基于重力场动态变化的地震预测方法研究

一、成果概况

1）研究了中国大陆和典型大地震前后重力变化特征：系统计算并研究了1998-2015年中国大陆重力场动态图像，总结分析了汶川8.0、于田7.3、芦山7.0、姚安6.0等地震的典型前兆特征，提出了闭锁剪力前兆模式和地震预测新思想，如：首次提出持续上升或正的地表重力变化有利于地震能量积累、较大规模的低值重力梯级带有利于地震破裂发生。

2)断层位错与重力变化研究：理论上系统研究了不同断层位错引起的地表重力变化和变形图像特征；研究分析了典型强震破裂引起的地表同震重力变化和震后效应，并分析了地壳介质对同震效应的影响；基于稳健-贝叶斯最小二乘算法或遗传算法，利用地表实测重力变化，对川滇地区主要活动构造运动进行反演研究，总结提出了基于构造视运动的两种典型前兆模式。

3）提出了地壳变形与密度变化耦合运动理论方法：为解释现代大地测量数据，从地球整体时变运动角度，对Walsh(1975)、Reily and Hunt(1976)、陈运泰等(1980)等理论由准静态推广到一般时空域，严格推导了地球(地壳)内部形变与密度变化耦合运动模式理论，为未来发展指出了研究发展方向。

4）地壳三维密度变化反演研究：基于重力场动态变化资料，采用合理的重力反演方法解算地壳物质三维密度变化，获取了深部场源动态变化信息，为揭示强震孕育、发生和发展的深层过程提供了新的方法途径。

二、主要创新点

（1）总结出一系列大震的显著重力学标志为重力变化低值带和四象限特征，从能量积累和破裂角度提出了大震判别方法或基本准则。如：持续多年的较大规模和范围的正或上升重力变化可为地震提供能量来源；较大规模的正、或负、或正负交接过渡的重力变化梯级带（尤其转折部位），其有利于地震破裂发生；以姚安地震前四象限重力变化与震源机制的一致性提出了闭锁剪力模式，为地震预测实践提供了理论方法支持。

将以往适合准静态情形下变形引起重力变化的理论推广到基于变形与密度耦合运动引起的重力时空变化，为形变与重力观测数据融合或整体解释提供了新的理论方法。

图1汶川地震前后重力场累计变化

图2汶川地震前后重力场差分变化

图3芦山Ms7.0地震前重力场动态变化

（2）定量研究了点位错、矩形断层位错引起的地表形变和重力变化图像特征，分析了断层参数和地壳介质参数对同震效应的影响，取得了一些具有实际意义的结果。

（3）基于流动重力复测资料反演给出区域主要活动构造视运动特征，发现强震前断层似活动具有“运动加速-加速到峰值-再减速-发震”特征，主震型与主余震型有明显差异。

（4）首次提出了地壳内部密度时变可作为分析孕震前兆的特征物理量，突出物质密度变化从场源深度揭示地震孕育过程的作用，为地震预测和前兆识别提供了新方法和新思路。

图4芦山Ms7.0地震前地壳密度变化反演结果

图5门源Ms6.4级地震前后地壳密度变化反演结果

三、应用效益及前景

（1）重力场动态变化研究成果在年度地震趋势会商中发挥了较大作用，取得了较好的防震减灾效果。如在近年来提交的全国流动重力地震趋势研究报告中，较成功的预报了姚安6.0级地震（2009.7.9，预测6级左右）、芦山7.0级地震（2013.4.20，预测7级左右）、康定6.4级地震（2014.11.22，预测7级左右）、新疆皮山6.5级地震（2015.7.3，预测5级左右）、门源6.4级地震（2016.1.21，预测6.5级左右）、新疆呼图壁6.2级地震（2016.12.8，预测震级6级左右）。

（2）断层及其运动与地震孕育发生密切相关，一直是地震研究的前沿课题，国家973项目（高分辨率高精度地球重力场及其时变效应和动力学机理研究）、国家自然基金（红河断裂带近期深浅构造运动差异定量研究、龙门山断裂带现今蠕滑-粘滑运动特性的重力研究，动态大地测量地球物理数据联合反演模式及应用研究）中，我们以本成果研究为基础、利用本项目提出的三维断层位错反演方法，采用重力和GPS复测数据研究了川滇地区主要活动断层的现今运动模型或其时空滑动分布，分析断层运动与强震孕育的关系，并已取得了一系列新成果。

（3）地壳形变和密度变化耦合运动理论研究已取得实质性进展，在新获批的国家自然科学基金（基于地球内部变形与密度耦合运动模式的迭代反演方法及应用研究）中将进一步使地壳形变和密度变化耦合运动理论研究实用化，得到同行的赞同，具有较好的发展潜力。

（4）地壳物质密度变化是地震研究的新课题，在国家自然科学基金（山西地堑系现今地壳物质运移差异性变化特征的重力学综合研究）以及地震形势与年度会商（2012-）中，我们以本成果研究为基础、利用本项目提出的重力反演方法，采用重复重力数据研究了川滇地区、华北地区地壳物质密度变化的实践研究，并已取得了一系列新成果。

（5）我们的成果已被相关专家关注和引用，部分成果研究具有一定超前性，目前由于受到资料数据的限制，尚不能充分发挥其潜力，但相信随着大地测量新技术的不断使用和不同资料匹配性的改善，将在大陆动力学与地震研究中发挥更大作用。