重力水平梯度及其在地震重力前兆中的研究初探.pdf

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1、第37卷第4期地震地质Vo1．37．No．42015年12月SEISMOLOGYANDGE0L0GYDec．．2015重力水平梯度及其在地震重力前兆中的研究初探赵云峰’祝意青，刘芳1)中国地震局第二监测中心，西安7100542)中国科学院测量与地球物理研究所，大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉430077摘要首先根据水平无限长圆柱形地质体的理论重力异常，在频率域使用余弦变换法，通过位场变换计算了水平方向的重力梯度，并与理论重力梯度做比较，发现余弦变换法计算得到的水平重力梯度是可靠的。其次，使用频率域中的余弦变换法计算了2010年9月至2012年10月芦山

2、地震前的累积重力水平梯度，并求得沿龙门山断裂带走向和垂向的重力水平梯度。结果表明：沿断裂带走向和垂向的重力梯度能够以明显的条带状更好地显现出重力在断裂两侧的相对变化，并且芦山震中位于重力梯度高值区的中间地带；重力水平总梯度变化显示，在理县一芦山一带、康定一石棉一带为重力梯度高值区，且高值区位置及走向与区域断裂构造基本重合，并在理县、康定以及石棉附近重力水平梯度值为极值区。关键词位场变换重力异常芦山7．0地震重力梯度方向导数中图分类号：P315．726文献标识码：A文章编号：0253-4967(2015)04—1020—100引言自1975年观测到了海城地震前的

3、异常重力(卢造勋等，1978；陈运泰等，1980)以来，已在多次地震前观测到了明显的重力异常(张永志等，1999；申重阳等，2003；祝意青等，2008a，2008b，2010a；刘代芹等，2009)。这些研究经验表明，流动重力资料能较好地捕捉到强震孕育过程中的重力异常变化，在强震的中长期预测、尤其是发震地点的判定上有优势。其中，重力变化的高梯度带及重力变化等值线零值线与活动构造的交会处常常是需要关注的地区(祝意青等，2010b)。重力变化的高梯度带或者密集带显示了重力场在短距离上发生急剧变化，其变化程度可以通过重力场水平方向的导数定量显示。近几年来，重力梯度

4、的研究主要集中在对地球深部构造的认识上。在卫星重力方面，张永志等(2013)由GRACE卫星重力数据根据重力梯度的球函数计算了日本9．0级地震区的重力梯度的时空分布，其结果表明，，与当地地质构造的分布有关，并且地震前重力梯度的6个分量存在异常变化。张季生等(2009)在研究龙门山及邻区重力布格异常特征时发现：汶川地震后6个月内的地震发生在布格重力异常水平总梯度最大值及其附近。王谦身等(2013)在研究中秦岭断裂构造带时通过计算布格重力异常水平方向导数，认识到断裂带位置与重力梯度带的水平方向导数的极值所在位置一致。Hu等(2014)使用垂直重力梯度数据和船测海深

5、数据获得了分辨率1×1的海底地形模型。Zhang等(2011)使用垂直重力梯度数[收稿日期]2015-07—22收稿，2015—10—12改回。[基金项目]中国地震局震情跟踪青年课题(2015010204)资助。4期赵云峰等：重力水平梯度及其在地震重力前兆中的研究初探1021据计算了高程改正，并将其用于精细大地水准面的确定。重力异常导数既可以在空间域计算也可以在频率域计算，空间域的计算精度相对高但计算效率低，频率域的计算精度相对低但效率高。刘冬甲等(2012)研究了在频率域使用余弦变换求解位场梯度的计算方法，结果显示余弦变换法和FFT法精度相近，但其依据计算结

6、果绘制的图片显示余弦变换法计算得到的重力异常导数在边界上更为逼近理论值。芦山7．0级地震后，祝意青等(2013)在分析研究川西地区的多期流动重力观测资料后发现，芦山地震发生在重力变化正异常区及沿龙门山断裂南段出现的重力变化高梯度带上。本文首先计算了地下简单地质体在地表产生的重力异常和水平梯度，然后根据地表重力异常使用二维余弦变换计算水平重力梯度，对比检验二维余弦变换的准确性。其次，本文以芦山地震前2010年9月至2012年l0月间的重力异常资料为例，使用二维余弦变换法由累积重力异常计算重力水平梯度，并利用方向导数计算了沿龙门山断裂走向和垂向的重力梯度，分析区域

7、重力异常导数与芦山地震发生的关系。1余弦变换1．1离散余弦变换的实现二维余弦变换的具体实现方法及位场转换时使用的频率响应函数前人已经有详细表述(张凤旭等，2006；蒋甫玉等，2012)，但上述2篇文献中个别公式有些瑕疵，在此将二维余弦变换及位场转换时的频率响应函数的具体公式再做一次详细表达。由二维平面上的重力异常值(i，)，i=0，1，2，⋯，N一1，．=0，1，2，⋯，M一1，求其余弦变换谱。(m，n)，r几=0，1，2，⋯，M一1，n=0，1，2，⋯，N一1的公式为⋯)=c(⋯)×∑N-1M-Icos⋯(1)而二维离散余弦反变换公式为=×∑⋯N1M⋯-1c

8、(⋯(⋯)cos⋯(2)式(1)、(2