2020, Vol. 40
地表重复重力观测为解析地下物质运动规律，认识地震孕育、发生和发展规律提供了重要资料[1-3]。2009-03-28和2016-04-27山西省原平县分别发生MS4.2地震，这2次地震震中近乎在同一位置，位于山西断陷带忻定断陷盆地的原平凹陷内，发震断裂为五台山北麓断裂[4-5]。本文对覆盖震区的地震前后重力观测资料进行对比分析，研究原平地震的地面重力变化特征。
1 数据获取与处理为了监测山西断陷带地壳运动变化，发现可能的地震中短期前兆异常，1991年中国地震局地球物理勘探中心在山西省建立了地震重力监测网，后来通过不断优化与整合[6]，形成了目前的山西断陷带整体重力监测网(图 1)。2009-09以前，测网内相对测点没有与绝对点联测，2010年以后，测网采用绝对重力控制与相对重力联测相结合的方法进行准同步观测，绝对重力观测使用FG5绝对重力仪[7]，相对重力观测使用LCR-G型、CG-5型相对重力仪。
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图 1 山西断陷带测网和构造略图 Fig. 1 Earthquake gravimetric network and tectonic sketch in Shanxi fault depression zone |
2007~2009年重力资料采用拟稳平差计算[8]，2014~2016年重力资料采用经典平差计算。平差计算时，先对多期重力观测资料进行整体分析，初步了解各台仪器的观测精度后，合理分配各台仪器的先验方差，再重新平差计算，以得到最佳的合理解算结果[9-12]；采用Kriging方法对重力数据变化值进行网格化，剔除稳定性差和信噪比较低的测点，对不规则离散重力点数据进行最佳拟合，最后获得重力场变化图像。
2 区域重力场变化图像 2.1 2009年原平MS4.2地震前后重力场变化从图 2看出，2008-03~2008-09山西断陷带重力测网变化不大，在-20~10 μGal，原平附近呈局部负值变化；2008-09~2009-03测区北部重力场呈反向加速上升变化，五台山北麓断裂附近的重力测点变化最大，幅度约为40 μGal，在原平附近呈现出近四象限变化特征，并形成梯度带，2009-03-28原平MS4.2地震发生在重力变化梯度带零等值线附近；2009-03~2009-09原平附近重力场表现为震后的反向恢复变化，幅值基本恢复到震前水平；2008-03~2009-03测区重力场沿大同-原平形成与构造走向基本一致的梯度带，约为50 μGal，在重力变化梯度带的正值一侧发生2009-03-28原平MS4.2地震。
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图 2 2009-03-28原平MS4.2地震0.5 a和1 a尺度重力场变化图 Fig. 2 The gravity variation during 0.5 a and 1 a scal of Yuanping MS4.2 earthquake on Mar 28, 2009 |
从图 3看出，2015-03~2015-09山西断陷带重力测网自南向北形成由负向正的变化，在原平-太原形成梯度带，幅值约为20 μGal；2015-09~2016-03测区重力场呈反向变化，原平-太原形成的重力变化梯度带依然存在，并向山西断陷带南部扩展到运城附近，幅值约为40 μGal，重力变化梯度带南侧运城发生MS4.4地震[13]，重力变化梯度带北侧原平发生MS4.2地震，2016-04-07原平MS4.2地震发生在重力场反向变化后，重力变化梯度带零等值线附近；2016-03~2016-09测区北部重力场呈震后调整状态，原平附近重力场变化不大，约为10 μGal，原平-太原形成的重力变化梯度带消失，重力场在太原-临汾形成新的梯度带，幅值约为40 μGal，在重力变化梯度带零等值线附近发生2016-12-18山西太原清徐县MS4.3地震；2015-03~2016-03原平附近呈现出近四象限变化特征，2016-04-07原平MS4.2地震发生在四象限中心、重力变化零等值线附近。
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图 3 2016-04-07原平MS4.2地震0.5 a和1 a尺度重力场变化图 Fig. 3 The gravity variation during 0.5 a and 1 a scale of Yuanping MS4.2 earthquake on April 7, 2016 |
2009-03-28原平MS4.2地震是走滑兼正断活动，2016-04-07原平MS4.2地震是正断兼走滑活动[4-5]，这也可能是原平2次MS4.2地震前0.5 a尺度的重力场变化图像有所不同(图 2(b)、3(b))的主要原因。
0.5 a尺度的重力场变化图像较好地反映了2次地震震前变化较小→反向变化→在重力变化梯度带零等值线附近发震→震后调整的演化过程。
2.3 原平2次MS4.2地震前2 a尺度重力场变化分别绘制原平2次地震前2 a尺度的重力场变化图(图 4)。可以看出，2次地震前均在原平附近形成一正一负重力变化异常区，重力变化高梯度带幅值约为50 μGal，2次地震均发生在重力变化高梯度零等值线附近。
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图 4 2次原平MS4.2地震前2 a尺度重力场变化图 Fig. 4 The gravity variation during 2 a scale of two Yuanping MS4.2 earthquakes |
由地震前后0.5 a尺度重力场变化可以看出，2009-03-28原平MS4.2地震前，2008-03~2008-09测区重力场变化不大(图 2(a))，2008-09~2009-03则呈现明显反向(正)变化(图 2(b))，幅值约为40 μGal，而震后的2009-03~2009-09又恢复平静(图 2(c))；2016-04-07原平MS4.2地震前重力场在原平-太原形成梯度带(2015-03~2015-09、图 3(a))，2015-09~2016-03原平-太原形成的重力变化梯度带向山西断陷带南部扩展到运城附近，原平附近重力场呈反向变化(图 3(b))，幅值约为40 μGal，2016-03~2016-09测区北部重力场呈震后反向恢复变化(图 3(c))；0.5 a尺度重力场演化图像比较清晰地反映了原平2次MS4.2地震发生在重力反向变化过程中、重力变化零等值线附近。
2009-03-28原平MS4.2地震前，1 a尺度重力场(图 2(d))沿大同-原平形成与构造走向基本一致的梯度带，幅值约为40 μGal，2016-04-07原平MS4.2地震前1 a尺度重力场(图 3(d))在原平附近呈现出近四象限变化特征，幅值约为40 μGal；2次地震前2 a年尺度重力场(图 4)在原平附近均形成重力变化高梯度带，幅值约为50 μGal；不同时间尺度重力场显示，原平2次MS4.2地震均发生在重力变化零等值线附近，地震前重力变化约为40~50 μGal。
测区4 a累积重力场(2010-03~2014-03，图 5)总体以负值变化为主，重力变化差异约为50 μGal，原平附近没有出现重力梯度带等明显异常，4 a累积变化较好地反映了2009-03-28原平MS4.2地震后重力场的调整过程。
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图 5 2010~2014年测区重力场变化 Fig. 5 The gravity variation in survey area during 2010 to 2014 |
1) 0.5 a尺度的重力场变化图像较好地反映了原平2次MS4.2地震前后震中附近的重力变化，是一个震前变化较小→反向变化→在重力变化高梯度带零等值线附近发震→震后调整的演化过程；
2) 0.5 a、1 a和2 a尺度重力场均显示，原平2次MS4.2地震都发生在重力变化梯度带零等值线附近，地震前重力变化量约为40~50 μGal，与文献[13-15]的研究结果基本一致。
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