李玉森，底欣欣，臧石磊，李 伟，索 锐

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

2017年12月19日在辽宁海城地区发生M4.4地震，震源深度10km，震中烈度为Ⅵ度，震中位于海城河断裂上。这是自1975年海城M7.3、1999年岫岩M5.4地震之后，在海岫地区发生的一次显著的地震事件。2012年以来，辽中南地区地震活动性显著增强，中小震相对活跃，一直是辽宁省地震重点监测区域。通过流动重力观测对该区域进行持续关注和跟踪，并在海城M4.4震前提取到相关的异常信息，结合全国典型震例（汶川M8.0、玉树M7.1、庐山M7.0等）以及省内（灯塔M5.1、朝阳M4.6）震前重力异常的特征性指标[1-12]，深入开展对海城M4.4地震震前、同震期的重力变化研究，提取特征性的异常指标，展开重力变化机理研究，对于今后辽宁地区的地震监测尤其是重力探测具有重要的指示意义。

1 区域地震构造背景

海城M4.4地震中位于中朝准地台东北部。地壳运动主要受太平洋板块NWW向的俯冲作用，区域地质构造复杂，断裂广布。区域地震活动主要受郯庐深大断裂带控制，活动断裂主要延NW、NE和NNE方向展布，有海城河断裂、金州断裂、太子河断裂、庄河断裂等，区域地块相对破碎，新构造活动较为强烈[13]。

海城河断裂是1975年海城M7.3地震之后提出的，并经过大量探测分析得到确认。该断裂始于营口高坎，往东经海城、岫岩延伸到东港境内，全场100km，由一系列北西向平行展布的中小断裂组成，走向320°，倾向SW，倾角50°～70°，宽度约10km，属全新世断裂。历史上发生过海城M7.3、岫岩M5.4等中强震，2012年以后该区域中小震群相对活跃，多为浅源地震，其中最主要一次是2017年12月发生在海城的M4.4地震[14]。

从震源机制解看，海城M4.4地震断层破裂走向呈NW向，断层上盘向下运动，呈正断层性质，以左旋滑动为主。初步断定该次地震为左旋走滑略带拉张性质的地震。这与1975年海城M7.3、1999年岫岩M5.4地震震源机制极为相似[15-16]，因此可认为，海城河断裂是本次M4.4地震的发震断层。

本文主要针对海城M4.4地震展开重力变化研究。测区内有1个绝对重力观测点和69个相对重力观测点，平均点距50km（图1）。

图1辽宁地区重力测网示意图Fig.1 The sketch of gravity network of Liaoning Province

2 数据处理方法

辽宁地区重力观测采用高精度拉科斯特重力仪（LCR-G型）[17]，每年4—5月和8—9月进行两期测量，选取2016～2018年的4期重力观测数据，外业观测自差（小于25μGal）和互差（小于30μGal）均符合规范要求。由于测区范围较小，本文采用一点控制的经典平差方法，合理确定各台仪器的先验方差，同时对一次项、固体潮、零漂和仪器高改正，得到最优计算结果[18]。2016年9月—2018年5月四期数据平均点值精度13.2微伽，精度较高，满足本次研究需要。

3 重力变化分析

3.1差分变化和累积变化

以震前两年为时间节点，分析研究不同时间尺度的重力变化空间分布特征。等值线图采用克里金法插值法，等值线间隔10μGal，如图2所示。

图2岫岩M4.4震前重力变化空间分布图Fig.2 Spatial distribution map of gravity change before Xiuyan M4.4 earthquake

图2017-09—2016-05：从一年半的累积变化看，0值线在海城地区发生转折，海城—岫岩以北正变化，以南负变化，分别形成以岫岩为中心的正变化区，变化量40μGal和以盖县为中心的负变化区，变化量-30μGal，并伴有正负变化高梯度带，异常特征明显。

图2017-09—2017-05：整个辽中南地区，重力变化相对平稳，幅度在±30μGal之间，以海城、岫岩为分界线，以北为重力正变化区，以南为负变化区。0值线控制整个区域，并在辽阳、岫岩地区形成大范围转折，说明重力区域变化不均匀，具体表现为沿海城河断裂出现差异的重力变化。2017年12月在海城地区海城河断裂上发生M4.4地震。

图2018-05—2017-09：辽中南地区在短期内出现大范围重力反向变化，四象限特征初步形成，以海城为中心形成重力正变化高值区，变化量达40μGal。与上期相比，重力在短时间呈现由负转正的变化过程，形成能量累积，具有明显的短期重力异常特征。

图2018-05—2017-05：通过震前测期和震后测期的实时比较，尚未出现明显异常，说明震前的重力异常变化，在震后的快速恢复调整，已趋于正常。

3.2重力点值时序和剖面变化

选取震中附近两条测线海城—熊岳和北铁—岫岩进行点值变化时序分析，以2013年5月份测期为基期，结果如下：

图3重力点值时序变化（左：海城—盖县；右：海城—岫岩）Fig.3 Change of gravity point sequence （Left：Haicheng-Gaixian；Right：Haicheng-Xiuyan）

图3表明：NE向的海城—熊岳点值时序表明，沿金州断裂北段的多个测点，从2015年5月到2016年9月，是一个平稳微降的过程，从2016年9月开始，重力值持续减小。而NW向的海城—岫岩测线，从2015年5月到2016年9月是个下降的过程，从2016年9月开始，重力值不断增大，累积量不断增加。两条测线点值变化反向对应，并在1709-1605累积变化图上形成一条NW走向的重力梯度带。2017年12月海城M4.4地震发生在重力梯度带附近20μGal的等值线上。

图4盖州—海城—岫岩重力剖面变化图Fig.4 Change of gravity profile from Gaizhou，Haicheng to Xiuyan

图4中，2条沿海城河断裂的不同测期的重力剖面变化，具有一致性的特征。北东向跨海城河断裂重力点值呈下降趋势，2017年9月相比2017年5月，盖县和大石桥测点下降幅度不断增大。北西向沿海城河断裂出现明显的异常形态，从析木—西腰—偏岭是一个较大上升和下降趋势，短期变化幅度达40μGal。从剖面图看出，海城河断裂附近，北东向和北西向出现差异的重力变化，而短期内西腰—偏岭重力点值的快速变化是海城M4.4地震的一个主要因素。

4 重力变化机理

辽宁地区地处亚欧大陆东岸，地壳运动主要受太平洋板块NWW向的俯冲作用影响，长期以来，辽中南地区一直处于隆升状态，隆升构造背景在一定程度上反映了孕震的挤张性质；同时受到来自深大断裂郯庐断裂带的控制，新构造运动较为强烈。海城M4.4地震发生在辽东半岛北部，属于左旋走滑略带拉张性质的地震，与区域隆升的构造背景相对应。

累积变化看，震中东北部海城和岫岩等地形成大片的正重力变化区，有利于孕震能量的累积。震中西南部盖州、熊岳等地的负变化区反映了孕震的扩容模式。与海城河断裂近乎平行的重力变化高梯度带，最大幅差在70μGal。短期的差分变化显示震中附近重力变化表现为四象限的分布特征，这与海城M4.4左旋走滑的破裂机制相一致。点值时序和剖面图表现为震中西南部重力值不断降低，震中东北部重力值不断上升。海城河断裂附近，北东向和北西向出现差异的重力变化，而短期内西腰、偏岭重力点值快速的升降变化充分反映了短期的异常特征。

震中东北部的正重力变化是地壳密度增大的一个表现，结合区域地质构造背景，认为是在太平洋板块NWW向的俯冲作用下，辽东半岛不断隆升，地壳深处岩体受力膨胀，岩石孔隙增大，周围地下流体不断渗入，导致地壳密度增大、重力值增加。而震中西南部的盖州地区形成重力负变化区，是地下流体外流，地壳密度降低的一个主要表现。由此形成震中东北部正变化，西南部负变化，并伴有正负变化高梯度带的重力异常表现特征。

5 结论与讨论

2017年12月19日海城M4.4重力异常主要表现为：

（1）一年半的累积变化显示震中东北部呈正变化，西南部呈负变化，并伴有重力变化高梯度带，最大幅差达70μGal。短期差分变化显示，震前半年出现大范围正负反转变化和四象限特征，幅值在40μGal左右。0值线在海城附近出现转折，方向由NE转为SW。

（2）海岫地区重力点值时序变化呈一致性上升趋势，重力不断累积。重力剖面上显示海城河断裂附近出现差异的重力变化。

震中附近地质构造复杂，构造活动强烈，尤其是中小震群自2012年以来一直持续。结合区域重力变化和构造背景综合分析，认为该次地震可能是由于辽中南地区地壳构造运动和地壳深部物质迁移共同所致。