以拉张为主，表现为近EW向拉张变形，并伴有增强的趋势，主要是日本03-11地震SE向的拉张作用所致，同时受青藏高原E向运动的远程效应；近NS向挤压变形也表现为增强趋势，与辽东半岛挤压隆升作用有关^[16-19]。陈为涛等^[20]认为，日本地震并没有对郯庐断裂带中段潍坊-沈阳地区产生明显的错动和拉张，但对其震后的右旋运动的速率起到轻微的加快作用，这种右旋和拉张作用对于灯塔M5.1地震的孕育可能起到一定的加载作用。

从重力观测结果来看，研究区1.5 a累计变化量约为50 μGal，邻期呈正负交替震荡变化的特征，整体上并未出现大范围一致性负向(与拉张作用一致)的趋势性变化。因此，结合重力和GPS观测结果认为，日本地震对于辽宁地区应力场的加载作用有限，对断裂活动影响不大，震后重力效应并不明显。

7 结语

1) 重力场变化对于灯塔M5.1地震具有较好的重力前兆反映，震中区2011~2013年具有明显的重力场变化，重力差分变化主要表现为低值四象限异常变化-临震期2次正负交替高值变化-震后反向恢复的变化特征。由于重力前兆异常持续时间较短，短期内累积变化量在50 μGal左右，主要表现为继承性的重力变化，流动重力和非潮汐重力观测结果显示，灯塔M5.1地震发生在重力变化由高值向低值反向变化的过程中，与中小地震多发生在重力场上升和下降转变后的下降过程的结论相一致^[21-22]。

2) 重力场空间演化能够反映出地震的孕育和发展过程，主要异常特征表现为：震前1 a四象限特征明显，震前1~1.5 a出现连续50 μGal的正负反向变化，并伴有重力变化高梯度带，0值线在震中附近呈转折状，重力点值时序上升和下降同步性趋势明显，重力剖面呈现剧烈的高低值波动变化。

3) 日本M_W9.0地震对辽宁地区产生SE向的拉张作用，但对应力场的加载作用有限，对断裂活动影响不大；区域重力场变化并未显示出与拉张性质一致的趋势性变化，变化量也并未出现明显突变，震后重力场效应并不明显。

4) 灯塔地区位于辽东半岛北延与辽河平原的结合地带，在辽东半岛物质北向运移推挤作用下，区域地壳形变和构造活动强烈，具备引起较大重力场变化的构造背景。灯塔M5.1地震发生于NE向西柳-佟二堡断裂附近，主要受郯庐断裂带控制，震源机制解为右旋走滑型地震。断裂以东属辽东半岛隆起区，受挤压作用影响，区域重力场变化剧烈，自南向北重力场呈由负到正的交替性变化；断裂以西为下辽河平原沉降区，重力场变化相对平稳。震前辽中南地区主要表现为中小震群异常活跃，进一步反映震前区域地壳应力和构造活动增强的背景。综上所诉，灯塔M5.1地震可能是由辽中南地区地壳深部物质迁移和地壳构造运动共同作用引起。