2020, Vol. 40
2. 广东省地震局，广州市先烈中路81号，510070
动态重力场变化主要为地表垂直位移运动和地球内部物质运移或变化的综合反映，是地球内部变形与密度变化耦合运动的重要表征[1]。通过对动态重力场变化进行分析，同时结合地震活动和动力构造背景信息，可能捕获到反映强震孕育过程的有效信息。地震活动与重力场变化空间分布的不均匀性和时间上的不连续性具有密切联系，主要表现为中国大陆MS6.8以上强震主要发生在重力场变化分布差异较为剧烈的地区和重力变化发生转折的时段[2-6]。在数十年的监测和分析预报经验总结基础上，流动重力变化资料在近年MS6.0以上地震年度危险区划分中发挥着重要作用[7]，并已获得震前重力变化异常量化指标经验值[8]。随着流动重力测网布局日趋完善，观测精度稳步提高，有可能在弱地震活动背景地区提取MS4.0~5.0地震相关重力变化异常[9]。
本文以雷琼地区为例，对2016年以来的流动重力资料进行详细分析，研究2018-03-20广东阳江4.2级地震、2019-03-05广东雷州4.1级地震、2019-08-20海南三亚4.2级地震和2019-10-12广西北流5.2级地震震前区域重力变化特征，为该地区地震分析预测、流动重力测网建设等提供参考。
1 雷琼地区流动重力测网概况雷琼地区为华南地区地震较为活跃的地区，区内发育北西向铺前-清澜、长流-仙沟、茶山-闸坡，北东向信宜-廉江、罗定-悦城和近东西向马袅-铺前等活动断层(图 1)，区内有历史记录以来发生的最大地震为1605-07-13海南琼山MS7.5地震。
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图 1 雷琼地区流动重力测网 Fig. 1 The mobile gravimetric network in Leiqiong area |
雷琼地区共有相对重力联测测点131个，测段140段，其中海南岛测点66个、测段69段，雷州半岛测点65个、测段70段，另有1段公共测段。雷琼地区共有2个绝对重力基准点，分别为雷州半岛湛江和海南琼中，2个绝对点直线距离约250 km，2010年以来中国地震局地震研究所已对这2个绝对点分别进行4次绝对观测(图 1)。2016年以来雷州半岛测区和海南测区每年均进行2期观测，每期流动测量的时间均同步，且使用的观测仪器均为CG-5型重力仪[10-12]。雷琼地区从2017年下半年开始进行跨琼州海峡联测，截至2019-12，雷琼地区已连续开展5期联测。
2 流动重力数据处理流动重力数据平差处理的方法有经典平差、拟稳平差和自由网平差。根据平差理论可知[13-14]，自由网平差为拟稳平差的特例，而经典平差又为自由网平差的特殊情形。3种平差方法均遵循最小二乘原则和最小范数条件2个准则。
为统一雷琼测网的空间基准，从整体和统一标准体系上研究雷琼地区重力场动态变化特征和规律，采用以下方法进行数据处理：1)对于2016年至2017年上半年(共3期)流动重力海南岛陆测网、广东雷州测网的观测资料，由于2个测网未联测，无法进行整体平差。未联测前的海南岛陆测网和雷州测网较小，故采用自由网平差。同时2010~2019年湛江和琼中测点的绝对重力观测均为4次，样本数较少，因此未采用整体线性拟合方法获取绝对重力变化，而是对相邻绝对观测时段的绝对重力变化进行线性插值，以此归算7期复测期间湛江和琼中的绝对重力值(图 2，五角星为绝对值，圆点为流动重力复测时刻归算值，图中数值均已减去1个常数)。再根据海南测网和雷州测网自由网平差的计算结果，利用测网各测点与绝对点的段差，计算各期各测点的绝对重力值。2)2017年下半年开始，雷琼地区测网已进行联测，故对其后的5期观测资料采用经典平差方法，以湛江和琼中为基准点进行整体平差，即可将2016年以来的雷琼地区重力场变化统一于琼中和湛江2个基准。平差处理使用高精度重力测量资料处理系统软件LGADJ，每期数据正式处理前均对仪器一次项系数[15]和需要改正的周期项进行标定[16]，对初步处理结果中误差较大的观测段进行粗差剔除和降权处理。3)运用Kriging法对重力观测数据进行拟合推估，以便凸显构造因素的重力效应。
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图 2 湛江与琼中绝对重力及线性插值变化 Fig. 2 The changes of absolute gravity and linear interpolation in Zhanjiang and Qiongzhong area |
表 1、2为2016年至2017年上半年海南岛陆测网和雷州测网每期观测资料进行自由网平差处理后的观测精度。从表中可以看出，海南岛陆测网和雷州测网的观测精度较高，误差均在10 μGal以内。
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表 1 海南岛陆测网重力观测资料 Tab. 1 The gravimetric data of Hainan Island |
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表 2 雷州测网重力观测资料 Tab. 2 The gravimetric data of Leizhou area |
表 3为2017年下半年至2019-12雷琼测区每期观测资料进行经典平差处理后的观测精度，从表中可以看出，2017年下半年以来，雷琼地区流动重力观测资料整体平差后的精度较高。
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表 3 雷琼地区重力观测资料 Tab. 3 The gravimetric data of Leiqiong area |
分析重力场等值线平面变化图的主要方式有差分重力场动态分析和累积重力场动态分析，本文将分别从这2个方面对雷琼地区重力场变化特征进行分析。
3.1 差分重力场动态变化结合2018-03-20广东阳江4.2级、2019-03-05广东雷州4.1级、2019-08-20海南三亚4.2级和2019-10-12广西北流5.2级地震，对2016年以来雷琼地区的多期重力资料进行差分重力场动态变化分析(图 3)，结果表明：
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图 3 雷琼地区重力场差分动态变化图 Fig. 3 The differenital dynamic change of gravity field of Leiqiong area |
1) 2016-09~2017-03广东阳江地区出现自西向东由负到正的重力变化梯度带，其走向与吴川-四会断裂带一致，正负差异变化约为30 μGal。
2) 2017-03~2017-08广东信宜-阳江一线形成NE向的重力场正变化梯度带，重力场变化最大约为40 μGal，阳江地区重力变化平缓。
3) 2017-08~2018-03广东信宜-阳江一线的重力场由正变化转为自北向南由负到正的梯度变化，重力场正负差异变化约为50 μGal。2018-03-20广东阳江4.2级地震就发生在北东向的吴川-四会断裂与北西向的茶山-闸坡断裂交汇区，位于重力场变化梯度带等值线的转折区域。同时海南岛西南部千家-乐东地区出现局部正重力场变化梯度带，重力场变化最高达30 μGal。
4) 2018-03~2018-09重力变化整体较平缓，雷州半岛地区总体呈正变化，海南岛呈负变化。
5) 2018-09~2019-03雷州半岛重力变化平缓，海南岛千家-乐东地区局部正重力变化范围进一步扩大。
6) 2019-03~2019-08海南岛千家-乐东地区转为区域性负变化，2019-08-20海南三亚发生4.2级地震。
3.2 重力场累积动态变化以2016-09的观测资料为时间基准，分别绘制各测期相对2016-09测期的区域重力场累积变化动态图(图 4)，从图中可以看出：
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图 4 雷琼地区重力场累积动态变化图 Fig. 4 The cumulative dynamic change of gravity field of Leiqiong area |
1) 2016-09~2017-08广东信宜-阳江地区初步形成NE向的重力场正负变化梯度带，重力场正负差异变化约为50 μGal。
2) 2016-09~2018-03阳江地区重力场变化由负转正，信宜-阳江地区完全转为正变化梯度带，广东阳江4.2级地震发生于该梯度带转折部位。
3) 2019-03-05广东雷州4.1级地震前后，震中附近地区的重力场变化均无明显异常现象。
4) 自2017-08以来，海南岛南部逐渐形成一个北西向的正负重力场变化异常梯度带，总体表现为自西北向东南由正向负转变，其正负变化差异的幅度随时间的变化逐渐增高；至2019-08，异常梯度带重力正负变化差异达60 μGal，范围约为60 km。海南三亚4.2级地震震中则位于2016-09~2019-03、2016-09~2019-08累积重力变化异常梯度带的零值线上。
雷琼测网在2017-08开始联测，以该时间为基准，绘制区域重力场累积变化动态图(图 5)，从图中可以看出：
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图 5 雷琼地区重力场累积动态变化图 Fig. 5 The cumulative dynamic change of gravity field of Leiqiong area |
1) 2017-08~2019-03，信宜-阳江地区的重力场正变化约为50 μGal，至2019-08，该地区的累积重力场变化维持在40 μGal，2019-10-12发生北流5.2级地震。
2) 与以2016-09为时间基准的累积重力场变化特征基本一致，2017-08以来，海南岛陆南部逐渐形成一个北西向的正负重力场变化异常梯度带，总体变化表现为自西北向东南由正转负的特征。
3.3 重力场变化与地震关系2000年以来，祝意青等[17-19]根据多次中长期中强地震的成功预测经验与震例总结，在深入研究区域重力场演化特征的基础上，总结利用重力场变化资料进行地震危险性评价和危险地区预测的方法，包括重力场变化对地震前兆的反映能力、强震孕育发生过程中的重力异常特征等。因此本文认为:
1) 2019-10-12北流5.2级地震前，2017-08~2019-03、2017-08~2019-08期间震中附近地区的累积重力变化形成幅值约50 μGal、范围约100 km的异常，地震就发生在重力场正变化梯度带上和信宜-廉江断裂附近(震中距离该断裂13 km)，基本符合5级地震前重力场变化特征。
2) 2018-03-20阳江4.2级地震前，2017-03~2017-08和2017-08~2018-03期间，广东信宜-阳江一带出现重力场变化梯度带，重力场变化最大约为40 μGal，异常范围约130 km；2016-09~2017-08和2016-09~2018-03期间，广东信宜-阳江一带也出现重力场变化梯度带，重力场变化最大约为50 μGal，异常范围约130 km，阳江4.2级地震就发生在北东向的吴川-四会断裂带与北西向的茶山-闸坡断裂交汇区域，与胡敏章等[9]对弱地震活动背景地区4.0级左右地震重力变化异常量级一致。2019-08-20三亚4.2级地震前，2016-09~2019-03和2016-09~2019-08期间，震中附近地区出现重力场累积变化梯度带，但该区域无明显的活动断层分布，震前重力变化梯度带的异常范围小于100 km，重力场变化最大约为50 μGal。胡敏章等[8]对地震分析预报中重力异常指标进行分析后认为，5级地震对应的重力异常变化范围约为140 km，而三亚4.2级地震震级小于5级，其异常范围也小于140 km。综上所述，尽管阳江4.2级地震和三亚4.2级地震前震中附近地区出现重力场异常变化，但未达到发生5级地震的条件。
4 结语本文对2016年以来雷琼地区的流动重力观测资料进行分析，在统一起算基准的情况下，探讨雷琼地区重力场变化特征，得出以下结论：
1) 我国2014年以前的流动重力测网独立成块，相互毗邻但未进行联测(大部分测网按照各省区独立成网)，这会造成观测信息的空间密度严重不足，无法捕捉到孕震过程中出现的完整前兆信息。针对未进行联测的两个或多个相邻的流动重力测网，若将各独立测网各期测点的重力值统一归算至绝对点，仍可对两个或多个测网的重力场进行综合动态分析，尤其是研究原各独立测网交界地区中强地震前后重力场变化特征。
2) 2016年以来，雷琼地区共发生4次4级以上地震，但未发生6.0级以上地震；同时，雷琼地区的重力场动态变化总体平稳，未出现发生6级以上地震的显著异常特征，但在局部区域出现异常。北流5.2级地震、阳江4.2级地震和三亚4.2级地震前，震中区附近均存在重力变化异常，即4次4.0级以上地震中3次地震震前出现重力变化异常。北流5.2级地震异常持续时间达2 a，异常范围约100 km，异常量级为50 μGal，地震则发生于重力场变化的高梯度带上；阳江4.2级地震异常持续时间约1 a，异常范围约100 km，异常量级为40 μGal，地震就发生于重力场变化的高梯度带等值线的转折部位；三亚4.2级地震异常持续时间达2 a，异常范围约60 km，异常量级为50 μGal，地震则发生于重力场变化高梯度带的零值线上。
上述分析表明，区域重力场观测资料不仅对强震，甚至对中强地震的位置、震级的判定也具有一定优势。研究成果表明[20-23]，对于4~5级地震，区域重力场在震前也可能具有一定异常反应，如阳江4.2级地震和三亚4.2级地震。但此异常现象的观测需要测网网格距合理且数据处理得当，即需要更高精度的观测数据、更高分辨率的测网布局和更加精细的数据处理。雷琼地区的测网分布相对合理，测点间距一般为20~30 km，部分测段间距小于20 km，可为捕捉4~5级地震前的重力场变化异常信息提供基础。建议未来在雷琼地区有针对性地优化测网布局，在活动断层分布地区、无活动断层分布但地震相对活跃地区(如三亚4.2级地震震中附近地区)加密测点和测段，以提高雷琼地区的地震监测能力，为震情监视跟踪服务。
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