地震重力异常与地面沉降重力异常的特征分析

廖桂金 叶东华 邓志辉 李 翀 唐国英 胡伟明

1)广东省地震局，广州 510070

2)南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，珠海 519000

图1 汕头测区的重力变化平面图(2015年3月—2016年7月)Fig.1 Image of gravity field changes in Shantou measuring area(2015-03—2016-07).

广东省地震局2017年度广东省地震趋势研究报告中提出，2015年3月—2016年7月，陈店、和平测点呈现继承性单调上升重力异常变化，出现陈店重力异常区(图1)。在约1.5a内(4期)，重力变化分别达44μgal和54μgal。同时，陆丰、博美、南塘、甲子、溪西等重力异常点值2a累积重力变化大于3倍观测值中误差，同时出现陆丰重力异常区(图1)。陆丰的重力变化为35μgal，博美为52μgal，南塘为48μgal，甲子为57μgal，溪西为44μgal。2个重力异常区毗邻，连成较大的重力异常区，但其异常性质可能不同，可能存在地震重力异常和地面沉降重力异常。由于2015年9月24日陆丰曾发生ML4.3地震，为分析震后地震发展趋势，需确定重力异常点的重力变化性质，辨别地震重力异常与地面沉降重力异常，以更好地分析地震重力场演化与地震孕育相关性和捕捉地震重力变化前兆信息，以上工作也有益于地震趋势预测。另外，现今中国开展的大规模流动重力监测地震工作中，有不少流动重力测点建在冲积平原上，在流动地震重力测量中存在地面沉降重力异常的情况，但该情况仍然未被明确判别，存在地震重力异常误判现象，特别是中短期地面沉降，地震重力异常和地面沉降重力异常更是难以区分。目前，关于该方面研究工作的报道仍较少。本文通过数据分析与实地核查的方法，总结出辨别地震重力异常与地面沉降重力异常的方法，这项工作在流动地震重力监测中对重力异常性质的判断具有现实意义。

基于上述情况，广东省地震局流动地震重力测量组会同广东省地震局地震预报研究中心的技术人员，组成了包括4人的异常核实工作组，对上述重力异常进行核查。按照形变学科异常核实报告的编写要求，结合流动重力观测路线，完成了异常核实工作，具体包括：1)室内核实：整理背景资料，在网上收集有关地下水、地裂缝和乡镇工厂等信息，确定仪器观测资料的精度，对比分析地下水资料和历史震例；
2)现场核实：调研测点环境、周边环境、抽用地下水情况、地裂缝等地质灾害和建筑施工情况；
3)对重力异常变化进行综合分析判断，得出核实结论。针对重力异常区，异常核实工作组会同汕尾市地震局、陆丰市地震局和汕头市地震局，先至汕尾市陆丰、内湖、博美、南塘、甲子、碣石镇，后至汕头市潮阳区和平镇、潮南区陈店镇等地区进行现场核实调查。

2.1 重力异常平面分布特征

汕头测区流动重力测量仪器一直使用中国地震局统一安排的Lacoste-G型或CG-5型重力仪器，采用中国地震局流动重力专业技术组提供的重力测量数据处理系统LGADJ进行数据处理，多年来汕头测区的流动地震重力观测精度均优于10μgal。从2016年7月汕头测区流动重力复测资料的处理结果可知(图1)，陆丰重力异常区主要出现在陆丰、博美、南塘、甲子、溪西、葵潭、云落等镇，重力异常点值2a累积变化大于3倍观测值中误差，与其毗邻的汕头潮南区的陈店镇、汕头潮阳区的和平镇也出现重力异常，为陈店重力异常区，重力变化也同步增大，2个重力异常区相邻，连成长轴方向为EW向的椭圆形重力正异常区，EW长轴长约90km，SN短轴长约45km，重力异常中心最大值超过50μgal，存在显著的区域性重力异常，在时间上具有连续性、空间上具有区域性，重力变化幅值异常。

2.2 重力异常时序变化特征

从陆丰重力异常区的重力时序变化曲线可以看出(图2)，陆丰、博美、南塘、甲子、溪西测点的重力变化同步性较好，2010年3月—2014年5月主要呈波动性变化，2014年8月开始同步下降，2015年3月下降至最低值，至2015年8月出现同步反向上升，趋势性变化明显。2015年9月24日陆丰ML4.3地震发生在重力变化反向上升时段，震中距最近的异常点只有8km，震后其重力变化仍呈现持续增强。甲子测点近4期最大重力累积变化达57μgal。

图2 陆丰异常区的重力变化时序曲线Fig.2 Gravity time-variation at some relative gravity observation stations in Lufeng anomaly area.

图3 陈店异常区的重力变化时序曲线Fig.3 Gravity time-variation at some relative gravity observation stations in Chendian abnormal area.

从陈店异常区的重力变化时序曲线(图3)可以看出，2010年3月—2016年7月，和平、陈店测点的重力变化为继承性单调上升趋势变化，相对于2010年3月的重力值，和平、陈店测点的重力累积变化分别为108μgal、131μgal，2010年8月—2012年8月变化速度较快，2012年8月—2015年3月变化幅度有所减小，但2015年3月—2016年7月又呈现加速上升趋势。2015年3月—2016年7月约1.5a内(4期)，陈店测点的重力累积变化为44μgal，和平测点为54μgal，但和平、陈店周边地震活动很少。

3.1 地理概况

汕头测区的重力测点主要分布在潮汕(汕头、揭阳、汕尾市等)沿海区域(图4)。区内地势自西北向东南倾斜，西、北、东边境多山地，属莲花山系，峰峦叠翠，绵延成串；
中间为桑浦山、小北山等山地构成的粤东南丘陵；
南部沿海地区有韩江、榕江、练江、凤江等形成的几个冲积平原。沿海冲积平原约占本地区总面积的1/3。平原上河道纵横，土地肥沃，沉积土层深厚，蕴藏丰富的地下水资源。陈店重力异常区(陈店、和平)位于练江冲积平原处，平原的基底为由燕山期花岗岩构成的古红壤型风化壳，风化壳之上第四系厚40～120m，冲积层以淤泥质沙土为主，地下水资源丰富。陆丰重力异常区(陆丰、博美、南塘、甲子、溪西等)自北向南倾斜，依次分布山地、丘陵、平原(滨海台地)3个地貌类型，地下水资源缺乏。

图4 汕头测区的流动重力测点及地震构造图Fig.4 Map of mobile gravity survey points and seismic tectonics in Shantou area.

3.2 地震构造背景

粤东地区地震构造较发育(图4)，测区位于东南沿海地震带东段，该区地壳运动强烈，是东南沿海7级以上强震的主要发生地之一。区内的潮汕盆地是除琼雷凹陷外东南沿海陆地凹陷最深的地区，断裂发育且活动性强，区内穿插多条NE、NW和近EW向断裂，其中NW向断裂特别发育，年代也更年轻。该区内发育潮汕盆地和练江平原，主要为晚第四系河流冲积地层，基底为燕山期花岗岩，区域范围内的地震还表现出与地质构造关系密切的特征，中强地震多沿断裂分布。沿NE向的河源-邵武断裂带(F8)、紫金-博罗断裂带(F9)、五华-深圳断裂带(F10)、政和-海丰断裂带(F11)、潮州-汕尾断裂带(F12)、汕头-惠来断裂带(F13)等，沿NW向的隆江断裂(F1)、普宁-田心断裂(F2)、练江断裂(F3)、榕江断裂(F4)、古巷-澄海断裂(F5)、韩江断裂(F6)、黄岗河断裂(F7)等均有地震活动分布。强震往往发生在区内盆地(或海湾)及其边缘且具有NE向、NW向和近EW向等多组断裂交会的地带。其中，普宁-田心断裂(F2)和练江断裂(F3)通过陈店重力异常区，对练江平原的形成具有控制作用。潮州-汕尾断裂带(F12)和隆江断裂(F1)通过陆丰重力异常区，陆丰重力异常区在潮州-汕尾断裂带(F12)的东南和隆江断裂(F1)西南的地质断块内，2015年9月24日陆丰ML4.3地震发生在潮州-汕尾断裂(F12)北缘。

4.1 陈店重力异常区的环境调查

陈店重力异常区地处练江平原中部，汕头市潮南区西部，潮南区和普宁市交界处。和平镇位于汕头市潮阳区中部，练江下游。通过收集到的信息及现场调查结果发现，位于练江冲积平原的普宁市下架山镇、汕头市谷饶镇、两英镇、陈店镇的制衣厂、印染厂均大量抽取地下水，2003—2008年普宁市下架山镇、汕头市潮阳区谷饶镇、潮南区两英镇等均出现地面沉降、地裂缝(图5—7)，陈店、和平镇周边存在地面下沉的现象，且已持续多年。普宁市下架山镇及相邻的占陇镇、潮阳区谷饶镇、潮南区两英镇已于2004年发展成为粤东重要的针织服装工业镇，纺织品洗染用水量大，其用水来源主要采自地下水，开采对象主要为第四系中的承压水。由于大量抽取地下水，地下水位急剧下降，水头差和动水压力(渗透压力)增大，并引起水动力条件改变，促使黏性土(特别是软土)排水固结而产生沉降变形。

图5 水位观测点、流动重力测点及地面塌陷村庄示意图Fig.5 Map of water level observation points，mobile gravity survey points，and subsidence villages.

图6 地裂缝造成南湖村道受损变形Fig.6 Damage and deformation of road caused by ground cracks in Nanhu Village.

图7 国土部门安装的地裂缝监测仪Fig.7 Installation of ground cracks monitoring instrument by Land and Resources Department.

汕头市潮阳区谷饶镇新厝村地面沉降明显，该村于2003年3—8月发生地面塌陷，村所在区域出现大面积地面沉降，沉降区面积近15万平方米。简易监测结果显示，月沉降量约为1cm。

2004年普宁下架山镇7个村落部分房屋出现裂缝、倾斜、地面沉降开裂等现象。房屋裂缝最宽超过5cm。地面平均年沉降量超过2cm，部分开裂成错台。对房屋裂缝进行修补或就地重建后仍发生开裂变形。

2005年下半年起，汕头市潮南区两英镇出现地裂缝灾害，共有3条地裂缝危及西新村、东北村、鹤联村、鹤丰村和古溪村，大致呈EW走向平行排列，地裂缝长3110～3660m，面积为8km2。2006年下半年以来灾情逐渐加重，范围逐渐扩大，导致建筑物倒塌，果园、农田也出现多处地面裂缝，单条裂缝宽28cm，并引起差异沉降，最大沉降差达80cm。省地勘局722大队经实地调查后认为，NW向的练江断裂与两英镇地裂缝的形成和发展有着密切关系，是其发生的内因，而该地区岩体上部较厚的软弱地层和过量开采地下水是诱发因素。

2008年普宁市以软基变形、地面沉降、地裂缝为主的地质灾害防治区包括工矿企业较多的下架山镇、军埠镇、占陇镇、流沙东街道和南溪镇等的部分村庄、居民点，如下架山镇横溪村、新乡村、和寮村、新南湖村、老南湖村、郑家村、南城村、白沙溪村、陈家村和军埠镇军老村、军新村等。防范的重点为下架山镇、军埠镇的地裂缝带危险区内及20世纪80年代以前建造的、地基缺乏妥善处理的房屋，主要防治措施包括严禁居民和企事业单位强采超采地下水等。

从水位观测点、流动重力测点及地面塌陷村庄示意图(图5)可见，陈店测点以西3～5km的下架山镇、东南向10～13km的两英镇及和平测点西北向10km的谷饶镇均为较大的沉降区。综合分析认为，在汕头市潮阳区和平镇、汕头市潮南区陈店镇、揭阳市普宁镇之间存在一个由过量抽取地下水引起的地面塌陷区域。

图8 普宁水位与陈店测点的重力变化曲线Fig.8 Puning water level time-variation and the Chendian gravity time-variation.

普宁水位于1988—2016年同样出现趋势性降低，分析普宁水位与陈店测点的重力变化曲线(图8)可见，2条曲线明显呈负相关，该水位观测井的钻孔深度为250.19m，主要观测对象是深层的孔隙、裂隙中的承压水，水位变化为0～15m，理论上浅表水位下降和地面重力值减小不能作为陈店、和平重力趋势上升的原因，但若开采的是承压水，水位下降将引起地面下沉并造成重力上升变化(吴雪芳等，1992；
胡斌等，2005)，则能合理解释重力变化趋势性上升的现象。重力值的上升是由于水位下降和地面沉降2种因素的综合影响所致，其中地面沉降的影响远大于水位下降的影响。

4.2 陆丰重力异常区的环境调查

南塘、博美、甲子是陆丰的农业重镇，但不存在工业用水大户。2015年7—8月由于干旱，南塘镇有个别农户抽取地下水用于农作物抗旱灌溉，此外未发现大量抽取地下水的现象，也未发现地裂缝、地面下沉的情况。

调查结果显示：陆丰重力异常区不存在大规模冲积平原，在2013—2016年出现重力异常期间，陆丰、博美、南塘、甲子、溪西等重力测量点周边无大型工程施工、矿产开采、爆破影响，没有河道水位、水库水位影响，没有大量抽用地下水、注水等影响，观测路线周围没有新建道路和房屋，未发现干扰源。

5.1 陈店重力异常区的重力变化分析与性质

相对基准期2010年3月，分别计算2011年7月—2016年7月9期6a的重力变化值，绘出近EW向的潮阳—和平—陈店—池尾测点重力变化剖面(图9)。显然，和平测点及陈店测点呈现继承性单调上升变化，陈店测点累积重力变化值上升至131μgal，和平测点上升至108μgal，重力变化较大且同步性好，而剖面两端的池尾和潮阳测点只有10μgal的变化。图10 展示的1988年3月—2016年7月的重力变化表明，潮阳、和平、陈店、池尾4个重力测点的累积重力变化趋势明显。在1994年3月前，4个测点的变化都相对平稳，自1994年3月后，陈店测点出现单调递增的趋势，在2004年以后加速递增，至2005年8月和平测点也开始出现单调递增，2010年3月后和平、陈店测点开始同步加速上升，到2016年7月陈店测点的累积重力变化为325μgal，和平测点的累积变化为155μgal，而潮阳测点的累积重力变化为28μgal，池尾测点的累积重力变化为-24μgal。位于中间点的和平、陈店测点变化明显，位于两端的潮阳、池尾测点的累积重力变化值较小。

图9 陈店重力异常区的重力变化剖面曲线(2011年7月—2016年7月)Fig.9 Gravity variation cross section with the survey points in Chendian gravity anomaly area(2011-07—2016-07).

图10 陈店重力异常区的重力累积变化时序曲线(1988年3月—2016年7月)Fig.10 Gravity time-variation at some relative gravity observation stations in Chendian gravity anomaly area(1988-03—2016-07).

5.2 陈店重力异常区与地面下沉的关系

文献(贾民育等，1983；
吴雪芳等，1992；
华昌才等，1996；
胡斌等，2005；
祝意青等，2005；
玄松柏等，2014)中给出了地面沉降与重力异常的关系。一般认为，地表观测的重力变化Δg应包含地面下沉ΔH引起的重力变化Δg1(自由空间)、中间层Δg2、水位下降Δg3和地震重力异常Δg44项，即

Δg=Δg1+Δg2+Δg3+Δg4

(1)

地面下降ΔH引起的自由空间改正Δg1=3.086ΔH；
密度为σ的中间层改正Δg2=-0.419σΔH；
厚为Δh、沉积层密度为ρ的地层中水体流失导致孔隙度φ变化引起重力变化Δg3=-2πGρφΔh，其中，G为引力常数=6.67×10-8cm3/g·s2，重力单位是微伽(μgal)，高程单位为厘米(cm)。地下水位变化Δh不是引起重力变化的主要因素，概算时不考虑地表水位变化导致的重力变化Δg3；
再由潮阳和池尾点重力变化均值接近0判断，该沉降区的地震重力变化Δg4可忽略不计，则Δg的概算公式为

Δg≈Δg1+Δg2=3.086ΔH-0.419σΔH

(2)

取淤泥质砂土密度σ为2.67g/cm3，则：

Δg≈1.967ΔH

(3)

式(3)的正确性与适用性可引用中国地震局第一监测中心的水准和重力测量成果进行检验。中国地震局第一监测中心给出的天津重力测点的水准测量结果(张晶等，1998)显示，1981—1986年总沉降量为483mm，由式(3)概算得到的重力变化为95μgal，相应时间段内实测重力变化为103μgal，概算值和实测值较接近。由此可知，通过式(3)可概算重力变化，或由重力变化概算地面沉降。但若需进行精确计算，则应考虑Δg3和Δg4的影响。

通过收集到的地面下沉数据可粗略估计重力的上升幅度。以2007年两英镇的最大下沉量80cm计算，以两英镇西北侧的陈店测点发生重力变化的时间(1995年3月)作为起算时间，则两英镇于1995年3月—2007年6月出现下沉现象，共计12a，即年平均沉降量约为6.7cm。同样地，取陈店地面年平均沉降量为6.7cm，则1995年3月—2016年7月间共计22a，陈店测点的地面最大下沉量约为147cm，进而由式(3)概算得到重力变化为289μgal，而实测重力变化为292μgal，概算重力值与实测值接近。同理，和平测点位于两英镇NEE向13km处，2006年3月—2016年7月实测重力累积变化为137μgal，概算得到2006年3月—2016年7月和平测点的地面最大累积下沉量约为70cm。2015—2016年，和平、陈店测点的重力变化分别为54μgal和44μgal，概算得到2015—2016年和平测点的沉降量约为27cm，陈店测点的地面沉降量约为22cm。

由两英镇、陈店、和平、下架山镇、谷饶镇的地面沉降幅度可以推测，以两英镇附近为中心存在一个由于地下水过量开采引起的漏斗形的地面沉降区，重力变化时序曲线和剖面曲线也证实该现象是可信的。在广东省2010年度地质灾害防治方案中，将两英镇西新村列为灾害规模中等、稳定性差、危险性大的塌陷灾害区。

从测点所处的位置看，两端的池尾、潮阳测点分别位于基岩上，而中间的陈店、和平测点则位于练江南侧的冲积平原上，正好位于漏斗形地面沉降的中心区，由陈店测点附近几个粗略的地面沉降数据概算出的重力值与实际测量的结果比较接近，因此，可以认为陈店重力异常区主要由地面下沉所致，与地震前兆无关，其地面沉降引起的重力异常可用式(3)进行概算。

5.3 陆丰重力异常区重力变化的分析与性质

陆丰重力异常区的测点位于陆丰和惠来境内的丘陵、平原等地带，地质条件以花岗岩硬质风化土为主，不存在大规模冲积平原。陆丰、内湖、博美、南塘、甲子、碣石测点周边无大型工程施工、矿产开采、爆破影响，无河道水位、水库水位、大量抽取地下水的影响，观测环境未发现干扰源，则Δg1≈0、Δg2≈0、Δg3≈0。因此，可以认为陆丰重力异常区与地震的孕育发生存在关系，为地震重力异常，即Δg≈Δg4。

(1)陆丰重力异常区的陆丰、博美、南塘、甲子、溪西等测点于2014年8月开始同步下降，至2015年8月出现同步反向上升，形成区域性同步转折反向正重力异常区。对变化幅度较大的陆丰、博美、南塘、甲子、溪西重力异常点进行异常调查核实，未发现观测环境干扰源，调查核实结果为：陆丰地区出现的重力异常为地震重力异常，是2015年9月24日陆丰ML4.3地震孕育过程中地震重力场演化过程的表现形态(图11)。

图11 汕头测区改正后的重力变化平面图(2015-03—2016-07)Fig.11 Corrected image of gravity field changes in Shantou measuring area.

(2)关于陈店重力异常区的和平、陈店测点的重力变化呈现继承性单调上升变化的原因，经调查核实认为：陈店、和平地面下沉是由于大量工厂取用地下水，并导致地面下沉，房屋和地面开裂，陈店重力异常与地面沉降有关联，判定异常的性质为地面沉降重力异常。1995年3月—2016年7月陈店测点地面下沉引起重力变化为92μgal，2006年3月—2016年7月和平测点地面下沉引起的重力变化为137μgal。在地震重力异常分析中，和平、陈店的重力变化应扣除因地面下沉所产生的重力变化，重新绘制汕头测区重力变化平面图(2015年3月—2016年7月)(图11)后，更加突出了地震重力异常的中心位置，有利于捕捉地震重力变化前兆信息，并可对后期地震活动的空间范围判定提供参考。

(3)对于明显的重力异常，应详细了解产生异常的背景条件，如地质条件、当地居民生活用水、工业用水、地面下沉、地裂缝、房裂缝等，找到产生异常的源头，收集重力异常区水位观测数据和水文观测资料进行趋势性分析。

(4)对重力异常区异常点的时序重力变化曲线特征应开展对比分析，找出其特征差异，正如上述陈店异常区和陆丰异常区重力异常时序变化的特征完全不同，陈店重力异常区测点的重力异常是长时间、继承性的发展变化，而陆丰重力异常区是中短期下降与反向转折变化，再结合异常区相邻重力点的重力变化进行对比分析，并基于所处地区的地质条件和实地调查数据进行分析，基本可判断其异常变化的性质。

致谢广东省地震局杨马陵研究员提供了技术指导；
广东地震台刘锦提供了水位观测数据。在此一并表示感谢！

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