2013, Vol. 56
2. 中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室, 武汉 430077;
3. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036
2. State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynamics, Institute of Geodesy and Geophysics, CAS, Wuhan 430077, China;
3. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
强震或大地震受区域应力场及主要活动断裂带的控制, 通常孕育并发生在活动断裂带应力高度积累部位, 这些部位及其附近在孕震阶段的显著差异构造运动, 通常伴有显著的重力场变化[1-9].因此, 在特定的时-空尺度上, 强震或大地震的孕育发生与区域重力场的非均匀时-空变化紧密相关.国内在探索地震前的重力场变化特征、寻求变化规律的过程中, 祝意青等[10-15]将区域重力场时-空动态变化的分析方法先后应用于青藏高原东北缘、川滇和新疆地区的中期、中-长期强震危险性研究, 在据此研究提出的2007-2008年四川和新、藏交界地区可能发生6~7级强震的危险地段[14-15], 已先后发生2008年3月21日的新疆于田7.3级地震和2008年5月12日的四川汶川8.0级地震.其中, 汶川地震发生在预测危险区的核心部位, 即预测的震中位于四川汶川映秀至北川之间, 是地震主破裂带的中心.张国民研究员(个人通迅)认为基于区域重力场时-空变化对汶川地震的预测[14-15], 是目前国内外对7级以上大地震的潜在发生地点预测中最准确的一次.这些表明, 依据区域重力场时-空变化的分析, 有可能为判断未来强震、大地震的发生地点提供相应的依据.
本文以华北中部地区为例, 利用2009-2011年期间研究区的多期重力观测资料, 通过精细计算获得重力场动态变化的处理结果, 在此基础上分析区域重力场的时-空动态变化特征及异常地区, 结合区域GPS测量资料与活动构造分析, 重点讨论重力场异常及其动态变化的可能构造动力学含义, 并初步探讨研究区未来强震、大地震的中-长期危险背景.
2 重力观测及资料处理本文研究的华北中部存在NNE-NE向山西活动断陷带、NNE向华北平原活动断裂带、NWW向张家口-渤海(张-渤)活动构造带(中、西段)以及近E-W向的内蒙河套活动断陷带(东段)[1, 16-18].这些活动构造带也是中国大陆东部现今地壳运动最强烈、地震活动频度最高、强度最大的地区, 历史上曾发生过多次强震和大地震[1].
为了有效监测研究区重力场非潮汐变化与区域构造活动及地震的关系, 中国地震局自2009年起对分布在华北主要活动构造带上分散的地震重力区域网进行调整、优化和改造, 新增10个绝对重力观测点, 120多个相对重力测点, 对该区相关省(自治区、直辖市)地震局自成体系的重力测网进行有效连接, 并对测网进行绝对重力控制, 形成新的、华北地区整体的重力监测网[19], 其测线及测点如图 1所示.新的华北重力监测网可对山西、华北平原、郯-庐、张-渤和河套等地震构造带所在地区的重力场变化进行有效监控, 有助于华北地区的地震监测与研究.本文重点研究华北重力测网中的中部区域-鄂尔多斯地块东缘地区, 即位于东经109.7°-117.1°和北纬31.7°-41.1°之间、大体以太行山为中心的区域.
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图 1 华北重力网联测路线图 Fig. 1 A route map of the gravity monitoring network in Northern China |
研究区的绝对重力测量由中国地震局地震研究所采用FG-5绝对重力仪进行, 测量精度优于5×10-8m·s-2; 相对重力联测由中国地震局地球物理勘探中心和河北省地震局联合完成, 每个测量小组采用2台LCR-G型重力仪作业.每期的测量路线和测量点重合, 复测时间相对固定在同季节进行, 以便尽量减少不同季节的水文等影响; 重力联测的段差精度优于10×10-8m·s-2.
数据处理的关键是将绝对重力观测资料与同期的流动重力观测资料相结合.其中, 绝对重力测点构成一个大尺度、相对稳定的高精度控制网, 流动重力观测视为对该网的定期联测.这种资料处理方案的优点在于可有效地保持重力场统一、具有稳定的起算基准, 又可在此基础上严密、可靠解算出各测点的重力变化, 从而获得区域重力场的动态变化.绝对重力资料处理中作了地球潮汐、光速、局部气压、极移、垂直梯度等改正; 相对重力资料处理中作了固体潮、气压、一次项、仪器高、周期误差等改正[2-3].
利用绝对重力控制解算的重力平差计算结果较好, 2009-2011年五期重力观测资料的点值平均精度均优于10×10-8m·s-2, 反映本文使用的观测资料及其处理结果可靠.
3 区域重力场动态图像 3.1 重力场差分动态变化图像2009年以来, 中国地震局每年对华北重力网进行2期观测.图 2是以河南郑州、山西太原、内蒙托克托等基准站的绝对重力为统一起算基准、处理获得的研究区相邻两期区域重力场的差分图像.
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图 2 华北中部近年不同时段的重力场差分动态变化(单位:10-8m·s-2) (a)2009-09-2010-03;(b)2010-03-2010-09;(c)2010-09-2011-03;(d)2011-03-2011-09. Fig. 2 Maps of gravity changes between two adjacent observation campaigns in middle North China for the recent years (Contours are in 10-8m·s-2) |
分析研究区重力场差分图像的动态变化(图 2)表明:
①2009-09-2010-03期间, 研究区重力变化总体比较平缓, 变幅仅在(-20~30)×10-8m·s-2之间(图 2a).
②2010-03-2010-09期间, 研究区重力变化显著, 变幅在(-70~50)×10-8m·s-2之间, 总体变化趋势是自西向东重力逐渐增加, 重力变化梯度带及零等值线总体展布与太行山山前断裂带走向基本一致.其中, 以洛阳-石家庄-北京一线为界, 总体表现为西部负值、东部正值的变化:西部的山西断陷带及太行山次级断块表现出重力负异常, 最大值为-70×10-8m·s-2, 负异常中心位于京西北盆-岭活动构造区南东缘、晋冀交界的代县与石家庄之间, 其与东部华北平原重力正异常区之间的石家庄附近出现本时段的最高重力梯度区, 最大差异变化达90μGal以上.同期, 在晋冀豫交界的长治、安阳、邯郸一带出现最大为50μGal以上的次高重力梯度区(图 2b), 展布上也与太行山山前断裂带相关.
③2010-09-2011-03期间, 研究区南部的重力变化比较平缓, 但北部的太行山次级断块北段西侧的晋冀蒙交界地区-京西北盆-岭活动构造区整体呈现重力显著负异常变化.后一地区相对于周缘的重力正异常区, 重力变幅在(-30~40)×10-8m·s-2之间, 重力正、负异常变化的梯度带及零等值线总体展布与京西北盆-岭活动构造区西缘(大体是岱海-黄旗海断裂带)走向一致, 最大差异变化60 μGal左右(图 2c).
④ 2011-03-2011-09期间, 重力变化的主要表现是石家庄附近出现了50×10-8m·s-2的局部重力差异变化, 而研究区北部的京西北盆-岭活动构造区的山阴、代县、大同附近地区与前一时段相比, 几乎不存在明显的重力变化, 显示出区域重力场时-空变化中的局部"硬化"现象(图 2d).
图 2的重力场差分动态演化图像清晰反映了研究区在2009-09-2011-09的两年中, 区域重力场的整体空间分布呈现"准均匀→非均匀→山西断陷带北段侧向显著变化→局部"硬化"的演化过程[10].
3.2 重力场累积动态变化图像为了分析研究区较长时段的区域重力场累积变化特征, 我们以2009年9月首期整体观测资料为时间基准, 分别绘制了各期相对首期的区域重力场累积变化动态图像(图 3).
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图 3 华北中部地区近年重力场累积变化动态图像(单位:10-8m·s-2) (a)2009-09-2010-03;(b)2009-09-2010-09;(c)2009-09-2011-03;(d)2009-09-2011-09. Fig. 3 Maps showing dynamic changes of gravity relative to the first campaign in middle North China for the recent years (Contours are in 10-8m·s-2) |
分析图 3表明, 研究区的重力场累积变化具有逐步增强的趋势, 即近年来随着时间的增长, 整体与局部重力异常的幅度、范围逐渐增大.这种累积变化的分阶段特征为:
①2009-09-2010-03期间, 研究区仅沿山西断陷带呈现小量的、(-10~-20)×10-8m·s-2的重力负值变化, 而山西断陷带以东的太行山次级断块和华北平原西部、以及和山西断陷带以西的鄂尔多斯块体及其北缘的河套断陷带均表现小量的、(10~30)×10-8m·s-2的重力正值变化(图 3a).
②2009-09-2010-09期间, 区域重力场累积变化主要表现为大体以山西断陷带为中心的、显著的区域重力负异常图像(图 3b).其中, 以该断陷带北段(京西北盆-岭构造区)及其附近的重力负异常变化最大, 中南段的次之.从图 3b可看到:山西断陷带北段重力变化负异常的相对高值区分别位于大同-阳原断陷盆地的东南、北西、北东和南西的4个侧边, 重力负值变化分别为(-40~-60)×10-8m·s-2 (东南、北西两个侧边), 以及-30×10-8m·s-2(北东和南西的两个侧边); 而以大同-阳原断陷盆地为中心的地带负异常值仅-20×10-8m·s-2.同一时段, 大体以华北平原活动构造带为中心的地带, 重力正值变化增加, 最大正值变化位于石家庄以东, 达50×10-8m·s-2, 其次位于新乡与安阳一带, 达40×10-8m·s-2.本时段在上述两大区域重力正、负值变化地带之间, 表现为一NNE向的重力变化梯度带, 其展布大体与太行山山前断裂带的位置吻合(图 3b).
③2009-09-2011-03和2009-09-2011-09期间, 重力累积变化图像(图 3(c、d))的特点是:在图 3b时段形成的、NNE向重力正、负值变化地带中-北段的正、负值变化进一步加强, 使得大体沿太行山山前断裂带的NNE向梯度带中-北段的重力变化梯度持续增高, 最大差异均达100×10-8m·s-2以上; 山西断陷带北段(京西北盆-岭构造区)(图 3c 及图 3d )出现多个相对负值变化的高值区, 主要位于大同-阳原、代县盆地S E、NW两侧的山西右玉(112.5°E, 39.8°N)、灵丘(114.3°E, 39.6°N)、河北平山(114.0°E, 38.5°N)、山西五寨(112.2°E, 38.6°N)等地及其附近, 重力变化达(-60~-90)×10-8m·s-2; 而沿大同-阳原、代县盆地及其附近的累积重力负值变化相对平缓, 仍维持图 3b时段的-20×10-8m·s-2左右.我们认为最后这种现象为重力相对变化的局部硬化", 可能反映山西断陷带北段(京西北盆-岭构造区)的边缘地带近年来的构造活动加强, 但核心地带断裂的闭锁程度增高.
以上重力场累积变化的动态图像(图 3)可能反映研究区近年来经历了"区域应力场增强→区域断裂与断块差异运动与变形增强→局部运动受阻"的过程与特征.
3.3 京西北的重力剖面变化重力剖面能较好地突出局部地段的重力异常变化.图 4a及图 4b是根据各时段相同测点的实测重力变化值绘制的、从西向东贯穿京西北盆-岭构造区的重力变化剖面图.图 4c是剖面高程图, 该剖面跨越了大青山、岱海-黄旗海、口泉、恒山山前、五台山北缘等断裂带和太行山山前断裂带[20-21].
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图 4 呼和浩特-山阴-石家庄-南宫重力剖面变化及剖面高程图 (a)2009-09-2010-09相对重力变化剖面; (b)2009-09-2011-09相对重力变化剖面; (c)地形与构造剖面. Fig. 4 Profiles of gravity variation and elevation in the route Hohhot-Shanyin-Shijiazhuang-Nangong (a)2009-09-2010-09 Section of relative gravity variation; (b) 2009-09-2011-09 Section of relative gravity variation; (c) Section of topography and active tectonics. |
分析图 4可以看出2个时段的相对重力变化剖面形态基本相同, 主要揭示以下特征:
(1) 大幅度的相对重力负值变化发生在京西北盆-岭构造区核心地带(大同-阳原、代县盆地)的北西、南东两侧地区, 即大同盆地以西至岱海-黄旗海断裂之间地区以及太行山次级断块地区; 东部的河北平原呈现重力正值变化; 然而, 京西北盆-岭构造区核心地带的相对重力变化很小, 维持在(0~-20)×10-8m·s-2的水平.
(2) 京西北盆-岭构造区核心地带的北西、南东两侧地区, 重力相对变化的幅值随时间逐渐加大.其中, 北西侧地区的重力变化由60×10-8m·s-2(图 4d)增至100×10-8m·s-2(图 4d); 东边跨太行山山前断裂的重力变化由90×10-8m·s-2(图 4b)增至110×10-8m·s-2(图 4d); 但重力显著变化的区域范围似乎没有扩大.
(3) 横跨京西北盆-岭构造区, 存在西北、南东两个相对重力变化的高值梯度带, 北西侧的梯度带大体受岱海-黄旗海断裂带控制, 南东侧的则大体受太行山山前断裂控制.在京西北盆-岭构造区内部, 还存在两处相对重力变化的次高梯度带, 一处大体受大同盆地西缘的口泉断裂带控制, 另一处大体受忻定盆地南缘的系舟山山前断裂控制.
3.4 重力测点时序变化图 5是华北中部3个绝对重力点的时序变化.太原绝对重力点2009-03-2010-09缓慢上升8.7×10-8m·s-2, 2010-09-2011-03快速上升至21.0×10-8m·s-2, 2011-03-2011-09转为下降.托克托和郑州绝对重力点变化较小, 变化量均在±8.0×10-8m·s-2以内.
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图 5 研究区3个绝对重力点重力测值的时序变化 Fig. 5 Gravity time-variation at three absolute gravity observation stations in the study region |
图 6是京西北盆-岭构造区6个相对重力测点的时序变化, 可以看出不同测点的变化总趋势基本一致, 均表现为2009-09-2010-03重力平缓变化(变化量在20×10-8m·s-2以内), 2010-03-2011-03快速下降(变化量在(40~80)×10-8m·s-2之间), 2011-03-2011-09转为平缓或反向上升, 但变化幅值差异较大.太行山山前断裂附近的河北平山测点及岱海-黄旗海断裂带附近的山西右玉测点重力变化最大, 重力累积下降最大值分别为96.5×10-8m·s-2和95.5×10-8m·s-2; 山西五寨和灵丘测点的变化次之, 重力值累积下降最大分别为58.7×10-8m·s-2和71.6×10-8m·s-2; 山西山阴和代县测点的重力变化最小, 重力值累积下降最大分别为28.1×10-8m·s-2和29.6×10-8m·s-2. 图 5和图 6反映:除太原绝对重力点存在一定的趋势性上升变化外, 其它2个绝对重力点的变化较微弱, 或者几乎无变化, 这进一步证实了绝对重力观测质量的可靠.因此, 目前京西北盆-岭构造区近年的重力出现缓慢下降→加速下降→转折的平缓变化过程, 河北平山和山西右玉重力测值下降达90×10-8m·s-2多, 均反映研究区在这两处部位及其附近确实存在显著的重力异常变化.
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图 6 研究区部分相对重力点重力测值的时序变化 Fig. 6 Gravity time-variation at some relative gravity observation stations in the study region |
流动重力测量反映的是区域重力场的非潮汐变化, 复测结果除了能较好地反映地壳厚度、密度空间差异变化的信息外, 还包含由于构造运动/变形引起的深部物质迁移等信息.因此, 观测并研究区域重力场的时、空动态演化特征可为探讨现今地壳构造运动与强震孕育、发生的相互联系提供重要线索.根据以往重力变化与地震关系的研究[2-15], 重力场随时间的变化与强震孕育、发生存在紧密的联系:(1)强震发生前, 重力场往往出现较大空间范围的区域重力异常, 并伴生重力变化高梯度带; (2)强震发生前, 重力场的变化可能从异常范围、变化幅度以及异常持续时间等方面有所显示.这些反映:要了解并理解与区域构造应力场增强及强震孕育、发生过程相关的重力场变化信息, 不仅需要了解、对比区域重力背景场, 还需要了解与分析区域活动构造与现今构造动力学特征, 进而基于重力场变化与构造运动、动力学作用相互关系的物理分析, 探索区域重力场急剧或显著变化的强震危险性含义.
分析图 3及图 4, 我们对华北中部地区2009-2011年期间发生的区域重力场显著变化以及沿重要活动断裂带出现重力变化高梯度带等(图 2、图 3)异常现像, 有如下认识:
华北中部地区近年来重力场的异常变化可分为三级.一级变化为自西向东、从山西断陷带、太行山次级断块向华北平原西部的、由负向正的趋势性变化; 二级变化表现为一级场变化中较大范围的重力异常区, 以及区域重力场趋势变化中的大型突变, 即研究区内沿活动块体边界带或重要活动断裂带出现的延伸长、幅度大的重力变化梯度带.重力场的一、二两级异常变化的总体空间格局与研究区布格重力背景场的异常变化同向[20], 从而应是区域与深部构造运动、物质变迁以及地块/块体差异构造运动的结果, 也反映这一时期山西断陷带和太行山山前断裂带发生了不同程度的构造活动.重力场三级异常变化为二级变化中的较大范围正、负重力异常区中的相对起伏, 以及二级变化中的区域性重力梯度带中具有不同梯度的段落.例如, 自2010年3月以来, 京西北盆-岭构造区(山西断陷带北段)除了整体表现出大面积的重力负异常区(二级变化)外, 还在区内出现多个局部的、不同值的重力负异常区(三级变化), 反映该区整体存在比邻区更强的构造与应力作用, 且在这种作用下出现非均匀的构造变形与运动; 其中, 京西北盆-岭构造区的核心部分不同时段的重力负值异常变化缓慢, 最终仅限于(-20~-30)×10-8m·s-2的量值, 可能反映大同-阳原盆地及其周缘的NE、NEE向口泉断裂、恒山山前断裂、六棱山山前断裂、以及五台山北缘断裂等的变形/运动受阻, 处于高应力的闭锁状态(图 3、图 4); 而在大同-阳原盆地外围, 同期出现多处重力负值的高异常区, 在最近两年内那些部位的重力变化很快达到(-50~-90)×10-8m·s-2的量值(图 3、图 4), 可能反映这些部位及其附近的太行山山前断裂带的北京西-石家庄段、岱海-黄旗海断裂带等等, 由于区域应力作用的增强而发生显著、较显著的变形或运动/蠕动.本文对京西北盆-岭构造区重力场三级变化及其与构造运动、动力学关系的以上分析及认识, 与马宗晋"多个应力集中点不均匀演变"的论点[22]相似.
由于地表重力变化与地表变形运动有关, 为检验地表重力场的微动态变化是否是由地壳垂直运动(高程变化)引起的, 我们利用由GPS观测结果解算的垂直向位移信息, 获得研究区1999-2007年期间的垂直形变速率图(图 7).在考虑地表垂直变形产生的重力效应时, 把垂直形变δH与重力变化δg的关系近似于自由空间梯度, 即
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图 7 华北中部源于GPS测量的垂直形变速率(1999-2007)(单位:mm/a) Fig. 7 Map of vertical deformation velocities from GPS survey in middle North China for the period 1999 to 2007 (Contours are in mm/a) |
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图 8是消除垂直变形效应后的研究区的重力场累积变化(2009-09-2011-09).对比分析图 3d及图 8可以看出, 消除垂直变形效应前后的重力变化在华北平原的石家庄一带有显著差别, 其它地区的则基本没变.其中, 消除垂直变形效应前后, 京西北盆-岭构造区(山西断陷带北段)的重力变化格局基本没变, 说明京西北盆-岭构造区的显著重力异常变化不是由高程变化引起的, 可能与该区构造应力作用引起的地壳密度变化和深部物质运移的关系更为密切.已有研究表明晋北和晋冀蒙交界地区的垂直形变年速率不超过10mm/a[23], 由此引起的高程变化对重力场的影响每年不超过3×10-8m·s-2.然而, 华北平原由于过量开采地下水引起地面严重下沉, 这种地面沉降伴随的高程变化对重力场的影响每年可达(10~20)×10-8m·s-2, 这也是消除垂直变形效应前后、华北平原石家庄附近的重力场图像存在较明显差别的主要原因(图 3d及图 8).
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图 8 研究区消除垂直变形效应后的重力时变(2009-09-2011-09)(单位:10-8m·s-2) Fig. 8 Map of the gravity changes after eliminating vertical deformation effect for the study region and for the period 2009-09 to 2011-09(contours are in 10-8m·s-2) |
构造应力可引起断裂运动以及断裂带(含破碎带)、断块的变形, 结果除了断裂带及其邻近可发生物质运移、物性参数发生变化外, 断裂及其破碎带的密度也会发生变化, 从而会导致相应的重力变化[24-26].跨山西断陷带北段重力剖面变化的总体形态与那里主要断陷盆地带的形态基本一致(图 4), 进一步表明那里近年的重力场变化主要是伴随应力作用和构造运动的增强引起断层深部物质变迁和构造变形的效应, 也进一步反映京西北盆-岭构造区近年来重力场的显著变化是明显受构造活动引起的影响.因此, 应注意到这一具有强震/大地震中-长期危险背景的地区[27]未来发生强震的中-长期危险性.其中, 该区的大同-阳原盆地及其周缘的内部在恒山山前断裂、六棱山山前断裂和口泉等断裂所在地区的重力负值变化幅度明显偏小于周围地区, 且变化相对稳定, 可能指示了那里的基底断裂带正处于高强度闭锁的状态, 而那里局部的较显著重力变化可能是闭锁断裂带出现的损伤或者变形加速引起的.因此, 京西北盆-岭构造区可能存在中-长期尺度的强震孕育与发生的危险背景.对华北地区近期的垂直形变及水平形变研究[23, 28]也反映京西北盆-岭构造区及其附近存在显著的应变积累和强震危险性.另外, 河北石家庄及其以南至安阳一带, 以及山西右玉至内蒙古集宁一带的重力变化高梯度带/段, 在空间上分别与NNE向太行山山前等断裂带和NE向岱海-黄旗海断裂带等展布一致, 也应注意这两处较大规模活动断裂带/段中-长期强震的危险性.
5 结论与讨论通过对重力观测资料的整体平差计算, 本文系统研究了华北中部地区2009年以来的重力场演化图像, 并初步分析了重力场的异常变化与构造活动、未来强震危险性的关系.主要结果如下:
(1) 近年来, 华北中部围绕晋冀蒙交界地区的构造块体边界带及其周缘出现较大空间范围的趋势性显著重力变化, 其中伴生有多点局部重力变化异常区以及与主要活动断裂带展布基本一致的重力变化高梯度带, 反映该地区出现了显著的重力异常变化.
(2) 京西北盆-岭构造区核心地带的北西、南东两侧地区发生大幅度的相对重力负值变化, 其中, 沿南东侧太行山山前断裂带及北西侧岱海-黄旗断裂带两侧的重力差异运动均达100×10-8m·s-2左右, 反映断裂带的构造活动显著.京西北盆-岭构造区的内部还存在两处相对重力变化的次高梯度带, 一处大体受大同盆地西缘的口泉断裂带控制, 另一处大体受忻定盆地南缘的系舟山山前断裂带控制.
(3) 华北中部的3个绝对重力观测点中, 郑州及托克托两个测点的近年观测结果几乎不存在重力变化, 仅太原测点的观测结果显示出趋势性的上升变化.因此, 京西北盆-岭构造区周缘以及河北石家庄等地出现的、较大量值的相对重力变化是可靠的, 属于显著的地表重力异常变化, 尤其是相对下降量达90×10-8m·s-2的河北平山和山西右玉的重力测点.
(4) 分时段的区域重力场差分动态演化图像较清晰地反映出京西北盆-岭构造区及其附近的重力场整体经历了"准均匀→非均匀→断陷带北段侧向显著变化→局部"硬化"的演化过程; 重力场累积变化图像则可能反映了"区域应力场增强→区域断裂与断块差异运动及变形增强→局部运动受阻"的动态变化特征.
(5) 重力异常的分析反映:华北中部的晋冀蒙交界及其附近地区、以及河北石家庄至安阳附近等地区存在中-长期尺度的强震危险背景.
致谢杨国华研究员提供了GPS垂向变化数据, 两位审稿专家为本文进一步完善提出了有价值的意见, 在此一并表示感谢.
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