引用本文
陈兆辉, 孟小红, 张双喜, 刘金钊, 王同庆, 张品, 韦少港. 青藏高原东南缘多尺度重力场变化特征及孕震机理分析[J]. 地震地质, 2019,41(3): 690-703.
CHEN Zhao-hui, MENG Xiao-hong, ZHANG Shuang-xi, LIU Jin-zhao, WANG Tong-qing, ZHANG Pin, WEI Shao-gang. CHARACTERISTICS OF MULTI-SCALE GRAVITY FIELD VARIATION AND SEISMOGENIC MECHANISM ANALYSIS IN THE SOUTHEASTERN TIBETAN PLATEAU[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(3): 690-703.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.03.010
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青藏高原东南缘多尺度重力场变化特征及孕震机理分析
陈兆辉1), 孟小红2), 张双喜1), 刘金钊1), 王同庆1), 张品1), 韦少港1)
1)中国地震局第一监测中心, 天津 300180
2)中国地质大学(北京), 地球物理与信息技术学院, 北京 100083;

〔作者简介〕 陈兆辉, 男, 1988年生, 2014年于中国地质大学(北京)获地质工程专业硕士学位, 工程师, 主要从事地震重力数据处理和地球深部构造研究, E-mail: czh_cea@163.com。

收稿日期: 2018-07-24
基金项目: 国家自然科学基金(41704084)、 中国地震局震情跟踪课题(2018010209, 2018020201)和中国地震局“监测、 预报、 科研”三结合课题(CEA-JC/3JH-173701)共同资助
摘要

文中基于青藏高原东南缘2013—2016年的流动重力观测资料, 获得了鲁甸和景谷地震前后不同时间尺度下区域重力场的动态演化趋势和异常特征, 利用小波多尺度分解分析重力场变化与构造运动、 物质密度变迁和强震孕育的关系和规律, 对青藏高原东南缘深部物质变化、 动力学过程及地震孕育机理进行了探讨。 结果表明: 1)鲁甸、 景谷震前震源区重力场变化呈现与断裂构造走向一致的剧烈正、 负异常过渡带和梯度带特征, 显示了孕震期间震源区强烈的地壳运动和深部物质变化过程; 2)2013年9月—2014年4月重力场变化的小波多尺度分解结果显示, 青藏高原东南缘地壳、 上地幔不同深度和尺度的重力场变化与地震分布及活动断裂带位置相关性显著, 表明研究区地震孕育与断裂运动以及地壳、 上地幔内物质密度分布变化关系密切, 可能受地壳、 上地幔物质运移的复杂深部动力学过程影响; 3)基于青藏高原东南缘地壳、 上地幔物质运移的动力学过程, 对强震多发生在重力场变化的正、 负异常过渡带和梯度带附近的特征进行了初步的解释。 文中的研究结果对地球构造运动、 地震机理研究具有一定的参考价值。

关键词: 流动重力; 重力场变化; 青藏高原东南缘; 南北地震带; 孕震机理
中图分类号:P315.72+6 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)03-0690-14
CHARACTERISTICS OF MULTI-SCALE GRAVITY FIELD VARIATION AND SEISMOGENIC MECHANISM ANALYSIS IN THE SOUTHEASTERN TIBETAN PLATEAU
CHEN Zhao-hui1), MENG Xiao-hong2), ZHANG Shuang-xi1), LIU Jin-zhao1), WANG Tong-qing1), ZHANG Pin1), WEI Shao-gang1)
1)The First Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Tianjin 300180, China
2)School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract

As the most basic geophysical field, the earth gravity field has achieved wide attention, and its spatial anomaly characteristics and dynamic variation can provide important scientific basis for studying the internal structure and dynamics of the Earth. Based on the mobile gravity observation data of the southeastern Tibetan plateau from 2013 to 2016, the dynamic variation tendency and anomaly characteristics of the regional gravity field in different temporal resolutions are obtained before and after the Ludian and Jinggu earthquakes in the study area respectively. The method of wavelet multi-scale decomposition is used to analyze the relationships of gravity field variation with the earth movement, material density change, and strong earthquake preparation. The deep material variation, dynamic process and the mechanism of earthquake inoculation in the southeastern Tibetan plateau are further discussed. Results indicate that the gravity field variation in the source region before the Ludian and Jinggu earthquake respectively is characterized by obvious positive and negative anomalous transition zone and gradient zone that are consistent with the direction of fault tectonics, suggesting the strong crustal movement and mass migration during the earthquake incubation period. The result of wavelet multi-scale decomposition of the gravity field during the period from September 2013 to April 2014 shows that the gravity field variation at different depth and space scale in the crust and upper mantle of the southeastern Tibetan plateau is significantly correlated with seismic distribution and the location of active fault zone. This indicates that the earthquake inoculation in the study area is closely related to the fault movement and the distribution of material density in the crust and upper mantle, which may be affected by the complex deep dynamic process of the material migration in the crust and mantle. The characteristic that strong earthquakes always occur near positive and negative anomaly transition zones and gradient zones of gravity field change is preliminarily explained, based on the dynamic process of material migration in the crust and upper mantle of the southeastern Tibetan plateau. The research results of this paper have some reference value to the study on the earth movement and seismogenic mechanism.

Keyword: mobile gravity; gravity field variation; southeastern Tibetan plateau; North-south seismic belt; seismogenic mechanism
0 引言

青藏高原东南缘的构造活动与印度板块和欧亚板块的强烈碰撞密切相关, 是地球科学研究的热点地区, 在中国大陆构造演化和地球动力学研究中占有重要地位。 始新世印度板块与欧亚板块的挤压碰撞, 造成青藏高原地壳SN向缩短与高原物质侧向挤出, 导致青藏高原东南缘强烈的地壳变形和构造运动(Housman et al., 1993), 并孕育了大量的强震和活动断裂, 如澜沧江断裂、 红河断裂、 大凉山断裂、 小江断裂、 则木河断裂及安宁河断裂等(邓起东等, 2002), 成为中国大陆地震活动最强烈、 最频繁的地区, 也是开展地震预测预报方法探索最理想的场所之一。 自20世纪70年代以来该区发生了一系列M≥ 7.0强震, 如1970年通海7.8地震、 1974年昭通7.1地震、 1976年龙陵7.4地震、 1988年澜沧-耿马7.6地震、 1995年孟连7.3地震和1996年丽江7.0地震(Wang et al., 2003)。 2014年该地区又相继发生了鲁甸MS6.5和景谷MS6.6地震, 2次地震共造成618人遇难, 给当地的生命财产安全、 社会经济和生态环境造成了巨大的伤害①(http://www.cea.gov.cn/publish/dizhenj/468/553/index_4.html)。

图 1 研究区构造背景和重力测点分布及鲁甸、 景谷地震余震序列
a 研究区构造背景和重力测点分布; b 鲁甸地震序列及震源机制(房立华等, 2014); c 景谷地震序列及震源机制。 A 川滇地块; B 滇西地块; C 滇南地块; D 华南地块; E 羌塘地块; F 巴颜喀拉地块。 虚线为构造单元边界; 灰色实线为断裂位置。 F1安宁河断裂带; F2则木河断裂带; F3小江断裂带; F4大凉山断裂带; F5莲峰断裂带; F6昭通-鲁甸断裂带; F7曲江-石屏断裂带; F8丽江-小金河断裂带; F9程海断裂带; F10楚雄断裂带; F11红河断裂带; F12澜沧江断裂带; F13无量山断裂带; F14龙陵-澜沧断裂带; F15南汀河断裂带; F16大盈江断裂带。 黑色方框为研究区位置, 三角形为相对重力测点位置, 正方 形为绝对重力测点位置, 圆点表示地震震中位置Fig. 1 Map showing the regional geologic tectonics with gravity stations and Ludian and Jinggu earthquake sequence.

地震是断裂带地区特殊部位的应力长期孕育累积与突然释放的剧烈地壳运动, 在地震孕育和发展过程中, 这些区域的地下深部伴随着物质变化和变形过程, 区域重力场将发生相应的变化(Kuo et al., 1993; Montagner et al., 2016)。 中国自1966年邢台MS7.2地震后开始开展区域重力场动态变化与地震监测预报相关的研究。 1975年海城MS7.3地震和1976年唐山MS7.8地震前后有学者在震中附近观测到与地震孕育相关的重力场变化特征, 并提出了深部物质运移的可能性(陈运泰等, 1980)。 近年来, 随着重力观测仪器的便携化、 观测精度的提高以及观测技术的不断发展, 通过流动重力测量可以获得可靠的区域重力场随时间的非潮汐变化特征, 2008年汶川MS8.0地震(申重阳等, 2009; 祝意青等, 2009)、 2008年于田MS7.3地震(祝意青等, 2008; 陈石等, 2011)、 2013年芦山MS7.0地震(祝意青等, 2013)以及2017年九寨沟MS7.0地震(祝意青等, 2017)震源区及附近的区域重力场变化与中— 长期强震危险性之间的演化规律的分析表明, 强震多发生在重力变化高梯度带和零值线附近, 其孕育和发生与区域重力场的非均匀时空变化之间的关系密不可分。 区域重力场的动态变化成为研究地震孕育、 发生和调整过程以及地球内部物质运移过程的重要方式, 为强震孕育的动力学背景和大陆动力学研究提供重要的基础信息, 是开展地震预测预报的重要方法途径之一(李辉等, 2009; 胡敏章等, 2015; Chen et al., 2016)。

青藏高原东南缘作为中国主要的地震危险重点监视区, 由于之前的流动和绝对重力测点数量较少, 且分布不均, 观测信息的空间密度严重不足, 限制了重力场动态变化的深入研究。 近年来, 中国地震局实施了中国大陆综合地球物理场及中国大陆构造环境监测网络项目, 在2013和2015年2次对南北地震带重力网进行优化和改造, 拼接孤立的区域测网并加强绝对重力测量, 优化后的重力测网基本覆盖了研究区主要构造单元和活动断裂带。 监测网内的桃源测点距离鲁甸震中仅23km, 永平镇测点距离景谷震中仅10km, 是研究鲁甸和景谷地震孕震过程及场源特征的最佳数据资料。 本文利用研究区优化后2013— 2016年的重力观测资料, 获得青藏高原东南缘在鲁甸和景谷地震前后的重力场动态演化特征, 利用小波多尺度分解重点分析重力场变化与物质密度变迁、 构造运动和强震孕育的关系和规律, 为地球构造运动和地震机理研究提供重力场变化信息。

1 资料处理

本文的研究区域位于青藏高原东南缘21° ~30° N、 97° ~109° E之间, 横跨云南省及邻近的贵州、 广西和四川等省和自治区的部分区域, 主要的构造单元包括中部构造极为活跃的川滇地块, 西南缘的滇西地块和滇南地块, 西北部为羌塘地块, 东侧以安宁河— 则木河— 小江断裂带为界与华南地块接壤(张培震等, 2003; 张国民等, 2005)。 研究区相对重力数据由中国地震局第一监测中心和云南省地震局在每年固定的季节利用CG5相对重力仪进行2期测量, 测量前均对仪器的一次项系数进行区域适定性标定(梁伟锋等, 2010)。 绝对重力测量由中国地震局地震研究所采用FG5绝对重力仪完成, 测量精度优于5μ Gal。 相对重力和绝对重力的测量时间基本上保持了准同步。 本文选用2013年9月— 2016年9月之间的7期流动重力测量资料, 数据处理过程包括: 1)将各单位重力网的独立计算完善为区域重力网的整体平差计算, 充分利用研究区的相对重力测量资料, 提高平差计算精度; 2)利用中国地震局实用化攻关推广的应用软件LGADJ(刘绍府等, 1991)进行平差计算, 获得以耿马、 贵阳、 河池、 昆明、 泸州、 勐海、 瑞丽、 水城、 思茅、 下关、 蒙自以及攀枝花等绝对重力点作为起算基准的各测点的重力值; 3)平差计算时对各期观测数据进行整体平差分析, 在了解各台仪器的观测精度后, 合理分配先验方差, 进而得到最佳解算结果(祝意青等, 2013); 4)对相对重力资料进行固体潮、 漂移和一次项系数等校正, 对绝对重力资料进行固体潮、 极移和垂直梯度等校正(邢乐林等, 2016); 5)剔除各期点位稳定性差、 环境变化大的测点, 获取研究区真实可靠的重力场变化信息。

表1给出了7期重力资料每期的观测时间及平均点值精度, 图 2给出了7期资料测点的点值平均精度。 从图 2中可以看出, 每期资料的平均点值精度均优于14μ Gal, 测点的点值平均精度虽然与测网分布等因素有关, 但相对集中在14μ Gal以内, 表明每期资料的点值精度均控制在一个合理的范围之内, 具备研究因地壳运动和构造活动、 地下物质运移等因素引起的重力场动态演化过程的能力。

表1 流动重力测量时间及精度 Table1 Mobile gravity measurement time and accuracy

图 2 重力点的平均点值精度(单位: μ Gal)Fig. 2 Gravity station with its mean accuracy(unit: μ Gal).

2 区域重力场动态演化特征

区域重力场动态演化一般采用累积动态变化和差分动态变化2种表现形式, 以突出相对某一期和相邻几期的重力场动态演化的累积信息和差异信息, 探讨不同时间分辨率下的重力场变化趋势和异常特征(李辉等, 2009; 申重阳等, 2009)。 本文分别给出了研究区基于2013年9月的区域重力场的累积变化结果(图3)以及2013— 2016年期间区域重力场1a尺度的差分变化特征(图4)。

图 3 研究区累积重力场变化和地震分布
a 2013年9月— 2014年3月重力场变化; b 2013年9月— 2015年9月重力场变化Fig. 3 Maps showing dynamic patterns of cumulated gravity variation with earthquake distribution in the study area.

图 4 研究区差分重力场变化和地震分布
a 2013— 2014年重力场变化; b 2014— 2015年重力场变化; c 2015— 2016年重力场变化。 地震发震时间见图3Fig. 4 Maps of the interannual gravity variations with earthquake distribution in the study area.

2.1 累积重力场变化

如图 3所示, 研究区重力场累积变化趋势一致性较好, 与断裂带走向存在一定的相关性。 北部重力场变化大致以丽江-小金河断裂带为界呈现东正西负的演化趋势, 可能代表了青藏高原物质E向运移的动态效应。 2013年9月— 2014年3月期间的重力场变化(图3a)代表了鲁甸、 景谷地震前的重力场的变化特征, 研究区存在100μ Gal左右的剧烈变化, 中部以兴义、 昆明、 楚雄为中心呈现了一个完整的重力变化负异常, 南、 北两侧分别以澜沧、 景洪以及西昌、 巧家、 攀枝花为中心表现出较大尺度的重力变化正异常, 反映了鲁甸和景谷地震前区域重力场剧烈变化的背景。 鲁甸震源区存在强烈的重力场变化特征, 地震发生在重力场变化的正、 负异常过渡地带(零值线)和梯度带附近, 梯度带走向沿小江断裂北段和昭通-鲁甸断裂由近SN向转为近NE向。 景谷震源区同样位于重力场变化的正、 负异常过渡地带和一定程度的梯度带附近, 等值线走向在东侧与无量山断裂走向基本一致。 2013年9月— 2015年9月的重力场变化(图3b)显示, 研究区重力场变化的强度在鲁甸和景谷地震发生1a后大幅度降低, 最大重力场变化约80μ Gal, 震源区重力场变化的剧烈差异和梯度带特征不再突出, 景谷震源区重力场变化仅约20μ Gal, 鲁甸震源区淹没在小江断裂和昭通-鲁甸断裂附近的重力场变化正异常中, 华荣山断裂附近由重力场变化正异常转为正、 负异常过渡带和梯度带, 等值线在华荣山断裂附近转折弯曲。

2.2 差分重力场变化

为分析研究区相邻几期重力场在鲁甸和景谷地震前后的动态演化规律, 本文将每年2期重力场的点值进行平均以获得反映年度重力场变化的趋势特征, 削弱重力场变化受季节等因素的影响。 图4a、 4b和4c依次给出了研究区2013— 2014年、 2014— 2015年和2015— 2016年1a尺度重力场的变化特征。 2013— 2014年重力场的变化与图3a的结果基本一致, 重力场变化较为剧烈, 在鲁甸和景谷震源区横向差异较大, 突出反映了与鲁甸和景谷地震孕育相关的复杂构造活动和剧烈的重力场变化信号。 2014— 2015年研究区重力场变化的幅度大尺度减弱, 最大重力场变化约70μ Gal, 并在研究区中部以兴义、 昆明和楚雄为中心呈现一定程度的重力变化正异常, 周缘以负异常为主, 这与2013— 2014年相比重力场变化发生了一定程度的反转。 2015— 2016年研究区重力场变化幅度进一步减弱, 重力场变化横向差异较为平缓, 主要的重力场变化在40μ Gal以内。

3 小波多尺度重力场变化

区域重力场的动态变化叠加了不同深度和不同尺度物质密度不均匀变化所引起的重力场变化的综合效应, 需通过适当的多尺度分解才能定量地获取重力场变化的异常特征。 为进一步提取与鲁甸和景谷等地震孕育密切相关的重力场变化信息, 深入探讨鲁甸和景谷等地震的孕震机理与地下构造和物质密度变化的关系, 本文利用小波多尺度分解提取鲁甸和景谷地震前2013年9月— 2014年4月重力场变化在横向和纵向上不同尺度的异常特征, 结合功率谱分析每阶细节对应的近似场源深度, 给出不同深度上重力异常具体的地球物理含义, 提高重力场变化趋势的认识水平。 依据位场波数域的理论, 由功率谱直线段斜率计算场源的埋深, 小波细节D1— D6的场源平均埋深分别为3.6km、 10.2km、 14.8km、 36.7km、 97.3km和119.1km, 如表2所示, 与根据重力场小波变换的尺度-源深度转换率(杨文采等, 2016)所计算的结果基本一致。 小波细节D1— D2反映的浅层物质密度分布变化引起的重力场变化效应不明显, 本文主要分析小波细节D3— D6的重力场变化特征, 如图 5所示。

表2 功率谱估计的D1— D6阶细节异常的场源似深度 Table2 Approximated source depths of the 1st to 6th order detailed images calculated from the power spectrum

图 5 鲁甸、 景谷地震前研究区重力场变化小波细节及地震分布
a D3; b D4; c D5; d D6。 地震发震时间见图3Fig. 5 The wavelet details of gravity variation before Ludian and Jinggu earthquake with earthquake distribution in the study area.

3.1 上地壳重力场变化

图5a所示的小波细节D3反映了研究区上地壳物质密度变化引起的重力场变化特征。 研究区重力场变化具有显著的分区、 分块特征, 相对突出的重力场变化主要分布在构造运动及形变较为活跃的断裂带和块体边界带附近, 如图中红色虚线圈定的川滇地块东边界的小江断裂带附近(A)、 红河断裂北段以及丽江-小金河断裂和程海断裂附近(B)、 无量山断裂、 龙陵-澜沧断裂以及南汀河断裂带附近(C)3个区域内, 差异性变化约20μ Gal。 鲁甸、 景谷地震及之后4.7级以上的地震均位于重力场显著变化的3个区域内。 华南地块重力场变化的量级非常小, 基本在零值线附近振荡, 与该地区断裂分布少、 相对稳定的地块特征以及无4.7级以上地震发生的现象相吻合。 研究区上地壳重力场变化在空间分布上与活动断裂带、 块体边界带和地震分布密切相关, 表明上地壳重力场变化所反映的物质密度的改变可能主要是由断裂构造运动引起的地壳物质密度变化或部分断裂带充填流体的运移等因素造成的, 影响范围主要分布在断裂带附近, 成为断裂带地震发生的重要因素。 地壳形变和地质学研究表明, 活动断裂带存在准线性构造运动, 这种构造运动引起地壳形变和相应物质密度的变迁(Pollitz, 1996; 孙文科等, 2008)。 蔡麟孙等(2002)对小江断裂带、 红河断裂带等活动断裂带的研究表明, 其上地壳部分多由白垩纪的砂岩和泥岩等组成, 断裂带内有大量流体存在的可能性(李永华等, 2014)。

3.2 下地壳重力场变化

小波细节D4主要反映了研究区下地壳物质密度分布变化引起的重力场变化效应, 如图5b所示, 研究区重力场横向变化剧烈, 红色虚线圈定的断裂带和块体边界带附近的重力场变化依然较为显著, 表明断裂运动对下地壳物质密度变化的影响仍然存在, 无断裂分布区域一定幅度的重力场变化表明下地壳物质密度的变化除受断裂活动控制之外还与其它因素有关。 青藏高原东南缘特殊的地貌特征和流体动力学模拟结果(Clark et al., 2000)表明其下方存在着高原下地壳流。 川西高原和云南地区下地壳普遍存在的低速层(Wang et al., 2003)、 高导电层(赵国泽等, 2008)、 地壳各向异性特征(王苏等, 2015)、 高大地热流值和泊松比区域(汪集旸等, 1990; Leloup et al., 1995; Xu et al., 2007)及地质学证据(Roger et al., 1995)表明, 青藏高原东南缘下地壳存在发生部分熔融和地幔物质上涌的条件。 因此, 造成研究区下地壳物质密度分布变化的其它因素可能与下地壳物质运移有关, 可能由下地壳流、 壳内岩石部分熔融或上地幔上涌物质的复杂动力学作用所导致。

3.3 上地幔重力场变化

小波细节D5(图5c)和D6(图5d)代表了研究区上地幔物质密度差异分布变化引起的重力场变化效应, 浅灰色实线为重力场变化的零值线。 研究区上地幔重力场的变化比地壳更为突出, 不同深度的物质密度分布变化引起的重力场变化特征不一致, 鲁甸、 景谷地震及之后的4.7级以上地震大多发生在该重力场变化正、 负异常的过渡地带(零值线)附近, 表明了研究区上地幔物质密度的空间差异变化对重力场变化趋势的影响较大, 且与地震孕育密切相关。 始新世印度板块和欧亚板块的碰撞挤压造成了青藏高原错综复杂的地表构造格局, 导致了青藏高原深部物质的重新分异、 调整和运移, 青藏高原东南缘普遍存在的上地幔低速异常(Wang et al., 2007; Li et al., 2013; Yang et al., 2014)和各向异性特征(Wang et al., 2013; 常利军等, 2015; Liu et al., 2016)表明, 具有较薄岩石圈的青藏高原东南缘存在着强烈的地幔流, 并在岩石圈底部和软流圈之间产生水平差异运动。 因此, 造成上地幔物质密度分布剧烈变化的影响因素可能与活动较为强烈的地幔流相关, 并与地震孕育关系密切。

4 讨论
4.1 鲁甸、 景谷地震前后区域重力场变化特征

研究区在鲁甸、 景谷地震前重力场变化表现为剧烈的横向不均匀性(图3a, 4a), 震源区存在与断裂带走向较为吻合的重力场变化正、 负异常过渡带(零值线)和梯度带, 表明在鲁甸、 景谷地震孕育中震源区可能存在强烈的地壳运动、 断裂活动和深部物质运移过程, 造成震源区剧烈的重力场变化。 研究区在鲁甸和景谷地震后累积重力场变化的趋势性转移(图3b)、 差分重力场变化的反转以及在空间尺度和变化量级上的持续衰减(图4a— c), 可能表明了研究区在鲁甸、 景谷2次强震发生后重力场重新分异、 调整以及能量持续释放的过程。 祝意青等(2009, 2013)的研究结果表明, 汶川MS8.0和芦山MS7.0等强烈地震发生后, 汶川和芦山震源区存在着类似的重力场调整和能量释放过程。

4.2 研究区孕震机理分析

陈运泰等(1980)研究了1975年海城地震和1976年唐山地震前后的重力场变化, 发现地面高程变化所引起的重力变化远远小于所观测到的重力变化, 并且重力变化与地震发生有着密切的关系, 由此提出了大地震的发生可能与地壳、 上地幔内物质迁移有关, 并将此观点用于解释观测到的大幅度重力变化。 研究区多尺度重力场变化在地壳、 上地幔不同深度上差异性特征显著, 揭示了地壳和上地幔不同深度的物质密度变化不一致, 反映了深、 浅物质密度变化的差异性动力学环境。 地壳内的重力场变化突出分布在孕育鲁甸、 景谷地震及之后4.7级以上地震的活动断裂带、 块体边界带的3个区域内, 并且这些地震大多位于地壳、 上地幔不同深度的重力场变化正、 负异常过渡带(零值线)附近。 这一显著特征表明, 断裂运动、 地壳和上地幔内不同深度的物质密度变化与地震孕育密切相关, 使地壳、 上地幔内物质密度发生改变的重要因素可能是其内物质的运移, 与下地壳流、 壳内岩石部分熔融以及地幔流等复杂深部动力学过程相关。 运移过程受地壳、 上地幔多重构造和活动的影响, 其复杂的深部动力学过程在深部驱动着岩石圈以及地壳的变形、 构造块体和断层的运动以及应力状态改变, 导致应力在地壳断裂带不同部位积累和释放, 造成地震发生(张培震, 2008)。 此外, 运移通道内的物质不会由于“ 阻挡会聚” 形成重力场正变化, 也不易受“ 泄流亏损” 形成重力场负变化, 而是表现为重力场变化的正、 负异常过渡带(零值线)特征, 剧烈的物质运移过程将导致正、 负异常过渡带(零值线)区域同时具有高梯度带特征, 是强震孕育的深部动力学条件。 这也解释了为什么尼泊尔MS8.1、 汶川MS8.0、 于田MS7.3和芦山MS7.0等强震均未发生在重力场变化突出的正、 负异常中心, 而位于正、 负异常过渡地带(零值线)和高梯度带附近。 Lu等(2015)的数值模拟结果显示, 地幔的流动作为软流圈-岩石圈之间的作用力, 具有提供板块运动驱动力的可能性。 重力场多尺度变化在上地幔物质密度变化的幅度比地壳更为显著, 可能表明了上地幔物质在地壳、 上地幔内的物质运移中起重要作用, 是影响研究区构造活动、 地壳变形和地震发生的重要应力来源。

5 结论

地球重力场作为最基本的地球物理场, 是空间和时间的函数, 其空间异常特征和动态时间变化可为地球内部构造和地球动力学研究提供重要的科学依据。 本文基于青藏高原东南缘2013— 2016年的重力观测资料, 获得了鲁甸和景谷地震前后重力场的动态演化特征, 并利用小波多尺度分解分析重力场变化与构造运动和强震孕育的关系和规律, 对研究区深部物质变化和动力学过程以及地震孕育机理进行了探讨。

(1)青藏高原东南缘在鲁甸、 景谷地震前重力场变化表现为剧烈的横向不均匀性, 震源区存在与断裂构造走向一致的正、 负异常过渡带和梯度带特征, 最大重力场变化达100μ Gal左右, 揭示了在鲁甸、 景谷地震孕育中震源区可能存在强烈的地壳运动和深部物质运移过程, 造成震源区剧烈的重力场变化效应。 地震发生后研究区重力场存在重新分异、 调整以及能量持续释放的过程。 地震从孕育到发生是应力与能量的持续积累和突然释放的过程, 在震源区应力突然释放的同时, 断裂活动和深部物质运移将导致物质密度分布发生变化, 从而使地表的重力场变化发生大范围的改变。

(2)区域重力场的动态变化叠加了不同深度和尺度的物质密度分布变化引起的重力场变化的综合效应, 以往对区域重力场变化的研究缺少对不同深度和尺度叠加效应的分离, 得出的结果不够客观和真实。 本文将小波分解应用于重力场的多尺度动态变化研究中, 提取了地壳、 上地幔不同深度物质密度变化所引起的重力场变化特征, 给予重力场变化具体的地球物理含义, 并深度挖掘了重力场变化与地震孕育之间的关系和规律。 结果表明, 在地壳和上地幔不同深度的物质密度变化差异性显著, 反映了深、 浅物质密度变化的差异性动力学环境。 研究区地壳和上地幔的多尺度重力场变化与地震分布具有一定的相关性, 并与活动断裂的位置相关性显著, 表明研究区地震孕育与断裂运动和地壳、 上地幔内物质密度的变化密切相关。 其中, 地壳、 上地幔内物质密度的变化受其内物质运移的复杂深部动力学过程影响。

(3)以往对历史震例和重力场动态变化的研究表明, 强震多发生在重力场变化正、 负异常的过渡地带和梯度带附近, 但为什么发生在此类型的区域, 给予分析与解释的相关研究较少。 本文基于地壳、 上地幔内物质运移的动力学过程, 对强震多发生在重力场变化正、 负异常过渡带和梯度带附近的原因进行了一定的解释。

本文的研究结果可为地球构造运动和地震机理研究提供重力场变化信息, 对于认识深部物质密度的变迁及地震成因研究具有重要意义, 也对防震减灾工作具有一定的参考价值。

致谢 国家重力台网中心为本研究提供了部分重力数据; 中国地震局地球物理研究所房立华博士提供了鲁甸、 景谷地震余震序列相关数据; 审稿专家本文提出了宝贵的修改意见和建议; 文中大部分图件由GMT软件(Wessel et al., 1998)绘制。 在此一并表示感谢!

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