引用本文
文翔, 周斌, 史水平, 覃坚, 李家宁, 何衍, 阎春恒, 罗远鹏. 桂西北地区近期重力与地壳形变综合分析[J]. 地震地质, 2019,41(4): 927-943.
WEN Xiang, ZHOU Bin, SHI Shui-ping, QIN Jian, LI Jia-ning, HE Yan, YAN Chun-heng, LUO Yuan-peng. COMPREHENSIVE ANALYSIS OF RECENT GRAVITY AND CRUSTAL DEFORMATION IN NORTHWESTERN GUANGXI[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(4): 927-943.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.04.008
Permissions
Copyright©2019, 《地震地质》编辑部
《地震地质》编辑部 所有
桂西北地区近期重力与地壳形变综合分析
文翔, 周斌*, 史水平, 覃坚, 李家宁, 何衍, 阎春恒, 罗远鹏
广西壮族自治区地震局, 南宁 530022
*通讯作者: 周斌, 男, 研究员, E-mail: dztzb@163.com。

〔作者简介〕 文翔, 男, 1984年生, 2011年于昆明理工大学国土资源工程学院获地图学与地理信息系统专业硕士学位, 工程师, 主要从事地球物理场观测技术在地震监测预报方面的研究, 电话: 0771-2804448, E-mail: yaya997@163.com。

收稿日期: 2018-09-21
基金项目: 中国地震局地震科技星火计划项目(XH19034Y)、 广西壮族自治区重点研发计划(2018AB67009, 桂科AB1850042)和广西壮族自治区科技攻关计划(桂科攻1377002)共同资助
摘要

文中利用桂西北地区2014—2018年流动重力与2015—2017年GPS观测资料, 结合区域地质构造环境和区内发生的南丹 MS4.0地震震例, 系统分析了区域重力场变化与地壳水平运动的时空分布特征及其机理, 进一步研究和探讨了区域重力场变化、 地壳水平形变、 地质构造和地震活动的相互关系。 结果表明: 1)2017年7月15日南丹 MS4.0地震发生在重力差异变化四象限中心附近, 异常区中心位于木伦-东兰-逻楼断裂、 河池-南丹断裂与河池-宜州断裂的交会处。 差分尺度重力场动态图像较好地反映了南丹地震前后震中附近的重力变化, 是一个局部重力异常、 四象限分布特征性异常、 重力变化梯度带及零值线拐弯区发震及震后反向恢复变化的系统演化过程。 同时, 综合南丹地震震源机制解、 地震动图和地表调查结果分析认为, 南丹地震前与走滑型发震断层效应一致的正、 负重力变化四象限分布论证了右旋走滑兼具逆冲运动趋势的存在。 2)桂西北地区重力场变化空间分布形态与活动断裂密切相关。 累积重力变化等值线走向总体上沿南丹-河池断裂、 河池-宜州断裂分布, 断裂带两侧重力变化差异较大, 且梯度带影响区域较宽。 形变场空间分布总体上存在较明显的横向不均匀性, 天峨—南丹—环江一带处于重力变化高梯度带、 水平形变面压缩过渡带, 且位于河池-宜州断裂、 河池-南丹断裂与都安-马山断裂交接处附近, 受断块差异运动影响的区域及活动断裂交会部位更易于积累应力。 3)桂西北地区重力场的几何形态与地壳水平运动空间分布关系密切, 证实了区域内存在物质与能量的交换和动力作用, 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。 近期, 桂西北地区地壳形变异常分析表明: 天峨—南丹—环江一带是重力异常变化梯度带, 亦是水平形变面压缩过渡带, 同时也是莫霍面等深线显著变化地段、 ML3.0地震围空区、 异常低 b值区。 综合分析认为该地区仍存在发生中强地震的危险。

关键词: 桂西北地区; 重力变化; GPS; 构造活动; 地震危险性
中图分类号:P315.72 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)04-0927-17
COMPREHENSIVE ANALYSIS OF RECENT GRAVITY AND CRUSTAL DEFORMATION IN NORTHWESTERN GUANGXI
WEN Xiang, ZHOU Bin, SHI Shui-ping, QIN Jian, LI Jia-ning, HE Yan, YAN Chun-heng, LUO Yuan-peng
Earthquake Agency of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530022, China
Abstract

Northwest Guangxi is located in the Youjiang fold belt and the Hunan-Guangxi fold belt of secondary structure unit of South China fold system. The South China fold was miogeosyncline in the early Paleozoic, the Caledonian fold returned and transformed into the standard platform, and the Indosinian movement ended the Marine sedimentary history, which laid the basic structural framework of this area. Since the neotectonic period, large areas have been uplifted intermittently in the region and Quaternary denudation and planation planes and some faulted basins have been developed. Affected by the strong uplift of Yunnan-Guizhou plateau, the topography of the region subsides from northwest to southeast, with strong terrain cutting and deep valley incision. Paleozoic carbonate rocks and Mesozoic clastic rocks are mainly exposed on the earth's surface, and its geomorphology is dominated by corrosion and erosion landforms. The dating results show that most of the structures in northwest Guangxi are middle Pleistocene active faults, and the movement mode is mainly stick-slip. According to the seismogeological research results of the eastern part of the Chinese mainland, the active faults of the middle Pleistocene have the structural conditions for generating earthquakes of about magnitude 6. In the northwest Guangxi, the crustal dynamic environment and geological structure are closely related to Sichuan and Yunnan regions. Under the situation that magnitude 6 earthquakes occurred successively in Sichuan and Yunnan region and magnitude 7 earthquakes are poised to happen, the risk of moderately strong earthquakes in the northwest Guangxi region cannot be ignored. Based on the analysis of deep structure and geophysical field characteristics, it is concluded that the Tian'e-Nandan-Huanjiang area in the northwestern Guangxi is not only the area with strong variation of the Moho surface isobath, but also the ML3.0 seismic gap since September 2015, and the abnormal low b value area along the main fault. Regions with these deep structural features often have the conditions for moderately strong earthquakes. The paper systematically analyzes the spatial and temporal distribution features and mechanism of regional gravitational field and horizontal crust movement and further studies and discusses the changes of regional gravitational field, crustal horizontal deformation and interaction between geologic structure and seismic activity based on 2014—2018 mobile gravity measurements and 2015—2017 GPS observation data in the northwestern Guangxi. The results show that: 1)On July 15, 2017, a MS4.0 earthquake in Nandan happened near the center of four quadrants of changes of gravity difference, and the center of abnormal area is located at the intersection of the Mulun-Donglang-Luolou Fault, the Hechi-Nandan Fault and the Hechi-Yizhou Fault. The dynamic graph of differential scale gravitational field reflects the gravity changes at the epicenter before and after the Nandan earthquake, which is a process of system evolution of “local gravity anomaly to abnormal four-quadrant distribution features → to earthquake occurring at the turning point of gravity gradient zone and the zero line to backward recovery variation after earthquake”. Meanwhile, according to the interpretation of focal mechanism of the Nandan earthquake, seismogram and analysis of seismic survey results, the paper thinks that the four-quadrant distribution of positive and negative gravity, which is consistent with the effect of strike-slip type seismogenic fault before Nandan earthquake, demonstrates the existence of dextral strike-slip faulting; 2)The pattern of spatial distribution of gravitational field change in northwestern Guangxi is closely related to active fault. The isoline of cumulative gravity generally distributes along Nandan-Hechi Fault and Hechi-Yizhou Fault. The gravity on both sides of the fault zone is different greatly, and gradient zone has influences on a broad area; the spatial distribution of deformation field is generally featured by horizontal nonuniformity. Tian'e-Nandan-Huanjiang area is located at the high gradient zone of gravity changes and the horizontal deformation surface compressional transition zone, as well as near the intersection of Hechi-Yizhou Fault, Hechi-Nandan Fault and Du'an-Mashan Fault; 3)The geometric shape of gravitational field in northwestern Guangxi corresponds to the spatial distribution of horizontal crustal movement, which proves the exchange and dynamic action of material and energy in the region that cause the change and structural deformation of fault materials and the corresponding gravity change on earth's surface. The recent analysis of abnormal crustal deformation in northwestern Guangxi shows that Tian'e-Nandan-Huanjiang is a gradient zone of abnormal gravity change and also a horizontal deformation surface compressional transition zone. It locates at the section of significant change of Moho isobaths, the seismicity gap formed by ML3.0 earthquakes and the abnormal low b-value zone. According to comprehensive analysis, the region has the risk of moderately strong earthquake.

Keyword: northwestern Guangxi; gravity change; GPS; tectonic activity; seismic risk
0 引言

桂西北地区位于华南褶皱系的二级构造单元— — 右江褶皱带和湘桂褶皱带。 新构造期以来, 区域主要呈大面积的间歇性隆升, 发育了4级剥蚀夷平面和一些断陷盆地。 受云贵高原强烈抬升隆起的影响, 区域地势由西北向东南降低, 地形切割强烈, 河谷深切。 地表主要出露古生代碳酸盐岩和中生代碎屑岩, 以溶蚀、 侵蚀地貌为主(李伟琦, 1989)。 测年结果显示, 桂西北地区构造多为中更新世活动断裂, 运动方式以黏滑为主; 据中国大陆东部地区地震地质研究成果可知, 中更新世活动断裂具备发生6级左右地震的构造条件(向宏发等, 2008)。 公元1000— 1969年, 区域范围内共发生MS4.0以上地震46次, 其中4.0~4.9级37次, 5.0~5.9级8次, 6.0~6.9级1次, 最大地震为1875年6月8日乐业MS6.5地震。 1970年以来共发生MS3.5以上地震24次, 其中3.0~3.9级8次, 4.0~4.9级15次, 5.0~5.9级1次, 最大地震为1977年10月19日平果MS5.0地震。 近年来该地区中强地震不断, 2013年2月20日平果、 田东交界发生MS4.5地震后, 2017年7月15日河池南丹又发生了MS4.0地震（图1）。

图 1 桂西北地区地震地质构造图
F1 惠水断裂; F2 贵定断裂; F3 三都– 荔波断裂; F4 榕江– 宰便断裂; F5 三江– 融安断裂; F6 永福– 溆浦断裂; F7 河池– 南丹断裂; F8 河池– 宜州断裂; F9 巴马– 博白断裂; F10 木伦– 东兰– 逻楼断裂; F11 都安– 马山断裂; F12 桂林– 南宁断裂; F13百色– 合浦断裂; F14永福– 武宣断裂; F15靖西– 崇左断裂; F16宾阳– 大黎断裂; F17百旺断裂Fig. 1 Seismotectonic map of northwestern Guangxi

桂西北地区在地壳动力环境、 地质构造等方面与川滇地区有着较为密切的联系, 在川滇地区6级地震连发、 7级地震蓄势待发的形势下, 桂西北地区发生中强地震的危险性不容忽视①。 进一步结合深部构造与地球物理场特征分析认为, 桂西北天峨— 南丹— 环江一带既是莫霍面等深线变化较大的地段(黄启勋, 2000), 亦是2015年9月以来的ML3.0地震围空区(图1), 同时也是沿主断裂的异常低b值区①, 具备这些深部构造特征的区域, 往往具有孕育发生中强地震的背景(周民都, 2005)。 近年来, 广西地区不断加强重力、 GPS等地球物理场的观测, 旨在监测区域物质迁移及构造变形情况, 为中强地震预测研究提供区域性地壳运动学和动力学背景资料。 一些学者对广西区域地壳运动与应变特征进行了相关研究(廖超明等, 2008, 2015; 陈家联等, 2010)。 截至目前, 将该区域重力场变化与GPS水平运动形变场相结合进行地壳运动变形整体性综合分析与研究的工作仍然较少。 因此, 本文以桂西北地区2014— 2018年的重力资料与2015— 2017年的GPS观测资料作为依据, 以区域现今地壳运动的时空分布特征及其机理为主要研究内容, 开展区域重力变化与地壳形变的关联性研究, 初步实现重力与GPS资料的联合应用与解释, 分析桂西北地区地壳形变场及其与区域构造环境和中强地震活动的关系, 为该地区地学基础研究和潜在地震危险性分析提供科学依据。

1 区域重力与GPS资料处理和使用概况

地壳形变测量旨在测定地壳表面点位之间的相对位置或重力场变化, 以获取地壳形变的几何与物理信息, 其观测量为位移、 应变和重力的相对变化值。 地壳形变是构造运动在地表的反映, 地震是地壳、 上地幔物质在构造力作用下长期变形的结果。 反映强震孕育的直接证据应当来自地壳形变与地震活动性(梅世蓉, 1996)。 为强化广西及邻近地区地壳形变的监测能力, 广西壮族自治区地震局于2013年建设流动重力观测网络, 通过不断优化与整合, 目前流动重力观测网络包含110个测点、 121个测段(图2a), 测点平均间距为30~40km, 每年对测网进行2期常规复测, 以满足中强地震重力异常监测与捕捉的需求。 截至2018年5月共开展了7期流动重力观测, 前3期使用LCR-G型重力仪, 第4期使用CG-5型重力仪(表1)。 流动重力观测资料的处理过程(祝意青等, 2013)包括: 1)采用LGADJ软件进行平差计算。 考虑到测网内北海、 梧州、 河池和湛江4个绝对重力点点位稳定, 外界干扰影响小, 且有高精度绝对重力观测值, 因此采用经典的平差计算方法。 2)平差计算时, 先对多期重力观测资料的计算结果进行整体分析, 初步了解各台仪器的观测精度, 合理确定各台仪器的先验方差后, 再重新进行平差计算, 以得到最佳的解算结果。 3)对平差结果中极个别周围环境改变或不重合的测点进行删除。 4)对重力观测数据进行拟合推估, 以便突出显示构造因素的重力效应。 各期观测资料及整体平差计算后重力点值精度的统计情况见表1, 7期重力观测资料点值的平均精度约7.2μ gal。 在GPS观测资料方面, 2009年以来广西及邻区陆续产出多期连续、 流动的GPS观测数据(图2b); GPS观测资料采用GAMIT/GLOBK软件进行解算后获得ITRF2008框架下的GPS站水平位移矢量, 再进行基准转换得到相对于稳定的欧亚板块的水平运动速度场, 进而利用最小二乘配置方法求解区域应变率参数(武艳强等, 2009; 江在森等, 2010; Wu et al., 2011)。 在上述基础上, 本文重点以2014— 2018年区域重力场变化、 2015— 2017年水平形变场作为综合分析研究桂西北地区近期地壳运动特征的主要依据。

图 2 广西及邻区流动重力、 GPS观测网络
a 广西及邻区流动重力观测网络; b 广西及邻区GPS观测网络Fig. 2 Mobile gravity and GPS observation network in Guangxi and adjacent areas.

表1 广西及邻区流动重力测量情况及精度统计 Table1 Mobile gravity measurement and precision statistics in Guangxi and adjacent areas
2 区域地壳形变特征
2.1 区域重力场变化

2.1.1 1~3a尺度的重力场动态变化图像

为了解桂西北地区年际及累积重力场动态变化特征, 首先进行1~3a尺度的重力变化分析, 从图 3可以看出以下现象:

(1)2014年12月— 2015年12月(图3a), 桂西北地区重力变化总体趋势为自西南向东北由正向负逐渐减小, 重力差异变化达50μ gal, 异常区中心位于南丹— 贵州荔波一带。 重力变化等值线走向总体与NW向的河池-南丹断裂基本一致, 并沿断裂构造线出现重力变化梯度带, 较好地反映了重力变化受区域应力场作用和断裂活动控制。

图 3 1~3a尺度重力场动态变化图像
a 2014年12月— 2015年12月; b 2015年12月— 2016年10月; c 2016年10月— 2017年10月; d 2014年12月— 2017年10月Fig. 3 Gravity field dynamic variation images in one and three year time scale.

(2)2015年12月— 2016年10月(图3b), 重力变化表现为一个新的态势, 桂西北地区在田林及荔波出现2个局部重力正变化异常区, 贵州紫云及马山— 环江一带出现2个局部重力负变化异常区, 天峨— 南丹附近出现重力变化四象限分布特征, 重力差异变化达50μ gal; 异常区中心位于NE向木伦-东兰-逻楼断裂、 NW向河池-南丹断裂与近EW向河池-宜州断裂的交会处; 2017年7月15日南丹MS4.0地震发生在重力变化四象限的中心部位。

(3)2016年10月— 2017年10月(图3c), 重力变化总体与上期相反, 田林及荔波地区出现由正向负的趋势性变化, 紫云及马山— 环江一带出现由负向正的趋势性变化, 天峨— 南丹一带处于零值变化区, 重力最大差异变化达40μ gal, 并沿木伦-东兰-逻楼断裂、 河池-南丹断裂与河池-宜州断裂伴生重力变化梯度带, 南丹MS4.0地震发生在局部重力异常区及重力零等值线拐弯部位。

(4)2014年12月— 2017年10月(图3d), 桂西北地区约3a尺度的累积重力变化总体表现为在天峨— 南丹一带形成重力变化四象限分布特征, 重力差异变化达60μ gal, 重力变化等值线走向总体与木伦-东兰-逻楼断裂、 河池-南丹断裂及河池-宜州断裂基本一致, 异常区中心位于木伦-东兰-逻楼断裂、 河池-南丹断裂与河池-宜州断裂的交会处, 南丹MS4.0地震发生在重力变化四象限的中心部位。

2.1.2 重力场差分动态变化图像

为分析桂西北区域重力场短期变化特征, 以相邻2期观测资料为时间基准, 分别绘制了相邻2期(约0.5a尺度)区域重力场差分图像(图4), 分析图 4可以发现以下现象:

(1)2014年12月— 2015年6月(图4a), 桂西北地区以重力正值变化为主; 2015年6月— 2015年12月(图4b), 桂西北地区重力场变化较为显著, 天峨— 南丹— 荔波一带重力变化表现为与上期反向的特征, 并沿河池-南丹断裂出现重力变化高梯度带, 重力变化差值达50μ gal。

图 4 重力场差分动态变化图像
a 2014年12月— 2015年6月; b 2015年6月— 2015年12月; c 2015年12月— 2016年10月; d 2016年10月— 2017年5月; e 2017年5月— 2017年10月; f 2017年10月— 2018年5月Fig. 4 Gravity field differences dynamic variation images.

(2)2015年12月— 2016年10月(图4c), 重力变化表现为一个新的态势, 桂西北地区在田林及荔波出现2个局部重力正变化异常区, 贵州紫云及马山— 环江一带出现2个局部重力负变化异常区, 天峨— 南丹附近出现重力变化四象限分布特征, 重力差异变化达50μ gal, 异常区中心位于NE向木伦-东兰-逻楼断裂、 NW向河池-南丹断裂与近EW向河池-宜州断裂的交会处, 南丹MS4.0地震发生在重力变化四象限的中心部位。

(3)2016年10月— 2017年5月(图4d), 重力变化平缓, 处于闭锁阶段, 天峨— 南丹— 环江一带形成较弱的重力变化四象限分布; 2017年5— 10月期间(图4e), 重力变化总体与上期相反, 紫云— 天峨— 荔波一带出现由负向正的趋势性变化, 田林— 田阳— 马山一带出现由正向负的趋势性变化, 天峨— 南丹一带处于零值变化区, 重力变化差值达40μ gal, 并沿木伦-东兰-逻楼断裂、 河池-南丹断裂与河池-宜州断裂伴生重力变化梯度带, 南丹MS4.0地震发生在局部重力异常区及零等值线的拐弯部位。

(4)2017年10月— 2018年5月(图4f), 重力变化总体与上期相反, 表现为南丹MS4.0地震后的反向恢复变化。 紫云— 天峨— 荔波一带的重力变化由上期的30μ gal转为-20μ gal, 田林— 田阳— 马山一带的重力变化由上期的-10μ gal变为30μ gal, 差值达40μ gal, 仍沿木伦-东兰-逻楼断裂、 河池-南丹断裂与河池-宜州断裂伴生重力变化梯度带。

2.1.3 重力场时变与地震活动的关系

分析区域重力场差分动态图像(图4)可以发现, 2015年6月— 2015年12月, 桂西北天峨— 荔波地区沿河池-南丹断裂出现重力变化高梯度带; 2015年12月— 2016年10月, 天峨— 南丹地区附近重力变化由局部差异变化发展为四象限分布特征; 2016年10月— 2017年5月, 天峨— 南丹— 环江一带持续为较弱的重力变化四象限分布; 2017年5月— 2017年10月, 重力变化总体与上期相反, 重力变化等值线走向与木伦-东兰-逻楼断裂、 河池-南丹断裂及河池-宜州断裂基本一致, 并在天峨— 南丹一带出现重力零等值线拐弯, 南丹MS4.0地震即发生在重力零等值线的拐弯部位; 2017年10月— 2018年5月, 重力变化总体与上期相反, 表现为南丹MS4.0地震后的反向恢复变化。 差分尺度的重力场动态图像较好地反映了南丹MS4.0地震前后震中附近的重力变化, 是一个局部重力异常、 四象限分布特征性异常、 重力变化梯度带及零值线拐弯区发震、 震后反向恢复变化的系统演化过程。

分析1a尺度的重力场动态图像(图3)可以发现, 2014年12月— 2015年12月, 桂西北地区自西南向东北出现由正向负逐步减小的重力变化, 并沿河池-南丹断裂出现重力变化高梯度带, 较好地反映了重力变化受区域应力场作用和断裂活动的控制。 2015年12月— 2016年10月, 天峨— 南丹一带重力变化由局部差异变化发展为四象限分布特征, 异常区中心位于木伦-东兰-逻楼断裂、 河池-南丹断裂与河池-宜州断裂的交会处, 重力四象限异常变化体现了局部应力剪切释放, 较好地反映了南丹MS4.0地震前震中附近的重力变化前兆信息。 2016年10月— 2017年10月, 天峨— 南丹一带出现沿断裂的局部重力异常梯度带及零等值线拐弯, 南丹MS4.0地震震中即位于局部重力异常区及零等值线的拐弯部位, 反映了地震中期危险地点与区域重力场局部异常、 梯度带及其拐弯、 交会部位有关(祝意青等, 2004, 2013, 2016, 2017; 陈石等, 2015; Zhu et al., 2015)。

2.2 区域水平形变场变化

中强地震的发生与孕震区的地壳水平形变异常演化密切相关, 一些学者就地壳水平形变异常展布形态与中强地震地点的关系进行了探讨。 江在森等(2003)认为与主断裂的构造活动背景相一致的剪应变率高值区或边缘区容易发生大地震; 张晶等(2013)认为大部分强震发生在面应变梯度高、 低值过渡区及其与块体边界带的交会部位, 相应的应变区能够促进继承性的构造活动, 将有利于地震发生。 为了便于与重力观测资料进行对比分析, 对GPS观测网络2015— 2017年广西及邻区连续、 流动GPS站观测资料(图2b)进行解算获得ITRF2008框架下的GPS站水平位移矢量, 再通过基准转换得到相对于稳定欧亚板块的水平运动速度场, 进而利用最小二乘配置方法求解区域应变率参数, 由此得到2015— 2017年广西及邻区面膨胀率(图5a)与最大剪应变率分布图像(图5b)。 从图中可以看出, 天峨— 南丹一带处于沿NW向分布的面应变过渡区, 这有利于NW向走滑型河池-南丹主断裂的构造活动, 南丹MS4.0地震发生在面应变的过渡区域; 同时, 地震亦发生在河池-南丹主断裂的构造活动背景相一致的剪应变率高值边缘区, 这与以往的震例分析基本一致(江在森等, 2003; 张晶等, 2013)。

图 5 2015— 2017年广西地区面膨胀率及最大剪应变率分布
a 面膨胀率; b 最大剪应变率Fig. 5 Surface strain and maximum shear strain rate distribution in Guangxi area from 2015 to 2017.

2.3 地形变综合分析

利用1999— 2017年陆态网连续GPS站及流动GPS站的观测资料, 解算基于ITRF2008框架下广西及邻区的垂直形变速率(图6), 结果表明广西垂直形变速率≤ 3mm/a, 地表垂直运动对年际重力变化的贡献< 1.0μ gal(周斌等, 2018), 与2014— 2017年期间累计最高达60μ gal的重力场变化量相比, 地表垂直变形运动对重力变化的影响不大。 与地表隆升作用相比, 桂西北地区的重力场变化受水平形变致密作用(密度增加)的影响更为显著。

图 6 广西及邻区垂直形变速率(单位: mm/a)Fig. 6 Vertical crustal deformation rate in Guangxi and adjacent areas(unit: mm/a).

为便于对比分析桂西北地区重力变化与GPS面应变变化的差异, 将广西2015— 2017年期间准同步观测的2015年6月— 2017年5月的重力变化图像(图7a)与2015— 2017年的面膨胀率图像(图5a)重叠, 将重力变化等值线标示在面膨胀率图上, 得到较为直观的重力变化和面膨胀率变化图像(图7b)。 对比分析图像可知, 桂西北天峨— 田林一带重力上升变化强烈的地区面收缩也最为显著, 榕江— 兴安重力上升亦对应面收缩, 环江— 马山、 紫云— 荔波一带重力下降对应面膨胀, 南丹MS4.0地震发生在重力四象限分布的中心部位及面应变的过渡区域, 南丹地震震中附近的重力变化梯度走向与面应变走向大体一致。 南丹震中地区重力异常变化的几何形态与面膨胀率的空间分布密切相关, 这进一步证实了桂西北地区存在物质与能量的交换和动力作用, 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(祝意青等, 2009; 陈运泰等, 2013)。

图 7 2015— 2017年广西地区重力变化、 重力变化与面膨胀率对照图
a 2015年6月— 2017年5月的重力变化图像; b 重力变化(等值线表示, 单位为μ gal)与面膨胀率(色标表示)对照图Fig. 7 Comparison diagram of gravity changes and surface expansion rate in Guangxi area in 2015— 2017.

3 分析与讨论
3.1 南丹MS4.0地震前兆异常特征的机理

本文利用振幅比方法计算了南丹MS4.0地震的震源机制解(图8), 断层主节面(右旋逆断)的走向为67° , 倾角为48° , 滑动角为141° ; 辅助节面(左旋逆断)的走向为186° , 倾角为62° , 滑动角为49° ; MW=3.8, 震源深度为10km, 双力偶模型地震矩为4.79× 1014N· W。 从震源机制解可以看出, 发震断层表现出左旋或右旋逆断性质。 南丹MS4.0地震发生后, 利用广西地震台网观测数据计算产出了地震动强度分布图(图8), 初步获得了地震的影响范围, 地震动强度呈NE向分布。 同时, 地震现场的地表宏观调查结果表明地震的宏观震中位于南丹县吾隘镇板丁村更廷屯一带, 地表无明显破裂带, 最大烈度为Ⅵ 度, 等震线呈条带状, 其长轴走向为NN E。 综合震源机制解、 地震动图和地表调查结果分析认为, 南丹MS4.0地震的主要发震断层为NE向的木伦-东兰-逻楼断裂(右旋逆断)。

图 8 南丹MS4.0地震震源机制解与地震动强度分布图Fig. 8 Focal mechanism solution and ground motion intensity distribution of the MS4.0 Nandan earthquake.

断层位错理论模拟分析表明(段琦等, 2006; 焦龙等, 2010; 申重阳等, 2011), 走滑型剪切断层可引起沿断层走向线反对称(以断层中心分割)的四象限地表重力变化图像, 压缩区重力相对下降, 拉张区重力相对上升, 其中介质体变或伸缩效应(压缩区重力相对上升、 拉张区重力相对下降)小于高程效应, 并与高程效应反相抵消; 正断型剪切断层可引起沿断层走向线对称的二象限地表重力变化图像, 上盘相对沉降、 压缩区重力相对上升, 下盘相对隆升、 拉张区重力相对下降, 其中介质体变伸缩效应小于高程效应, 并与高程效应同相叠加; 这2种位错效应的地表隆升或沉降效应显著。 对比南丹MS4.0地震的震源机制(图8)与2015年12月— 2016年10月震前重力变化四象限分布图像(图3b)可知, 同震效应(震源机制)与震前效应(重力变化)具有一致性: 南丹地震前与走滑型发震断层效应一致的正、 负重力变化四象限分布论证了右旋走滑运动趋势的存在, 其中震源机制解压缩或挤压区(P)在震前表现为低重力, 张性区(T)表现为高重力; 同时, 比较各象限重力变化幅值与范围可推知, NE向重力变化为高值区, 存在逆断剪切效应, 也与此次地震兼具逆断机制相符。

3.2 地壳形变与地质构造

桂西北地区形变场的空间分布与活动断裂的关系表明: 1)重力场变化的空间分布形态与活动断裂关系密切, 累积重力变化沿贵州紫云经天峨— 南丹— 环江一带存在较为显著的NWW向重力变化梯度带(图3d), 重力变化等值线的走向总体上沿南丹-河池断裂及河池-宜州断裂分布, 断裂带两侧重力变化差异较大, 且梯度带影响区域较宽。 2)形变场空间分布总体上存在较明显的横向不均匀性, 天峨— 南丹— 环江一带处于重力变化高梯度带、 水平形变面压缩过渡带(图7), 且位于河池-宜州断裂、 河池-南丹断裂与都安-马山断裂交接处附近。 从地质构造上分析(李伟琦, 1989)(图9), 此地区为桂北— 黔东南、 桂西和桂中3个不同构造单元的交会处, 构造单元之间的差异运动明显, 受断块差异运动影响的区域及活动断裂交会部位更易于积累应力。

图 9 桂西北地区新构造分区图
F1惠水断裂; F2贵定断裂; F3三都-荔波断裂; F4榕江-宰便断裂; F5三江-融安断裂; F6永福-溆浦断裂; F7河池-南丹断裂; F8河池-宜州断裂; F9巴马-博白断裂; F10木伦-东兰-逻楼断裂; F11都安-马山断裂; F12桂林-南宁断裂; F13百色-合浦断裂; F14永福-武宣断裂; F15靖西-崇左断裂; F16宾阳-大黎断裂; F17百旺断裂Fig. 9 Neotectonic zoning map of the northwestern Guangxi.

3.3 地壳形变与地震活动

地震从孕育到发生是一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, 地壳内部产生变形并发生物质迁移, 使得地壳内部的形变和密度发生变化, 从而使该处的地表变形、 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、 出现局部形变异常区及伴生的地壳形变高梯度带。 已有研究表明, 中强地震易发生在与构造活动有关联的重力变化四象限的中心地带或正、 负异常区过渡的高梯度带上(Zhu et al., 2015), 也易发生在面应变过渡区、 剪应变高值区或其边缘地区。 南丹MS4.0地震发生在木伦-东兰-逻楼断裂、 河池-宜州断裂与南丹-河池断裂交接处附近, 重力异常变化的几何形态与水平形变的空间分布密切相关, 证实了桂西北地区存在物质与能量的交换和动力作用, 引起活动断层物质变迁和构造变形, 在地表产生了相应的重力变化与地壳水平形变。 目前桂西北地形变表明在天峨— 南丹— 环江一带沿河池-南丹断裂及河池-宜州断裂构造线伴生出重力变化梯度带, 同时该地区亦是水平形变面应变过渡带; 天峨— 南丹— 环江一带已发生南丹MS4.0地震, 根据以往的震例研究(顾功叙等, 1997; 申重阳等, 2009; Zhu et al., 2010), 该地区仍存在发生中强地震的危险。

4 结语

通过对桂西北地区近期重力场变化与GPS水平运动基本形态的分析, 结合本区已有的地质构造、 动力环境研究结果, 本文初步分析了桂西北地区地壳形变场异常变化与构造活动、 地震危险性的关系。 获得的主要结论如下:

(1)2017年7月15日南丹MS4.0地震发生在重力差异变化四象限的中心附近, 异常区中心位于木伦-东兰-逻楼断裂、 河池-南丹断裂与河池-宜州断裂的交会处。 差分尺度重力场动态图像较好地反映了南丹MS4.0地震前后震中附近的重力变化, 是一个局部重力异常、 四象限分布特征性异常、 重力变化梯度带及零值线拐弯区发震、 震后反向恢复变化的系统演化过程。 综合震源机制解、 地震动图和地表调查结果分析认为, 南丹MS4.0地震主要发震断层为NE向的木伦-东兰-逻楼断裂, 南丹地震前与走滑型发震断层效应一致的正、 负重力变化四象限分布论证了右旋走滑兼具逆冲运动趋势的存在。

(2)桂西北地区重力场变化的空间分布形态与活动断裂密切相关。 累积重力变化等值线走向总体上沿南丹-河池断裂及河池-宜州断裂分布, 断裂带两侧重力变化差异较大, 且梯度带影响区域较宽; 形变场空间分布总体上存在较明显的横向不均匀性, 天峨— 南丹— 环江一带处于重力变化高梯度带、 水平形变面压缩过渡带, 且位于河池-宜州断裂、 河池-南丹断裂与都安-马山断裂交接处附近, 受断块差异运动影响的区域及活动断裂交会部位更易于积累应力。

(3)桂西北地区的重力场几何形态与地壳水平运动的空间分布关系密切, 证实了区域内存在物质与能量的交换和动力作用, 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。 中强地震易发生在与构造活动断裂有关联的重力变化四象限的中心地带或正、 负异常区过渡的高梯度带上, 也易发生在面应变过渡区、 剪应变高值区或其边缘地区。 近期桂西北地区的地壳形变异常分析表明, 天峨— 南丹— 环江一带是重力异常变化梯度带、 水平形变面应变过渡带, 同时也是莫霍面等深线显著变化地段、 ML3.0地震围空区、 沿主断裂的异常低b值区, 综合分析认为该地区仍存在发生中强地震的危险。

参考文献
[1] 顾功叙, 郭宗汾, 刘克人, 等. 1997. 中国京津唐张地区时间上连续的重力变化与地震的孕育和发生[J]. 科学通报, 42(18): 1919—1930.
GU Gong-xu, GUO Zong-fen, LIU Ke-ren, et al. 1997. Seismogenesis and occurrence of earthquakes as observed by temporally continuous gravity variations in China[J]. Chinese Science Bulletin, 42(18): 1919—1930(in Chinese). [本文引用:1]
[2] 陈运泰, 杨智娴, 张勇, 等. 2013. 从汶川地震到芦山地震[J]. 中国科学(D辑), 43(6): 1064—1072.
CHEN Yun-tai, YANG Zhi-xian, ZHANG Yong, et al. 2013. From 2008 Wenchuan earthquake to 2013 Lushan earthquake[J]. Science in China(Ser D), 43(6): 1064—1072(in Chinese). [本文引用:1]
[3] 陈石, 徐伟民, 蒋长胜. 2015. 中国大陆西部重力场变化与强震危险性关系[J]. 地震学报, 37(4): 575—587.
CHEN Shi, XU Wei-min, JIANG Chang-sheng. 2015. Relationship between gravity variation and seismic hazards in the western China[J]. Acta Seismologica Sinica, 37(4): 575—587(in Chinese). [本文引用:1]
[4] 陈家联, 张毅, 陈超. 2010. 广西地区卫星重力异常与区域地质特征[J]. 地球物理学进展, 25(4): 1233—1239.
CHEN Jia-lian, ZHANG Yi, CHEN Chao. 2010. Satellite gravity anomalies and regional geological characteristics in the Guangxi area[J]. Progress in Geophysics, 25(4): 1233—1239(in Chinese). [本文引用:1]
[5] 段琦, 蔡勇. 2006. 一种基于无网格方式的弹塑性体变形仿真方法[J]. 西南科技大学学报, 21(2): 54—58.
DUAN Qi, CAI Yong. 2006. Simulation method for elasto-plasticity deformation based on mesh free method[J]. Journal of Southwest University of Science and Technology, 21(2): 54—58(in Chinese). [本文引用:1]
[6] 黄启勋. 2000. 广西若干重大基础地质特征[J]. 广西地质, 13(3): 3—12.
HUANG Qi-xun. 2000. The characteristics of some important basic geology in Guangxi[J]. Guangxi Geology, 13(3): 3—12(in Chinese). [本文引用:1]
[7] 江在森, 刘经南. 2010. 应用最小二乘配置建立地壳运动速度场与应变场的方法[J]. 地球物理学报, 53(5): 1109—1117.
JIANG Zai-sen, LIU Jing-nan. 2010. The method in establishing strain field and velocity field of crustal movement using least squares collocation[J]. Chinese Journal of Geophysics, 53(5): 1109—1117(in Chinese). [本文引用:1]
[8] 江在森, 张希, 祝意青, 等. 2003. 昆仑山口西 MS8. 1地震前区域构造变形背景[J]. 中国科学(D辑), 32(S1): 163—172.
JIANG Zai-sen, ZHANG Xi, ZHU Yi-qing, et al. 2003. Regional tectonic background before the MS8. 1 earthquake west of Kunlun Pass, northern Qinghai-Xizang plateau[J]. Science in China(Ser D), 32(S1): 163—172(in Chinese). [本文引用:2]
[9] 焦龙, 吴云, 张跃刚. 2010. 用边界元法研究川西地区的形变场与应变场[J]. 大地测量与地球动力学, 30(3): 35—38.
JIAO Long, WU Yun, ZHANG Yue-gang. 2010. Research on deformation field and strain field in western Sichuan area by BEM[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 30(3): 35—38(in Chinese). [本文引用:1]
[10] 李伟琦. 1989. 广西新构造分区特征及其与地震的关系[J]. 华南地震, 9(4): 22—26.
LI Wei-qi. 1989. The relationship between the characteristics of neotectonic regionalization and earthquakes in Guangxi[J]. South China Seismological Journal, 9(4): 22—26(in Chinese). [本文引用:2]
[11] 廖超明, 叶世榕, 周晓慧, 等. 2008. 广西区域现今地壳运动构造特性研究[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 33(8): 854—858.
LIAO Chao-ming, YE Shi-rong, ZHOU Xiao-hui, et al. 2008. Present-day tectonic characteristics of crustal movement in Guangxi area[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 33(8): 854—858(in Chinese). [本文引用:1]
[12] 廖超明, 马艳, 潘元进, 等. 2015. 广西区域现今地壳运动与应变的GPS监测分析[J]. 测绘学报, 44(8): 858—865.
LIAO Chao-ming, MA Yan, PAN Yuan-jin, et al. 2015. Present-day crustal movement and strain rate in Guangxi area from GPS data[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 44(8): 858—865(in Chinese). [本文引用:1]
[13] 梅世蓉. 1996. 地震前兆场物理模式与前兆时空分布机制研究(三): 强震孕育时地震活动与地壳形变场异常及机制[J]. 地震学报, 18(2): 170—178.
MEI Shi-rong. 1996. On the physical model of earthquake precursor fields and mechanism of precursor's time-space distribution(Ⅲ): Anomalies of seismicity and crustal deformation and their mechanisms when a strong earthquake is in preparation[J]. Acta Seismologica Sinica, 18(2): 170—178(in Chinese). [本文引用:1]
[14] 申重阳, 李辉, 孙少安, 等. 2009. 重力场动态变化与汶川 MS8. 0地震孕育过程[J]. 地球物理学报, 52(10): 2547—2557.
SHEN Chong-yang, LI Hui, SUN Shao-an, et al. 2009. Dynamic variations of gravity and the preparation process of the Wenchuan MS8. 0 earthquake[J]. Chinese Journal of Geophysics, 52(10): 2547—2557(in Chinese). [本文引用:1]
[15] 申重阳, 谈洪波, 郝洪涛, 等. 2011. 2009年姚安 MS6. 0地震重力场前兆变化机理[J]. 大地测量与地球动力学, 31(2): 17—23.
SHEN Chong-yang, TAN Hong-bo, HAO Hong-tao, et al. 2011. Mechanism of precursory gravity change before Yaoan MS6. 0 earthquake in 2009. [J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 31(2): 17—23(in Chinese). [本文引用:1]
[16] 武艳强, 江在森, 杨国华, 等. 2009. 利用最小二乘配置在球面上整体解算GPS应变场的方法及应用[J]. 地球物理学报, 52(7): 1707—1714.
WU Yan-qiang, JIANG Zai-sen, YANG Guo-hua, et al. 2009. The application and method of GPS strain calculation in whole mode using least square collocation in sphere surface[J]. Chinese Journal of Geophysics, 52(7): 1707—1714(in Chinese). [本文引用:1]
[17] 向宏发, 韩竹军, 张晚霞, 等. 2008. 中国东部中强地震发生的地震地质标志初探[J]. 地震地质, 30(1): 202—208.
XIANG Hong-fa, HAN Zhu-jun, ZHANG Wan-xia, et al. 2015. A preliminary study on seismogeologic evidence for moderate earthquake in East China[J]. Seismology and Geology, 30(1): 202—208(in Chinese). [本文引用:1]
[18] 张晶, 武艳强, 刘琦, 等. 2013. GPS水平形变面应变率梯度与强震危险区关系探讨[J]. 地震学报, 35(6): 828—835.
ZHANG Jing, WU Yan-qiang, LIU Qi, et al. 2013. Relationship between plane strain rate gradient of GPS horizontal deformation and strong earthquake risk area[J]. Acta Seismologica Sinica, 35(6): 828—835(in Chinese). [本文引用:2]
[19] 祝意青, 李辉, 朱桂芝, 等. 2004. 青藏块体东北缘重力场演化与地震活动[J]. 地震学报, 26(S1): 71—78.
ZHU Yi-qing, LI Hui, ZHU Gui-zhi, et al. 2004. Gravity evolution and earthquake activities of the northeastern edge of Qinghai-Xizang block[J]. Acta Seismologica Sinica, 26(S1): 71—78(in Chinese). [本文引用:1]
[20] 祝意青, 徐云马, 吕弋培, 等. 2009. 龙门山断裂带重力变化与汶川8. 0级地震关系研究[J]. 地球物理学报, 52(10): 2538—2546.
ZHU Yi-qing, XU Yun-ma, LÜ Yi-pei, et al. 2009. Relations between gravity variation of Longmenshan fault zone and Wenchuan MS8. 0 earthquake[J]. Chinese Journal of Geophysics, 52(10): 2538—2546(in Chinese). [本文引用:1]
[21] 祝意青, 闻学泽, 孙和平, 等. 2013. 2013年四川芦山 MS7. 0地震前的重力变化[J]. 地球物理学报, 56(6): 1887—1894.
ZHU Yi-qing, WEN Xue-ze, SUN He-ping, et al. 2013. Gravity changes before the Lushan, Sichuan, MS=7. 0 earthquake of 2013[J]. Chinese Journal of Geophysics, 56(6): 1887—1894(in Chinese). [本文引用:2]
[22] 祝意青, 李铁明, 郝明, 等. 2016. 2016年青海门源 MS6. 4地震前重力变化[J]. 地球物理学报, 59(10): 3744—3752.
ZHU Yi-qing, LI Tie-ming, HAO Ming, et al. 2016. Gravity changes before the Menyuan, Qinghai MS6. 4 earthquake of 2016[J]. Chinese Journal of Geophysics, 59(10): 3744—3752(in Chinese). [本文引用:1]
[23] 祝意青, 梁伟锋, 郝明, 等. 2017. 青藏高原东北缘近期重力与地壳形变综合分析与研究[J]. 地震地质, 39(4): 768—779. doi: 10.3969/j. issn. 0253-4967. 2017. 04. 011.
ZHU Yi-qing, LIANG Wei-feng, HAO Ming, et al. 2017. The comprehensive analysis and research of recent gravity and crustal deformation in northeastern edge of the Tibetan Plateau[J]. Seismology and Geology, 39(4): 768—779(in Chinese). [本文引用:1]
[24] 周民都. 2005. 青藏高原东北缘地壳上地幔速度结构的地震层析成像研究 [D]. 北京: 中国地震局地球物理研究所.
ZHOU Min-du. 2005. The seismic tomography on the velocity structure of the crust and upper mantle in the northeastern margin of the Qinghai-Tibetan Plateau [D]. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing(in Chinese). [本文引用:1]
[25] 周斌, 文翔, 原永东. 2018. 2016年苍梧 MS5. 4地震前后重力变化[J]. 地震地质, 40(3): 539—551. doi: 10.3969/j. issn. 0253-4967. 2018. 03. 003.
ZHOU Bin, WEN Xiang, YUAN Yong-dong. 2018. Gravity variation before and after the MS5. 4 earthquake in Cangwu in 2016[J]. Seismology and Geology, 40(3): 539—551(in Chinese). [本文引用:1]
[26] Zhu Y Q, Zhan F B, Zhou J, et al. 2010. Gravity measurements and their variations before the 2008 Wenchuan earthquake[J]. Bullentin of the Seismological Society of America, 100(5B): 2815—2824. [本文引用:1]
[27] Zhu Y Q, Liu F, You X Z, et al. 2015. Earthquake prediction from China's mobile gravity data[J]. Geodesy and Geodynamics, 6(2): 81—90. [本文引用:2]
[28] Wu Y Q, Jiang Z S, Yang G H. 2011. Comparison of GPS strain rate computing methods and their reliability[J]. Geophysical Journal International, 185(2): 703—717. [本文引用:1]