2013年四川蘆山Ms7.0地震前的重力變化

祝意青，聞學(xué)澤，孫和平，郭樹松，趙云峰

1中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054

2大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077

3中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

4四川省地震局，成都 610000

1 引 言

2013年4月20日，四川省雅安市蘆山縣發(fā)生MS7.0級(jí)地震，震源深度約13km.這是繼2008年四川汶川MS8.0級(jí)大地震后在NE向龍門山斷裂帶上發(fā)生的又一次強(qiáng)烈地震.蘆山地震前，中國(guó)地震局系統(tǒng)在四川開展過多期流動(dòng)重力觀測(cè)，并基于觀測(cè)到的重力異常變化，提出中期預(yù)測(cè)意見1），具體如下：發(fā)震時(shí)間：2013年；發(fā)震地點(diǎn)：川西寶興、天全、康定、瀘定、石棉一帶（以30.2°N，102.2°E為中心，半徑100km范圍內(nèi)）；震級(jí)：6級(jí)左右.可以看出，基于流動(dòng)重力觀測(cè)的分析做出的中期預(yù)測(cè)，與2013年4月20日四川蘆山發(fā)生的MS7.0級(jí)地震（30.3°N，103.0°E）對(duì)應(yīng)較好，尤其是在地點(diǎn)的預(yù)測(cè)上，預(yù)測(cè)的危險(xiǎn)區(qū)中心位置距離中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的蘆山7.0級(jí)地震震中相距不到80km.在此之前的相關(guān)研究表明，基于流動(dòng)重力觀測(cè)資料曾對(duì)2008年四川汶川8.0級(jí)地震做出一定程度的中期預(yù)測(cè)［1－3］，預(yù)測(cè)危險(xiǎn)區(qū)的中心位于汶川映秀至北川之間，即位于汶川地震主破裂帶的中心，距離中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的汶川地震震中小于75km.這表明，依據(jù)區(qū)域重力場(chǎng)時(shí)－空變化的分析，可以開展強(qiáng)震中期預(yù)測(cè)的探索，尤其是強(qiáng)震可能發(fā)生地點(diǎn)的判定，這在地震三要素預(yù)測(cè)中尤為重要.因此，系統(tǒng)分析研究2013年四川蘆山MS7.0地震前的重力場(chǎng)時(shí)空變化特征，對(duì)認(rèn)識(shí)強(qiáng)震的蘊(yùn)育發(fā)生規(guī)律，捕捉地震前兆，開展強(qiáng)震中期預(yù)測(cè)的應(yīng)用研究具有現(xiàn)實(shí)意義.

本文擬利用川西地區(qū)2010—2012年期間的流動(dòng)重力觀測(cè)資料，系統(tǒng)分析了區(qū)域重力場(chǎng)變化及其與2013年4月20日四川蘆山7.0級(jí)地震發(fā)生的關(guān)系.

2 重力觀測(cè)與資料處理

自1986年起，地震系統(tǒng)采用高精度LCR－G型重力儀在川西地區(qū)開展每年1期的流動(dòng)重力測(cè)量，承擔(dān)觀測(cè)任務(wù)的是四川省地震局測(cè)繪工程院.考慮到早期的川西重力測(cè)網(wǎng)主要沿鮮水河一安寧河一則木河斷裂帶布設(shè)，大都是支線聯(lián)測(cè)，整個(gè)測(cè)網(wǎng)形態(tài)對(duì)主要活動(dòng)構(gòu)造帶的覆蓋面較窄，對(duì)區(qū)域重力變化的空間控制能力較差［4］，從而難以滿足強(qiáng)震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的需要［5－6］，2008年汶川地震后，地震系統(tǒng)加強(qiáng)流動(dòng)重力觀測(cè)，對(duì)全國(guó)地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行每年2期的重力測(cè)量，并對(duì)南北地震帶地區(qū)（含川西）和大華北地區(qū)的重力網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化改 造［7－8］.其中，2010年起 對(duì)川西重力測(cè)網(wǎng)進(jìn)行了改造、擴(kuò)建與完善，形成覆蓋整個(gè)川西主要構(gòu)造帶的、新的重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)（圖1）.2013年蘆山7.0級(jí)地震發(fā)生在2010年優(yōu)化改造后的重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)區(qū)域內(nèi).本文主要分析2010年以來川西地區(qū)的重力場(chǎng)變化.

對(duì)資料的處理：①對(duì)新優(yōu)化的川西測(cè)網(wǎng)的流動(dòng)重力觀測(cè)資料，采用《LGADJ》程序進(jìn)行自由網(wǎng)平差，以獲得測(cè)網(wǎng)中心基準(zhǔn)下的重力變化.②平差計(jì)算時(shí)，先對(duì)多期重力觀測(cè)資料計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整體分析，初步了解各臺(tái)儀器的觀測(cè)精度后，合理確定各臺(tái)儀器的先驗(yàn)方差，再重新平差計(jì)算，以得到最佳合理解算結(jié)果.③用最小二乘配置對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合推估，以便突出顯示構(gòu)造因素的重力效應(yīng).各期資料的平差精度見表1.各測(cè)點(diǎn)重力測(cè)值的平均精度均優(yōu)于10×10－8m·s－2，反映觀測(cè)資料質(zhì)量可靠.

圖1 川西地區(qū)重力測(cè)量路線及活動(dòng)斷裂略圖Fig.1 Map of the gravity surveying routes and main active faults of the western Sichuan region

表1 川西地區(qū)重力測(cè)量資料情況（LCR－G型重力儀）Table 1 Information of the gravity survey in western Sicuan region（using LCR－G gravity meter）

3 蘆山地震前的區(qū)域重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)圖像

3.1 重力場(chǎng)差分動(dòng)態(tài)變化圖像

2010年以來，四川地震局每年對(duì)川西重力網(wǎng)進(jìn)行2期觀測(cè).圖2是研究區(qū)相鄰兩期區(qū)域重力場(chǎng)的差分圖像.分析圖2表明：

①2010－09—2011－03期間，研究區(qū)重力變化總體表現(xiàn)為自西向東由負(fù)向正的態(tài)勢(shì).測(cè)區(qū)中部的九龍—石棉—雅安一帶重力的空間變化最為劇烈，并在九龍、雅安附近形成一負(fù)一正兩個(gè)重力變化異常區(qū)，最大差異變化達(dá)120×10－8m·s－2，并在兩異常區(qū)之間的康定—石棉之間沿鮮水河斷裂帶南形成一北北西向的重力變化高梯度帶（圖2a）.

②2011－03—2011－10期間，研究區(qū)重力場(chǎng)總體態(tài)勢(shì)由上期的自西向東由負(fù)向正的趨勢(shì)變化轉(zhuǎn)為自南向北由負(fù)向正的趨勢(shì)變化.大致以冕寧為界，測(cè)區(qū)南部主要表現(xiàn)為重力負(fù)值的趨勢(shì)變化，測(cè)區(qū)北部則表現(xiàn)為多個(gè)＋30×10－8m·s－2局部重力異常變化，其中，九龍地區(qū)由上期局部負(fù)值異常轉(zhuǎn)為局部正值異常，峨邊地區(qū)重力持續(xù)正值異常變化.仔細(xì)分析，還可發(fā)現(xiàn)此期間測(cè)區(qū)南部重力變化也較為劇烈，并在鹽源、巧家一帶出現(xiàn)重力變化高梯度帶，2012年6月24日四川鹽源5.7級(jí)（27.7°N，100.7°E）和2012年9月7日云南彝良5.7級(jí)（27.5°N，104.0°E）地震發(fā)生在這一重力變化高梯度附近，反映本期重力場(chǎng)的變化對(duì)這兩次中強(qiáng)地震的發(fā)生也有一定程度的反映（圖2b）.

③2011－10—2012－05期間，重力變化表現(xiàn)出一種新的態(tài)勢(shì)，反映分區(qū)變化.以冕寧、峨邊一線為界，測(cè)區(qū)南部主要表現(xiàn)自西向東由正向負(fù)的趨勢(shì)變化，鹽源、巧家一帶上期出現(xiàn)的近東西向的重力變化高梯度帶發(fā)生了轉(zhuǎn)向，變?yōu)槲鞑?、巧家近南北向的重力變化高梯度帶?012年6月鹽源5.7級(jí)和2012年9月彝良5.7級(jí)地震發(fā)生在重力高梯度帶發(fā)生轉(zhuǎn)折的時(shí)段.測(cè)區(qū)北部，康定、雅安以北地區(qū)重力變化較為劇烈，雅江、小金地區(qū)出現(xiàn)重力負(fù)值變化異常區(qū)，都江堰出現(xiàn)重力正值變化異常區(qū)，并沿北北西向的馬爾康（或稱撫邊河）斷裂帶和北東向的龍門山斷裂帶南段出現(xiàn)重力變化高梯度帶（圖2c）.

④2012－05—2012－10期間，研究區(qū)重力變化顯著，重力變幅在－80～40×10－8m·s－2之間，總體變化態(tài)勢(shì)表現(xiàn)為自北向南由負(fù)向正的趨勢(shì)，且在趨勢(shì)性變化中于雅安附近地區(qū)出現(xiàn)兩個(gè)局部點(diǎn)的低值異常變化.與前一時(shí)段相比，雅安地區(qū)以及龍門山斷裂帶幾乎不存在明顯的重力變化，顯示出區(qū)域重力場(chǎng)時(shí)－空變化中的局部“硬化”現(xiàn)象（圖2d）.

圖2 川西不同時(shí)段的重力場(chǎng)差分動(dòng)態(tài)變化圖像（單位：10－8 m·s－2）（a）2010－09—2011－03；（b）2011－03—2011－10；（c）2011－10—2012－05；（d）2012－05—2012－10.Fig.2 Maps of gravity change patterns between two adjacent observation campaigns in western Sichuan（Contours are in 10－8 m·s－2）

3.2 重力場(chǎng)累積動(dòng)態(tài)變化圖像

為了分析研究區(qū)較長(zhǎng)時(shí)段的區(qū)域重力場(chǎng)累積變化特征，我們以2010年9月川西網(wǎng)觀測(cè)資料為時(shí)間基準(zhǔn)，分別繪制了各測(cè)期相對(duì)首期的區(qū)域重力場(chǎng)累積變化動(dòng)態(tài)圖像（圖3）.分析圖3表明：

①2010－09—2011－03期間，區(qū)域重力場(chǎng)空間變化情況同圖2a時(shí)段的特征，突出特點(diǎn)之一是2013年蘆山7.0級(jí)地震的孕育部位處于雅安重力變化正異常區(qū)北界附近沿龍門山斷裂帶南段的重力變化梯度帶上（圖3a）.

②2010－09—2011－10期間，區(qū)域重力變化表現(xiàn)為康定以北重力正值變化較為平緩，康定以南重力變化總體態(tài)勢(shì)表現(xiàn)為自西向東由負(fù)向正，并在雅安、峨邊地區(qū)產(chǎn)生＋60×10－8m·s－2以上的重力變化局部異常區(qū)；冕寧、峨邊一帶重力差異變化最大達(dá)110×10－8m·s－2，并在龍門山斷裂帶南段和石棉、昭覺、巧家附近沿鮮水河斷裂帶南段形成重力變化高梯度帶.與此同時(shí)，鹽源、巧家一帶出現(xiàn)的重力劇烈變化及近東西向的重力變化高梯度帶，可能是2012年四川鹽源5.7級(jí)和云南彝良5.7級(jí)地震前的反映（圖3b）.

③2010－09—2012－05期間，整個(gè)測(cè)區(qū)重力變化劇烈而又復(fù)雜，具有分區(qū)現(xiàn)象.以冕寧、峨邊一線為界，測(cè)區(qū)南部主要表現(xiàn)自南向北由負(fù)向正的趨勢(shì)性變化，并在鹽源附近出現(xiàn)局部重力異常變化，這可能是2012年6月鹽源5.7級(jí)地震前的反映.測(cè)區(qū)北部重力變化較為復(fù)雜，雅江、小金地區(qū)出現(xiàn)重力負(fù)值變化異常區(qū)，都江堰、峨邊分別出現(xiàn)2個(gè)重力正值變化異常區(qū)，并在馬爾康—蘆山之間地區(qū)沿北北西向的馬爾康（撫邊河）斷裂帶、在蘆山—康定之間地區(qū)沿北東向龍門山斷裂帶南段、以及在康定—石棉之間地區(qū)沿北北西向鮮水河斷裂帶南段出現(xiàn)重力變化高梯度帶（圖3c）.至此，區(qū)域重力場(chǎng)的變化較清楚反映了2013年蘆山地震前龍門山斷裂帶南段及其以南的活動(dòng)塊體邊界帶發(fā)生了引起地表重力變化效應(yīng)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或形變（圖3（a、b、c））.

④2010－09—2012－10期間，研究區(qū)重力變化非常顯著，變化總體態(tài)勢(shì)表現(xiàn)為自西向東由負(fù)向正的趨勢(shì)，變幅在－50～80×10－8m·s－2之間.其中，區(qū)域性重力異常表現(xiàn)為與測(cè)區(qū)主要活動(dòng)斷裂帶走向基本一致的重力變化高梯度帶，并在康定北、雅安及都江堰等地區(qū)產(chǎn)生可能與地震孕育發(fā)生有關(guān)的多點(diǎn)局部重力異常區(qū).2013年4月20日蘆山7.0級(jí)地震發(fā)生在沿北北西向馬爾康斷裂（撫邊河）以及沿北東向龍門山斷裂帶南段出現(xiàn)的重力變化高梯度帶的匯合區(qū)附近，即在雅安和都江堰兩個(gè)重力正變化異常區(qū)過渡帶之間的重力高梯度帶拐彎部位附近.這與已有研究關(guān)于強(qiáng)震中期危險(xiǎn)區(qū)位置與重力異常區(qū)關(guān)系的認(rèn)識(shí)基本一致［9－12］，即強(qiáng)震一般發(fā)生在重力變化的局部異常、高梯度帶以及梯度帶的拐彎部位.

4 重力變化與蘆山7.0級(jí)地震

以上分析區(qū)域重力場(chǎng)差分動(dòng)態(tài)圖像（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，2013年4月20日蘆山7.0級(jí)地震前測(cè)區(qū)的重力變化具有一定的分區(qū)性，以北緯28°為界，測(cè)區(qū)北部2010－09—2011－03期間區(qū)域重力場(chǎng)主要表現(xiàn)為自西向東由負(fù)向正的有序性變化，并在蘆山地震的震中區(qū)附近出現(xiàn)＋60×10－8m·s－2的重力變化異常區(qū)及重力變化梯度帶；2010－11—2011－10期間，九龍地區(qū)重力變化由上期負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，震中及其附近的峨邊地區(qū)持續(xù)重力正值變化，雅安地區(qū)重力變化較低；2011－10—2012－05期間沿馬爾康（撫邊河）斷裂和龍門山斷裂南段出現(xiàn)重力變化梯度帶，并在小金、都江堰和康定出現(xiàn)多個(gè)局部重力變化異常區(qū)，蘆山震中位于多個(gè)異常區(qū)伴生的重力變化梯度帶的轉(zhuǎn)彎部位；2012－05—2012－10期間區(qū)域重力場(chǎng)出現(xiàn)自西向東由負(fù)向正的趨勢(shì)性變化，并在震中地區(qū)出現(xiàn)低值變化的局部重力異常.重力場(chǎng)差分動(dòng)態(tài)圖像較好地反映了蘆山7.0級(jí)地震前震中附近的重力變化，是一個(gè)由“重力正值異常區(qū)→重力異常區(qū)變化持續(xù)增加→沿相關(guān)活動(dòng)構(gòu)造帶出現(xiàn)重力變化梯度帶→局部“硬化”的重力異常”的演化過程.另外，區(qū)域重力場(chǎng)的變化對(duì)測(cè)區(qū)南部2012年發(fā)生的四川鹽源5.7級(jí)和云南彝良5.7級(jí)也有一定程度的反映.

分析區(qū)域重力場(chǎng)累積動(dòng)態(tài)圖像（圖3）可以看出，2010－09—2012－10期間的累積重力場(chǎng)（圖3d）的異常變化可分為三級(jí).一級(jí)變化為自西向東、從川西高原向四川盆地由負(fù)向正的趨勢(shì)性變化，主要反映蘆山7.0級(jí)地震前區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)引起的大空間尺度重力場(chǎng)的有序性變化；二級(jí)變化表現(xiàn)為一級(jí)場(chǎng)變化中較大范圍的重力異常區(qū)（雅江至小金地區(qū)的重力負(fù)異常區(qū)、峨邊至雅安地區(qū)的重力正異常區(qū)），以及區(qū)域重力場(chǎng)趨勢(shì)變化中的大型突變，即研究區(qū)內(nèi)沿馬爾康（撫邊河）斷裂、龍門山斷裂帶南段和安寧河活動(dòng)斷裂帶出現(xiàn)的延伸長(zhǎng)、變幅大的重力變化梯度帶.重力場(chǎng)的一、二兩級(jí)異常變化的總體空間格局與研究區(qū)布格重力背景場(chǎng)的異常變化同向［13－14］，從而應(yīng)是區(qū)域與深部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)變遷以及地塊／塊體差異構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，較好地反映了蘆山地震前研究區(qū)內(nèi)地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，并以繼承性運(yùn)動(dòng)為主［9－10］.重力場(chǎng)三級(jí)異常變化為二級(jí)變化中的較大范圍正、負(fù)重力異常區(qū)中的相對(duì)起伏，以及二級(jí)變化中的區(qū)域性重力梯度帶中具有不同梯度的段落.例如，川西高原除了整體表現(xiàn)出大面積的重力負(fù)異常區(qū)（二級(jí)變化）外，還在區(qū)內(nèi)出現(xiàn)康定和小金2個(gè)局部的、不同值的重力負(fù)異常區(qū)（三級(jí)變化）；四川盆地除了整體表現(xiàn)出大面積的重力正異常區(qū)（二級(jí)變化）外，也在區(qū)內(nèi)出現(xiàn)雅安和都江堰2個(gè)局部的、不同值的重力正異常區(qū)（三級(jí)變化），蘆山震中位于正、負(fù)重力異常區(qū)伴生的與龍門山斷裂帶走向基本一致的重力變化高梯度帶上、重力變化等值線拐彎的地區(qū)，較好地反映了強(qiáng)震中期危險(xiǎn)地點(diǎn)與區(qū)域重力場(chǎng)的局部異常、高梯度帶及其拐彎、交匯部位有關(guān)［9－11］.此外，蘆山震中還處在雅安和都江堰兩個(gè)重力正變化異常區(qū)的過渡帶之間的相對(duì)低值變化地區(qū)，表明震中區(qū)附近在震前存在重力變化的相對(duì)閉鎖.

圖3 川西重力場(chǎng)累積變化動(dòng)態(tài)圖像（單位：10－8 m·s－2）（a）2010－09—2011－03；（b）2010－09—2011－10；（c）2010－09—2012－05；（d）2010－09—2012－10.Fig.3 Maps showing dynamic patterns of cumulated gravity change relative to the first campaign in western Sicuan（Contours are in 10－8 m·s－2）

已有研究表明，與特定地震構(gòu)造有關(guān)的一次強(qiáng)震的發(fā)生，會(huì)引起地下應(yīng)力的重新排列或分布，導(dǎo)致附近或相鄰斷裂（段）應(yīng)變積累的非線性加速，從而觸使那里潛在強(qiáng)震提前發(fā)生［15－17］.2013年的蘆山7.0級(jí)地震發(fā)生在NE向龍門山斷裂帶南段，與發(fā)生過2008年汶川8.0級(jí)地震破裂的龍門山斷裂帶中—北段相鄰.從圖3d可以看出，蘆山7.0級(jí)地震發(fā)生在都江堰和雅安兩個(gè)局部重力異常區(qū)的過渡帶之間，其中，都江堰出現(xiàn)的＋70×10－8m·s－2重力變化異常區(qū)及伴生的重力變化高梯度帶，應(yīng)是汶川8.0級(jí)大震后恢復(fù)調(diào)整的效應(yīng).因此，我們認(rèn)為，2008年汶川8.0級(jí)地震孕育發(fā)生和震后恢復(fù)調(diào)整，對(duì)川西地區(qū)重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化以及對(duì)2013年蘆山7.0級(jí)地震的發(fā)生具有重要影響，即有一定的促震作用.

5 結(jié)論與討論

2013年4月20日四川蘆山MS7.0級(jí)地震發(fā)生在NE向龍門山斷裂帶南段.本文已給出震前3年的區(qū)域重力場(chǎng)變化圖像，并初步分析了區(qū)域與震區(qū)附近的重力場(chǎng)演化特征及其與蘆山地震的關(guān)系，獲得的主要認(rèn)識(shí)有：

（1）2013年蘆山地震前，位于2008年汶川震中附近的都江堰地區(qū)出現(xiàn)汶川大震后恢復(fù)調(diào)整變化的局部重力異常，在龍門山斷裂帶南段出現(xiàn)沿?cái)嗔褞Х植嫉闹亓ψ兓咛荻葞Ъ皠×也町愡\(yùn)動(dòng).這表明汶川8.0級(jí)地震后、蘆山7.0級(jí)地震前的主要構(gòu)造變形與能量積累在龍門山斷裂帶南段上，汶川8.0級(jí)地震的恢復(fù)調(diào)整對(duì)蘆山7.0級(jí)地震孕育發(fā)生具有一定的促進(jìn)作用.

（2）川西重力網(wǎng)的流動(dòng)重力觀測(cè)資料顯示2013年蘆山7.0級(jí)地震前出現(xiàn)較好的中期前兆性變化圖像，即區(qū)域重力場(chǎng)變化既呈現(xiàn)大尺度空間范圍的有序性又有相對(duì)小尺度的局部集中性（圖3d），蘆山地震發(fā)生在雅安重力變化正異常區(qū)（反映能量的積累）及沿龍門山斷裂南段出現(xiàn)的重力變化高梯度帶（反映有利于地震破裂的部位）上.

（3）流動(dòng)重力資料對(duì)2008年汶川8.0級(jí)大震和2013年蘆山7.0級(jí)強(qiáng)烈地震震中地點(diǎn)的判定，證實(shí)區(qū)域重力場(chǎng)觀測(cè)對(duì)未來強(qiáng)震震中位置的判定具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì).強(qiáng)震易發(fā)生在重力變化正、負(fù)異常區(qū)過渡的高梯度帶上，并考慮地震構(gòu)造活動(dòng)情況（大震易發(fā)生在活動(dòng)塊體邊界活動(dòng)構(gòu)造帶內(nèi)）.這是由于重力變化高梯度帶是物質(zhì)密度增加與減少的過渡地帶，該處產(chǎn)生的物質(zhì)增減差異運(yùn)動(dòng)劇烈，易產(chǎn)生剪應(yīng)力而首先破裂，從而誘發(fā)地震.蘆山7.0級(jí)地震發(fā)生在龍門山斷裂帶南段重力變化高梯度帶發(fā)生彎曲的部位.

本文的工作得到四川地震局測(cè)繪工程院同仁們的支持和幫助，謹(jǐn)此致謝.

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