Thursday, August 1, 2013

。水平总梯度(Total Horizontal Derivative,THDR)的定义为

水平总梯度Total Horizontal DerivativeTHDR的定义为

前重力场变化质源体边界和
 
危险区划定方法研究

 徐伟民祝意青

蒋长胜卢红艳郭凤义

1.中国地震局地球物理研究所北京 1000812.中国地震局

第二监测中心陕西西安 710054

摘要在我国大陆开展的流动重力重复观测是监测地震前兆异常的主要技术手段之一对大地

震前流动重力场观测资料研究结果表明区域性持续的重力场增加和减少与大地震发生有显

著关系目前区域重力场变化监测已经成为一种常规前兆观测技术手段本文首先从三维倾

斜台阶模型入手计算了理论重力异常并对异常进行变换找到了一种可以更好刻画其场源

边界的方法并进一步应用空间相关系数法进行异常特征分析得到了从概率意义上估计危险

区的方法最后本文尝试运用此方法对青藏高原东缘地区19982005年的四期流动重力测

网资料进行处理和分析应用本文提出的异常处理技术可有效地圈定异常梯级带位置确定

质源体边界形态并可以联合背景重力异常场等其他资料给出危险区发震概率的空间估计

分析结果在年度震情会商中可以有效地对地震危险区的划定提供技术支持

关键词重力变化质源体空间相关系数地震危险区青藏高原东缘

中图分类号P315.7   文献标识码   文章编号1000-3274201104-0098-10



引言
 
  地震前的重力场变化与地球内部应力状态的调整存在密切联系陈运泰等研究了

1975年海城地震和1976年唐山地震前后的重力场变化发现这种重力场变化如仅用高

程变化解释远远不足以拟合重力场变化的量级由此提出了深部物质迁移的可能性并用

于解释这种观测到的大幅度重力变化最早提出了物质运移的概念用于解释地震前观测

到的重力场变化的物理机制这种由于地球深部应力作用的改变可能引起物质的不规则

运移和重新分布也必然会引起地表重力场的变化马杏垣认为由于地壳内物质分布不

均匀在地壳内常常存在重力横向剪切柔化层或壳内柔层常与探测得到的高导低速层相

对应由于重力对地壳内物质的长期作用在地壳内部出现剩余质量和能量积累同时

收稿日期2011-06-14修改回日期2011-07-08

基金项目中国地震局地球物理研究所基本科研业务专项DQJB09A02DQJB11C14资助

作者简介陈石1980-),辽宁台安人固体地球物理学博士主要从事重力位场方法和地球动力学等研究

在地表由于持续重力作用下的壳内物质运动在受到阻挡后可以形成挤压推覆逆冲与

走滑构造

20世纪60年代起国内外科学家对大震前后区域重力场会发生显著变化这种地球

物理现象相继提出了各种引起重力场变化的孕震模式主要有地壳上升模式密度变化

模式膨胀扩容模式质量迁移模式莫霍面变形模式断层位错和蠕动模式等郭宗汾

为解释震前地面重力场变化和描述地下质量变化的范围提出了类似于震中概念的

震质中来解释震前重力场变化的物理机制这种引起重力场变化的深部密度异常体可以

叫做质源体郭宗汾等定义震质源Hypocentroid为地下孕震体形变有效的质量变化中

它在地面上的投影定义为震质中Epicentroid)。通过研究19821998年京张地区流动重力测量数据计算的震质中与震中分布关系表明一般震质源和震

质中与震源和震中不重合震中一般在断层端部或交汇处而震质中存在于完整的块体之

也就是说实际观测到的重力变化最大的地方不一定是未来发震的地方

汶川8.0级地震的发生带来的经验教训是对这种特大地震孕育过程的考察一是要

考虑更大的孕震空间尺度二是考虑深部的动力学模型而在大范围内对重力场异常变化

及其引起深部物质运移等过程的考察是认识特大地震孕震过程的关键然而实践表明

对特定构造类型和断层系统组合的地震仅仅关注异常或相对背景场的变化远不能有效地

按照强震孕震模式去考察和认识特大地震孕震过程此外由于重力场变化与深部物质运

移有关导致与特大地震发生相关的震质中与震中在空间位置上的不一致研究这种震中

和震质中不重合的现象可容易发现震质源的边界地带往往与发震位置有一定对应关系

质源体边界位置的发震概率要远高于震质中位置因此构造相依的质源体边界的准确

识别在特大地震危险性分析中具有重要意义

本文首先通过理论三维倾斜台阶模型正演计算了质源体边界的重力异常场并应用质

源体边缘识别算法针对模型正演的重力异常数据进行了分析结果表明归一化水平总梯

度垂直导数法可以有效地确定质源体边界位置在理论模型研究的基础上进一步采用空



间相关系数法对两个模型体异常场进行二维相关分析得到整个空间范围的相关程度变化特
 
空间相关系数法可以有效地定量分析两个物理场之间局部区域的相关程度最后

文将以上数据处理技术应用到青藏高原东缘地区的重力数据中应用质源体边缘识别算法

19982005年的四期流动重力测网得到的重力场变化数据进行了分析给出了质源体

的边界位置在此基础上将区域均衡重力异常背景场边界与质源体边界进行二维物理场

的空间相关系数计算进一步划定了危险区位置并给出了地震危险性强弱的概率特征

分布

 方法原理

  依据震质中模型解释震前重力场变化联合应用重复重力测量得到的变化场资料去确

定危险区关键在于圈定质源体边界位置这种质源体边界在重力场变化特征上一般与异

常梯级带有较好的对应关系而对这种重力异常梯级带的解释主要对应构造单元边界

断裂带和不同密度岩体的过渡带通常在位场解释技术中应用边缘检测技术对异常场进行

处理可得到构造单元边界的准确位置并进一步划定构造单元的边界王万银等提出

用归一化水平总梯度导数法来识别位场异常边缘的方法这种方法具有计算速度快稳定

         石等震前重力场变化质源体边界和危险区划定方法研究 99

性高和较好的识别能力因此本文将该方法应用到重力变化场数据中主要用于识别震

前质源体边界位置

另外对于流动重力重复测量得到的区域重力变化场信息除可应用上述方法确定质

源体边界外要直接用于划定发震危险区还有一定困难主要原因在于这种变化场的信息

与众多影响因素相关如重力仪器的误差局部降雨地下水环境的变化等要完全去除

这些影响是困难的因此如果能将其他地球物理背景场信息与重力场变化进行联合分析

将可以更好地对异常进行合理评估本文采用了空间相关系数法尝试将区域性的重力均

衡异常场作为背景与流动重力测量得到的重力变化场进行空间相关分析初步得到了一种

能较好反映局部相关性强弱变化的结果该结果可以在一定概率意义下反映出区域发震危

险性的分布特征

 归一化水平总梯度导数法

在重磁位场资料的解释中Cordell提出了用水平总梯度方法识别重磁异常梯级带的

方法水平总梯度Total Horizontal DerivativeTHDR的定义为

THDR




 



式中代表重力异常值THDR为重力异常水平总梯度值

为了评价边缘识别技术的有效性本文先用三维倾斜台阶模型并计算其重力异常

文使用的三维倾斜台阶模型顶面和地面保持水平互相平行其倾斜台阶面方向在左侧

台阶面与下底之间夹角为45°其他三个侧面与顶底面垂直如图所示图中黑色实线为

台阶下底面在地表的投影黑色虚线为台阶顶面在地表的投影)。由于倾斜台阶模型用于

研究地质体密度边界问题具有一定代表性因此将以该模型异常特征为准对比分析不同

边缘识别算法的有效性通过理论模型分析发现重力异常的水平总梯度数据特征对于倾

斜台阶模型情况对质源体边界的指示性并不强如图所示主要表现在模型体左边

倾斜台阶面上方的地质体异常同图相同位置异常差异并不明显在其他三个垂直边缘

带异常指示特征优于图的异常特征但还不能较精确地圈定边缘体位置因此可以

进一步对水平总梯度THDR在垂向求导数Vertical Derivative

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