2023, Vol. 43
进行重复重力测量获取地球重力场及其变化, 从中分离地震孕育信息, 是获取地震预报所需前兆信息的重要途径之一[1]。地壳内部的物质迁移、地壳构造和地震的形成过程等, 都可以在流动重力复测结果中反映出来[2]。祝意青等[3]和申重阳等[4]在深入研究区域重力场演化特征的基础上, 提出定性和定量相结合研究与强震孕育有关的重力变化背景与异常, 总结利用重力场变化资料进行地震危险性和危险地点预测的方法，包括重力场变化对地震的反映能力、强震孕育发生过程中的重力变化异常特征等。在数10 a的监测和分析预报经验基础上，流动重力变化资料在近年来MS6.0以上地震年度危险区划分中发挥了重要作用[5]，因此同时总结了震前重力变化异常量化指标经验值[6]。
近年来我国流动重力测网布局日趋科学合理，观测精度也逐步提高。实践表明，在保证观测精度和对数据进行精细化处理的基础上，对于一些MS4.0~5.0地震，在震前提取地震相关重力场变化异常成为可能[7-8]。2019-08-20海南省三亚市天涯区发生MS4.2地震，该地震是1982-01-25海南三亚MS4.0地震以来，海南岛再次发生的一次MS4.0以上地震。本文收集整理了2016~2022年海南岛流动重力观测资料，分析2019-08-20海南三亚MS4.2地震前后海南岛重力场变化特征，提取和总结海南三亚MS4.2地震前震中附近地区的重力场变化异常，并将小波多尺度分解技术应用于重力场变化异常分析中。
1 海南岛流动重力测量海南岛及近海是地震活动较活跃的地区，区域内存在着北西向的铺前-清澜、长流-仙沟和近东西向的马袅-铺前等活断层。2016年海南岛流动重力测网共有67个测点，73个测段，其中琼中测点是绝对点(图 1)，此后至2022年，测网基本稳定。观测所用仪器均为CG-5重力仪。2016-01~2022-06海南岛共完成13期流动重力测量工作(其中2016~2021年每年复测两期，2022年复测一期)，2017年下半年开始，海南岛流动重力测网均与广东雷州半岛测网进行联测。
|
图 1 海南岛重力测网及构造 Fig. 1 The map of mobile gravity survey and structure in the Hainan island |
因海南岛测网较小、测点稳定，故本文采用自由网平差方法[9]，对海南岛2016~2022年流动重力观测资料进行平差处理，平差处理使用高精度重力测量资料处理系统软件LGADJ，各期观测时间、仪器编号、平差精度见表 1。表 1显示，各期平差精度均在10 μGal以内，观测精度较高。
|
表 1 海南岛流动重力观测时间、仪器编号和点值精度 Tab. 1 The mobile gravity observation time, instrument number and point value accuracy of Hainan island |
目前主要有2种反映重力场动态变化形态的图像，分别是差分重力场动态变化和累积重力场动态变化，差分重力场动态变化表示两期之间的相对重力变化。2016-05以来海南岛差分重力场动态变化较为平缓，所有区域重力场变化量均在30 μGal以内，无重力场变化异常区域，其图像在此不展示。
累积动态变化图像表示相对某一期或某一基准的重力变化。在此以2016-09这一期观测的重力场为基准，分别计算海南岛2016-09~2017-10(累积1 a)、2018-10(累积2 a)、2019-08(累积3 a，野外观测时间位于2019-08-20之后)、2020-09(累积4 a)、2021-09(累积5 a)和2022-06(累积6 a)的累积重力变化。计算绘图(图 2)表明，海南岛地区2016年以来1~6 a期间的累积重力场动态变化相对平缓，总体呈东部和北部负变化，西部和南部正变化特征；海南岛重力场变化较突出的区域分布于西南部(主要集中于千家地区)。
|
图 2 海南岛累积重力场动态变化 Fig. 2 Dynamic pattens of cumulated gravity change relative to the first campaigns in Hainan island |
另一方面，自2018-10以来，海南岛西南逐渐形成一个正负重力场变化异常梯度带，该梯度带以千家为中心向外扩展，正负变化差异的幅度与范围也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约60 μGal，异常范围约为60 km。2019-08-20在异常区内发生海南三亚MS4.2地震。该地震震后1 a的2020年，海南岛西南重力场变化异常区扩大。2021-05~2021-09异常区内千家附近发生一次震群事件，该震群包含1~4级地震13次，其中最大地震为2021-08-08海南乐东MS3.2地震，该地震与三亚MS4.2地震震中相距约31 km。直至2021-09，海南岛西南地区的重力场变化异常幅度和范围相对2020-09有所减小。
海南三亚MS4.2地震震中位于2016-09~2018-10、2016-09~2019-08累积重力变化异常梯度带的零值线上。跟踪分析万冲(距离震中约38 km)、乐东(距离震中约35 km)、千家(距离震中约36 km)和九所(距离震中约52 km)4个测点重力点值时序变化(图 2、3)表明，2016-09以来，4个测点重力点值变化趋势一致，总体趋势为正变化；在距离三亚MS4.2地震较近的千家测点重力累积变化幅度达60 μGal，九所累积变化幅度40 μGal。三亚MS4.2地震发生于海南岛西南地区重力场上升变化趋势过程中，震后海南岛西南地区重力场继续上升，直至2020-09起开始下降，在下降过程中发生乐东MS3.2地震，即该地震发生于海南岛西南地区重力场反向恢复过程中。
|
图 3 4个测点重力时序变化 Fig. 3 Gravity time series change of 4 measuring points |
小波变换是重力场多重分解的重要工具，是一种信号的时间-尺度(时间-频率)分析方法。根据小波多尺度分解原理，重力异常可分解为[10]:
| $ \Delta G(X, Y)=A_i+D_i+D_{i-1}+\cdots+D_1 $ | (1) |
式中，Ai为重力异常的i阶(i为不小于2的整数)近似，即重力异常的低频成分；Di(i=1, 2, …)为经i次分解后得到的各阶小波细节，即重力的高频成分。小波分析的这些特征可更为直观地解释构造运动。小波变换具有低阶细节不变的性质，不随小波变换的总阶数改变而改变。同时在小波多尺度分解的基础上，结合频谱分析技术还可以确定小波细节和小波逼近的场源深度，赋予小波分析结果以地质含义。即可将重力场变化分解为表示不同深度、不同尺度的信息源在地表产生的重力场变化，为解释重力场变化与深度、密度变化的关系提供较为直观、可靠的方法[11]。近年来，一些地震科研工作者利用二维小波多尺度分解方法，对重力场变化数据进行处理，将位场数据进行区域异常和局部异常分离，由此在重力异常识别、异常分离、信号去噪、反演成像等方面取得了一系列研究成果，进而更清晰地反映重力场变化与地震活动的关系，为地震预测预报和震后趋势判定服务[12-13]。
本文选择三亚MS4.2地震前异常较为显著、异常幅度最大的海南岛重力场累积3 a的变化(2016-09~2019-08)进行5阶小波分解。图 4反映小波分解后海南岛重力场分布信息，其中1阶和2阶细节图主要以噪声为主，重力变化量小于10 μGal，分别反映上地壳浅层和中上地壳浅层密度不均匀体的分布情况，反映地表重力变化情况。随着阶数的增加，在3~5阶细节图中，等值线圈连片区域增大，许多弱小异常消失，大的异常区域逐渐凸显，分布规律逐渐增强。在3阶小波变换细节图中，除海南岛西南地区重力场变化大于10 μGal外，其他地区重力场变化均小于10 μGal，海南岛西南地区的重力场变化异常开始显现；4阶细节图更加明显，三亚MS4.2地震发生在重力场正负变化交替的零值线上，重力场差异变化为20 μGal；5阶细节图中海南岛西南地区出现重力场正变化梯度带，重力场差异变化为25 μGal，三亚MS4.2地震发生在该梯度带上。
|
图 4 海南岛2016-09~2019-98重力场动态变化小波分解细节 Fig. 4 Details of wavelet decomposition of gravity field dynamic changes in Hainan island from September 2016 to August 2019 |
功率谱是由Spector与Grant最早提出的一种重磁场解析处理方法, 在小波多尺度分解上采用功率谱分析方法可进行场源近似深度计算[14]。小波变换多尺度分析结果在统计意义上等效于不同深度处重力变化情况，采用功率谱分析方法，可以得到小波变换细节场所反映的近似场源深度。为此，我们对海南岛2016-09~2019-08重力场动态变化小波多尺度分解各阶小波细节进行功率谱计算，得到1~5阶小波细节的功率谱图(图 5)，图 5中横坐标表示波数，纵坐标表示对应的功率谱。由功率谱斜率可计算出小波细节和逼近的对应场源深度，使小波分析具有对应的深度概念。
|
图 5 小波细节多尺度分解结果功率谱 Fig. 5 Power spectrum of wavelet detail multiscale decomposition results |
由此通过计算可以得知，图 5中各阶小波细节的功率谱都有比较清晰的直线段(拟合为图 5中的红色直线), 随着小波细节阶数的增加, 直线段的斜率也在增大, 反映了对应重力场小波细节的场源深度在增加。因此可以认为，1阶小波细节计算的近似深度约为6 km，反映地表重力变化; 2阶小波细节计算的近似深度约12 km，反映上地壳重力场变化；3阶小波细节计算的近似深度约为17 km，反映中下地壳重力场变化；4阶小波细节计算的近似深度约为25 km，反映地壳深部重力场变化；5阶小波细节计算的近似深度约45 km，反映上地幔重力场变化。这反映出，在三亚MS4.2地震前，震中附近地区从上地幔至中下地壳均出现重力场变化异常。这一结果显示的各阶小波细节反映的场源深度与已有的一些研究成果[12-13]具有相似之处。
4 结语本文分析2019-08-20海南三亚MS4.2地震前后海南岛重力场变化特征，提取震前异常信息，并对2016-09~2019-08海南岛3 a累积重力场动态变化进行小波多尺度分解，认为：
1) 2016年以来，三亚MS4.2地震前海南岛重力场差分重力场动态变化总体平稳，无明显异常。但累积重力场动态变化方面，2016-09~2018-10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，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60 μGal。既往对地震预报的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[15]，因此认为，尽管三亚MS4.2地震前震中附近地区出现重力场异常变化，但这些异常特征尚未达到发生5级地震的条件。三亚MS4.2地震之后，震中附近地区重力场继续上升，至2020年下半年才开始下降，在下降过程中，发生以2021-08-08乐东MS3.2地震为最大地震的震群事件，即乐东MS3.2地震发生在三亚MS4.2地震后重力场变化反向恢复过程中，其具有典型的重力上升-发震-重力继续上升-重力下降-发震-重力继续下降的变化特征。
2) 2016-09~2019-08海南岛累积重力场动态变化小波多尺度分解表明，随着阶数的增加，海南岛西南地区在3阶、4阶和5阶小波细节图中均出现重力场变化异常, 在异常地点上与原始海南岛累积重力场动态变化的指向一致。同时，通过小波细节图的功率谱分析认识到，3阶细节图反映的场源深度是17 km，4阶细节图反映的场源深度是25 km。这说明，通过小波分解可以有效分离不同深度的重力异常，有助于消除部分噪声信息，提取与地震孕育有关的重力异常；也进一步佐证了2016-09~2019-08期间海南岛西南地区重力场变化异常的可靠性；同时反映出重力场变化小波分解技术能较好地反映地震孕育过程。
| [1] |
祝意青, 徐云马, 梁伟锋. 2008年新疆于田MS7.3地震的中期预测[J]. 大地测量与地球动力学, 2008, 28(5): 13-15 (Zhu Yiqing, Xu Yunma, Liang Weifeng. Medium-Term Prediction of Yutian, Xinjiang MS7.3 Earthquake in 2008[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2008, 28(5): 13-15 DOI:10.3969/j.issn.1671-5942.2008.05.003)
(  0) |
| [2] |
陈运泰, 顾浩鼎, 卢造勋. 1975年海城地震与1976年唐山地震前后的重力变化[J]. 地震学报, 1980, 2(1): 21-31 (Chen Yuntai, Gu Haoding, Lu Zaoxun. Variations of Gravity before and after the Haicheng Earthquake, 1975 and the Tangshan Earthquake, 1976[J]. Acta Seismologica Sinica, 1980, 2(1): 21-31)
( 0) |
| [3] |
祝意青, 付广裕, 梁伟锋, 等. 鲁甸MS6.5、芦山MS7.0、汶川MS8.0地震前区域重力场时变[J]. 地震地质, 2015, 37(1): 319-330 (Zhu Yiqing, Fu Guangyu, Liang Weifeng, et al. Earthquake Predictions: Spatial-Temporal Gravity Changes before the Ludian MS6.5, Lushan MS7.0 and Wenchuan MS8.0 Earthquakes[J]. Seismology and Geology, 2015, 37(1): 319-330 DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2015.01.025)
( 0) |
| [4] |
申重阳, 李辉, 孙少安, 等. 2008年于田MS7.3地震前重力场动态变化特征分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2010, 30(4): 1-7 (Shen Chongyang, Li Hui, Sun Shaoan, et al. Characteristic Analysis of Dynamic Gravity Change before Yutian MS7.3 Earthquake, 2008[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2010, 30(4): 1-7 DOI:10.3969/j.issn.1671-5942.2010.04.001)
( 0) |
| [5] |
祝意青, 申重阳, 张国庆, 等. 我国流动重力监测预报发展之再思考[J]. 大地测量与地球动力学, 2018, 38(5): 441-446 (Zhu Yiqing, Shen Chongyang, Zhang Guoqing, et al. Rethinking the Development of Earthquake Monitoring and Prediction in Mobile Gravity[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2018, 38(5): 441-446 DOI:10.14075/j.jgg.2018.05.001)
( 0) |
| [6] |
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 DOI:10.3969/j.issn.1001-4683.2019.03.001)
( 0) |
| [7] |
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): 1 118-1 121 (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): 1 118-1 121 DOI:10.14075/j.jgg.2019.11.004)
( 0) |
| [8] |
文翔, 毕熙荣, 覃坚, 等. 2017年南丹MS4.0地震前后重力变化[J]. 大地测量与地球动力学, 2019, 39(4): 344-350 (Wen Xiang, Bi Xirong, Qin Jian, et al. Gravity Variation before and after the MS4.0 Earthquake in Nandan in 2017[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2019, 39(4): 344-350)
( 0) |
| [9] |
孙少安, 康开轩, 黄邦武. 关于区域重力场变化基准的思考[J]. 大地测量与地球动力学, 2012, 32(1): 17-20 (Sun Shaoan, Kang Kaixuan, Huang Bangwu. Thinking on Datum of Regional Gravity Field Variation[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2012, 32(1): 17-20)
( 0) |
| [10] |
杨文采, 施志群, 侯遵泽, 等. 离散小波变换与重力异常多重分解[J]. 地球物理学报, 2001, 44(4): 534-541 (Yang Wencai, Shi Zhiqun, Hou Zunze, et al. Discrete Wavelet Transform for Multiple Decomposition of Gravity Anomalies[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2001, 44(4): 534-541 DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2001.04.012)
( 0) |
| [11] |
朱桂芝, 祝意青, 唐文, 等. 河西地区重力动态变化的二维离散小波多尺度分解[J]. 大地测量与地球动力学, 2004, 24(1): 46-49 (Zhu Guizhi, Zhu Yiqing, Tang Wen, et al. Multi-Scale Decomposition of 2-D Discrete Wavelet of Dynamic Gravity Variation in Hexi Region[J]. Crustal Deformation and Earthquake, 2004, 24(1): 46-49)
( 0) |
| [12] |
谈洪波, 申重阳, 玄松柏, 等. 鲁甸MS6.5地震孕育环境的重力学分析[J]. 地震地质, 2017, 39(2): 356-373 (Tan Hongbo, Shen Chongyang, Xuan Songbai, et al. The Seismogenic Environment Analysis of Ludian MS6.5 Earthquake Using Gravity Data[J]. Seismology and Geology, 2017, 39(2): 356-373)
( 0) |
| [13] |
刘芳, 祝意青, 陈石. 华北时变重力场离散小波多尺度分解[J]. 中国地震, 2013, 29(1): 124-131 (Liu Fang, Zhu Yiqing, Chen Shi. Multi-Scale Decomposition of Wavelet of the Temporal Gravity Variation in North China[J]. Earthquake Research in China, 2013, 29(1): 124-131)
( 0) |
| [14] |
Spector A, Grant F S. Statistical Models for Interpreting Aeromagnetic Data[J]. Geophysics, 1970, 35(2): 293-302
( 0) |
| [15] |
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) |