南北地震帶南段近期重力場(chǎng)變化與指標(biāo)量分析

陳兆輝 王同慶 劉金釗 朱傳東 張品 張雙喜

摘要：利用2014—2017年南北地震帶南段流動(dòng)重力觀測(cè)資料，基于重力段差值的重力場(chǎng)可視化方法和顯著性指標(biāo)量G值和C值，對(duì)南北地震帶南段重力場(chǎng)變化特征和地震孕育之間的關(guān)系做初步的探討和分析。結(jié)果表明：（1）研究區(qū)近期4.5級(jí)以上地震多發(fā)生在重力場(chǎng)變化的正、負(fù)異常過(guò)渡帶和高梯度帶附近，與深部物質(zhì)運(yùn)移的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程、地殼運(yùn)動(dòng)和斷裂活動(dòng)具有一定的關(guān)系；（2）指標(biāo)量G值和C值作為評(píng)價(jià)測(cè)網(wǎng)重力場(chǎng)變化顯著性異常程度的定量依據(jù)，反映了研究區(qū)同一時(shí)間段內(nèi)地震活動(dòng)和未來(lái)潛在強(qiáng)震的綜合效應(yīng)，對(duì)于深入判定潛在地震危險(xiǎn)性具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：南北地震帶；流動(dòng)重力；重力指標(biāo)量；重力段差

中圖分類號(hào)：P315.725 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2018）03-0480-07

0 引言

南北地震帶是中國(guó)大陸中部一條貫穿南北的密集地震條帶，匯集了中國(guó)大陸五分之二的7級(jí)以上強(qiáng)震和一半的8級(jí)以上地震，具有特殊的動(dòng)力學(xué)環(huán)境和復(fù)雜的孕震構(gòu)造背景，長(zhǎng)期受到地球物理學(xué)家的高度重視（李善邦，1957；王椿鏞等，2015）。南北地震帶南段位于青藏高原東南緣，受印度板塊和歐亞板塊強(qiáng)烈碰撞擠壓導(dǎo)致的青藏高原隆升和高原物質(zhì)側(cè)向擠出影響（滕吉文等，1997），孕育了大量的強(qiáng)震和活動(dòng)斷裂，成為中國(guó)大陸地震活動(dòng)最強(qiáng)烈、最頻繁的地區(qū)和開展地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法探索最理想的場(chǎng)所之一。

地震是斷裂帶應(yīng)力長(zhǎng)期累積與突然釋放的劇烈地殼運(yùn)動(dòng)，其孕育和發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程（江在森等，2009；M7專項(xiàng)工作組，2012；周海濤等，2017）。在地震的孕育和發(fā)生過(guò)程中，伴隨著地下深處物質(zhì)變化和變形過(guò)程，導(dǎo)致區(qū)域重力場(chǎng)發(fā)生一定程度的變化（陳運(yùn)泰等，1980；祝意青等，2009；申重陽(yáng)等，2009；王同慶等，2017；張永奇等，2017）。隨著重力觀測(cè)精度的提高以及觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)流動(dòng)重力測(cè)量獲得區(qū)域重力場(chǎng)的時(shí)空演化過(guò)程，反映與地下深部介質(zhì)變化及孕震過(guò)程相關(guān)的地球物理信息，綜合理解地震孕育和發(fā)生的物理過(guò)程，對(duì)當(dāng)前的地震科學(xué)研究和防震減災(zāi)工作具有重要的意義（陳石等，2011；胡敏章等，2015）。以往對(duì)區(qū)域重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的研究，多以定性方法來(lái)分析，缺乏對(duì)重力場(chǎng)隨時(shí)間的變化量與測(cè)量誤差的對(duì)比分析以及對(duì)區(qū)域重力場(chǎng)變化顯著性程度的定量描述，所揭示的重力場(chǎng)變化信息不夠客觀和全面。本文利用南北地震帶南段的流動(dòng)重力觀測(cè)資料，在深入分析重力場(chǎng)變化特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)基于重力段差值的重力場(chǎng)可視化方法和顯著性指標(biāo)量，討論研究區(qū)近期重力場(chǎng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征及可能的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)含義。

1 數(shù)據(jù)資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料來(lái)源

本文的研究區(qū)域位于南北地震帶南段（21°～29.5°N，98°～108°E）（圖1），主要斷裂包括紅河斷裂、大涼山斷裂、小江斷裂、則木河斷裂、安寧河斷裂、南汀河斷裂和麗江—小金河斷裂帶等（鄧起東等，2002；張培震等，2003），2000年以來(lái)相繼發(fā)生了姚安M6.5、普洱M6.4、魯?shù)镸6.5和景谷M6.6等強(qiáng)震。2013年中國(guó)地震局對(duì)整個(gè)南北地震帶重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化改造，本文利用研究區(qū)優(yōu)化改造完之后的2014年3月至2017年9月之間的8期流動(dòng)重力測(cè)量資料，相對(duì)重力觀測(cè)由中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心和云南省地震局聯(lián)合實(shí)施，絕對(duì)重力由中國(guó)地震局地震研究所觀測(cè)。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

重力資料平差計(jì)算處理：（1）平差計(jì)算利用中國(guó)地震局實(shí)用化攻關(guān)推廣的應(yīng)用軟件LGADJ（劉紹府，劉冬至，1991）進(jìn)行，以研究區(qū)同步觀測(cè)的絕對(duì)重力點(diǎn)的觀測(cè)值作為起算基準(zhǔn)進(jìn)行經(jīng)典平差；（2）對(duì)各期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體平差分析，在了解各臺(tái)儀器的觀測(cè)精度后，合理分配先驗(yàn)方差，再重新平差計(jì)算，從而得到最佳解算結(jié)果（祝意青等，2013）；（3）剔除點(diǎn)位穩(wěn)定性差、環(huán)境變化大及其他信噪比低的測(cè)點(diǎn)。

重力段差值、段差變化量和測(cè)量誤差的關(guān)系以及顯著的指標(biāo)量G和C的計(jì)算：（1）對(duì)變化顯著大于正常值的測(cè)點(diǎn)和測(cè)段做初步篩選和剔除；（2）根據(jù)平差結(jié)果的重力段差值、段差變化量和測(cè)量誤差計(jì)算指標(biāo)量G和C值，其中，G值和C值作為判斷區(qū)域重力場(chǎng)變化顯著性程度的指標(biāo)量，其定義如式（1）， （2）所示（李曉一等，2017）。各期資料的觀測(cè)時(shí)間、儀器型號(hào)以及點(diǎn)值平均精度如表1所示，可以看出，每期相對(duì)重力觀測(cè)資料的精度和可靠性較好，平差結(jié)果顯示點(diǎn)值平均精度均優(yōu)于15×10-8 ms-2，完全具備獲得因構(gòu)造活動(dòng)及地殼形變等原因引起的重力場(chǎng)非潮汐變化的能力（孫少安等，2015）。

2 區(qū)域重力場(chǎng)變化

2.1 重力場(chǎng)累積變化特征

為分析研究區(qū)較長(zhǎng)時(shí)段的區(qū)域重力場(chǎng)的累積變化特征，本文以2014年3月觀測(cè)資料為參考基準(zhǔn)，計(jì)算獲得各期相對(duì)該基準(zhǔn)的區(qū)域重力場(chǎng)的累積變化（圖2）。由圖2可以看出，研究區(qū)重力場(chǎng)的累積變化趨勢(shì)具有較好的一致性，大致以昆明、楚雄、興義、六盤水為中心形成重力場(chǎng)變化的正異常區(qū)域，周緣以重力場(chǎng)變化負(fù)異常為主。2015年3月至2017年3月，研究區(qū)存在重力場(chǎng)變化幅度和量值逐漸變小的規(guī)律性特征，可能表明了研究區(qū)在2014年魯?shù)镸6.5、景谷M6.6強(qiáng)震發(fā)生后深部物質(zhì)調(diào)整和能量衰減釋放的一個(gè)過(guò)程。2016

年個(gè)舊M4.7、2017年云南漾濞M5.1、昭通M4.9和珙縣M4.9等地震大多分布在重力場(chǎng)變化正、負(fù)異常的過(guò)渡地帶（零值線）和梯度帶附近，與祝意青等（2013）、申重陽(yáng)等（2009）、陳石等（2010）認(rèn)為的強(qiáng)震多發(fā)生在重力場(chǎng)變化的正、負(fù)異常過(guò)渡帶和高梯度帶附近的觀點(diǎn)一致，與深部物質(zhì)運(yùn)移的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程、地殼運(yùn)動(dòng)和斷裂活動(dòng)具有一定的關(guān)系。

2.2 差分重力場(chǎng)變化及段差可視化分析

同一季節(jié)整年尺度的重力場(chǎng)變化可以較好地規(guī)避季節(jié)性降雨等因素對(duì)區(qū)域重力場(chǎng)的影響，反映的區(qū)域重力場(chǎng)變化與地殼運(yùn)動(dòng)和深部物質(zhì)分布的關(guān)系更為客觀和真實(shí)。對(duì)2014—2017年研究區(qū)一年尺度的重力場(chǎng)變化特征、重力段差值、段差變化量和測(cè)量誤差進(jìn)行可視化分析（圖3）。

如圖3所示，橢圓的軸長(zhǎng)表示相鄰2測(cè)點(diǎn)重力段差值大小，橢圓與箭頭同方向的半軸的長(zhǎng)度表示測(cè)量誤差值大小，箭頭的長(zhǎng)度代表相鄰2期重力段差變化值大小，箭頭指向段差變化增大的方向（李曉一等，2017）。當(dāng)箭頭的長(zhǎng)度超過(guò)橢圓半軸長(zhǎng)度，說(shuō)明段差變化值大于測(cè)量誤差值，意味著測(cè)段發(fā)生了顯著性的重力變化；當(dāng)箭頭在橢圓內(nèi)部，說(shuō)明測(cè)量誤差值大于段差變化值，測(cè)量結(jié)果包含了較多的誤差信息。從圖3可以看出，研究區(qū)測(cè)段整體上以箭頭的長(zhǎng)度超過(guò)橢圓半軸長(zhǎng)度為主，表明研究區(qū)整體上的段差變化值顯著大于測(cè)量誤差值，說(shuō)明研究所用的相對(duì)重力觀測(cè)資料的精度和可靠性較好。研究區(qū)的邊緣地區(qū)，由于測(cè)點(diǎn)分布較少，多為附和測(cè)線，未形成閉合測(cè)線，存在部分測(cè)段段差變化值小于測(cè)量誤差值的情況，對(duì)于該區(qū)域的重力場(chǎng)變化的分析要更為謹(jǐn)慎?？梢?jiàn)，段差表示法有助于分析觀測(cè)數(shù)據(jù)中不可靠的部分，可作為篩選數(shù)據(jù)、判定異常的參考依據(jù)（李曉一等，2017），尤其在觀測(cè)數(shù)據(jù)稀疏區(qū)域?qū)τ诋惓５恼鎸?shí)性的判定顯得更為重要。研究區(qū)一年尺度的區(qū)域重力場(chǎng)變化隨著時(shí)間的推移其橫向差異趨于平緩，測(cè)段段差變化的異常程度也明顯降低。由圖3a可見(jiàn)，在2014年魯?shù)镸6.5地震發(fā)生后，小江斷裂和則木河斷裂交匯處測(cè)段的段差變化沿著小江斷裂整體指向南，可能反映了魯?shù)榈卣鸢l(fā)生后震源區(qū)深部物質(zhì)沿著小江斷裂朝著遠(yuǎn)離震源區(qū)方向運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。圖3b，c的段差變化大多集中在±20×10-8 ms-2范圍內(nèi)，箭頭指向較為分散和無(wú)序，可能與震后物質(zhì)不斷調(diào)整的劇烈過(guò)程密切相關(guān)。

2.3 重力場(chǎng)變化指標(biāo)量分析

表2和圖4分別給出了2014—2017年研究區(qū)基于第一期資料一年尺度的重力測(cè)段的段差變化、誤差情況及段差變化分布結(jié)果?？梢钥闯?，研究區(qū)測(cè)段的平均誤差在7×10-8 ms-2以內(nèi)，表明觀測(cè)結(jié)果具有較高的可信度。2014—2015年最大段差變化量以及段差平均變化量呈現(xiàn)最大值，可能與研究區(qū)當(dāng)年活躍的地震活動(dòng)有關(guān)；2015—2016年有大幅度的降低，2016—2017年段差變化量又呈現(xiàn)較大幅度的回升。圖4顯示在2014—2017年段差變化集中分布±40×10-8 ms-2范圍內(nèi)。

圖5給出了2014—2017年研究區(qū)基于第一期資料計(jì)算得到的指標(biāo)量G和C值的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，所揭示的研究區(qū)測(cè)段整體的重力異常程度，可作為評(píng)價(jià)測(cè)網(wǎng)重力場(chǎng)變化顯著性異常程度的定量依據(jù)?？梢钥闯?，研究區(qū)G值和C1、C2、C3值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)基本一致，在2014—2015年G值和C1、C2、C3值最大，2015—2016年均呈現(xiàn)大幅度的降低，2016—2017年研究區(qū)G和C1有小尺度的回升。圖6給出了2014—2017年研究區(qū)地震活動(dòng)性特征，通過(guò)對(duì)比分析可以看出，2014—2017年研究區(qū)地震活動(dòng)性與同一時(shí)期的G值、C值的變化規(guī)律具有較好的一致性，地震活動(dòng)性存在與指標(biāo)量G值和C值類似的大幅度降低和小尺度上升的趨勢(shì)，表明指標(biāo)量G值和C值所揭示的重力場(chǎng)變化的顯著性異常程度與地震活動(dòng)密切相關(guān)。李曉一等（2017）和王同慶等（2018）基于首都圈和青海門源地區(qū)的重力場(chǎng)變化研究表明，首都圈和青海門源地區(qū)的G值和C值在涿鹿M4.3地震和門源M6.4地震前存在突然增大的特征，表明G值和C值對(duì)潛在地震的發(fā)生具有較好指示意義。區(qū)域重力場(chǎng)的變化反映了地殼運(yùn)動(dòng)和地下深部物質(zhì)運(yùn)移的過(guò)程，在地殼運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)運(yùn)移的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)作用下，可能在很短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致中小地震的發(fā)生，也有可能處于孕育潛在強(qiáng)震的應(yīng)變和能量逐漸積累的緩慢過(guò)程。因此，重力段差變化指標(biāo)量所揭示的與地震孕育密切相關(guān)的重力場(chǎng)變化的顯著性異常程度對(duì)潛在地震發(fā)生具有較好反映的同時(shí)，還與同時(shí)期的地震活動(dòng)具有較好的相關(guān)性，是同一時(shí)間段地震活動(dòng)和未來(lái)潛在強(qiáng)震的綜合反映。如果指標(biāo)量G值和C值顯示某地區(qū)區(qū)域重力場(chǎng)變化顯著性異常程度較高，同一時(shí)間段內(nèi)該地區(qū)地震活動(dòng)又較為平靜，那么劇烈的重力場(chǎng)變化極有可能表明該地區(qū)將有強(qiáng)震發(fā)生。

3 討論與結(jié)論

南北地震帶南段作為我國(guó)主要的地震危險(xiǎn)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)，是開展重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化與孕震機(jī)理研究的理想?yún)^(qū)域，同時(shí)也是驗(yàn)證基于重力段差值的重力場(chǎng)可視化方法和顯著性指標(biāo)量的理想場(chǎng)所。本文利用2014—2017年南北地震帶南段的8期流動(dòng)重力復(fù)測(cè)資料，基于重力段差值、段差變化量和測(cè)量誤差的重力場(chǎng)變化可視方法以及顯著的指標(biāo)量G和C，定量與定性地分析研究區(qū)近期的區(qū)域重力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化特征，對(duì)地殼運(yùn)動(dòng)及構(gòu)造活動(dòng)和地震孕育之間的關(guān)系做初步的探討和分析，取得以下認(rèn)識(shí)：

（1）研究區(qū)重力場(chǎng)的累積變化、差分變化和基于重力段差值的重力場(chǎng)可視化方法結(jié)果表明：在魯?shù)楹途肮鹊卣鸢l(fā)生后研究區(qū)重力場(chǎng)變化的幅度降低，橫向差異變小，表明研究區(qū)在魯?shù)楹途肮鹊卣鸷蟠嬖谏畈课镔|(zhì)運(yùn)移調(diào)整和能量的釋放過(guò)程。研究區(qū)近期幾次4.5級(jí)以上地震多發(fā)生在重力場(chǎng)變化的正、負(fù)異常過(guò)渡帶和高梯度帶附近，與深部物質(zhì)運(yùn)移的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程、地殼運(yùn)動(dòng)和斷裂活動(dòng)具有一定的關(guān)系。

（2）基于研究區(qū)重力段差變化指標(biāo)量的研究結(jié)果表明：與地震孕育密切相關(guān)的重力場(chǎng)變化顯著性異常是同一時(shí)間段地震活動(dòng)和未來(lái)潛在強(qiáng)震的綜合效應(yīng)，如果一段時(shí)間內(nèi)重力場(chǎng)變化顯著性異常程度較高，地震活動(dòng)又較為平靜，那么顯著的重力場(chǎng)變化極有可能代表了該地區(qū)將有強(qiáng)震發(fā)生。重力段差變化指標(biāo)量是評(píng)價(jià)測(cè)網(wǎng)重力變化的顯著性異常程度的定量依據(jù)，對(duì)于深入判定潛在地震危險(xiǎn)性具有一定的參考價(jià)值。

本刊利用了中國(guó)地震局地球物理研究所陳石研究員開發(fā)的重力段差可視化程度，云南省地震局形變測(cè)量中心王青華和國(guó)家重力臺(tái)網(wǎng)中心為本文提供了部分重力數(shù)據(jù)，兩位審稿專家和編輯老師為本文提出了寶貴的修改意見(jiàn)和建議，在此一并表示衷心感謝。

參考文獻(xiàn)：

陳石，王謙身，祝意青，等.2011.汶川MS8.0震前區(qū)域重力場(chǎng)變化與震質(zhì)中研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，26（4）：1147-1156.

陳運(yùn)泰，顧浩鼎，盧造勛.1980.1975年海城地震與1976年唐山地震前后的重力變化[J].地震學(xué)報(bào)，2（1）：21-31.

鄧起東，張培震，冉勇康，等.2002.中國(guó)活動(dòng)構(gòu)造基本特征[J].中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)，32（12）：1020-1030.

胡敏章，李輝，劉子維，等.2015.川滇地區(qū)2010～2013年重力變化及重力網(wǎng)的地震監(jiān)測(cè)能力[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，35（4）：616-620.

江在森，方穎，武艷強(qiáng)，等.2009.汶川8.0級(jí)地震前區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)與變形動(dòng)態(tài)過(guò)程[J].地球物理學(xué)報(bào)，52（2）：505-518.

李善邦.1957.中國(guó)地震區(qū)域劃分圖及其說(shuō)明[J].地球物理學(xué)報(bào)，6（2）：127-158.

李曉一，陳石，盧紅艷.2017.離散時(shí)變重力數(shù)據(jù)的可視化、指標(biāo)量定義與解釋[J].地震學(xué)報(bào)，39（5）：682-693.

劉紹府，劉冬至.1991.高精度重力測(cè)量平差及其軟件[J].地震，11（4）：57-66.

申重陽(yáng)，李輝，孫少安，等.2009.重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化與汶川MS8.0地震孕育過(guò)程[J].地球物理學(xué)報(bào)，52（10）：2547-2557.

孫少安，郝洪濤，韋進(jìn).2015.云南景谷M6.6地震前重力場(chǎng)變化的區(qū)域性特征[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，35（4）：613-615.

滕吉文，熊紹柏，張中杰.1997.青藏高原深部結(jié)構(gòu)與構(gòu)造地球物理研究的回顧和展望[J].地球物理學(xué)報(bào)，40（增刊1）：121-139.

王椿鏞，楊文采，吳建平，等.2015.南北構(gòu)造帶巖石圈結(jié)構(gòu)與地震的研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，58（11）：3867-3901.

王同慶，陳石，梁偉鋒，等.2018.2016年門源MS6.4地震前的區(qū)域重力場(chǎng)變化與定量參數(shù)分析[J].地震地質(zhì)，40（2）：349-360.

王同慶，王樹發(fā)，楊博，等.2017.基于重力和GPS的山西地區(qū)形變特征分析[J].地震研究，40（1）：101-110.

張培震，鄧起東，張國(guó)民，等.2003.中國(guó)大陸的強(qiáng)震活動(dòng)與活動(dòng)地塊[J].中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)，33（增刊1）：12-20.

張永奇，丁曉光，曹建平，等.2017.關(guān)中流動(dòng)重力測(cè)網(wǎng)的中小地震映震能力分析[J].地震研究，40（2）：248-256.

周海濤，陳兆輝，朱爽，等.2017.川滇地區(qū)部分連續(xù)GPS測(cè)點(diǎn)形變異常分析[J].地震研究，40（1）：94-100.

祝意青，聞學(xué)澤，孫和平，等.2013.2013年四川蘆山MS7.0地震前的重力變化[J].地球物理學(xué)報(bào)，56（6）：1887-1894.

祝意青，徐云馬，呂弋培，等.2009.龍門山斷裂帶重力變化與汶川8.0級(jí)地震關(guān)系研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，52（10）：2538-2546.

M7專項(xiàng)工作組.2012.中國(guó)大陸大地震中-長(zhǎng)期危險(xiǎn)性研究[M].北京：地震出版社.

Abstract By deeply processing the mobile gravity data of the southern part of the South-North Seismic Belt from 2014 to 2017，this paper makes a preliminary discussion and analysis on the relationship between gravity field change and earthquake preparation in the study area with the gravity field visualization method based on the gravity segment difference and the significant index G and C.These results show that（1）the recent earthquakes with MS4.5+ in the study area always occur near the positive and negative anomalous transition zone and the high gradient zone，which is related to the complex dynamical process of deep matter migration，the crustal movement and the fault activity.（2）The quantity of G and C is useful for quantitative evaluation of the gravity anomaly degree，reflecting the combined effects of seismic activity within the same time period and potential strong earthquakes，which is of great scientific significance for the further determination of potential seismic risk region.

Keywords：South-North Seismic Belt；mobile gravity；gravity index；gravity segment difference