2017, Vol. 38
2. 中国河北 071051 易县地震台
2. Yixian Seismic Station, Hebei Province 071051, China
中国地震重力监测工作始于20世纪60年代，现已在主要构造带或地震危险地区建立34个重力区域网和11条重力测线或剖面，形成近3 000个测点组成的地震重力监测网（申重阳，2010）。河北省地震局流动测量队于1966年邢台地震后成立，多年重力流动观测为华北地区重力测量奠定了坚实基础，使得华北地区成为中国流动重力监测力度最大地区之一。
河北省流动重力监测规模和观测技术取得长足进步（苏树朋，2009），主要体现在：① 流动重力监测范围逐渐扩大、监测密度不断提高，特别是2009年通过对华北地区各流动重力网进行优化整合，形成整体的大华北重力网；② 绝对重力观测技术和新型观测仪器的采用，使观测成果精度和可靠性得到明显提高；③ 地震流动重力测量主要采用相对重力测量方法（祝意青等，1999），河北省早期流动重力监测采用单一相对重力观测，主要使用CG-5和WORDEN石英弹簧重力仪（精度约30×10-3″），后普遍使用LCR-G型金属弹簧重力仪（精度约10×10-3″），2009年大华北重力网建成后，实现10个测点的绝对重力观测与全网相对重力观测同步进行。
河北省流动重力资料用于地震分析预报时间尚短，尚未发挥其重要的背景场作用。为了充分发挥其重力背景场作用，有必要对流动重力资料进行系统清理，通过格值、固体潮、气压改正，使数据规范可用。同时进行异常提取方法探索，通过震例研究，确定重力异常的时序和空间特征，找到适合重力资料用于地震分析预报的方法，为地震预报探索切实可行的途径。
1 资料概况华北地区流动重力测量始于20世纪60年代，1991年以前流动重力资料均采用纸质方式存储。河北省地震局流动测量队1992-2009年承担河北及周边地区重力测量任务，共有火车、文霸、邢台、邯安4个重力测网计99个重力测点，积累了大量重力测量数据；华北地区各流动重力网2009年进行优化整合，河北省地震局对4个流动重力观测网进行整改，现在共计109个重力测点，均为相对重力测点，测网主要覆盖京津地区活动断裂、太行山山前断裂及唐山邢台老震区，重力测点空间分布见图 1，图中五角星为重力测点。
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图 1 河北省流动重力测点分布 Fig.1 Distribution of mobile gravity survey stations |
因大华北重力网形成于2009年7月，故以此时间为限，将河北省流动重力资料清理时限分为1992年-2009年6月和2009年7月-2014年9月2个阶段，其中第1阶段主要对河北重力测网的文霸网、火车网、邯安网、邢台网清算，第2阶段对大华北地区河北测网进行清算。
2 流动重力历史观测资料整理 2.1 资料清理河北省流动重力资料历史资料清理工作主要包括：点位坐标信息确认、测点编号规范、错误测点号更正、观测数据新旧点号转换、观测仪器参数更正等。
2.1.1 测点编码规范根据重力技术管理部制定的测点编码规范，对河北地区流动重力测网现有测点及历史测点进行规范编号，由5位数增加为8位，并相应制作新旧点号对应表，利用新旧点号转换工具，将观测数据文件转换为测点规范编号下的数据文件。
2.1.2 数据清理数据清理工作主要按以下步骤进行：① 数据收集准备。以保定地区1992-2003年流动重力资料为例，在同一根目录下，建立重力观测数据文件、格值表文件、点位信息表文件、引导文件分期命名数据文件；② 相对重力测量数据预处理。改正流动重力数据受仪器结构影响和野外观测所处测区环境条件影响的误差，对重力资料进行固体潮改正、气压改正、仪器高等相关改正预处理；③ 数据平差。利用LGADJ重力数据处理软件，寻找合适的稳定点位进行平差，计算平差结果；④ 重力异常识别。绘制各测点重力值时序变化曲线，检测各测点时序异常，利用mapsis、surfer软件分时段绘制测区所有测点各期重力差值空间变化等值线分布图，根据重力值数量变化和梯度变化，分析重力场空间动态演化，检测网区重力场空间变化异常。
2.2 数据整理结果分阶段对河北地区1992-2014年流动重力资料进行清理，统计结果见表 1。由表 1可见：① 文霸网测点43个，高碑店、齐家务测点数据不全，只针对其余41个测点进行重力数据整理，1年测量2期，共整理34期资料；② 火车网现有测点15个，北部测点（石家庄01、安阳02、郑州03、三门峡、西安、临汾、德州测点）1年测量1期，共整理17期资料；南部测点（太原、大同、天镇9、张家口、北京、保定、沧州、天津测点）1年测量2期，共整理34期资料；③ 邯安网现有测点20个，邯郸测点作为每期资料起算点，1年测量2期，共整理34期资料；④ 邢台网现有测点21个，隆尧点作为每期资料起算点，1年测量1期，共整理17期资料；⑤ 大华北河北测网共109个测点，每年测量2期，共整理10期资料。
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表 1 重力资料整理统计 Tab.1 Gravity data processing |
重力资料整理完成后，将每期数据进行平差计算，通过不同起算点平差，共计算233年的数据资料，绘制正常及异常变化测点的时间序列变化图，修正测点异常及干扰数据，为差分变化及累积变化图像做铺垫。利用平差结果进行网格化处理，绘制相邻2期重力等值线图，建立1992年以来各测网重力场空间分布变化图（共145幅），并针对每期图件进行对比分析，结合网区及周边地区5级以上震例发生前网区重力场动态演化过程和特征，提取重力场异常变化信息。
3 流动重力数据异常分析结合测区重力值空间变化等值线分布和测点测值时序变化曲线，对1992-2014年重力网区及周边地区100 km范围内ML 4.0以上震例及网区周边200 km范围内ML 5.0以上震例，共计116个地震进行分析，以得到地震前流动重力场变化形态。在此选取重力异常明显的5个M 5.0以上的地震进行分析，分别为：1998年4月14日河北滦县5.0级地震（39.68°N，118.47°E）及7月11日山西永济5.0级地震（34.95°N，110.63°E）、2002年4月22日内丘5.4级地震（37.27°N，114.42°E）及9月3日山西太原5.0级地震（39.85°N，112.58°E）、2006年7月4日文安MS 5.5地震（38.90°N，116.28°E）。
3.1 1998年河北滦县5.0级、山西永济5.0级地震1998年河北滦县5.0级、山西永济5.0级地震发生在文霸网测区内，绘制文霸流动重力网1992-1999年重力时序曲线（每年3月、9月开展重力测量），见图 2。由图 2可见：1998年4月14日河北滦县5.0级地震和7月11日山西永济5.0级地震前，文霸网有8个测点自1997年第1期，重力时序曲线整体呈上升趋势，发震时测点曲线仍呈单调上升变化（天津、天津农校测点因某些原因未测）。
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图 2 文霸流动重力网1992-1999年重力时序曲线 Fig.2 Gravity Sequence lurve from Wenba mobile gravity network during 1992-1999 |
2002年内丘5.4级、太原5.0级地震发生在邢台流动重力网测区，绘制该网区1992-2003年重力时序曲线，见图 3（每年10月开展重力测量）。由图 3可见：① 对于2002年4月22日内丘5.4级地震，邢台测网9个流动重力测点重力时序曲线基本遵循上升-上升-下降-发震的趋势，震兆异常有一定体现；② 对于太原5.0级地震，地震前、后邢台测网9个流动重力测点重力时序曲线呈持续下降的趋势，震兆异常比较明显。
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图 3 邢台流动重力网1992-2003年重力时序曲线 Fig.3 Gravity Sequence lurve from Xingtai mobile gravity network during 1992-2003 |
2006年文安MS 5.5地震发生在文霸网测区，绘制1992-2006年该重力测网时序曲线（每年3月、9月测量，2000年6月加测），见图 4。由图 4可知：对于2006年7月4日文安MS 5.5地震，文霸网17个流动重力测点重力时序曲线自2000年第1期重力资料开始，整体呈单调下降态势，发生地震前的3期重力资料主要呈现大幅下降-平缓下降-大幅上升-下降至发生地震的趋势，其中徐水测点流动重力值变化最大是，数值达64 µgal。
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图 4 文霸网1992-2006年重力时序曲线 Fig.4 Gravity Sequence lurve from Wenba network during 1992-2006 |
为进一步明确2006年文安5.5级地震与重力异常的相关性，绘制2003年4月-2006年5月重力等值线差分图及2003年3月-2006年5月重力值累积图，见图 5和图 6（图中蓝色三角形为流动重力测点，红色实心圆为震中，色标柱表示重力值，单位μgal）。由图 5(a)清晰可见，文霸网重力资料2003年第2期与2003年第1期相比，出现1个重力异常点，恰在震中位置，图 5(b)仍呈现该异常，图 5(c)中2004年的2期重力数据整体呈上升变化，但异常依然存在，图 5(d)中2005年第1期与2004年第2期相比，整体出现转折，呈下降变化，但在震中附近呈正值变化，图 5(e)中2005年的2期重力资料出现反转，全网重力值呈上升变化，发震前在震中附近出现正负值交界异常区[图 5(f)]。
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图 5 文霸网2003年4月-2006年5月重力等值线差分 (a) 2003年4-10月；(b) 2003年10月-2004年4月；(c) 2004年3-10月；(d) 2004年10月-2005年3月；(e) 2005年3-10月；(f) 2005年10月-2006年3月 Fig.5 The gravity contour difference from April, 2003 to May, 2006 |
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图 6 文霸网2003年3月-2006年5月重力值累计 (a)2003年3月-2005年9月；(b)2003年3月-2006年3月 Fig.6 The cumulative figure of the gravity value from March, 2003 to May, 2006 |
将文霸网2003年3月-2005年9月与2003年3月-2006年3月的流动重力资料累计值进行对比分析，由图 6清晰可见：(a) 图中流动重力累计值整体呈现正值变化，(b) 图中则出现正负异常交界异常区，震中即发生在该异常区零值线处。
4 映震分析以火车网重力数据为例，统计2008年以前46次地震的映震情况，结果见表 2。由表 2可知，① 重力场随时间变化的总体特征不强，重力场变化的空间分布不具规律性，这是由于网区面积巨大、测点过于稀疏、测期过长引起的；② 重力场变化的剧烈程度与网区及周边附近地区的中强地震活动水平相关；③ 多数震例在临震或持续出现在一些具有明显特殊性的位置：重力变化“0”附近，重力变化最大值或极值区附近，重力变化高梯度带上。
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表 2 火车网2008年以前重力数据映震统计 Tab.2 Data of gravity before 2008 |
利用1992-2014年146期流动重力数据，结合河北重力测网与周边地区116个震例的半年尺度重力差分等值线及表 1，可以得出以下结论：① 重力场震前变度与震级大小有一定相关性；② 大地震前整网测点的重力时序曲线呈现的规律基本一致；③ 若重力时序图连续几期出现连续下降，转而小幅上升，或下降转而大幅上升，或规律性表现为较强上升-下降-上升-下降变化，可能预示着大地震的发生；④ 重力差分图若连续几期在同一个区域出现正负异常交界，则交界的零等值线附近需要重点关注，可能是未来地震的发生位置；⑤ 重力差分图几期资料如果连续在同一个区域出现正异常或负异常叠加，也值得重点关注；⑥ 由于重力测点与重力测网网型的局限性，需要对大量重力数据进一步分析，以提高重力场数据与震兆异常的可信性。
通过对河北地区1992-2014年流动重力资料进行初步整理，结合震例对重力场动态变化进行分析，找到一些流动重力异常区判定方法，也反映了河北流动重力资料不足的缺点，应该增设绝对重力点位，以便联测时加强资料的可靠性和精度；需要加强重力点位的保护工作，以利于资料的延续和应用；需要大量收集垂直和水平形变、点位环境变化及地下水等资料，以综合分析重力场变化。
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