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晉冀蒙交界區重力場動態變化及潛在危險區分析

發布時間:2019-09-16 10:03所屬分類:綜合論文瀏覽:1加入收藏

摘要:對20132017年晉冀蒙交界區的流動重力觀測資料重新進行整體平差計算,對比分析了該區域不同尺度的重力場變化特征,再結合重力場變化和深部構造

  摘要:對2013—2017年晉冀蒙交界區的流動重力觀測資料重新進行整體平差計算,對比分析了該區域不同尺度的重力場變化特征,再結合重力場變化和深部構造特征探討了潛在危險區。結果表明:測區出現了區域性重力異常,形成了與構造斷裂較為一致的重力梯度帶,這可能預示著存在構造運動或應力增強作用,同時應注意大同—張家口和石家莊—邢臺一帶的地震危險性。

  關鍵詞:晉冀蒙;重力場;地殼速度模型;地震危險區

地震工程師論文

  0 引言

  重力場是地球基本物理場之一,對重力場及其變化的研究為揭示地球內部構造及其變化提供了基礎。重力場的時空動態演化特征可為研究現今地殼構造與地震孕育發生的相互關系提供一定的根據。國內專家利用地震前后重力場變化資料在尋求發震機理、探討地震趨勢分析等方面做了大量工作,取得了諸多的研究成果(祝意青等,2012,2013;梁偉鋒等,2012;劉善華等,2011;陳石等,2011;郝洪濤等,2014;王同慶等,2018;陳兆輝等,2018;張永奇等,2017)。

  晉冀蒙交界地區是華北乃至中國大陸東部地震活動最為活躍的地區之一,歷史上曾發生過多次中強地震。山西中部到晉冀蒙交界區的重力場變化一直受到關注,有很多的研究成果值得借鑒(王同慶等,2017;賈宇鵬等,2015;李真等,2013;馮建林等,2013)。深入研究該地區重力場隨時間的變化對地震預測預報工作有重要意義。

  本文收集2013—2017年晉冀蒙交界區的流動重力資料,以絕對重力點作為控制基準,采用中國地震局《LGADJ》程序對觀測資料進行經典平差處理,獲得了該地區差分及累積重力場變化圖像。同時結合華北地殼深部模型和地震展布情況對重點區域的重力場變化特征進行討論。

  1 觀測資料與數據處理

  11 資料選取

  本文主要研究區域(36°~42°N,111°~117°E)和重力聯測路線如圖1所示。所選數據包含了中國地震局地球物理勘探中心、中國地震局地球物理研究所、河北省地震局、山東省地震局等單位的10期相對重力聯測資料,以及中國地震局地震研究所提供的絕對重力觀測資料。觀測儀器為LCR-G型重力儀和CG-5重力儀,測量之前均對儀器進行細致調試,儀器狀態良好,觀測資料可靠。

  12 數據處理

  采用經典平差方法,在絕對重力(太原、長治、包頭、白家疃、烏加河等)控制下,對2013—2017年的流動重力觀測資料進行整網統一平差計算。對各單位公共點段的異常情況進行重點核實,去除非數據原因引起的重力場畸變;對一些突跳的重力點值具體分析并進行修正。在相對重力資料處理過程中作了固體潮、一次項系數等改正,獲得了不同時間段的重力場動態變化結果。相對重力聯測均每年觀測2期,精度優于15×10-8 ms-2。

  2 區域重力場動態變化特征

  21 半年尺度重力場動態變化

  從2015—2017年半年尺度的重力場變化特征(圖2)可以看出,重力場主要是小幅調整變化,幅值受季節影響下重力場的正常狀態,約為(-30~30)×10-8 ms-2。2015-09—2016-04,重力場總體呈現小幅正值變化;2016-04—2016-09,重力場出現南北小幅正值、中間負值變化的情形;2016-09—2017-04,南部的重力場正值變化向北擴大且幅值小幅增加,中部重力場負值范圍縮小,但是幅值小幅增加,北部范圍縮小;2017-04—2017-09,重力場中西部出現正值變化,最大約為20×10-8 ms-2,周邊地區出現大面積負值變化,但幅值不大。

  22 一年尺度重力場動態變化

  2013—2017年一年尺度的重力場變化特征(圖3)顯示:重力場主要是調整變化,幅值約為(-40~40)×10-8 ms-2,重力零值線在大同附近,并形成持續重力梯度帶,幅值約為50×10-8 ms-2。圖3中所示的6個地震中有5個發生在重力場反轉的時段,僅2016年12月18日清徐M43地震發生在重力場持續變化過程中。2013-09—2014-09,重力場主要是負值變化,最大幅值約為40×10-8 ms-2。2014-09—2015-09,重力零值線基本沿呼和浩特—大同—保定方向延伸,重力場呈現南正北負的特征。2015-09—2016-09,重力場發生反轉,在此過程中發生了3次4級以上地震,重力零值線依舊在大同附近。2016-09—2017-09,重力場呈現西南正東北負的情形,此期間發生了2次4級以上地震。重力零值線基本沿呼和浩特—大同—石家莊方向延伸。

  23 重力場累積動態變化

  2013—2017年重力場累積的變化特征見圖4。總體來看,重力場東部變化比較劇烈,西部變化相對平緩,張家口一帶重力零值線出現拐彎,重力持續累積形成梯度帶,幅值約為40×10-8 ms-2;石家莊一帶重力變化最為顯著,持續累積形成NNE向梯度帶,幅值約為70×10-8 ms-2。2013-09—2014-09,重力場基本呈現大面積負值變化,最大變化幅值約為40×10-8 ms-2;2013-09—2015-09,重力場較上期在南部呈現大面積的正值變化,石家莊—邢臺一帶持續呈現負異常,并出現重力梯度帶;2013-09—2016-09,重力場變化整體延續

  了上一期的變化趨勢,正值范圍有所擴大。大同—張家口和石家莊—邢臺一帶依然處于重力零值線和梯度帶附近,并且重力場持續加強。2013-09—2017-09,重力場整體延續了上一期的正值變化,幅值不大。

  24 重力測點時序變化

  從圖5可以看出,所選重力測點主要分布在太行山山前斷裂帶和山西斷陷帶。不同測點的變化趨勢基本一致,總體呈上升變化。2015年第一期到第二期,所有測點重力值均是上升狀態;2015年第二期到2016年第一期,除后房子和五寨以外,其余測點重力值保持上升;2016年第一期到2017年第一期,重力值變化較為平緩,部分測點出現轉折調整;2017年第一期到2017年第二期,除原平以外,其余測點重力值均保持上升。太行山附近的東山鄉測點重力變化最大,幅值近70×10-8 ms-2,山西斷陷帶北部的鳳凰山測點重力變化最小,幅值約為25×10-8 ms-2。

  25 垂直形變和地下水對重力場變化的影響

  觀測重力值會受到地形變、地下水等變化的共同作用,因此在重力場分析中考慮環境因素的變化尤為重要。

  (1)分析GPS觀測結果解算的垂直向位移信息對重力場變化的影響。一般考慮地表垂直形變產生的重力效應時,把垂直形變δH產生的重力變化用δg表示,δg可用自由空氣校正公式計算:

  從式(1)可看出,高程每抬升或下降1 cm,將引起約3086×10-8 ms-2的重力下降或者上升變化,其遠小于重力場的觀測誤差,因此垂直形變的影響可以忽略不計。

  (2)一些學者對地下水對重力測量造成的影響做了細致分析。如地下水位變化3 m,無限平面層引力效應的垂直分量遠區域很小;潛水水位對唐山地震前2期的重力測量結果影響較小,最大不超過9×10-8 ms-2,因此,引起唐山震前重力場變化的主要原因不是地下水(賈民育等,1983)。引起水文運動的因素很多,只從單個因素著手不能準確估計對重力場變化的影響效果。從地下水的滲透方程出發解決了這樣的問題,武漢九峰站地下水變化引起的重力效應,峰對峰重力變化幅度約為16×10-8 ms-2(賀前錢等,2016)。

  研究區東南部位于華北平原,近些年地下水流失對重力場的變化造成一定的影響,重力值下降約10×10-8 ms-2,在分析重力場變化時應將下降的幅值考慮進去;研究區西部與北部地下水流失相對不大,造成的重力值下降很小,分析重力場變化特征時,地下水的影響可以忽略不計。

  3 討論

  重力場主要分析一定空間范圍、數年尺度的變化情況,而速度結構和地震展布反映了大范圍、長時間尺度的發震背景。重力場的變化對地震的發生位置具有較好的指示作用,應重點關注重力零值線和重力梯度帶附近;中上地殼P波速度的高、低速交界偏高速區域一般較容易發生地震,高速區域一般代表穩定剛性的地塊,低速一般代表被破壞的或者被改造的區域;地震震中的投影一般沿著斷裂帶分布,差異大的高、低速之間的區域和斷裂在地表以下的延伸有一定關系。重力場變化圖、P波速度圖和震中投影圖中具有相關性的區域對地震發生的位置有一定的指示性,應重點進行跟蹤。

  分析華北地區三維地殼結構并收集模型數據(段永紅等,2002,2016;魏文博等,2007;陳凌等,2010),使用HBCrust10模型將1970—2017年研究區發生的30級以上地震,按照3個不同深度分別投影到對應的P波速度圖(圖6)上。由圖6可見,地震主要沿著山西斷陷帶和太行山東山前斷裂展布,在大同、張家口、太原和邢臺附近集中分布。而大同—張家口和石家莊—邢臺一帶處于在三者差異均較明顯的區域,應重點關注這2個區域的地震危險性。

  4 結論

  通過對晉冀蒙交界區流動重力資料的整理計算,對比分析不同尺度的重力場變化特征,探討了重力場變化和深部構造在地震孕育發生過程中的聯系,得到以下主要結論:

  (1)重力場的變化能夠較好地反映構造斷裂的活動和深部物質遷移等信息。重力場累積尺度變化中,大同附近持續3年出現重力零等值線;張家口重力場變化表現為持續負變化,重力零值線出現拐彎;石家莊—邢臺一帶形成比較顯著的NNE向梯度帶。

  (2)地震容易發生在地殼速度差異較大的區域,地震震中投影顯示了沿斷裂帶地震分布的情況,重力場的變化對地震發生位置具有指示性,結合這3點可以對孕震位置做出更好的判斷。

  (3)大同—張家口和石家莊—邢臺一帶處于重力場變化圖、P波速度圖和震中投影圖差異均較明顯的區域,因此在未來1~5年內,應重點關注這2個區域的地震危險性。

  參考文獻:

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