研究区位于华北台地东南部，同时位于渤海南部莱州湾东南沿岸，行政区划上主要包括昌邑市、莱州及平度西部地区。研究区构造上处于沂沭断裂带北段，前人对该区域进行了大量研究，认为沂沭断裂带北段目前处于闭锁阶段。山东省地震局在1991~2019年采用LCR-G型和CG-5型相对重力仪对该地区进行每半年1期的重力重复观测，已取得大量重力变化观测成果。观测数据自1997年以来呈波浪式上升变化，尤其是2016-03以来观测值存在较大变化，本文试图对该变化的原因进行分析。

1 观测点与研究区地下水概况

昌邑-新河测段横跨沂沭断裂带东部昌邑-大店断裂，该断裂东西两侧不同的成因类型控制着两侧地层和地下水特征。昌邑观测点位于断裂西部，属于华北沉陷区昌潍断陷，沉积巨厚的第四纪砂砾岩，厚度一般在60 m以上，其沉积环境为冲积扇形成的冲积平原，古河道较发育^[1]。新河观测点位于断裂东侧，属于胶北台凸，主要为元古界粉子山群变质岩系，第四纪沉积较少，厚度一般小于30 m^[2]。

地下古河道以孔隙较多的砂岩构成，是浅层地下淡水的良好含水层和工农业供水的重要水源地，同时也是地下水运移的主要通道^[3]。研究区内地下水在水平和垂直方向上均具有复杂而明显的变化，其水文地质特征主要受构造、地层、地貌、古地理环境、气候、人类活动等因素影响。20世纪80年代末以来，昌邑地区地下水被大量开采^[4]，从而出现地下水降落漏斗，并导致滨海平原咸水体向南侵入，成为该区严重的环境灾害^[2]。

2 相对重力测量

自1991年以来，山东省地震局采用LCR-G型和CG-5型相对重力仪对昌邑-新河重力测段开展每半年1期的重力重复观测。在1997~2015年间，该测段实测原始重力段差(未经平差计算改正)呈波浪式上升，总体上升幅度为90 μGal。2016-03开始出现持续增强的上升异常变化，2018-05达到峰值，累积上升达119 μGal；同年8月、9月、11月对该测段进行加密观测，其重力段差出现小幅回落，变化幅度在20 μGal以内；2019-03~10该测段重力段差下降35 μGal，转折后累计下降57 μGal(图 1)。

3 资料分析 3.1 地下水异常情况

昌邑地区潜水水位近年来主要受昌邑市大规模地下水开采及降水入渗影响，河流渗漏、灌溉回归补给、侧向补给、蒸发等因素对潜水位整体变化趋势的影响较小^[5]，其中降水及灌溉具有季节性，因此会使地下水位出现小幅度的年内波动^[6]。收集并分析昌邑地区3口水井2009~2018年井水位深度变化(图 2，部分数据通过内插值法获取)，并用黄辛庄井及南店井的水位拟合测点下方的水位变化，结合前人研究成果，发现该区地下水具有以下特点：

1) 测点附近潜水水位距离地表较近，参考点在2009~2018年最低水位和最高水位分别为-31.20 m和-11.68 m，平均水位为-21.44 m，最大水位变化为-19.52 m。

2) 潍坊北部地下水位具有南高北低的特点，地下水通过渗流由南部山区流入莱州湾。近年来由于昌邑市工业及生活用水量较大，在昌邑及周边地区形成地下水位降落漏斗。地下水以昌邑城区为最低点，向四周逐渐升高，潜水面呈漏斗型(图 3)。根据3口井的水位及相对位置，利用达西定律计算该漏斗半径约为15 km。新河测点古河道发育较少，岩石孔隙率低，含水性相对于西部较差，且无大规模地下水开采情况。新河测点距昌邑市20 km，地下水降落漏斗尚未对其产生影响，测点的地下水位年变化相对稳定。

3.2 地下水影响分析

水平层地下水对重力影响范围半径的计算公式为^[7]：

$R=42 \times h \times \Delta h \times \mu $

(1)

式中，h为缺失地下水的平均水深，Δh为地下水的下降高度，μ为给水度。半径外区域对重力值的影响小于1 μGal。

依据拟合的现今水位，h取21.44 m，Δh取19.52 m，第四纪冲积平原的砂砾岩给水度μ取0.15，计算结果为2 637 m。上述分析表明，远区域地下水缺失对测点引力效应的垂直分量影响较小，即2.6 km以外的区域对测点重力影响的总和小于1 μGal。

研究区内出露地层均为第四纪沉积物，横向与纵向变化均较小，因此可视为均一圆柱体，对该区域内缺失的地下水建立数学模型(图 3)。模型半径R为2 637 m，θ为360°，高度H为2009-01以来水位变化高度19.52 m，2009-01水位a=11.68 m，岩石给水度μ取0.15，采用下式计算地下水对测点重力的影响(G=6.672 59×10^-11 N ·m² ·kg^-2)^[8-9]：

$\Delta g=-G \mu \iiint z /\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\right)^{3 / 2} \mathrm{d} x \mathrm{d} y \mathrm{d} z=\\ -G \mu \iiint z /\left(R^{2}+z^{2}\right)^{3 / 2} \mathrm{d} \theta \mathrm{d} R \mathrm{d} z=\\ -G \mu \int_{0}^{2 \pi} \mathrm{d} \theta \int_{0}^{R} r \mathrm{d} r \int_{a}^{a+H} \frac{z}{\left(r^{2}+z^{2}\right)^{3 / 2}} \mathrm{d} z=\\ -2 \pi G \mu\left[H-\sqrt{R^{2}+(a+H)^{2}}+\sqrt{R^{2}+a^{2}}\right] $

(2)

通过式(2)计算昌邑地下水位变化对昌邑测点重力观测的影响，得到的重力效应为125 μGal。新河测点位于地下水降落漏斗之外，水位稳定，因此地下水未对新河测点的重力测量产生影响，无需地下水改正。2009年以来昌邑地下水变化所产生的重力效应与实测原始重力段差改变量在数值上基本一致，排除干扰后的段差真实变化在20 μGal以内。

4 异常性质判定

通过内插法获取2009~2018年每月的连续重力数据，结果显示其变化量与地下水变化具有明显同步性(表 1)。具体表现为：2009~2014年两者均较为稳定，呈小幅度起伏变化，其原因可能与季节性降水差异导致地下水位产生波动有关^[10]，进而表现为重力段差变化。2014年下半年至2018年末，地下水下降幅度较大且速度较快，在2014-06~2014-09期间下降近10 m，占2014~2018年总变化量50%。重力变化具有一定滞后性，下降速度与幅度均较地下水变化较小，这一现象可能由构造变化的叠加所引起。通过去除地下水干扰，图 4为真实重力变化，从图中可以看出，2009~2018年重力段差变化量基本在50 μGal以内，重力变化整体相对平稳。

研究表明^[11-13]，沂沭断裂带每km垂直形变速率基本小于1.0 mm/a，属于断裂活动水平较弱的地区，断裂带两侧块体相对运动速率为0.5~2.5 mm/a；山东地区不同块体运动状态相对稳定，整体向东南方向运动。因此本文认为，沂沭断裂带北段近10 a来构造应力积累有限且未发生持续的大规模物质迁移，其仍处于闭锁阶段，近期发生6级以上强震的可能性较小。

2013-11莱州Ms4.6地震后，昌邑-新河测段重力变化在2014-05~2016-05间累计下降72 μGal，随后1.5 a内快速回升，这一现象可能与莱州地震后局部区域应力调整有关。前人研究成果表明^[14]，沂沭断裂带两侧块体在2015~2016年处于能量积累阶段，2017年初能量释放，长岛震群开始活跃。仅从时间尺度上看，2015~2018年昌邑-新河相对重力出现波动及块体相对运动产生变化的时间跨度及拐点出现时间均较为吻合，但两者是否存在动力学上的联系仍需跟踪观测及进一步研究。

5 结语

通过核实昌邑-新河重力异常并分析其与地下水位异常的关系，认为2009年以来出现的重力变化主要与地下水位下降有关，最大影响可达132 μGal，地下水改正后重力相对稳定；同时结合水准及GPS研究资料，推测沂沭断裂带北段近期发生强震的可能性较小。昌邑-新河测段重力变化在2014-05~2016-03累计下降72 μGal，之后出现较快回升，这一现象是否与动力学原因有关仍需跟踪观测及进一步研究。

致谢: 感谢潍坊市水文局提供昌邑市水文数据。