不同类型地震震级与重力变化异常的统计特征及其机理分析

依据收集到的107个4.0级以上地震震例,研究中国陆区中强地震震前重力变化异常统计特征,探讨地震震级与震前重力变化异常各要素及地震性质之间的统计关系,给出了5、6、7、8级地震震级判定的重力变化异常时变距S、量级G和时间T参考指标,并对比、分析了逆冲型、走滑型和正断型地震的重力变化特点,进而结合流体物质运移假说及岩石物理实验结果,探讨了震前重力变化异常的物理机制,以及其与亚失稳阶段、地震孕育能量的联系.得到的主要结论有:(1)震前重力变化异常参量与震级之间更符合非线性关系,5、6、7、8级地震的震前重力变化异常时变距参考指标分别为67、111、185、305 km,重力变化异常量级参考指标分别为49、67、92、125μGal,重力变化异常时间参考指标分别为1.6、2.5、3.7、5.2 a.(2)地震类型对震前重力变化参量有一定影响,尤其是7级以上强震的差异更加明显,逆冲型地震的重力变化量级及时变距可能更大;重力变化异常时间方面,正断型地震可能对应更长的重力变化时间,逆冲型次之,走滑型最短.(3)震前重力变化异常的物理机制可能是,在孕震晚期、亚失稳阶段,震中周边区域岩石裂隙增多、扩展、贯通,引起流变性的深部幔源物质向地壳运移,同时地壳内先存的流体物质由于应力分布不均而大规模迁移,最终在地表引起重力场变化响应.(4)目前流动重力观测受到时空密度的制约,地震预报主要针对5级以上地震,且震级越大预报效能越好.

2023年山东平原M_(S)5.5地震前重力变化

2023年8月6日山东平原发生M_(S)5.5地震,此次地震是山东地区40a以来发生的最大地震。震前山东省地震局在震中附近开展了每年2期的流动重力观测,观测到了震前4a的重力场时空变化。文中利用流动重力观测资料,系统分析了2019年9月以来的区域重力场变化特征,并结合形变场、震源机制解、动力环境等探讨了震前重力变化与发震机理。结果表明:1)2022-05—2023-04震中南部重力正值变化>50μGal,区域直径>160km,震中两侧正负差异变化>70μGal;震中重力变化平稳,处于“闭锁”状态。2)区域重力场变化与水平形变场、震源机制解、同震位移场的空间分布具有对应性——震源机制解的压缩区和同震位移场的流入区、沉降区对应了震前的面压缩区与重力下降区;震源机制解的膨胀区和同震位移场的流出区、隆升区,对应了震前的面膨胀区与重力上升区。3)此次地震前重力变化异常的主要原因是深部流体物质迁移,次要原因是上地壳形变产生的重力效应。

2020年伽师M_(S)6.4地震前后重力变化

基于2016年以来南疆相对重力和绝对重力观测资料,系统分析南疆区域重力场动态变化及其与2020-01-19伽师M_(S)6.4地震的关系。结果表明:1)区域重力场变化与区域构造关系密切,沿柯坪断裂形成多个局部重力异常区及重力变化高梯度带,反映出2016~2020年该断裂活动引起显著的地表重力场变化;2)与伽师地震孕育有关的重力场经历了“重力正异常区-四象限特征及沿柯坪断裂的重力高梯度带-反向变化发震”的演化过程;3)重力场累积变化和差分变化图像均反映出伽师地震前出现显著的重力异常变化,地震发生在重力变化梯度带、四象限中心和零等值线拐弯附近;4)重力场动态演化较好地反映出伽师M_(S)6.4地震孕育发生过程中出现的中期前兆现象,基于流动重力异常变化在伽师M_(S)6.4地震前进行一定程度的中期预测,尤其是强震地点判定。

基于YOLOv5s的重力变化异常特征识别研究

针对人工判读重力变化异常特征区存在效率低下的问题,提出利用YOLOv5s算法进行重力变化四象限特征区自动化识别的方法,并基于南北地震带实测重力变化资料进行测试验证。结果表明:1)本文构建的图像识别模型可有效识别较为标准的四象限分布特征区,模型预测结果的精度、召回率、平均精度等指标均处于合理范围;2)模型较为准确地识别出南北地震带2021-09~2022-05时段重力变化图像中的四象限特征区,且特征区内先后发生2022-06芦山6.1级地震和2022-09泸定6.8级地震,表明该方法对于重力异常区域的筛选以及潜在的地震风险研判具有较好的应用潜力;3)模型对于存在明显畸变的非标准四象限特征区的识别能力仍存在一定不足,需要构建数量更多和标注更为合理的数据集,进一步提升模型对四象限特征区识别的普适性。

基于长方体模型的大型水库重力变化效应分析——以三峡水库蓄水过程为例

大型水库由蓄水造成的水体质量的增加将对地球内部构造等产生影响,而地球内部构造的改变将会引起重力变化。三峡库区蓄水后形成的河道水库所引起的巨大水体负荷必然会对这种重力变化响应更明显。为了研究这种重力变化的程度,推导了长方体的重力变化公式,将其用于模拟计算三峡水库在不同蓄水高度下水体荷载变化对地面站的重力影响,同时考虑土壤水变化的影响,并将远处的重力变化内插到水库周边作为其他因素的影响。结果表明:长方体重力变化公式在蓄水过程中造成的重力变化的模拟中有较好的计算结果,在众多影响因素中,蓄水的影响占主要部分,加入土壤水变化的影响和远处重力变化内插至水库周边作为其他因素影响后,计算精度有了一定的提高,对较近站点处在3个时间段的平均绝对误差分别从7、 10.4和6.5μGal提高到4.3、 8.1和6.1μGal。

2022年芦山6.1级地震和马尔康6.0级地震前的重力变化特征

地震孕育过程中的地表重力值会发生相应的变化,利用四川地区2018年3月-2022年4月的流动重力观测数据得到重力场等值线变化图,研究2022年芦山6.1级地震和马尔康6.0级地震前的重力变化特征.结果表明:①芦山6.1级地震和马尔康6.0级地震震前约一年半进入重力变化显著时期;②芦山6.1级地震对马尔康6.0级地震的发生有促进作用;③芦山6.1级地震和马尔康6.0级地震前震区重力变化等值线出现类似于四象限区域的分布特征,显示该处应力高度集中;④芦山6.1级地震和马尔康6.0级地震震中区处于零值线附近且零值线在此处转折弧度较大,是构造带易发震的薄弱位置.

长宁地震前后重力变化和地壳垂直形变特征及其关系

为研究2019年四川长宁地震前后地壳内部物质的运移过程,文中利用流动重力和GNSS资料对地震前后的重力变化特征、地壳垂直形变及其关系进行了深入分析。地震震中处于重力变化正、负异常的梯度带上,并在地震前后呈现明显反向。小波多尺度分解表明,浅部的离散性局部变化特征明显,深部的趋势变化特征显著。震中周边4个站点的重力变化与地壳垂直形变的关系与近似规律不一致。长宁震区长期的动力是青藏高原的物质在深部向四川盆地南边界运移的结果。在震中及周边区域的地表浅层可能存在一些空洞或气囊等空间,在地震前后出现气体、液体或高密度物质流失和填充的现象。结合前人对长宁地震发震机制的研究成果分析认为,该区域的采盐、采气及废水回注等因素可能是触发四川长宁地震的原因之一。

木兰山重力基线场的初值测定及重力变化分析

文中基于绝对重力控制下的木兰山基线场2018年和2022年的重力观测资料,研究了一次项系数在不同读数段的分布规律、木兰山基线场的重力场分布和近期重力变化特征。结果表明:相对重力仪不同读数段的一次项系数存在差异,武汉—宜昌测段(子测段)的一次项系数与武汉—绿葱坡测段(总测段)的差异可达4.809‰, CG-6型与CG-5型重力仪的结果较为一致,2类重力仪间无系统偏差;总测段的一次项系数是各子测段一次项系数的加权平均结果,其相应的权因子为子测段与总测段的重力段差比值;木兰山基线场的最大重力段差(G01—G03)为102.176mGal,各测点的重力值平均精度为4.8μGal;2018—2022年木兰山基线场测点的重力变化区间为5.9~12.8μGal,重力场整体呈正变化,测段重力变化区间为-4.8~6.9μGal。测点周边环境变化、地表垂直运动、地表水储量变化对地表实测重力变化均产生了一定影响。综合上述各项改正后的测点和测段重力变化均值较实测值相应减小了38.2%和50.8%,改正后的重力变化结果更为精准,但其不确定度相应增加了2.5%和2.8%。综合分析测点和测段的重力场动态变化可有效提取异常信息,为地震重力监测提供更精确的数据支持。

典型地震断层错动导致的重力变化及2022门源6.9级地震重力变化分析

重力资料在确定震源破裂模型以及寻找地震前兆信息都发挥着不可或缺的作用。为分析地震错动在地表导致的重力变化,根据Okubo位错理论公式,首先计算分析典型断层滑动(走滑、倾滑)在地表的重力变化特征:(1)垂直走滑断层引起的重力变化总体呈现出四象限对称分布,且在震中的同一方位上重力变化大小随着远离断层而逐渐缩小;相同破裂尺度和滑动量的垂直走滑断层,深度越深,震中附近的重力变化幅度越小,而自震中向远处的重力变化幅度的衰减越慢。(2)倾滑断层上盘重力变化的数值总体上比下盘重力变化的数值小;对于相同破裂尺度和滑动量的倾滑断层,破裂中心深度越深,远处的重力变化最大值越小。为分析2022年门源地震产生的重力变化,根据该地震的同震破裂模型,按照子破裂产生的重力变化叠加的方式计算震中周围的重力变化,得到:门源地震震中东北和西南方向重力降低,最大变化达-8.82μgal;而震中西北和东南方向的重力增加,最大变化达28.28μgal,重力增加的区域范围要比重力减小的区域范围小。震中附近的门源台重力增加3.40μgal,能够被重力仪器监测到,而震中周围的其他的前兆台的重力变化不足1μgal。在监测和分析该地区长期重力变化从而揭示构造活动时,应扣除该地震造成的重力变化。

丽江台超导重力仪检测的漾濞M_(S)6.4与玛多M_(S)7.4地震同震重力变化

基于丽江台OSG超导重力仪在2021年漾濞M_(S)6.4和玛多M_(S)7.4地震前后的连续观测数据,使用调和分析提取重力残差时间序列与同震重力变化信号,利用球形地球地震位错理论计算2次地震在丽江台引起的同震重力变化。结果表明,漾濞和玛多地震同震重力变化观测值与理论值存在差异,观测值分别约为-4.37 nm/s^(2)和28.57 nm/s^(2),对应的理论值分别为-0.19 nm/s^(2)和0.24 nm/s^(2)。探讨地下水对重力变化的影响,发现其重力效应与地震的理论同震重力变化处于同一量级。对比丽江地区同时段GPS观测的30 s采样数据与超导重力观测数据,发现2次地震前后的同震位移突变幅度远小于重力变化幅度,表明超导重力仪受到地震脉冲信号的影响,导致其重力变化观测值在2个地震发生期间显著增强。

芦山地震科学考察观测到的重力变化

利用芦山地震科学考察流动重力观测成果及科考区域内其他流动重力观测资料,系统分析芦山地震前后重力场变化特征。结果表明:1)地震前,重力场变化显著异常特征主要表现为龙门山断裂带两侧正、负高值异常以及与龙门山、鲜水河、大凉山断裂平行或垂直的较大规模重力变化梯度带,与汶川地震前重力变化特征一致;2)地震后,重力场变化沿龙门山发生反向调整;3)中下地壳物质的生热、膨胀可能是松潘-甘孜块体震前重力变化的场源,并可能成为芦山地震及汶川地震的重要触发因素。

2021年云南漾濞M_(S)6.4地震前重力变化

文中对云南省区域范围内的2015—2021年的相对重力数据进行了平差计算,结合区域地质构造环境和区域范围内已发生的地震震例,系统分析了区域重力场变化和地壳水平运动的时空分布特征,获得了区域重力场变化与漾濞M_(S)6.4地震之间的关系。结果表明:1)2018—2021年震中位置的重力变化较弱,以震中为中心,附近区域在短期及1a期、2a期和4a期基本呈四象限特征且重力变化较为剧烈;2)震前短期及多年期重力变化显示,重力场高梯度带集中在漾濞—下关区域,且零值线交替出现在该区域;3)震前多年期重力变化显示,发震断裂带南涧-巍山断层的西侧重力呈负变化、东侧重力呈正变化,该地震为包含走滑分量的正断型地震,与全球台网数据的计算结果一致;4)对临震1a期重力变化异常指标进行了分析,发现重力转折变化异常的量级为75×10^(-8)m·s^(-2),重力变化异常时变距约为130km。漾濞地震的实际震级M_(S)6.4稍大于重力异常指标公式的计算结果M_(S)6.2,且震后漾濞地区相继发生了42次MS>3.0地震,可判断出漾濞地区地下活动能量已完全释放,M_(S)6.4地震为此处地震序列的主震,主震后短期内无更大地震发生。

重复绝对重力测量观测的滇西地区和拉萨点的重力变化及其意义

根据近年来在滇西地区和西藏拉萨绝对重力点上的一些新的绝对重力重复观测结果 ,对 1990年以来在这些点上绝对重力重复观测结果进行了分析 .滇西地区的 5个绝对重力观测点的近 10年的重复观测结果表明 ,大部分观测时段没有出现与地球动力学事件有关的重力变化 ,只有丽江和洱源 2个绝对重力观测点的观测结果显示丽江地震前后有变化 .为了研究该重力变化的原因 ,本文正演模拟了出现重力变化期间丽江地震同震位错引起的重力变化 ,模拟结果与实际观测结果有较好的一致性 .西藏拉萨近 10年以来的重复观测结果给出了拉萨点的绝对重力值以 - 1.82± 0 .9× 10 - 8m·s- 2 ·a- 1 速率下降 ,这从重力学的角度反映出青藏高原的隆升 .对拉萨点的重力变化机制进行了探讨 ,根据印度板块与欧亚大陆俯冲模型计算的拉萨点重力变化速率与观测到的重力变化速率较一致 ,表明现今拉萨地区重力变化是由于印度板块与欧亚大陆俯冲所引起 .根据印度板块向欧亚大陆俯冲的位错模型计算的拉萨点的重力变化与地表垂直位移的关系 ,将重力变化转换为拉萨点的隆升速率为 8.7mm a .

2013年四川芦山Ms7.0地震前的重力变化

利用川西地区2010—2012年期间的流动重力观测资料,系统分析了区域重力场变化及其与2013年4月20日四川芦山7.0级地震发生的关系.结果主要表明:①区域重力场异常变化与北东向龙门山断裂带南段和北北西向马尔康断裂带在空间上关系密切,反映沿该两断裂带(段)在2010—2012年期间发生了引起地表重力变化效应的构造活动或变形.②芦山7.0级地震前,测区内出现了较大空间范围的区域性重力异常,而震源区附近产生了局部重力异常,沿龙门山断裂带南段形成了重力变化高梯度带,其中,宝兴、天全、康定、泸定、石棉一带重力差异变化达100×10-8 m.s-2以上;这些可能反映芦山地震前,区域及震源区附近均产生与该地震孕育、发生有关的构造运动或应力增强作用.③重力场差分动态演化图像和重力场累积变化动态图像均反映芦山7.0级地震孕育过程的最后2～3年出现较显著的流动重力异常变化,可视为该地震的中期前兆信息;本文第一作者等也曾基于该流动重力异常变化在芦山7.0级地震前做过一定程度的中期预测,尤其是地点预测.本文的例子再次证明流动重力观测能较好地捕捉到强震孕育发生过程中,特别是该过程最后阶段的重力异常变化信息.因此,区域流动重力场观测对未来强震的中-长期预测,尤其是在发震地点的判定上具有优势.

GRACE卫星观测到的与汶川M_s 8.0地震有关的重力变化

利用GRACE卫星重力资料,计算了中国大陆及周边的卫星重力时变场和地表密度变化分布,获取了具有代表性的点位区域的每月重力变化时间序列.同时获得了WUSH、LHAS、KUNM、LUZH站相对于区域参考框架的GPS位移时间序列.卫星重力观测结果显示喜马拉雅弧形带的重力在2004年苏门答腊M_w 9.3地震后快速下降,2006～2008年尤为明显,西域地块西北边界带上震后重力下降也较为显著;而沿青藏高原北至东边界2007年出现明显的重力上升沿构造边界的弧形分布,且2008年南北地震带中南段重力上升变化显著.这些苏门答腊地震后的重力变化趋势到汶川地震发生后才开始改变.GPS位移结果显示四个台站均记录到苏门答腊大地震的同震信号,震后WUSH、LHAS、KUNM站水平位移向量出现明显的运动趋势改变,且一直持续到2008年汶川M_s 8.0地震的发生.GRACE卫星揭示的青藏高原及周边地表质量的变化为解释汶川地震的动力机制提供了新的观测途径和资料.本文结合区域构造运动的特点和GPS位移,对GRACE观测的时变重力场特征及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论.

日本M_W9.0地震前GRACE卫星重力变化

利用GRACE重力卫星月重力场数据,通过去相关与高斯滤波等方法获取日本大地震震前震源区周缘年度、季度和年度差分重力变化,以及若干点位时间序列重力变化。分析结果表明:日本大地震前5年内在震源区周边出现了比较明显的卫星重力异常正负交替和迁移现象,至震前1～2年,震区周边形成了明显正负异常区,正重力异常区重力增加现象明显。点位重力时间序列分布指出日本MW9.0级地震前存在与1976年唐山地震类似的重力变化现象。反映出日本大地震震前震源区周边地下物质运动、质量迁移和能量积累等问题。

基于CORS站网监测三峡地区陆地水负荷对地壳形变和重力变化的影响

三峡地区水资源丰富,加上三峡水库蓄放水的影响,水动力环境复杂,对该区域陆地水负荷变化影响的研究还比较薄弱.本文基于CORS站网,辅以少量重力台站数据,采用负荷形变和重力场球谐分析方法,研究了三峡地区陆地水负荷对地壳形变和重力变化的影响.本文研究发现:①基于CORS站网能够监测陆地水负荷引起的地壳形变和地面重力时空变化.②陆地水负荷对垂直形变的影响达厘米级,对水平形变的影响较小,对地面重力的影响可达数百微伽.③2011年1月至2015年6月陆地水负荷对垂直形变影响的年变化趋于平衡,对地面重力变化影响主要集中在三峡水库和重庆市附近.④基于CORS站网确定的三峡地区陆地水地壳垂直形变,与GRACE卫星重力成果在分布规律和趋势上具有较高的一致性,但在部分区域存在差异.本文研究成果可用于水动力环境监测与水资源保护利用,为高程基准和重力基准的动态维护提供支持.

GRACE和地面重力测量监测到的中国大陆长期重力变化

自2002年以来,GRACE卫星探测计划可提供高精度的时变地球重力场,用以探测地球系统的物质分布.自1998年中国大陆重力监测网建立以来,利用FG5绝对重力仪和LCR-G型相对重力仪每2年对该网进行重复测量获取重力场时变信息.基于此,本文利用GRACE和地面重力测量获得了中国大陆重力场的长期年变率,利用位错理论根据USGS发布的断层模型计算了2008年汶川Ms8.0级地震的同震重力变化并进行了300km高斯滤波.GRACE卫星重力和地面重力结果均表明华北地区地下水流失严重,在绝对重力基准站上,GRACE卫星重力与绝对重力变化率较为一致,汶川区域的地面重力变化结果可视为大地震前兆信息.

汶川大地震震后重力变化和形变的黏弹分层模拟

基于有限矩形位错理论及陈运泰等、JiChen等通过地震波反演的断层模型,结合研究区地壳—上地幔平均波速分层结构,利用PSGRN/PSCMP软件模拟计算了黏弹分层半空间中汶川地震(MS8.0)产生的同震及其震后地表形变和重力变化,同时给出了震后形变和重力变化的年变化率.模拟结果表明,同震形变和重力变化显示出发震断层倾滑逆冲兼具右旋走滑综合特征;其变化主要发生于断层在地表的投影区附近,震后地表重力变化和形变量均不断增大,影响的范围也不断扩张;震后50a间近场年均形变量可达10mm,年均重力变化量可达2×10-8m/s2,而远场年均形变量一般低于2mm,年均重力变化量一般低于0.4×10-8m/s2;形变和重力变化在震后200a内变化较为显著,变化率逐渐减小,水平位移在400a后基本稳定不变,垂直位移、重力变化和大地水准面变化在800a后基本稳定不变.

2014年云南鲁甸6.5级地震前重力变化特征与3维反演

利用西昌测网2012—2014年6期流动重力观测资料,分析了区域重力场差分动态变化和累积动态变化特征,以及近震源区测点的时序变化曲线,认为鲁甸6.5级地震前2年并没有出现明显的趋势性累积异常,而可能的前兆信号与断层滑动面两侧的测点2014-03—2014-06时段的重力点值差异性变化相关。针对此异常采用等效源模型反演至震源深度范围内的密度值变化在10-5g/cm3量级,推测该质量源在短期内的变化可能与地壳内部介质孔隙流体的充填或运移相关,在短期构造运动等动力条件下,孕震区可能由于流体物质运移、充填并诱发断层滑动,导致地震的发生。