2016年12月8日, 新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州呼图壁县发生M_S6.2地震, 震源深度为6km, 震中(43.83° N, 86.35° E)位于齐古断裂与准噶尔南缘断裂带附近, 处于北天山与准噶尔盆地交会区的乌鲁木齐山前坳陷内(杨文等, 2018; Yang et al., 2019)。 新生代以来, 受印度板块持续N向推进挤压的影响, 在乌鲁木齐山前坳陷内部发育了多条EW向展布、 SN向排列的逆断裂-褶皱带(图1), 使其具有复杂的推覆构造。准噶尔南缘断裂属于该推覆构造的根部断裂, 是孕育强震的主要场所, 也是中国地震重点监视区(Molnar et al., 1975; Tapponnier et al., 1979; Lu et al., 2018)。

图1

Fig. 1

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	图1 北天山地区地质简图(改自龚正等, 2020)Fig. 1 Simplified geological map of northern Tianshan(adapted after GONG Zheng et al., 2020).

地震重力监测获取的重力时变数据包含丰富的地壳垂直运动与物质迁移信息, 通过对区域重力时变特征的深入分析, 有可能捕获某些地震前兆信息(孙和平, 2004; 申重阳等, 2010)。 自1966年邢台地震发生后, 中国各地开始陆续开展以地震预报为目的的流动重力监测工作, 并观测到了1975年海城7.3级地震、 1976年唐山7.8级地震前后的重力异常变化(陈运泰等, 1980; 李瑞浩等, 1997)。 陈运泰等(1980)对1975年海城地震和1976年唐山地震前后的重力变化进行了分析, 发现孕震过程的重力变化远大于地表高程变化引起的重力变化, 由此推断壳幔物质运移可能是孕震过程中重力变化的主导因素。 近年来, 流动重力观测在地震预测应用方面取得了一些中期预测成功的案例, 如2008年汶川8.0级地震(祝意青等, 2008, 2009)和2013年芦山7.0级地震(祝意青等, 2013)等。 研究表明, 区域重力场时空变化分析对开展强震中期预测的探索具有重要意义(陈石等, 2015), 对于强震可能发生地点的判定尤其重要(祝意青等, 2014, 2018)。 新疆维吾尔自治区地震局在北天山地区布设的地震重力监测网覆盖了准噶尔南缘断裂及其以北的几条主要的逆断裂-褶皱带。 自2013年以来, 该监测网在每年的上、 下半年各开展1期流动重力观测(刘代芹等, 2015; 朱治国等, 2017)。 2016年12月8日的呼图壁M_S6.2地震发生于2016年第二期观测以后, 通过对北天山测网多期流动重力数据的精细处理与分析, 捕捉到震前震中附近的重力异常变化, 并进行了较好的中期预测。 中国地震局重力学科组与中国地震局第二监测中心均在2016年地震趋势研究报告中指出, 沿天山构造带出现了显著的重力变化梯度带, 天山中部((43.5° N, 85.5° E)附近)有发生6级左右地震的可能。 可以看出, 基于流动重力观测分析做出的中期预测结果与2016年12月8日呼图壁M_S6.2地震(43.83° N, 86.35° E)可较好对应, 尤其是在地点预测方面, 预测危险区的中心位置与中国地震台网测定的呼图壁M_S6.2地震震中距离仅有78km。 因此, 对北天山地区的重力资料进行精细处理及深入分析, 进而研究呼图壁M_S6.2地震震前重力场的时空演化特征, 对于认识大地震的发生规律、 捕捉地震前兆信息等具有重要的实际意义。

受印度板块持续碰撞挤压的影响, 北天山地区地壳运动强烈, 地震活动强度大、 频度高, 是中国的重点地震监测区。 20世纪90年代, 新疆维吾尔自治区地震局在北天山中段分别以乌鲁木齐、 呼图壁、 宁家河、 独山子为中心布设了4条测线, 横跨霍尔果斯-吐谷鲁断裂带、 准噶尔南缘断裂等, 但这些测线均以支线布设, 无法构成测网, 监测区域较小, 对区域重力变化的监测能力较弱, 难以满足强震监测预报工作的需求。 2013年, 新疆维吾尔自治区地震局对该测网进行了优化改造(图2), 形成了覆盖整个北天山中东段以及乌鲁木齐山前坳陷地区的新重力测网(刘代芹等, 2015; 朱治国等, 2017)。 作为中国重点危险区, 该测网每年开展2期流动重力观测。

图2

Fig. 2

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	图2 北天山重力测网图Fig. 2 Gravity monitoring network of northern Tianshan.

自2013年以来, 针对北天山测网共积累了11期完整的流动重力观测资料。 2015年下半年对测网进行了改造、 扩建, 在原有测网的基础上覆盖至中天山以及北天山西段。 经优化改造后的测网网形结构更加合理(隗寿春等, 2018), 测网内的绝对重力测点相应增加, 在数据处理过程中进行了零漂改正, 每期资料都利用实测资料及绝对重力数据重新标定仪器的格值系数(隗寿春等, 2017, 2019), 然后以绝对重力观测点作为平差基准分别进行重力网平差计算, 以获得测点的地表绝对重力值。 每期资料的平差基准都包含绝对重力测点— — 乌鲁木齐台的数据, 这既可以保证平差基准的统一, 又能最大限度保证每期平差结果的最优化。 最后, 从中提取北天山中段的重力时变特征, 每期观测资料的概况及经平差计算后重力点值精度的统计情况见表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 北天山重力测网资料 Table 1 Data of gravity observation in northern Tianshan 观测时间 观测仪器 点值精度 /μ Gal 2013年5月 CG5-509, CG5-526 8.2 2013年9月 CG5-509, CG5-526 7.3 2014年5月 CG5-207, CG5-511 8.3 2014年9月 CG5-207, CG5-511 7.3 2015年5月 CG5-207, CG5-511 8.2 2015年9月 CG5-207, CG5-511 8.8 2016年5月 CG5-207, CG5-511 11.1 2016年9月 CG5-207, CG5-511 7.3 2017年5月 CG5-207, CG5-213 8.1 2017年8月 CG6-018, CG6-023 8.6 2018年8月 CG5-834, CG5-845, CG6-018, CG6-023 9.0

表1 北天山重力测网资料 Table 1 Data of gravity observation in northern Tianshan

自2013年以来, 新疆维吾尔自治区地震局每年对该测网进行2期观测。 由表1可以看出, 观测时间基本为每年的5月和9月, 自2018年开始改为每年观测1期。 为消除季节性效应的影响, 本文以每年5月份的观测资料作为研究对象, 分别绘制呼图壁M_S6.2地震前的区域重力场差分动态变化图像(图3)与震后的区域重力变化图像(图4), 并分析呼图壁M_S6.2地震前后重力场的时空动态演化特征及规律。

图3

Fig. 3

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	图3 呼图壁MS6.2地震前的重力变化Fig. 3 Gravity variation before Hutubi MS6.2 earthquake.

图4

Fig. 4

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	图4 呼图壁MS6.2地震后的重力变化Fig. 4 Gravity variation after Hutubi MS6.2 earthquake.

2.3 震中周边测点的重力变化

呼图壁M_S6.2地震发生在天山与准噶尔盆地交界的前陆盆地区域。 该区发育了多条平行的逆冲断裂, 本次地震就发生在2条逆冲型断裂— — 齐古断裂与准噶尔南缘断裂之间, 震后多家研究机构给出的震源机制解也表明该地震是以逆冲为主的地质事件。 基于此, 本文将着重分析震中附近的准噶尔南缘断裂两侧测点的重力变化情况。

天山地区地形复杂, 测点布设不均匀, 由图2 的北天山重力测网路线图可以看出, 在2016年12月8日呼图壁M_S6.2地震震中北部的山盆交界处测点布设较多, 而南部的天山地区则存在大片测点空区, 距震中最近的测线震中距约为100km。 因此, 为分析震中周边测点的重力变化, 本文选取了如图5 所示的透明矩形框内的14个测点作为研究对象(测点3于2015年被破坏, 无法分析其长周期时间序列, 故不作为研究对象), 构建了这14个测点2013— 2018年的重力变化时间序列(图6)。

图5

Fig. 5

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	图5 呼图壁地震震中周边的测点分布图Fig. 5 Distribution of gravity stations surrounding the epicenter of Hutubi earthquake.

图6

Fig. 6

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	图6 呼图壁地震震中周边测点的重力变化时间序列Fig. 6 Time series of gravity variation surrounding the epicenter of Hutubi earthquake.

由图6a和6b可以看出, 准噶尔南缘断裂两侧测点的重力变化明显不同。 准噶尔南缘断裂以北的测点重力变化趋势基本相同: 2013年5月— 2014年9月期间重力变化缓慢减小, 2014年9月— 2015年5月急剧增大40~70μ Gal, 之后呈缓慢转折, 自2016年5月开始转为急剧下降, 一直持续到2017年9月, 最后转为反向恢复; 准噶尔南缘断裂以南的测点重力变化趋势也基本一致: 2013年5月— 2015年5月期间重力变化逐渐减小, 之后呈缓慢变化, 2015年9月— 2016年5月重力变化急剧减小, 然后转为急剧增大, 随后于2016年12月8日发生呼图壁M_S6.2地震。 如图6c所示, 在2014年8月— 2015年8月期间, 震中附近的4个测点(即准噶尔南缘断裂两侧测点)的重力变化差异较大, 其余时间变化趋势基本相同, 显示出“ 震前缓慢上升— 同震剧烈下降— 震后趋于稳定” 的演化过程, 与远离震中的测点变化明显不同。

总体而言, 以准噶尔南缘断裂为界, 同侧测点的重力变化趋势基本一致, 南、 北两侧测点的重力变化差异明显, 说明同一构造区内的构造运动及地下物质迁移的规律相同, 而不同构造区之间的构造运动差异导致重力变化出现差异。 相比于其它测点在震后呈现出剧烈的无序变化, 震中附近测点的重力变化逐渐趋于平稳, 表明呼图壁M_S6.2地震的发生使得震中附近区域地壳的能量得到了释放, 震中附近逐渐趋于稳态, 与GPS结果反映的该地震前、 后应变状态的变化基本一致(朱治国等, 2019)。

近年来, 中国地震局重力学科专家深入研究了强震危险区的重力场变化及其与强震孕育和演化的关系, 总结了利用流动重力资料进行强震危险性及强震发生地点的预测方法, 认为强震易发生在与构造活动有关的重力变化高梯度带上、 重力变化等值线拐弯部位或重力变化分布的四象限中心附近。 强震的震级与重力异常变化范围、 持续时间及变化量级密切相关, 对于6级以上地震, 表现为相邻2期重力变化显著, 且2a以上的累积重力变化更为显著, 重力变化量> 80μ Gal(申重阳等, 2009; 祝意青等, 2018)。

分析区域重力场年尺度差分动态演化图像可以发现, 2013年5月— 2014年5月(图3a)整个研究区域的重力变化平缓, 基本处于稳定状态; 2014年5月— 2015年5月(图3b)自南向北出现由负向正的急剧重力变化, 且重力变化等值线与该区域的主要断裂带走向基本一致, 这可能是区域应力增强引起的大尺度趋势性重力变化; 2015年5月— 2016年5月(图3c)重力变化在玛纳斯南部出现明显的四象限分布特征; 2016年5月— 2017年5月(图4a)重力变化与前一期发生反向, 且四象限分布特征更加明显, 2016年12月8日呼图壁M_S6.2地震就发生在该四象限中心附近, 且处于重力变化高梯度带的拐弯部位, 反映强震中期危险地点与区域重力场的四象限分布、 高梯度带及其拐弯部位有关。 2016年12月8日呼图壁M_S6.2地震发生前, 重力的时空演化图像总体表现为“ 稳态— 区域性重力异常— 四象限分布特征性异常— 反向变化发震” 的系统演化过程。

分析区域重力场累积动态图像(图3d)可以看出, 2013年5月— 2016年5月期间累积重力场的异常变化可分为3级。 一级变化为自南向北出现由负向正的趋势性变化, 主要反映呼图壁M_S6.2地震前区域应力场增强引起的大空间尺度重力场的有序性变化, 天山内部出现总体的质量亏损而准噶尔盆地内部的质量增加, 总体表现为区内的地壳缩短及天山山脉的隆升。 二级变化表现为区域重力场趋势变化中的大型突变, 即研究区内沿北天山断裂带出现的长距离、 大变幅的重力变化梯度带, 与该区域发育的一系列逆冲断层有关, 在近SN向挤压作用下容易导致能量积累。 三级异常变化为北天山中段出现明显的重力变化四象限分布特征, 呼图壁M_S6.2地震震中位于该四象限分布的中心附近及与北天山断裂带走向基本一致的重力变化高梯度带的拐弯位置, 基本反映了强震发生的地点与区域内的局部重力异常、 重力变化高梯度带及其拐弯、 交会部位有关(祝意青等, 2013, 2016)。

重力点位的时序变化在空间上表现出一定的有序性, 先是准噶尔南缘断裂北侧出现剧烈的重力变化, 临震前1a, 南、 北两侧的测点均表现出剧烈的反向变化, 近源区的变化相对较小, 地震发生在重力反向变化的恢复过程中; 近源区与外围测点在地震前、 后的重力变化差异则说明呼图壁地震前孕震影响范围较大, 而震后震中区域的应力得到释放并转移至外围。

2016年12月8日呼图壁M_S6.2地震发生在准噶尔南缘断裂附近。 本文结合地震前、 后的区域重力场时空动态变化特征, 初步分析了地震前、 后重力场的时空演化特征与呼图壁M_S6.2地震的关系, 主要获得以下认识:

(1)北天山流动重力资料显示2016年呼图壁M_S6.2地震前出现了较好的中期前兆性变化图像, 即区域重力场变化先表现为大尺度、 与断裂走向基本一致的趋势性变化, 后在震中附近呈现四象限分布的特征性异常, 2016年的门源地震也出现了类似现象(祝意青等, 2016), 而震后震中附近积蓄的能量基本得到释放和转移, 震中附近逐渐趋于稳态。

(2)年尺度的重力场动态变化图像较好地反映出呼图壁M_S6.2地震前重力观测结果总体表现为“ 稳态— 区域性重力异常— 四象限分布特征性异常— 反向变化发震” 的系统演化过程。

(3)基于流动重力资料对2016年呼图壁M_S6.2地震震中地点的判定, 进一步证实了区域重力场时空演化对未来强震震中位置的判定具有独到优势。 强震易发生在重力变化高梯度带零值线及拐弯部位、 重力变化四象限分布中心附近(祝意青等, 2013, 2015, 2018), 呼图壁M_S6.2地震就发生在重力变化的四象限中心附近。