2022, Vol. 42
地表重力场动态变化包含了十分丰富的地壳构造运动和地震活动信息，一直以来都是地震监测预报研究的基本信息源[1-9]。2021-12-22江苏省常州市天宁区(31.77°N，119.98°E)发生4.2级地震，震源深度8 km，震中位于无锡-宿迁断裂东南侧1 km处。本文利用江苏重力监测网2019~2021年流动重力测量资料，分析不同时间尺度下的重力场变化与常州4.2级地震间的关系。
1 区域构造背景苏锡常断裂为无锡-宿迁断裂(亦称为无锡-江都断裂、湖区断裂、沿湖断裂、五湖断裂)南段的组成部分，断裂西南侧曾发生多次中强地震，如999年常州5 1/2级地震、1501年苏州4 3/4级地震；在无锡-宿迁断裂与幕府山-焦山断裂交会处的扬州、镇江地区，还发生过1624年扬州6级地震。
2 常州4.2级地震前重力场变化 2.1 江苏重力测网及数据处理20世纪70年代起，江苏省地震局持续开展省内流动重力测量，1991年开始使用PDA手持终端机记录并产出电子数据，2008年开始进行每年2期的测量。江苏省最新重力测网由5个绝对重力测点和123个相对重力点组成(图 1)，测网空间分辨率为20~50 km，从西至东基本覆盖了沂沭断裂带、淮阴-响水断裂、洪泽-流均沟断裂、陈家堡-小海断裂、茅山断裂及无锡-宿迁断裂等。
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F1:沂沭断裂带; F2:淮阴-响水断裂; F3:洪泽-流均沟断裂; F4:陈家堡-小海断裂; F5:幕府山-焦山断裂; F6:茅山断裂; F7:板桥-南渡断裂; F8:无锡-宿迁断裂; F9:南通-嘉定断裂 图 1 江苏及邻区重力监测网和构造 Fig. 1 Gravity monitoring network and structure in Jiangsu and adjacent areas |
2019~2021年使用CG-5和Burris相对重力仪进行流动重力测量，联测溧阳和日照2个绝对重力观测点，采用实测数据标定重力仪一次项系数[7]。利用经典平差法对2019~2021年流动重力资料进行计算，得到测网每期重力点的观测值。平差计算时需要反复迭代分配各台仪器的先验方差，以得到最佳计算结果。由表 1可知，2019~2021年点值精度平均值均优于15 μGal，说明流动重力数据处理结果可靠。
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表 1 江苏及邻区重力测网数据处理精度 Tab. 1 Data processing accuracy of gravity survey network in Jiangsu and adjacent areas |
重力差分变化能够反映区域重力场的演化过程[8]，使用2019-10~2021-10相邻2期流动重力观测资料进行差分计算，得到4组0.5 a重力差分结果(图 2)。
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图 2 2019-10~2021-10重力差分变化 Fig. 2 Differential gravity change from October 2019 to October 2021 |
1) 由图 2(a)可知，2019-10~2020-05江苏及邻区整体重力场呈北正南负的变化特征，变化量级为-40~30 μGal，常州4.2级地震震中位于NNE向重力变化梯度带零值线西侧。
2) 由图 2(b)可见，与上期重力差分结果相比，2020-05~10重力场变化形态发生了反转，呈北负南正的变化特征。但常州4.2级地震震中仍位于NNE向重力变化梯度带零值线西侧，且该零值线位置和形态与上一期差分结果相同。
3) 由图 2(c)可见，2020-10~2021-05江苏北部负变化的范围缩小，形成以淮安为中心的负值区域，海域西侧的陆地区域重力场呈反向正值变化。江苏南部重力场仍呈正变化，且变化范围向江苏北部扩大，在南京-常州-无锡形成重力正值变化区域及NWW向重力变化梯度带，常州4.2级地震震中附近零值线消失，重力变化值为30~40 μGal。
4) 由图 2(d)可见，与上期重力差分结果相比，2021-05~10重力场变化形态再次发生反转，整体呈北正南负的特征。江苏北部以淮安地区为中心的负值区域缩小并北移，淮安地区北负南正，位于NWW向重力变化梯度带零值线附近，东侧形成以盐城为中心的负值变化区域。江苏南部及南京东西侧形成2个重力负变化区域，常州附近重力场形成重力变化梯度带，变化量级为-10~20 μGal，常州4.2级地震震中附近零值线再次出现，但展布形态由NE向转变为NW向。
相邻2期0.5 a重力差分结果显示，常州4.2级地震震中附近重力场经历了东负西正-东正西负-正变化-北负南正的演化过程，且有3次震中位于重力变化梯度带零值线附近，震前1 a重力变化梯度带发生偏转，由NNE向转变为NWW向。
2.3 震前重力1 a差分变化利用同月份观测资料进行差分计算，可以减小季节性变化带来的影响。本文利用2019~2021年6期流动重力观测资料，将相邻年份的同月份观测资料作差，得到4组1 a重力差分变化结果(图 3)。
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图 3 年度重力差分变化 Fig. 3 Annual differential gravity variation |
1) 由图 3(a)可知，2019-05~2020-05江苏及邻区重力场呈南正北负的变化特征，在常州附近形成与无锡-宿迁断裂走向基本一致的重力变化梯度带，变化量级为-20~20 μGal。
2) 由图 3(b)可知，2020-05~2021-05江苏及邻区重力场整体仍呈南正北负的变化特征，常州附近重力变化梯度带发生近90°转折，在南京-高邮-盐城形成新的重力变化梯度带，变化量级为-20~20 μGal。常州4.2级地震震中附近出现明显的零值线拐点。
3) 由图 3(c)可知，2019-10~2020-10江苏及邻区重力场被NW向零值线分割，呈东北正西南负的变化特征，该零值线在常州附近出现转弯，由与NW向无锡-宿迁断裂走向一致转为垂直于无锡-宿迁断裂的NE向。
4) 由图 3(d)可知，2020-10~2021-10研究区重力场以正值变化为主，在常州东南和西北形成重力变化梯度带，常州4.2级地震震中WNN侧出现封闭零值线，其内部呈负重力变化，而震中东南侧呈正重力变化。
由此可知，震前2 a内，每1 a重力差分结果显示，重力变化零值线一直在常州附近出现。
3 重力变化与常州4.2级地震常州4.2级地震震级较低，累积的能量较少，重力场变化范围和变化量级也较小。有学者认为，以当前流动重力观测技术的能力和观测精度，在测网密集地区可以捕捉到4级左右地震震前40 km范围内的重力场变化，测网的空间分辨率应达到20~30 km。准确获取30~40 μGal重力场变化则要求观测精度不低于15 μGal[9]。江苏省苏南地区流动重力测网密集，观测精度一直保持在15 μGal以内，使得捕捉4级地震震前的重力场变化成为可能。常州地震震前0.5 a及1 a的重力差分结果也显示，震中附近均出现局部重力场变化，且震中始终位于重力变化零值线附近。
常州地震震中附近有常州、无锡、苏州、上海和吴市5个稳定测点(图 4)，其时序变化能反映地震孕育过程。图 5为2019-05~2022-01重力值时序变化，图中清晰反映了常州4.2级地震震前4个测点的重力变化呈下降-转折上升-持续上升-反向变化的特征。震中附近无锡、苏州、上海、吴市测点重力值时序变化特征显示，常州东侧正异常变化活跃：2019-05~2020-05重力值呈减小趋势，2020-05~2021-10重力值呈同步增大趋势，2020-10四测点的重力值均达到最近2 a的最大值，2022-01震后加密观测显示，四测点的重力值均减少约20 μGal，恢复到震前平均水平。
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图 4 震中附近测点 Fig. 4 Point measuring near the earthquake center |
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图 5 测点重力值时序变化 Fig. 5 Time change of gravity value |
常州地震震中附近2019-05~2020-05正负重力变化过渡带的零值线走向与2020-05~2021-05的结果相比发生了约90°旋转，2019-10~2020-10正负重力变化过渡带的零值线走向与2020-10~2021-10的结果相比也发生了约90°旋转，常州4.2级地震发生在零值线走向旋转之后。流动重力观测数据较好地反映了常州4.2级地震的前兆现象。
1) 0.5 a尺度重力差分变化结果较好地反映了此次地震下降-转折上升-持续上升-反向的变化过程及零值线附近发震的演化过程。
2) 年重力差分变化分布显示，零值线一直在常州附近出现，并在镇江-常州形成与无锡-宿迁断裂走向基本一致的重力变化梯度带，常州4.2级地震发生在重力变化零值线附近。
致谢: 感谢国家重力台网中心提供的野外观测数据。
| [1] |
祝意青, 申重阳, 刘芳, 等. 重力观测地震预测应用研究[J]. 中国地震, 2020, 36(4): 708-717 (Zhu Yiqing, Shen Chongyang, Liu Fang, et al. Application of Earthquake Prediction Based on Gravity Observation[J]. Earthquake Research in China, 2020, 36(4): 708-717)
(  0) |
| [2] |
祝意青, 张勇, 张国庆, 等. 21世纪以来青藏高原大震前重力变化[J]. 科学通报, 2020, 65(7): 622-632 (Zhu Yiqing, Zhang Yong, Zhang Guoqing, et al. Gravity Variations Preceding the Large Earthquakes in the Qinghai-Tibet Plateau from 21st Century[J]. Chinese Science Bulletin, 2020, 65(7): 622-632)
( 0) |
| [3] |
申重阳, 祝意青, 胡敏章, 等. 中国大陆重力场时变监测与强震预测[J]. 中国地震, 2020, 36(4): 729-743 (Shen Chongyang, Zhu Yiqing, Hu Minzhang, et al. Time-Varying Gravity Field Monitoring and Strong Earthquake Prediction on the Chinese Mainland[J]. Earthquake Research in China, 2020, 36(4): 729-743)
( 0) |
| [4] |
胡敏章, 郝洪涛, 韩宇飞, 等. 2021年青海玛多MS7.4地震的重力挠曲均衡背景与震前重力变化[J]. 地球物理学报, 2021, 64(9): 3135-3149 (Hu Minzhang, Hao Hongtao, Han Yufei, et al. Gravity Flexural Isostasy Background of the 2021 Maduo(Qinghai) MS7.4 Earthquake and Gravity Change before the Earthquake[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2021, 64(9): 3135-3149)
( 0) |
| [5] |
胡敏章, 郝洪涛, 李辉, 等. 地震分析预报的重力变化异常指标分析[J]. 中国地震, 2019, 35(3): 417-430 (Hu Minzhang, Hao Hongtao, Li Hui, et al. Quantitative Analysis of Gravity Changes for Earthquake Prediction[J]. Earthquake Research in China, 2019, 35(3): 417-430)
( 0) |
| [6] |
韩宇飞, 汪健, 徐如刚, 等. 陆态网络重力测网的分形特征与地震监测能力分析[J]. 中国地震, 2020, 36(4): 879-887 (Han Yufei, Wang Jian, Xu Rugang, et al. Fractal Characteristics and Earthquake Monitoring Capability of the CMONOC Gravity Network[J]. Earthquake Research in China, 2020, 36(4): 879-887)
( 0) |
| [7] |
梁伟锋, 刘芳, 祝意青, 等. 重力仪一次项系数对重力场动态变化的影响研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2015, 35(5): 882-886 (Liang Weifeng, Liu Fang, Zhu Yiqing, et al. Research on the Effect of One Degree Term of Chromatic Polynomial of Gravimeter on Gravity Dynamic Change[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2015, 35(5): 882-886)
( 0) |
| [8] |
刘少明, 郝洪涛, 胡敏章. 湖北秭归4.5级和4.1级地震前的流动重力变化[J]. 大地测量与地球动力学, 2019, 39(11): 1118-1121 (Liu Shaoming, Hao Hongtao, Hu Minzhang. Gravity Changes before the M4.5 and M4.1 Earthquakes in Zigui County[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2019, 39(11): 1118-1121)
( 0) |
| [9] |
胡敏章, 郝洪涛, 宋浩, 等. 弱地震活动背景地区流动重力变化探析[J]. 大地测量与地球动力学, 2019, 39(4): 339-343 (Hu Minzhang, Hao Hongtao, Song Hao, et al. Analysis of Gravity Changes in Areas of Weak Seismic Activity Background[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2019, 39(4): 339-343)
( 0) |