祝意青等(2012, 2014)曾利用重力资料对2013年甘肃岷县漳县6.6级地震做出了一定程度的中期预测。2016年1月21日, 青海门源6.4级地震发生在祁连山中东段的冷龙岭断裂附近, 重力变化对这次强震也有较好的反映, 在中国地震局第二监测中心2016年地震趋势研究报告中指出: “ 门源、 天祝、 武威地区出现了重力剧烈变化及4象限分布特征, 祁连山中东段(震中位置在37.5° N, 102.2° E附近)有6级左右地震发生的可能” 。可以看出, 基于流动重力观测分析做出的中期预测, 与2016年1月21日青海门源发生的M_S6.4地震(37.68° N, 101.12° E)对应较好, 尤其是在地点的预测上, 预测的危险区中心位置距离中国地震台网测定的门源6.4级地震震中相距只有55km。

为了便于与GPS观测资料等进行对比分析, 本文主要分析2011-2014年期间的重力场变化(图1)。可以看出, 3a尺度的累积重力场变化具有以下3个特征: 其一, 区域重力场变化剧烈, 重力差异变化达100× 10^-8ms^-2 以上, 重力场总体表现为自西南向东北由负向正的趋势性变化, 主要反映了区域应力场增强引起的大空间尺度重力场的有序性变化; 其二, 区域重力场趋势变化中的大型突变, 即研究区内沿祁连-海原大断裂出现的延伸长、 变幅大的重力变化梯度带及沿岷县-天水形成的与西秦岭北缘断裂走向基本一致的重力变化高梯度带; 其三, 除了沿祁连-海原大断裂出现重力变化梯度带外, 还在断裂带附近出现门源和天祝2个局部的、 不同值的重力负异常区, 2016年1月门源6.4级地震发生在门源负重力异常区及与祁连-海原断裂带走向基本一致的重力变化高梯度带上、 重力变化等值线拐弯的地区。2013年7月甘肃岷县漳县6.6级地震也发生在与西秦岭北缘断裂走向基本一致的重力变化高梯度带上(祝意青等, 2014)。这2次地震均较好地反映了强震发生地点与区域重力场的局部异常、 高梯度带及其拐弯、 交会部位有关(Zhu et al., 2015)。

图1

Fig. 1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 青藏高原东北缘重力场变化(2011-2014年)(× 10-8ms-2)Fig. 1 Map of gravity change in the northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau for the period from 2011 to 2014(Contours are in 10-8ms-2).

1999年 “ 中国地壳运动观测网络” 工程对青藏高原东北缘进行了首期GPS观测(崔笃信等, 2009), 2011年 “ 中国大陆构造环境监测网络” 项目在上述基础上进一步完善了GPS观测网。我们主要分析2011-2014年青藏高原东北缘地区的地壳运动特征。

图2给出了青藏高原东北缘地区相对于欧亚板块的GPS水平运动矢量图。可以看出, 青藏高原东北缘现今地壳水平运动具有以下特征:

图2

Fig. 2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 青藏高原东北缘GPS水平速度场(2011-2014年)Fig. 2 The GPS horizontal velocity field in the northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau for the period from 2011 to 2014.

图3

Fig. 3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 青藏高原东北缘面膨胀率分布(2011-2014年)(× 10-9a-1)Fig. 3 Distribution of surface expansion rate in northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau for the period 2011 to 2014(× 10-9a-1).

(1)2011-2014年期间, 青藏高原东北缘地区GPS站点自西向东呈现NEE向、 E向和SEE向水平旋转运动, 并具有以下3个特征: 其一, 研究区104° E以西的西部站点以NEE向运动为主, 站点速率自南向北逐渐减小, 南部玛沁站速率为14.6mm/a, 北部民勤站速率为3.5mm/a; 其二, 位于104° ~106° E的中部站点以E向运动为主, 站点速率自西向东略有差异, 景泰附近速率为10.2mm/a, 海原附近速率为5.7mm/a; 其三, 研究区106° E以东的东部站点以SEE向运动为主, 站点运动速率相对较小, 为4.1~8.7mm/a。

(2)从青藏高原东北缘主要活动断裂两侧的GPS站点运动速率看, 主要特征表现为: 1)祁连山中东部存在5~6mm/a 的左旋走滑运动; 2)海原断裂带存在4~5mm/a 的左旋走滑运动; 3)门源震中附近存在明显的左旋走滑运动。岷县震中附近站点较少, 虽然水平运动存在一定的差异, 但差异运动量不很明显, 主要表现为在运动方向上有较大的差异。

由GPS观测反映的2011-2014年面膨胀率分布(图3)进一步反映出青藏高原东北缘地区呈现挤压收缩的特征, 在民乐、 门源及武威一带面收缩率达到峰值(-25× 10^-9a^-1), 2016年1月门源地震震中位于面收缩率峰值附近, 2013年7月岷县漳县6.6级地震发生在武都及岷县北的2个面收缩率峰值之间的过渡地带。

大面积水准测量资料主要反映地壳大范围垂直运动概貌, 区域水准测量可以反映1个地区最新的构造活动方式和活动强度。

青藏高原东北缘地区1970-2011年较大时空尺度的垂直形变速度场图像(图4)显示, 相对于稳定的华南地台, 青藏高原东北缘现今总体上呈现差异性的隆升运动(郝明等, 2012)。其中: 1)西秦岭-六盘山地区是该区域上升速率较快的地带, 西秦岭北缘、 六盘山断裂带附近的隆升速率达5~6mm/a; 2)祁连山东段的天祝隆起区上升速率3~4mm/a; 3)2016年门源6.4级地震震中位于垂直运动速率梯度上, 震中附近的差异运动达3mm/a; 4)2013年岷县漳县6.6级地震位于天水隆起区(速率5mm/a)与岷县北隆起区(速率4mm/a)之间的过渡带上; 5)较大下沉区1个在银川盆地, 1个在武威盆地一带, 下沉速率为-1~-2mm/a。

图4

Fig. 4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 青藏高原东北缘垂直形变速率(1970-2011年)(单位: mm/a)Fig. 4 Map of vertical deformation velocities in northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau for the period 1970 to 2011(Contours are in mm/a).

总而言之, 本文基于40余a精密水准资料的青藏高原东北缘地区大范围、 长时段的垂直运动背景场, 较客观地反映了区域现今垂直差异运动的基本特征, 与本研究区地质时期以来高原山区隆升、 盆地相对下沉的新构造运动背景一致。地震发生在沿活动性断裂的断块垂直差异运动强烈的地方。

图5

Fig. 5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 青藏高原东北缘重力变化(等值线表示)与面膨胀率(色标表示)对照图Fig. 5 The comparisons between the gravity changes and the surface expansion rate in northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau.

为便于对比分析青藏高原东北缘重力变化和GPS观测反映的面应变变化情况, 我们把2011-2014年期间准同步观测的重力变化与面膨胀率绘制在同一张图上, 将重力变化等值线标示在面膨胀率彩色图上, 得到较为直观的重力变化和面膨胀率变化图像(图5)。分析对比图5所示的青藏高原东北缘2011-2014年期间的重力变化与面膨胀率图像可以看出, 祁连山中东部重力上升变化强烈的地带面收缩率也最为显著, 2016年门源6.4级地震发生在重力上升变化的高梯度带与面收缩率峰值附近, 门源震中附近的重力变化高梯度走向与面收缩率走向基本一致。岷县-天水形成的重力变化高梯度带也是面收缩率峰值之间的过渡地带, 2013年岷县漳县6.6级地震发生在与西秦岭北缘断裂走向基本一致的重力变化高梯度带上及面收缩率峰值之间的过渡地带上。

为进一步分析地表重力变化与三维地壳运动的关系, 我们把2011-2014年观测的重力变化与2011-2014年观测到的GPS水平速度场及1970-2011年较长时间的垂直形变速度场绘制在同一张图上, 将重力变化等值线及GPS水平速度矢量标示在垂直运动彩色图上, 得到较为直观的重力变化与地壳水平和垂直三维地壳运动图像(图6)。

图6

Fig. 6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 青藏高原东北缘重力变化(等值线表示)与GPS水平速度场(矢量表示)及垂直形变速率(色标表示)对照图Fig. 6 The comparison chart for the gravity changes and GPS horizontal velocity field and the vertical deformation velocities in northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau.

分析图6所示的青藏高原东北缘重力变化与地壳水平和垂直三维地壳运动图像可以看出: 1)GPS观测反映的水平运动总体运动方向偏向NE, 重力也表现为自SW向NE由负向正的变化。即沿GPS水平运动的方向重力增加, 说明重力变化主要受地下密度增加的影响。2)六盘山、 西秦岭山区上升, 重力负值变化; 银川、 武威盆地下降, 重力正值变化。西秦岭北缘断裂带附近垂直形变上升最剧烈的地区重力负值变化最为显著。3)祁连山中东部门源-天祝一带垂直差异运动及GPS水平差异运动最为显著, 该地区也是重力场变化最为剧烈的地方。

一般来讲, 地表重力变化直接受地表垂直运动的影响, 每抬升(或下降)1cm, 将引起测点(1.9~2.0)× 10^-8ms^-2 的下降(或上升)重力变化。总的来说, 青藏高原东北缘垂直形变年速率≤ 6mm/a, 地表垂直运动对年际重力变化的贡献< 2× 10^-8ms^-2, 对于3a尺度的重力变化来说, 垂直运动对其影响< 6× 10^-8ms^-2。分析青藏高原东北缘近期的重力场变化、 GPS水平速率场和垂直形变场可以发现, 青藏高原东北缘近期显著的重力变化是该地区深部壳、 幔物质运移(顾功叙等, 1997; 滕吉文等, 2008; 陈运泰等, 2013)作用下引起的地表重力变化效应。

青藏高原东北缘晚第四纪强烈活动的NWW向断裂主要有龙首山南缘断裂、 祁连-海原断裂等, 具有挤压逆冲-左旋性质。NNW向断裂主要有榆木山东缘断裂、 庄浪河断裂等, 具有挤压-右旋性质。分布于东部的近SN向青铜峡-固原断裂及NNE向的贺兰山东麓断裂以右旋-拉张为主。分布于南部的NWW向西秦岭北缘断裂具有左旋走滑性质, 临潭-宕昌断裂以挤压逆冲为主(虢顺民等, 2000; 郑文俊等, 2013)。该地区地质构造较为复杂, 地壳形变时空分布的不均匀性在不同程度上反映了该构造单元中断裂构造活动特征的差异。

分析青藏高原东北缘形变场空间分布与活动断裂的关系认为: 1)重力场变化空间分布形态与活动断裂关系密切, 重力场变化较显著的梯度带走向与活动断裂带走向基本一致, 变化最显著的是从祁连经门源、 景泰至海原, 一直有1条规模较大的NWW向重力变化梯度带。重力变化等值线的基本走向总体上沿祁连-海原大断裂带分布, 不仅断裂带两侧重力变化差异较大, 而且梯度带影响域较宽(图1)。垂直形变空间分布与重力场空间分布形态较为相似, 垂直形变等值线的基本走向总体上也是与呈NWW向的祁连-海原大断裂走向基本一致(图4)。水平形变总体上呈NEE向运动, 在祁连-海原断裂产生明显的左旋走滑运动(图2), 与区域构造运动基本一致(虢顺民等, 2000), 这说明祁连-海原大断裂是青藏高原东北缘现今构造活动比较剧烈的1条断裂。2)形变场空间分布总体上有3个地区存在较明显的横向不均匀性, 一是甘肃、青海交界的甘肃民乐与青海门源地区, 重力变化、 垂直形变出现局部异常, 水平形变面压缩峰值区。二是祁连山东部的甘肃天祝、 武威地区, 重力变化、 垂直形变出现局部异常及高梯度带, 水平形变面压缩过渡带。三是甘肃岷县、 天水地区, 重力变化梯度带, 垂直形变与水平形变面压缩过渡带。从地质构造分析, 这3个地区都具有不同构造单元交会, 地壳变形差异运动显著的特点。民乐、 门源地区位于祁连山北缘断裂与冷龙岭断裂附近, 天祝、 武威地区位于庄浪河断裂与金强河-毛毛山-老虎山断裂的交接处附近, 岷县、 天水地区位于西秦岭北缘断裂与临潭-宕昌断裂附近。

地震从孕育到发生是1个从应力积累到能量释放的过程。在地震孕育过程中, 随着震源区应力的不断积累, 使得地壳内部产生变形和发生物质迁移, 致使地壳内部形变和密度发生变化, 从而使得该处地表变形和重力值发生变化, 主要表现为地壳形变场空间分布的有序性变化和局部形变异常区及伴生的地壳形变高梯度带出现。已有研究表明, 强震易发生在与构造活动有关联的重力变化4象限中心地带或正、 负异常区过渡的高梯度带上(Zhu et al., 2015), 也易发生在沿活动性断裂的断块垂直差异运动强烈或兼有强走滑运动的地方(江在森等, 2009; 郝明, 2012)。2016年门源6.4级地震发生在祁连山地震带的冷龙岭断裂附近, 2011-2014年重力变化和GPS观测反映的水平运动及较长时期的水准观测成果表明, 门源震中附近是重力变化高梯度带拐弯的地区, 也是垂直差异运动强烈和强左旋走滑的地区(图6)。2013年岷县漳县6.6级发生在甘肃东南地区的 “ 临潭-宕昌断裂” 的中东段, 2011-2014年重力变化和水平运动及较长时期的水准观测成果也表明, 岷县震中附近是重力变化高梯度带拐弯的地区, 也是面压缩率变化过渡带和垂直形变过渡带地区。门源6.4级和岷县漳县6.6级震中地区重力异常变化的几何形态与垂直形变及水平形变空间分布的密切相关, 进一步证实了青藏高原东北缘存在深部壳、 幔物质运移深层次的物质与能量的交换和动力作用, 即深部壳、 幔边界与上地幔物质和能量尚在进行强烈交换, 引起活动断层物质变迁和构造变形, 在地表产生相应的重力变化与地壳三维形变。

从深部构造和地球物理场特征看, 民乐-门源地区、 岷县-天水地区和天祝-武威地区既是莫霍面等深线急剧变化的地段, 又是活动地块边界带上的地震空区, 也是沿主断裂存在的异常低b值区。具有这些深部构造特征的区域, 往往具有孕育发生强震的背景(周民都, 2005; M7专项工作组, 2012)。地形变也显示出这3个地区存在一定的形变异常。目前, 民乐-门源地区和岷县-天水地区已分别发生2016年门源6.4级地震和2013年岷县漳县6.6级地震。因此, 天祝-武威地区值得关注。