引用本文
李铁明, 徐云马, 杨永林, 冯胜涛. 鲜水河断裂带地区重力场动态变化及其与5级以上地震的关系[J]. 地震地质, 2018,40(6): 1362-1379.
LI Tie-ming, XU Yun-ma, YANG Yong-lin, FENG Sheng-tao. STUDY ON DYNAMIC CHANGE OF GRAVITY FIELD IN XIANSHUIHE FAULT ZONE AND THEIR RELATION TO THE OCCURRENCE OF MS≥5.0 EARTHQUAKES [J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(6): 1362-1379.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.06.012
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鲜水河断裂带地区重力场动态变化及其与5级以上地震的关系
李铁明1), 徐云马2), 杨永林3), 冯胜涛4)
1)中国地震局地质研究所, 北京 100029
2)中国地震局第二监测中心, 西安 710054
3)四川省地震局测绘工程院, 雅安 625000
4)中国地震局第一监测中心, 天津 300180

〔作者简介〕李铁明, 男, 1961年生, 副研究员, 长期从事地壳形变测量与地震危险性分析研究, 电话: 010-62009165, E-mail: dzsltm@163.com。

收稿日期: 2018-03-20
基金项目: 国家自然科学基金(41374026)资助
摘要

文中系统整理并计算了1988年以来鲜水河断裂带地区流动重力复测资料, 参照以往震例研究总结提出的重力场变化异常指标, 分析了区域重力场时-空动态变化及其与测区内发生5级以上地震的关系, 进一步研究了区域重力场变化的时-空分布特征及其机理, 讨论了近期区域重力场动态变化的强震危险含义。结果表明: 1)流动重力测量具备了检测地壳运动与5级以上地震事件的能力; 2)1988年以来测区发生的13次5级以上地震中的8个地震与年际重力场变化有较为确定的对应关系, 可依据年际重力场变化确定前兆异常, 其中3个6级以上地震在异常图像发展3~4a后发生, 4个发生在无资料区的地震事件不能确定前兆异常; 3)测区重力场的1个明显特征是2004年以前区域重力场时空动态变化图像呈整体的南北贯通,且年度间为正、 负值交替变化, 其间所发生的5级以上地震不沿鲜水河断裂带分布。重力场变化值反映2004年以前存在2个相似的地壳物质移动波, 对应了研究区地震时空分布由强到弱的过程。2010年以后的图像变化为年度内的局部正、负值区域同时存在, 无年度间的正负交替变化现象, 其间5级以上地震基本发生在断裂带上。1988年以来测区重力场动态变化与地震分布符合印度板块NE向运动强、 弱分期的动力学模式, 可据此优化重力异常指标。根据文中的分析总结和近期重力场变化趋势, 提出磨西断裂北段区域具有中-长期强震危险性的初步结论。

关键词: 鲜水河断裂地区; 重力场变化; 重力异常指标; 动力学模式; 中-长期地震危险性
中图分类号:P315.72+6 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)06-1362-18
STUDY ON DYNAMIC CHANGE OF GRAVITY FIELD IN XIANSHUIHE FAULT ZONE AND THEIR RELATION TO THE OCCURRENCE OF MS≥5.0 EARTHQUAKES
LI Tie-ming1), XU Yun-ma2), YANG Yong-lin3), FENG Sheng-tao4)
1)Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)Second Crust Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi'an 710054, China
3)Survey Engineering Institute of Earthquake Administration of Sichuan Province, Ya’an 625000, China;
4)First Crust Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Tianjin 300180, China
Abstract

Xianshuihe Fault, a main strong earthquake activity belt in southwest China, begins from Ganzi in the northwest, passes through Luhuo, Daofu, and Kangding, and then extents along the Dadu River valley. The fault is divided into two parts at Shimian, one part turns to south and converses to Anninghe Fault extending further to south, the other part, continuing to extend to southeast, cutting through Xiaoxiangling and then changing to Daliangshan Faults in the north of the Yuexi Basin, has the length of about 400km. Since 1700AD, there have happened 22 earthquakes larger than magnitude 6.0 and 8 earthquakes larger than magnitude 7.0. In this paper, we systematically collated and computed the gravity repetition measurement data along the Xianshuihe fault zone since 1988, and by referring to the anomaly index of gravity field of the predecessor achievements, analyzed the spatial-temporal variation of the regional gravity field and the relation to the occurrence of ≥ MS5.0 earthquakes. The mechanism of the regional gravity changes is further studied, and also the implication of strong earthquake risk because of the dynamic variation of gravity field in the near future is discussed.The results show that: 1)The mobile gravity observation has the ability to detect crustal activity and MS≥5.0 earthquake events. 2)There is definite correspondence between interannual gravitational field change and the 8 earthquakes among the 13 MS≥5.0 earthquakes occurring in the surveying area since 1988, which can be determined according to the change of interannual gravitational field. Three M≥6.0 earthquakes occurred 3~4 years after the abnormal image was developed, 4 earthquakes that occurred in the region of no data available were not determined. 3)A significant feature of the spatial-temporal variation of the regional gravity is a north-south run-through image before 2004, and characterized by the alternatively positive or negative variation in different year, the earthquakes of MS≥5.0 occurring in this period were not distributed along the fault. Gravity variation magnitude indicates that there were two similar crustal material movement waves before 2004, corresponding to the course of earthquake space-time distribution from strong to weak in the study area. After 2010, the variation image shows that the local positive and negative zones are concurrent within a year, different from the image before 2004, and earthquakes of MS≥5.0 basically occurred on the fault. It is believed that the variation of gravity field since 1988 and the seismic distribution fit with the geodynamic mode of strong and weak stages of the northeast motion of Indian plate. According to the conclusion we can try to optimize gravity anomaly index. After the Kangding earthquake in 2014, the north segment of Moxi Fault was still subject to negative high value changes till 2017 and then the gravity variation was further developed to a four quadrant distribution image. Based on the analysis of this paper and the previous variation trend of gravity field, we believe that the north segment of Moxi Fault has the background of medium-long term, strong or large earthquake risk.

Keyword: Xianshuihe fault zone; variation of gravity field; gravity anomaly index; geodynamic model; medium-long term strong earthquake risk
0 引言

鲜水河断裂带位于青藏高原东南缘的川西北地区, 属川滇菱形块体的西北边界, 该断裂带构造活动强烈, 沿断裂带及其两侧区域破坏性地震频发, 是中国大地震重点监视区。

地表重力场动态变化主要由地表观测点的位置变化、 地表整体变形运动以及地球内部因构造块体变形运动导致的密度变化效应叠加引起, 包含了十分丰富的地球物质变动和地震活动信息。在强震发生前后, 区域应力场将产生显著变化, 从而改变地壳内物质的运移方式和途径, 使介质密度发生变化, 进而引起重力场在时间和空间上的转折变化(顾功叙等, 1997; 马瑾等, 2007)。因此, 通过定期进行流动重力重复观测, 有可能捕捉到与震源变化有关的重力前兆信息(Chen et al., 1979; 许厚泽, 2003; Imanishi et al., 2004)。国际上, 地球重力场动态变化图像也一直是地震监测预报研究的基本信息源之一, 重力时间变化的观测研究始于19世纪20年代, 地震前后确实观测到一些可信的重力变化, 如1964年日本新潟地震(Fujii, 1966); 1964年美国阿拉斯加地震(Barnes, 1966); 1965-1967年日本松代震群(Kissinger, 1975); 1968年新西兰因南格华地震(Hunt, 1979); 1971年美国费尔南多地震(Oliver et al., 1975); 中国1975年海城地震和1976年唐山地震(陈运泰等, 1980); 1996年云南丽江7.0级地震(申重阳等, 2003); 2008年新疆于田7.3级地震; 2008年四川汶川8.0级地震(申重阳等, 2009; Zhu et al., 2010; 祝意青等, 2013, 2015)等。目前, 重力观测在大地震的预测研究方面取得了大量有价值的研究成果。

为监测川西地区重力场时空动态变化特征及其与构造活动关系, 捕捉可能出现的地震前兆信息, 四川省地震局自1978年起在川西鲜水河断裂带地区建立了重力监测网(图1)。1987年开始采用高精度LCR-G型重力仪进行每年1期的流动重力测量。本文主要对1988年以来鲜水河断裂带地区时变重力场特征及其与区域内发生的13次5.0级及以上地震(表1)的相关性进行系统的计算分析, 旨在回答区域5级以上地震的重力场动态响应问题、 与前人根据震例总结的地震前兆指标的异同问题, 并进一步探讨地面重力变化与地壳运动及构造活动和强震孕育、发生的关系。本文的研究成果有助于该地区未来地震危险性的预测研究。

图1 鲜水河断裂带地区重力监测网Fig. 1 Map of gravity monitoring network in the area of Xianshuihe fault belt.

表1 1988年以来川西地区5级以上地震目录 Table1 The earthquakes(M≥ 5)in western Sichuan region since 1988
1 研究区概况及资料处理

本文的研究区位于鲜水河断裂带地区, 范围是鲜水河重力监测网(29° ~32° N, 100° ~103.5° E)(图1)。

1.1 资料情况与计算

1987-2009年, 因观测点位较少及复测点位的增减等原因(Zhu et al., 2010; 祝意青等, 2015, 2016), 部分时段重力场时空分辨率有所降低; 自2010年测网开始优化(祝意青等, 2015), 至2014年观测点位逐步增加, 组成了较完整的重力监测网, 2014年在康定和甘孜-炉霍区域又新增了11个加密观测点位, 填补了以往重力监测网的部分空白区(图1)。

1.2 重力观测资料的整体平差计算

由于2009年前后测网差异较大, 计算时对2009年以前的资料用拟稳平差处理(孙少安等, 1999; 李辉等, 2009), 变化量采用2期具有相同拟稳基准的计算结果, 年点值平均精度为1.5× 10-7m/s2; 对2010年以后的资料进行绝对基准处理, 变化量采用2期的绝对基准计算结果, 年点值平均精度为7.6× 10-8m/s2。资料的具体处理方法是: 1)在处理相对重力资料时, 对资料进行了固体潮、 气压、 一次项、 仪器高和周期误差等改正; 2)采用LGADJ程序进行拟稳平差, 以获得统一起算基准下的重力变化; 3)平差计算时, 先对多期重力观测资料计算结果进行整体分析, 初步了解各台仪器的观测精度后, 合理确定各台仪器的先验方差, 再重新进行平差计算, 以得到最佳合理解算结果(祝意青等, 2015, 2016); 4)利用统一基准解算的重力平差计算结果; 5)用Kriging对重力观测数据进行拟合推估, 以便突出显示构造活动因素的重力效应。

1.3 以地震时间为节点的年际重力变化

在重力图中取测点周围地理经纬度50'范围内插值作图, 无测点数据区域留白。2010年以后选择重复测点多的1期数据作图, 由于无测点数据区域很小, 因此不作留白处理。对于复测点位太少且无地震的部分年度图像不作分析, 尽量展示和分析发生地震的年份及相关时段的重力变化。多年来的重力场时空动态变化表明, 研究区重力变化比较剧烈, 波动性比较大, 剧烈活动时期年变化差异量最大可达1× 10-6m/s2(图2)。

图2 鲜水河断裂带地区年际尺度重力场动态变化图(单位: m/s2)Fig. 2 Maps of the interannual gravity changes in the area of Xianshuihe fault belt(Contours are in: m/s2).

2 鲜水河断裂带地区重力场演化特征

重力场差分动态变化有利于突出短期局部效应, 而累积动态变化有利于突出较长期或背景性效应。整体分析1988年以来的区域重力场变化幅度及其对地震的响应, 可初步确定将变化量> 7× 10-7m/s2 的重力值显著变化时段作为确定异常区的指标之一。

2.1 鲜水河断裂带地区年际重力场变化趋势特征

对1988年以来研究区获得的多期重力资料进行区域重力场动态变化分析如下:

(1)1988-1989年(图2a): 测区重力变化场大部分为正值区, 西北部为正高值区, 量值> 8× 10-7m/s2, 正高值区的走向近SN, 呈南北贯通图像。东南部的泸定、 天全、 石棉地区为弱负值区, 量值在-1× 10-7m/s2 左右, 弱负值区的走向与磨西断裂平行。康定区域有一近SN走向的正负变化梯度带, 但量值较小。此时段理塘5.2级地震震中位于无资料区, 但与其接壤的东北区域处于正高值区, 量值达7× 10-7m/s2, 而小金北发生的5.0级地震震中则处于正值区, 量值为5× 10-7m/s2, 为高值向低值过渡的区域。

(2)1989-1990年(图2b): 重复测点较少, 道孚以南的图像几乎与上时段完全相反, 转变为负值区。自西向东全区重力场呈现有序性的变化趋势, 由最高负值到高负值到零值, 经过102° E后逐渐转为弱正值, 量值在2× 10-7~3× 10-7m/s2, 重力变化等值线走向近SN贯通。在测区的北部和南部分别发生小金北6.5级和石棉5.0级地震, 小金北6.5级地震发生在震前无复测资料区域, 故难以分析。 根据上述2个时段重力场动态变化图像, 推测上一时段(0.5a前)6.5级地震震中附近发生的小金北5.0级地震事件有促进、 触发6.5级强震的可能。石棉5.0级地震处于重力变化场由负值变为正值的弱变化零值线附近。上述2个时段如此显著的重力场变化图像应是北、 南4个地震孕育、发生的反映, 也是鲜水河断裂带地区强烈地壳运动的结果。

(3)1990-1991年(图2c): 复测点位较少, 资料完整性较差, 现有资料区又整体转为弱重力变化, 变化图像较为平缓, 无高梯度带和区域高值异常存在。本时段马尔康南发生5.2级地震, 震中临近上时段小金北6.5级地震区, 但震中区震前无复测资料, 故不能给出本次地震孕育发生的重力变化反映。

上述3个时段中, 1988-1989年、 1989-1990年时段区域重力场变化剧烈, 出现了整体性(南北贯通)的重力变化高正、 高负值区, 且2时段完全反向。而1990-1991年时段区域重力场无显著变化, 呈现出较平缓的重力变化图像, 与前2个时段形成了鲜明的对比, 应是不同时期区域地壳运动强弱的反映。而前2个时段与后1个时段的显著差异与区域地震活动性明显相关, 如前2个时段有4次地震事件发生, 最大为6.5级强震, 而后1个时段只有1次5.2级地震发生。这也证明了鲜水河断裂带区域流动重力测量资料具备了检测地壳运动和地震事件的能力。

(4)1991-1998年: 重复测点太少, 资料不完整, 且全区无5级以上地震发生, 故不作具体分析。

(5)1999-2000年(图2d): 测区基本处于重力变化高负值区的背景, 存在1条与鲜水河断裂西南区域走向一致的负值带, 量值为-6× 10-7~-9× 10-7m/s2, 还有1条几乎与康定 “ 分岔” 断裂带区垂直相交的高负值带, 绝对值最大为7× 10-7m/s2, 在2个高负值带交会区的雅江以南为一显著的局部高负值区, 绝对值最大为9× 10-7m/s2。康定区域也是高负值区, 量值达-7× 10-8m/s2, 且康定到雅江地区存在1个近似的四象限分布图形, 根据区域变化图像分析, 认为是2001年雅江5.0、 6.0级(成组)地震的重力前兆异常(见2000-2001年时段图)。测区东南角的汉源-石棉地区为弱正值区。

(6)2000-2001年(图2e): 现有资料显示的重力场变化相对上一时段完全反向, 雅江区域及跨过无资料区后的测区大部分转为显著的正高值区, 且南北贯通, 最大值> 1× 10-6m/s2。而测区东南部的汉源-石棉一带则转为弱负值区。雅江南5.0和6.0级2次地震震中位于高值区边缘, 为上一时段的高负值转为正高值的区域, 较明确地反映了这2次地震的孕育、 发生及恢复过程。康定以南断裂带SE段形成重力变化高梯度带。分析认为有2个主要因素导致了如此强烈变化的区域重力场: 1)雅江南5.0和6.0级成组地震的孕育发生; 2)区域地壳运动加强阶段的反映。

(7)2001-2002年(图2f): 本时段的重力变化又呈现了与上一时段完全相反的变化图像, 而与前期1999-2000年时段部分相似。重力变化大致以102° E为界分为负、 正2个区域, 西部由北向南的新龙北-雅江-九龙一线为高负值带, 其中炉霍位于高负值区域, 绝对值> 9× 10-7m/s2, 在道孚至乾宁断裂区中部存在另一局部高负值区域, 绝对值> 9× 10-7m/s2。跨过零值线在康定断裂与磨西断裂交会区形成正负变化的高梯度带, 其东侧泸定区域有一局部正高值区, 量值> 9× 10-7m/s2, 本时段无地震发生。

(8)2002-2003年(图2g): 测区整体变化图像又与上时段相反, 但变化量值无上时段强烈, 为-2× 10-7~5× 10-7m/s2, 相对较为平缓。此时段重力变化依然大致以102° E为界正、 负分异, 西部为正值区, 东部为负值区。沿鲜水河断裂带在康定地区分界, 西部为正值区, 向W逐渐增大。康定地区往东, 康定断裂南东段到磨西断裂北段基本与零值线走向重合。上时段位于泸定地区的正高值区转为弱负值区, 绝对值是2× 10-7m/s2。本时段在新龙西发生5.3级地震, 震中东侧重力变化场由上时段的高负值区转为正值区, 为负值向正值的转换区。综合分析1999-2000年、 2000-2001年、 2001-2002年和2002-2003年时段重力场变化可知, 测区重力场呈明显的东西交替变化特征, 反映了区域地壳运动进入活跃期, 以康定地区为界, 分区活动性很明显, 推测是汶川大地震前能量积累过程的响应。而下一个时段, 即2003-2004年(图2h), 尽管测点较少, 但现有图像仍与上一期完全反向, 为整体的高负值期, 绝对值自东向西逐渐增大, 且呈现跨越断裂带的南北贯通变化图像, 是震后调整和区域整体地壳强烈运动的反映。

(9)2004-2009年: 各时段因重复测点较少, 且研究区无5级以上地震发生, 故不作分析。

(10)2010-2011年(图2i): 测区整体重力变化图像中, 沿鲜水河断裂带自北向南, 北段为高正值, 中段为弱正值, 其中有3个零值区, 南段出现高梯度带, 反映了断裂带的分段活动性。详细图像显示在炉霍有1个显著的高正值区, 量值> 7× 10-7m/s2。本时段发生的道孚5.0级地震震中位于重力变化零值线区域, 另一显著变化是重力场在龙门山断裂南段存在1个阶跃变化, 北侧为3× 10-7m/s2, 跨过断裂后增大到6× 10-7m/s2, 应与2013年芦山7.0地震的孕育相关。磨西断裂区域为重力正值变化区, 形成1个与断裂走向近乎一致的重力变化梯度带, 而其北段存在1个小范围的零值区。测区南部的九龙为一小范围的负值区, 量值为-5× 10-7m/s2。

(11)2011-2012年(图2j): 鲜水河断裂带基本处于重力变化负值区, 与上时段相比断裂北段转变为零到负值区, 量值为-4× 10-7m/s2~0, 南部重力变化在磨西断裂区域和荥经南形成1条正、 负变化的高梯度带, 其西部走向接近磨西断裂, 重力变化量值为8× 10-7~9× 10-7m/s2, 零值线位于磨西断裂中部。此时段宝兴-芦山-雅安区域重力变化由正值转为负值。1个明显的现象是上一时段的炉霍高正值区在本时段转变为零到负值, 其间在零值线附近发生了2011年炉霍5.4级地震。2014年康定6.3级地震区由上一期的正值区转为1个明显的局部负值区, 量值为-7× 10-7~-5× 10-7m/s2。

(12)2012-2013年(图2k): 图像中显示测区的东南部在上一时段呈现的重力正、 负变化高梯度带依然存在, 磨西断裂区域的高梯度带走向逐渐与断裂带走向趋于一致, 差值已增大到6× 10-7m/s2, 但磨西断裂北段仍然处于负值区, 量值为-4× 10-7~-3× 10-7m/s2。从大区域图像看鲜水河断裂带仍均处于负值区, 康定地区依然处于高负值区内, 存在一局部高负值区, 绝对值为8× 10-7m/s2, 初显了2014年康定6.3级地震孕育的迹象。东部宝兴-芦山-雅安区域由上一时段的负值区又转为局部高正值区, 量值为3× 10-7~4× 10-7m/s2, 这种局部重力变化场正-负-正的频繁转换反映了断裂带的强烈活动, 可视为2013芦山7.0级地震的异常重力变化。本时段另1个显著变化是测区西南部的理塘-雅江东南区域发展为高负值, 绝对值是1× 10-6m/s2。

(13)2013-2014年(图2l): 测区重力场整体变化呈北部平缓、 南部强烈的复杂图像。沿磨西断裂的重力变化高梯度带依然存在, 但在该断裂北段中部发生了明显的NE向转折, 最大变化量值在8× 10-7m/s2 左右, 磨西断裂北段仍然处于高负值区, 但量值已增大, 绝对值是7× 10-7m/s2。值得注意的是康定区域自西向东出现负值减弱并向正值转化的趋势性变化, 分析认为应是2014年康定6.3级地震震前的重力异常, 即临震重力值反向变化直至发震。东部芦山区域的重力正值减弱, 芦山7.0级地震区形成1个局部正值区, 量值为4× 10-7~5× 10-7m/s2, 可视为震后调整效应。

(14)2014-2015年(图2m): 测区大部分为正值, 东部的龙门山断裂带北、 南区域为一弱负值带, 芦山7.0级地震震中区由上时段的局部正值转为局部负值区, 说明震后调整的作用依然存在。本时段变化显著的是荥经-石棉至磨西断裂中北段区域的高梯度带完全消失, 已转变为重力变化正值区, 磨西断裂北段量值为1× 10-7~5× 10-7m/s2, 应是受康定地震发生过程的影响。康定地震震中区已由前期重力变化负值区的绝对值减小快速转变为本时段呈现的正值区, 且震中区最高值达到5× 10-7~6× 10-7m/s2, 是康定地震的同震扰动和震后调整的结果, 而重力值如此强烈的持续恢复调整可能对周邻地区未来强震的发生有促进作用(祝意青等, 2015)。

(15)2015-2016年(图2n): 图中与上时段明显的差异是康定地震震中区转为大面积的负值区, 并在震中附近形成局部高负值区域, 表明康定地震震后调整的作用依然存在。此时段沿磨西断裂带的重力变化高梯度带消失后, 随之而来的变化是磨西断裂区域又转变为负值区, 且从南向北绝对值逐渐增大, 北端仍为最大值, 绝对值> 5× 10-7m/s2, 我们认为在康定地震同震扰动对本区的影响基本结束的情况下, 磨西断裂又开始延续着自2011年以来的重力动态变化趋势, 应是继承性构造活动的反映。说明2014年康定地震在一定程度上迫使区域重力场大幅波动, 但并未改变该区域整体变化趋势。西南区域重力变化较为平缓, 无重力变化高梯度带和局部高值区。

(16)2016-2017年(图2o): 测区东北部依然为负值区, 西南部的雅江地区形成一局部负值区, 其西部的理塘-稻城转为高正值区。此时段鲜水河断裂带基本处于正值区, 北段的炉霍区为零到弱正值, 道孚-康定发展为正值区域, 有3个显著的局部高正值区域, 我们关注的磨西断裂北段由上时段的高负值区转为零值, 且以此为中心形成了1个近似的四象限分布图像, 联系上个时段变化图像, 认为应是震前异常的进一步发展。

分析总结1988年以来的15张年际重力变化图像, 除上述年际重力场变化趋势特征外, 研究区还存在另一明显的重力场变化现象: 1)2004年以前, 各年度重力变化图像似乎与鲜水河断裂带无关, 为区域性南北贯通的整体变化, 且为规律性的年度正、 负交替变化, 此时段沿鲜水河断裂带无地震发生; 2)2010年以后, 无前时段特征, 年际重力变化图像为年度内的正负变化同时存在, 可能与鲜水河断裂带活动相关, 此时段的地震基本沿断裂带分布。

2.2 区域重力场动态变化的动力学机制分析

研究区现今地壳运动动力主要来源于印度板块和欧亚板块的碰撞作用, 研究区重力动态变化和地震事件是青藏高原碰撞带东南缘推挤活动造成川西地区地壳物质SSE向移动和区域构造变动响应的结果。但印度板块对青藏高原碰撞作用的大小和性质在不同地段、 不同时期存在差异, 说明印度板块对中国大陆的碰撞作用并非稳定(李辉等, 2009), 即: 1)印度板块NE向的推挤力存在加强和减弱期; 2)受此影响青藏高原东南部地壳物质的SSE向移动也是分时期的强、 弱运动。

根据印度板块NE向运动强、 弱分期的动力学模式分析测区重力场可知, 2004年以前尽管部分时段测点较少, 但从现有图像也可发现年度重力变化为区域性1a尺度的南北贯通正、 负交替图像, 是加强期的反映, 此时期以区域性地块运动为主, 各时段年际南北贯通的重力场正、 负交替变化是研究区地壳物质SSE向运移、 以地下物质致密作用为主的时期, 受到稳定的华南地块的阻挡后反向。在这种作用与反作用力的共同影响下, 测区内发生的地震比较分散, 在某些区域(地块)造成地壳密度的增、 减变化, 形成重力变化局部高正、 负值区, 以致应力应变集中, 发生地震。此时期引起重力场变化的孕震模式比较符合形变和质量迁移模式(陈运泰等, 1980)。测区东部巴颜喀喇地块的SSE向整体运移受到龙门山断裂带的阻挡, 并在此积累应变能, 导致2008年汶川8.0级特大地震的发生。进一步分析2004年以前的重力变化量值可知, 1988-1989年重力变化从NW部的最大值开始向SE部逐渐减为弱正, 是地壳物质SSE向移动较强时段的反映, 与之相对应的是测区北部和西部的2个地震。1989-1990年重力变化最大值依然在NW部, 但已转为高负值, 绝对值是8× 10-7m/s2, 反映了地壳物质SSE向移动后的扩张和震后调整。小金北6.5级地震不在测区内, 但根据测区重力变化量值如此显著的特征, 认为6.5级强震的孕育和发生应是重力变化正、 负转换的产物。1990-1991年测区重力场进一步减为最弱, 测区外围北部发生1个5.2级地震, 1991-1992年重力变化又转为负值, 但无地震发生, 标志着物质SSE向移动完成了1个移动波。

1999-2000年之前无资料, 之后时段的重力变化由NW部的最大负值开始, 变化图像与上1个移动波几乎一致, 即2000-2001年NW部的最大值区域发生了6.0、 5.0级成组强震, 之后转为2001-2002年的高负值到2002-2003年的弱正值, 在其附近无资料区域发生新龙5.0级地震, 2003-2004年NW部转为高负值, 无地震发生。长期的重力场变化图像较为精细地反映了2个周期性的地壳物质运移及伴生的地震过程, 即地壳物质强烈移动导致重力场高量值变化对应地震时空分布由强到弱的特征。而第2个周期重力变化量值更大, 应是测区东部汶川8.0级大震孕育的初期响应。

2010年以来每个时段内重力场变化基本为正、 负相间的图像, 时段之间已无明显的正、 负交替变化现象及南北贯通的变化图像, 基本呈沿断裂带分异的变化图像, 这标志着印度板块NE向强烈运动期结束后弱活动期的开始, 即川滇地块SSE向移动减弱后的断裂带活动的反映, 其作用是使地块整体运动后通过断裂带活动进行调节使之趋于自身均衡状态, 在均衡力作用下地壳物质向某一方向运动达到一定程度后, 将出现恢复 “ 回弹” 现象, 此时段断裂带活动增强, 表现出地震沿断裂带分布的特征。这种现象说明主要断裂带受力活动迹象明显, 沿断裂带的重力变化局部高正、 负值区反映了应力应变集中, 直至发生地震。此时期引起重力场变化的孕震发震模式比较符合位错模式(Okubo, 1992)。

分析2010年后重力场演化及量值可知, 2010-2011年沿鲜水河断裂带呈NW部高正值为7× 10-7m/s2、 中部零值附近、 SE部梯度带上, 发生道孚5.0级地震。2011-2012年沿断裂带NW到SE的重力变化由弱负转为弱正, 再转为康定区域的高负值, 绝对值> 7× 10-7m/s2, 之后转为弱梯度带, 随后发生炉霍5.4级地震。2012-2013年负值区向S移, 在断裂带SW形成高负值区, 绝对值是9× 10-7m/s2, 高负值区到康定区域扩展跨过断裂带。2013-2014年负值区略向东部移动, 但停留在康定区域, 此时段发生了芦山7.0级强震。2014-2015年康定区域的重力场出现剧烈变化, 由高负值-7× 10-7m/s2 转为高正值7× 10-7m/s2, 此时段发生康定6.3、 5.8级成组地震。2015-2016年测区重力变化高负、 弱正相间分布, 磨西断裂北段又转为高负值区。2016-2017年沿鲜水河断裂带重力变化转为正值, 以磨西断裂北段为中心形成了1个四象限分布图像。可见, 2010年后测区重力变化主要表现为沿断裂带区的正负演化, 是物质移动弱期以断裂带活动为主的均衡运动的反映。

3 区域重力场演化与地震

流动重力测量反映的是区域重力场的非潮汐变化信息, 地壳内部的物质迁移、 地壳构造和地震的形成过程等都可以在流动重力复测结果中反映出来。研究重力场的时空动态演化特征可为探讨现今的地壳构造与强震孕育、 发生的相互联系提供一定的根据(Chen et al., 1979; Kuo et al., 1999; Imanishi et al., 2004)。因此, 系统而深入地研究区域重力场的动态演化特征, 有利于地震预测研究的探索。

3.1 重力前兆异常与地震

以往的震例研究提出了几项重力前兆表现及地震危险区的重力变化特征, 并据此对近几a的数次中强地震进行了较为成功的中短期预测(申重阳等, 2009; Zhu et al., 2010; 祝意青等, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017), 其中包括: 1)出现区域性重力异常及重力变化高梯度带; 2)正、 负异常区过渡的高梯度带上; 3)重力高梯度带拐弯、 交会部位; 4)重力场反向恢复变化; 5)与断裂走向基本一致的重力变化高梯度带、 零值线。本文根据年际重力场动态图像(图2), 参照以上5项重力前兆指标, 从预测的角度讨论重力场异常图像演化及其与相应时段有无地震发生的确定性对应关系, 并基于讨论结果对未来研究区内的地震危险性进行初步分析。

(1)1988-1989年, 此时段研究区重力场变化显示: 雅江有1个局部高值区, 量值为7× 10-7m/s2, 但无地震发生; 道孚-新龙为1个高值区, 量值达1× 10-6m/s2, 在其南部100km的理塘发生5.2级地震; 金川西南为1个局部高正值区, 量值为9× 10-7m/s2, 在其东侧80km处发生小金北5.0级地震。这2次地震发生在局部高值区边缘, 上述3个异常区中有2个比较符合异常变化指标, 但所对应的地震震中位置有偏差。

(2)1989-1990年, 测区西部道孚-雅江-九龙呈南北贯通的高负值异常区, 绝对值是1× 10-6m/s2, 位于上个时段理塘5.2级地震区东侧, 本时段转为高负值, 应是震后的调整效应所致。东部为南北贯通的零值线, 但小金北6.5级地震区无资料, 不能确定为异常变化。石棉5.0级地震发生在重力变化梯度带拐弯、 由弱负转为弱正的零值线附近, 可部分确定为震前异常变化。

(3)1990-1991年, 测区重力场整体平缓, 无局部高值区、 异常区。本时段马尔康南发生5.2级地震, 但震中无测点, 不能确定异常区域。

(4)1991-1999年, 复测点少, 且测区无地震发生, 故不作分析。

(5)1999-2000年, 测区无地震发生, 雅江南为高负值异常区, 绝对值是9× 10-7m/s2。康定区为高负值异常区, 绝对值是7× 10-7m/s2, 无地震发生。如考虑重力场呈现的南北贯通的变化图像, 那么区域地壳运动应是以块体活动为主的时期, 这2个高值区就与异常指标有相关性, 但无前时段的变化图像, 难以确定是否为前兆异常。

(6)2000-2001年, 本时段在重力变化高正值区发生雅江南5.0、 6.0级(成组)地震, 为上一期的高负值异常区转高正值, 可确定为地震前的异常变化。康定-石棉为一重力变化高梯度带, 差值达1× 10-7m/s2, 无地震发生, 根据高梯度带的弯曲走向考虑应为危险区, 但贯通的重力变化图像反映的是以块体运动为主的时期, 可考虑确定为非异常变化。

(7)2001-2002年, 测区西部由上时段高正值转为本时段南北贯通的高负值区, 绝对值是9× 10-7m/s2, 可确定为异常区, 但无地震发生。康定-泸定为高梯度带, 泸定存在1个局部高正值区, 量值达8× 10-7m/s2, 无地震发生。呈现的贯通图像反映的是以块体运动为主的时期, 若从这点考虑, 则断裂带上发生地震的可能性小, 可确定为非异常变化。

(8)2002-2003年, 测区重力变化较平缓, 西部上时段-9× 10-7m/s2 的高负值区转为5× 10-7m/s2, 此时段发生的新龙5.3级地震震中位于有资料区域的边缘, 据此分析认为新龙5.2级地震基本与该异常对应。

(9)2004-2009年, 鲜水河断裂地区无地震发生, 此时段重复观测点较少, 故不作分析。

(10)2010-2011年, 炉霍区域为高正值, 量值达9× 10-7m/s2, 乾宁区域在重力变化零值线处发生了5.0级地震, 考虑本时期测区重力场无整体南北贯通的图像, 区域地壳运动是以断裂带活动为主的时期, 上述2项变化符合异常指标, 但无前期资料难以确定为异常区。雅安地区重力变化为正值, 量值为6× 10-7m/s2, 属正常变化范围。

(11)2011-2012年, 在炉霍区域上时段出现的高正值区转为零值区处发生炉霍5.4级地震, 符合重力变化异常指标。乾宁-康定区域在上时段发生的5.0级地震震中区转为高负值区, 说明存在震后调整效应, 不符合异常指标。石棉磨西断裂区域形成1个高梯度带, 应根据其进一步的发展变化再作分析。

(12)2012-2013年, 乾宁-康定地区局部高负值区依然存在, 绝对值是8× 10-7m/s2, 且高值区略S移到康定断裂, 但无转向变化, 应跟踪其进一步发展。磨西断裂区域的高梯度带进一步发展, 差值在1× 10-7m/s2 以上, 已符合重力异常指标, 但无地震发生。芦山7.0地震区的3个时段变化图像为正值转为零值再转为局部正值, 但与鲜水河断裂地区的重力变化有区别, 变化量值相对较小, 因此预测震中靠近康定(祝意青等, 2013, 2015), 但还应考虑汶川8.0级地震对后续地震孕育与发生的促进作用, 重力变化符合异常指标, 且发生了地震。

(13)2013-2014年, 康定区域由上2时段的高负值反向恢复到近零值, 这样的反向变化符合异常指标, 但无地震发生。磨西断裂北段的高负值区及其南部的石棉高梯度带, 绝对值> 7× 10-7m/s2, 已持续发展了3a, 但图像无转向变化, 也无地震发生。本时段测区东部芦山7.0级地震区为高正值区, 说明震后效应对本区有一定影响。

(14)2014-2015年, 测区西部的新龙南北为1个局部高正值区, 考虑本时期地壳运动以断裂带活动为主, 认为不符合重力变化异常指标。测区西南部的稻城附近为小高负值区域, 绝对值是8× 10-7m/s2, 处于无断裂区, 不符合异常指标。康定局部出现高正值区, 量值为7× 10-7m/s2, 此时段内发生6.3级地震, 震区附近在3a内由高负值转为零值再转高正值, 符合重力变化异常指标, 且发生地震。

(15)2015-2016年, 炉霍西北区域为高负值, 绝对值是9× 10-7m/s2, 为零值转高负值变化。自2011年炉霍5.4级地震后该地区重力变化持续为正值, 而在本时段转为负值, 符合异常指标, 但无地震发生。稻城区域由上一期的高负值转为零值, 该区域无断裂带对应, 不能确定为异常变化区。小金-丹巴区域呈局部高负值区, 绝对值是8× 10-7m/s2, 为零值转为高负值异常区, 但无断裂对应, 不能确定为异常变化区。康定-泸定-磨西断裂北端区域呈高负值, 绝对值是6× 10-7m/s2, 但无地震发生, 应与上时段康定地震的影响有关。值得注意的是此时段磨西断裂北端又转为负值区, 应继续跟踪监测其发展。

(16)2016-2017年, 测区SW、 NE存在2个重力变化高正、 负值区和雅江局部高负值区, 从前述的区域地壳为 “ 强、 弱分期的运动模式” 分析, 可不将2个高值区域考虑为异常变化区。炉霍西北区域呈现由正到负再到零值的演化是符合异常指标的, 但无地震发生。道孚-康定由上时段负值转为正值, 存在3个局部高值区, 量值达8× 10-7m/s2, 考虑2014年已发生了康定6.3级地震, 该变化应是重力场变化的初步发展阶段, 可考虑为非异常变化。磨西断裂北段由负值区进一步发展为四象限分布图像, 为异常图像的进一步发展阶段, 符合异常指标, 但无地震发生, 应重点跟踪监测其变化发展。

3.2 总结

由以上测区重力场变化与地震的相关性分析可见, 8个地震与年际重力场异常变化有较为确定的对应关系, 其中3个6级以上地震在异常图像发展3~4a后发生, 而4个发生在无资料区的地震事件不能确定其震前异常变化。在可分析(有资料)的震例之前, 震中区域重力变化特征为: 区域重力场变化存在局部高值区域; 重力场发生反向变化; 重力变化形成高梯度带及拐弯; 震前重力变化高值区的定向发展迁移; 震后的恢复调整作用对后续区域重力场异常区的形成和发展影响较弱。

根据震前区域重力变化特征及前述5个判定异常的指标, 结合本测区特点可知, 2004年前的年度间正、 负交替和南北贯通的重力变化图像似乎不受断裂带控制, 且地震也基本不沿鲜水河断裂带分布; 2010年后测区内重力场为年度内的分区局部变化, 且地震沿断裂带分布。若以上文提出的 “ 强、 弱分期动力学模式” 区分, 那么之前的地震危险区主要为活动地块区域; 之后的地震危险区沿断裂带分布。这样就可以优化重力异常指标与地震危险性的判别特征, 即前期应重点关注活动地块区域, 后期应重点关注断裂带附近。通过以上震例分析认为, 本区孕震时长为: 5~6级1~2a, 6级以上3~4a。通过以上分析可见, 尽管资料的重要性不言而喻, 但主要难点在异常发展时长的分析和确定, 这关系到震级和发震时间的判定。

3.3 近期重力场变化与地震危险性分析

1988-2004年重力场为年度内的整体贯通图像特征, 且为年度间的正、 负交替变化, 似乎不受断裂带控制, 断裂带上也无地震发生。2010-2017年研究区重力场则无2004年以前呈现的年度内南北贯通和年度间交替变化的图像, 变为年度内的分区局部变化, 应是断裂带活动增强期的反映。本时段发生的5级以上地震事件共同点是均沿断裂带发震, 且都在重力场反向变化的零值或高值区域, 只是持续时间不同。2011年开始出现的石棉-磨西断裂北段高梯度带持续了3a, 至康定地震发生后消失, 该区域重力变化转为零值到弱正值, 为康定地震对区域重力场的扰动效应。但康定地震后的2015-2016年时段磨西断裂北段又变为高负值区, 在2016-2017年时段又进一步发展为四象限分布图像。根据前文总结的 “ 强、 弱分期动力学模式” 和异常发展时长的综合分析认为, 磨西断裂北段区域较为符合震前区域重力场异常指标, 该区域具有中-长期强震发生的可能。

4 结语

对于以多震、 强震为特征的鲜水河断裂地区, 重力异常变化明显, 幅度大、 速度快、 升降转换周期短, 反映出鲜水河断裂地区重力场变化是复杂多变的。

(1)根据区域重力场变化幅度及其与区内5.0级及以上地震事件的相关性分析, 本文初步给出鲜水河断裂区重力变化显著时段的重力变化值为≥ 7× 10-7m/s2。

(2)根据测区重力场变化和5.0级及以上地震事件的分布可见, “ 强、 弱分期动力学模式” 明显存在, 据此可时段性重点关注未来强震危险区域。

(3)本区域与前人研究总结的震前重力异常指标存在一定的差异, 以往5个指标中在本区较为集中出现的是重力变化局部高值区、 反向恢复变化过程中、 高梯度带, 而明确的重力场四象限分布图像则较少。

(4)利用流动重力观测资料研究区域地震危险性, 与用于地震监测预报的现今地壳运动和地震断层活动等地壳形变指标相比更具有优越性, 现今地壳形变受上1次大地震的影响太过明显, 且震后恢复时间较长, 难以区分构造形变与震后形变, 因此, 目前还难以明确地震过程和震后恢复与地壳和断裂带继承性运动的差异, 如正反向运动、 二者运动的叠加, 即浅层过程与地震发生的深层过程并不匹配, 其结果是根据地壳运动指标和量值难以较为可靠地确定应力应变集中区和量值, 也难以作为地震三要素的判定依据。而流动重力观测主要反映的是深部地下流体(物质)运移与变迁的信息, 因此干扰较少, 资料可信度较高。本文的研究结果表明, 尽管震后调整有的一定影响, 但上1次地震后仍能够分辨出较大空间尺度的与地震孕育有关的重力场动态演化基本特征, 能够捕捉地震孕育的中期时间尺度(1~4a)的前兆信息。

(5)重力测量作为地震预测研究的学科, 其研究能力在很大程度上取决于观测资料的丰富程度。区域重力场演化及其与地震活动关系的研究能力, 实际上也是取决于监测能力。应进一步完善观测网, 增加绝对重力测量。对重点区域进行时空加密观测, 有利于跟踪短临前兆异常, 特别是强震地点的划定及重力观测与其他方法相结合的研究, 如获取区域累积库伦破裂应力等。地震预报研究发展的方向应当是由统计和经验预报过渡到物理预报, 或两者的联合应用。

需要说明的是, 本文所使用的1988-2009年时段的重力测量资料, 由于缺乏绝对重力基准, 变化值的精度有所降低, 这也是个别地震事件难以确定资料异常变化的主要原因之一。此外, 本文研究的区域仅仅是鲜水河断裂带区域, 由于地质构造和地震活动的复杂性, 其它地区是否有同样的规律, 尚需扩大研究范围, 进一步研究论证。

致谢 在本文资料的计算分析和撰写过程中, 与中国地震局地震研究所申重阳研究员进行过多次有益的讨论, 审稿专家提出了建设性意见, 在此一并表示感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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