前重力场变化质源体边界和
危险区划定方法研究＊
陈 石１，徐伟民１，祝意青２
蒋长胜１，卢红艳１，郭凤义１
（１．中国地震局地球物理研究所，北京 １０００８１；２．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１９９８—２００５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：Ａ 文章编号：１０００－３２７４（２０１１）０４－００９８－１０
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［１］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［２］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（ＤＱＪＢ０９Ａ０２，ＤＱＪＢ１１Ｃ１４）资助
作者简介：陈石（１９８０－），男，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。
自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
等［３，４］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［３］定义震质源（Ｈｙｐｏｃｅｎｔｒｏｉｄ）为地下孕震体形变有效的质量变化中
心；它在地面上的投影，定义为震质中（Ｅｐｉｃｅｎｔｒｏｉｄ）。通过研究１９８２—１９９８年京—津—唐—张地区流动重力测量数据［５］，计算的震质中与震中分布关系表明［６］，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
中，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［６］。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
征。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，本
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
对１９９８—２００５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。
１ 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［７］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
４期 陈 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。
１．１ 归一化水平总梯度导数法
在重磁位场资料的解释中，Ｃｏｒｄｅｌｌ［８］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 Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ，ＴＨＤＲ）的定义为
ＴＨＤＲ（ｘ，ｙ）＝ ｇ（ｘ，ｙ）
（ ｘ ）
２
＋ ｇ（ｘ，ｙ）
槡（ ｙ ）２
（１）
式中，ｇ（ｘ，ｙ）代表重力异常值，ＴＨＤＲ（ｘ，ｙ）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。本
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１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１（ｂ）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１（ａ）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１（ａ）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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