2020, Vol. 40
据中国地震台网测定，2019-12-05河北唐山市丰南区(39.31°N，118.04°E)发生4.5级地震，震源深度10 km，当地震感强烈，天津、北京等多地震感明显。此次地震位于首都圈重力监测网(图 1中蓝框区域)东南缘，构造上处于唐山断裂、蓟运河断裂和宁河-昌黎断裂交汇部位。本文利用首都圈重力监测网2017~2019年流动重力复测资料，分析此次地震前不同时间尺度重力场变化与地震孕育的关系。
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图 1 首都圈重力监测网和构造简图 Fig. 1 Gravimetric network and tectonic diagram of capital region |
首都圈重力监测网(图 1)的空间分辨率基本为20~60 km，可检测到震前4级左右地震相关的重力变化信号[1]。对2017~2019年的流动重力资料采用经典平差计算，将首都圈及邻区同期绝对重力测量数据作为控制，以实测数据标定重力仪一次项系数，从而减小仪器格值系数变化产生的误差[2-3]。平差计算时反复迭代分配给各台仪器的先验方差，以得到最合理的解算结果[4-6]。通过上述相关改正后，重力平差计算结果较好，2017~2019年的点值平均精度在7.2~8.8 μGal之间，反映首都圈重力观测资料质量可靠。采用Kriging方法对重力变化值进行网格化，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，最后获得不同时间尺度的重力场变化图像。
2 丰南4.5级地震前重力场变化 2.1 丰南4.5级地震前重力场差分变化为分析丰南4.5级地震前区域重力场的短期前兆变化特征，以相邻2期的观测资料为时间基准，分别绘制相邻2期(0.5 a尺度)区域重力场的差分图像(图 2)。从图 2可以看出，2018-03~2018-09期间(图 2(a))，重力基本上以正值变化为主，唐山-天津之间约有30 μGal的正值变化；2018-09~2019-03期间(图 2(b))，测区重力场以张家口为界呈现西负东正的变化态势，唐山-天津之间重力场呈现持续上升正值变化，幅值为20 μGal；2019-03~2019-09期间(图 2(c))，张家口-保定之间的梯度带消失，在唐山-天津之间形成与蓟运河断裂走向基本一致的梯度带，幅值约为40 μGal，丰南4.5级地震就发生在重力变化梯度带零等值线附近。
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图 2 2019-12-05丰南4.5级地震前0.5 a尺度重力场变化图 Fig. 2 The gravity variation of 0.5 a scale of Fengnan earthquake on December 5, 2019 |
以2019-09为基准，分别绘制测区1 a尺度(2018-09~2019-09)和2 a尺度(2017-09~2019-09)的重力场变化图(图 3)。从图中可以看出，2018-09~2019-09期间(图 3(a))，测区重力场总体表现为西负东正的变化格局，在张家口-保定形成梯度带，唐山-天津之间重力变化较小，幅值为20 μGal；2017-09~2019-09期间(图 3(b))，重力场在北京-保定形成梯度带，幅值为40 μGal，唐山-天津之间重力变化仍然较小，幅值为20 μGal。1 a和2 a尺度重力场虽然显示丰南4.5级地震均发生在零等值线附近，但震中区重力异常幅度并未随累积时间的增长而增大，这也表明震中区附近近期发生更大地震的可能性较小[5]。
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图 3 2019-12-05丰南4.5级地震前1 a和2 a尺度重力场变化图 Fig. 3 The gravity variation of 1 a and 2 a scale of Fengnan earthquake on December 5, 2019 |
从丰南4.5级地震前区域重力场差分图像(图 2)可以看出，震中附近区域重力场出现较明显的异常变化，2018-03~2018-09，唐山-天津之间约有30 μGal的正值变化；2018-09~2019-03，唐山-天津之间重力正值变化持续增加，幅值为20 μGal；2019-03~2019-09，震中附近的唐山地区持续出现重力正值变化，震中附近的天津地区重力变化由上期正值转为负值，重力差异变化达40 μGal，并在震中附近形成与蓟运河断裂走向基本一致的梯度带，丰南4.5级地震就发生在梯度带零等值线附近。
首都圈重力监测网0.5 a尺度的差分图像可较好地反映丰南4.5级地震前的重力变化，为一个由“震前1 a，重力场持续出现上升(正)变化-震前局部反向(负)变化-在重力变化梯度带零等值线附近发震”的演化过程。
分析丰南4.5级地震前1 a和2 a尺度重力场(图 3)可知，此次地震虽发生在零等值线附近，但震中附近唐山-天津之间重力变化较小，震中区重力异常幅度并未随累积时间的增长而增大。
3.2 重力场时变的构造成因重力场变化与活动断裂构造密切相关[5]。研究表明[7-8]，1976年唐山7.8级地震前观测到的持续重力正变化与震中区深部热物质上涌和迁移过程有关。刘保金等[9]采用深地震反射剖面揭示了唐山断裂浅部表现为典型的花状结构，深部切割和扰动下地壳物质和壳幔过渡带，为上地幔高温物质侵入地壳提供通道。热物质上涌使物质密度增大，从而导致局部重力增大，而持续加热则使物质膨胀，密度减小，从而使重力减小。丰南4.5级地震前的重力变化和2016年门源6.4级地震前与震源相关的异常体的密度由增大到减小的过程具有相似特征[10]。
丰南4.5级地震前1 a，唐山-天津之间重力场持续出现上升(正)变化，并在2019-03~2019-09形成与蓟运河断裂走向基本一致的梯度带，说明丰南4.5级地震前断层活动引起地表重力发生相应变化，震源机制解所揭示的断层地震运动引起的重力变化特征与Sun等[11]的研究结果基本一致。
4 结语本文对2019-12-05河北唐山丰南4.5级地震前不同时间尺度重力变化特征进行分析，主要获得以下认识：
1) 0.5 a尺度重力场变化图像可较好地反映此次地震“震前1 a，重力场持续出现上升(正)变化-震前局部反向(负)变化-在重力变化梯度带零等值线附近发震”的演化过程。
2) 震前0.5 a、1 a和2 a尺度重力场均显示，地震发生在重力变化零等值线附近。
3) 地震前观测到的重力变化可能由深部热物质上涌过程所引起，唐山断裂、蓟运河断裂与丰南4.5级地震具有较好的构造关联。
致谢: 感谢国家重力台网中心提供的野外观测数据。
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