劉代芹 李 杰 王曉強(qiáng) 李 輝 帕爾哈提·再努拉

(1)新疆維吾爾自治區(qū)地震局,烏魯木齊 830011

2)中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071

3)中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢)空間科技應(yīng)用研究中心,武漢 430070)

新疆南天山地區(qū)重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化與烏恰西 6.8級(jí)地震＊

劉代芹1,2)李 杰1,3)王曉強(qiáng)1)李 輝2)帕爾哈提·再努拉1)

(1)新疆維吾爾自治區(qū)地震局,烏魯木齊 830011

2)中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071

3)中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢)空間科技應(yīng)用研究中心,武漢 430070)

利用 2005—2009年流動(dòng)重力觀測(cè)資料,分析新疆南天山地區(qū)重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化特征,并給出一年尺度的重力場(chǎng)變化圖像,結(jié)合重力段差時(shí)序圖以及 GPS計(jì)算資料分析2008年10月5日烏恰西6.8級(jí)地震與重力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)的關(guān)系,并綜合分析區(qū)域重力場(chǎng)與動(dòng)力構(gòu)造環(huán)境的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：重力場(chǎng)變化與區(qū)域應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)微動(dòng)態(tài)活動(dòng)有關(guān),重力場(chǎng)變化反映出應(yīng)力場(chǎng)引起的重力源兆變化特征。

重力場(chǎng);異常變化;烏恰西Ms6.8地震;地質(zhì)構(gòu)造;應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)

1 引言

南天山地區(qū)是新疆中強(qiáng)震高發(fā)區(qū),據(jù)統(tǒng)計(jì), 1900—1996年共發(fā)生 256次 5級(jí)以上的中強(qiáng)地震, 1997年 1月 21日—1998年 8月,共發(fā)生 9次 6級(jí)以上強(qiáng)烈地震,平靜 4年之后,于 2003年 2月 24日又發(fā)生了一次 6.8級(jí)地震,而在 2008年連續(xù)發(fā)生 6級(jí)以上地震 3次,最大的一次是 2008年 10月 5日為烏恰西(中吉邊境)6.8級(jí)地震。短期內(nèi)該地區(qū)竟然發(fā)生了 10余次 6級(jí)以上強(qiáng)烈地震。為研究該區(qū)地震高發(fā)原因,新疆維吾爾自治區(qū)地震局在該地區(qū)布設(shè)了流動(dòng)重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)以及大量的 GPS觀測(cè)點(diǎn),實(shí)時(shí)跟蹤研究南天山地區(qū)重力場(chǎng)變化特征以及地殼運(yùn)動(dòng)特征(圖 1)。本文將依據(jù)這些監(jiān)測(cè)資料研究該地區(qū)的重力場(chǎng)變化與地震活動(dòng)的關(guān)系。

圖1 南天山地區(qū)流動(dòng)重力測(cè)點(diǎn)圖Fig.1 Gravimetric survey routes in the south Tianshan region

2 資料處理

利用兩臺(tái)高精度金屬?gòu)椈蒐CR-G型重力儀,于2005年 4月開始對(duì)南天山區(qū)進(jìn)行每年兩期的流動(dòng)重力觀測(cè),截至 2009年 8月共獲得了 10期重力觀測(cè)數(shù)據(jù)。野外觀測(cè)時(shí)采用 PDA掌上電腦記錄,往返自差小于 25×10-8ms-2,互差小于 30×10-8ms-2。室內(nèi)采用中國(guó)地震局實(shí)用化攻關(guān)推廣軟件LGADJ進(jìn)行擬穩(wěn)平差,統(tǒng)一起算基準(zhǔn),處理時(shí)并作了一次項(xiàng)、固體潮及零漂改正。平差計(jì)算時(shí),先對(duì)多期觀測(cè)資料計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整體分析,初步了解各臺(tái)儀器的觀測(cè)精度后,合理確定各臺(tái)儀器的先驗(yàn)方差,然后再重新平差計(jì)算,以得到最佳解算結(jié)果,計(jì)算點(diǎn)值精度為 (6～10)×10-8ms-2。

3 區(qū)域重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化特征與烏恰西6.8級(jí)地震

3.1 重力場(chǎng)變化等值線圖分析

從一年尺度的重力場(chǎng)變化等值線圖 (圖 2)來看,該區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)十分活躍,每年的重力變化量相對(duì)較大,對(duì)于多發(fā)地震的南天山地區(qū),重力變化有一定的規(guī)律,空間分布比較集中,時(shí)常有明顯異常出現(xiàn)。圖 2(a～d)清晰地表明了南天山地區(qū)重力場(chǎng)正負(fù)區(qū)交替出現(xiàn),正負(fù)重力異常變化梯度帶的附近是物質(zhì)增減差異劇烈的地區(qū),因而伴隨著相應(yīng)的重力異常,能量易于積累,這實(shí)際也表明了南天山地區(qū)是地震多發(fā)區(qū)。

重力場(chǎng)于不同時(shí)段在空間分布上表現(xiàn)出明顯的差異性,2005年 10月—2006年 10月 (圖 2(a))和2006年 10月—2007年 10月 (圖 2(b)),區(qū)域重力場(chǎng)分別出現(xiàn)西降 (正)東升 (負(fù))、西升 (負(fù))東降(正)有序性變化,這是由于 2005年 10月—2006年10月期間,在該區(qū)發(fā)生了一系列 4級(jí)以上的地震,西昆侖-帕米爾高原應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生反向調(diào)整,區(qū)域重力場(chǎng)也隨之出現(xiàn)西升東降的反向變化,當(dāng)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)很弱或松弛時(shí),則出現(xiàn)較為分散的重力變化圖像[2-4]。

2007年 10月—2008年 10月,從重力等值線圖(圖 2(c))可以清楚的看到,伽師及鄰近地區(qū)的重力場(chǎng)正值變化與負(fù)值變化量最大差異值達(dá)到 120× 10-8ms-2,以托云、阿圖什、伽師、麥蓋提為界以北為正值,連線以南為負(fù),測(cè)區(qū)NE大范圍的重力正值變化,這可能與在該地區(qū)內(nèi)發(fā)生的幾次 4.5級(jí)左右地震有關(guān),能量得以釋放,迫使區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整地表重力場(chǎng)的分布。柯坪發(fā)生的 5.2級(jí)、阿合奇發(fā)生的 5.5級(jí)地震與重力測(cè)量結(jié)果很吻合,這是由于2008年 10月重力場(chǎng)在阿合奇附近出現(xiàn)了小范圍轉(zhuǎn)折零線區(qū)域。在重力變化顯著地區(qū),以托云、阿圖什、伽師、麥蓋提為界,具有不同的重力變化特征,由地震活動(dòng)反映的伽師及鄰近地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征表明,這里的地震帶呈不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)狀分布,表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)狀的剪切變形帶[5]。

2008年 10月—2009年 8月 (圖 2(d))與 2007年 10月—2008年 10月 (圖 2(c))相比,重力場(chǎng)出現(xiàn)了大范圍的負(fù)值區(qū),這是由于在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)的過程中,地殼中的物質(zhì)遷移出現(xiàn)有序性分布,相應(yīng)的區(qū)域重力場(chǎng)也出現(xiàn)有序的變化,隨著時(shí)間的推移,應(yīng)力和能量的積累,導(dǎo)致了重力場(chǎng)繼續(xù)向NE向增強(qiáng),2008年10月5日在烏恰西發(fā)生的6.8級(jí)地震、以及 2009年在該區(qū)域又分別于 2月 20日、4月19日、4月 22日發(fā)生了 5.2級(jí)、5.5級(jí)和 5.0級(jí)中強(qiáng)地震,地殼應(yīng)力得到釋放,重力場(chǎng)也得到了調(diào)整,地震時(shí)震源區(qū)介質(zhì)發(fā)生的快速破裂或是原斷層的失穩(wěn),從而出現(xiàn)重力場(chǎng) S W為負(fù)值、NE為正值的一個(gè)新的空間分布。從重力等值線圖可以清楚的看到,南天山地區(qū)將近一年的時(shí)間內(nèi)重力正值、負(fù)值變化量最大差異值達(dá)到 100×10-8ms-2。

2008年 10月 5日烏恰西 6.8級(jí)地震前該區(qū)域一直伴隨重力場(chǎng)變化的轉(zhuǎn)折零線出現(xiàn),圖 2(b)表現(xiàn)出該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力不斷增強(qiáng),使得地殼物質(zhì)發(fā)生了較大范圍的遷移,引起了重力場(chǎng)出現(xiàn)了前所未有的空間變化,即 S W、NE向?yàn)樨?fù)值區(qū),而該區(qū)域中間部位出現(xiàn)了正值區(qū)。圖 2(c)表明在地殼物質(zhì)受到應(yīng)力作用不斷遷移時(shí),重力場(chǎng)也在不斷的發(fā)生變化,零線出現(xiàn)在烏恰以及阿合奇附近,隨后不久便在烏恰西發(fā)生了6.8級(jí)地震,以及柯坪、阿合奇附近分別發(fā)生了 5.2級(jí)、5.5級(jí)地震。這一結(jié)果表明：地震往往發(fā)生在重力場(chǎng)變化的零線附近。震中位于低值正負(fù)變化過渡部位,其重力等值線呈北西向與發(fā)震構(gòu)造基本一致。可以看出,烏恰西 6.8級(jí)地震是青藏高原碰撞帶西緣 (帕米爾構(gòu)造結(jié))向北推擠活動(dòng)造成區(qū)域構(gòu)造變動(dòng)響應(yīng)的結(jié)果,重力變化梯級(jí)帶的維持穩(wěn)定反映了深部閉鎖狀態(tài)和剪切應(yīng)力狀態(tài)[6]。

圖 2 南天山地區(qū)重力變化等值線圖(單位：10-8ms-2)Fig.2 Isoline map of gravity change in south Tianshan region(unit：10-8ms-2)

綜上所述,動(dòng)態(tài)重力變化圖像基本反映了動(dòng)力構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的外部環(huán)境,其對(duì)大震孕育過程也有較好的反映,一般來說,大震發(fā)生在重力變化梯級(jí)變化帶及區(qū)域主要控制構(gòu)造交匯部位[7]。

3.2 重力段差時(shí)序變化圖分析

圖 3 烏恰地震前后重力段差時(shí)序變化Fig.3 Ti me-sequence curves of the gravity difference value before and afterWuqia earthquack

2008年10月5日在烏恰西發(fā)生的6.8級(jí)地震,重力段差時(shí)序圖 (圖 3)有較好的響應(yīng)。圖 3(a)顯示在烏恰 6.8級(jí)地震發(fā)生之前,重力場(chǎng)表現(xiàn)出大幅度的增加,從 2006年 10月—2008年 5月重力增加了 35×10-8ms-2,說明該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力不斷增大,地殼活動(dòng)性相對(duì)活躍。圖 3(b)顯示在烏恰東與烏恰縣附近重力場(chǎng)從 2007年 4月至 2008年 4月也在不斷增強(qiáng),然在 2008年 10月以后出現(xiàn)了重力場(chǎng)變化轉(zhuǎn)折點(diǎn),即 6.8級(jí)地震后重力場(chǎng)方向遞減。圖 3 (c)顯示出在 2007年 10月—2008年 4月期間重力增大,但在 2008年 4月以后重力變化甚小,幾乎為零,我們認(rèn)為該區(qū)域處于一個(gè)閉鎖區(qū)域,四周構(gòu)造應(yīng)力不斷增大,能量不斷匯集,導(dǎo)致該區(qū)域于 2008年10月 5日發(fā)生了Ms6.8地震。綜合分析段差時(shí)序圖,烏恰西 6.8級(jí)地震后,該測(cè)線 3條測(cè)段都出現(xiàn)重力異常方向減弱,說明該區(qū)域能量得以釋放,重力場(chǎng)重新處于均衡狀態(tài),再次形成新的空間格局。

3.3 GPS結(jié)果分析

從研究區(qū) 2007—2008年面膨脹分布特征 (圖4)來看,在烏恰附近地區(qū)存在著一個(gè)較強(qiáng)的面膨脹區(qū),它的相鄰地區(qū)西側(cè)及東側(cè)則是面收縮地區(qū),GPS觀測(cè)結(jié)果與2007年 10月—2008年 10月(圖2(c))重力場(chǎng)反應(yīng)出的該區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)基本一致,同時(shí)也揭示了壓性區(qū)可能是應(yīng)變能積累的反映,而張性區(qū)可能是地震發(fā)生緊迫性及震級(jí)大小的反映[8]。

圖 4 2007—2008年南天山地區(qū)面膨脹分布Fig.4 Surface expansion in south Tianshan region from 2007 to 2008

圖 5 2007—2008年南天山地區(qū)剪應(yīng)變分布Fig.5 Shear strain in south Tianshan region from 2007 to 2008

從研究區(qū) 2007—2008年最大剪應(yīng)變分布特征(圖 5)來看：在烏恰附近地區(qū)有一個(gè)較強(qiáng)的剪應(yīng)變高值區(qū),其中心最大值約為 26×10-8,其剪切方向?yàn)楸逼珫|[9]。2008年 10月 5日在其西部邊緣發(fā)生了 6.8級(jí)地震,這個(gè)高剪應(yīng)變值的出現(xiàn),和 6.8級(jí)地震密不可分,應(yīng)該是它的前兆異常反應(yīng),這與2003年巴楚-伽師 6.8級(jí)地震、2005年烏什 6.2級(jí)地震前的剪應(yīng)變場(chǎng)一致。

4 重力場(chǎng)變化與構(gòu)造動(dòng)力環(huán)境響應(yīng)關(guān)系

新疆南天山地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)特征表明,該區(qū)剪應(yīng)力平均值偏高,究其原因,可能是由于印度洋板塊對(duì)亞歐板塊的碰撞,使塔里木盆地受到強(qiáng)烈擠壓,這種擠壓在西段尤為強(qiáng)烈,以右旋錯(cuò)動(dòng)為主[5]。

重力場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)在關(guān)系的理論研究告訴我們,重力變化與構(gòu)造應(yīng)力之間有著密切聯(lián)系。當(dāng)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),重力場(chǎng)圖像也會(huì)隨之出現(xiàn)時(shí)空變化,重力場(chǎng)變化能反映區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的微動(dòng)態(tài)活動(dòng)。伽師強(qiáng)震群所處的喀什坳陷受帕米爾北向推擠、天山南向逆沖以及塔里木順時(shí)針旋轉(zhuǎn)及陸內(nèi)俯沖作用,是一個(gè)主要受擠壓活動(dòng)而變形強(qiáng)烈的地區(qū)[10]。從大的構(gòu)造背景看,該地區(qū)處于印度洋板塊與歐亞板塊碰撞的西北端,是中國(guó)大陸受板塊運(yùn)動(dòng)作用最強(qiáng)烈的地區(qū)之一,也是地震活動(dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)之一,是其區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)活動(dòng)必然受制于兩大亞板塊的共同作用,印度板塊對(duì)歐亞板塊的擠壓是伽師及帕米爾一帶強(qiáng)烈構(gòu)造變動(dòng)的主要?jiǎng)恿υ?圖 6),當(dāng)印度板塊與歐亞板塊活動(dòng)加強(qiáng)時(shí),區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)也相對(duì)增強(qiáng),地殼中的物質(zhì)遷移將會(huì)出現(xiàn)有序分布,相應(yīng)的區(qū)域重力場(chǎng)也出現(xiàn)有序變化。

圖 6 1998—2008年南天山地區(qū) GPS點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)速率(相對(duì)于歐亞板塊)Fig.6 Diagram ofmotion velocity of the GPS sites in southern Tianshan from 1998 to 2008 (relative to the Eurasia plate)

在地震的孕育過程中,由于應(yīng)變的積累,孕震區(qū)內(nèi)介質(zhì)的物理、力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生不同程度的變化,受青藏高原,特別是帕米爾構(gòu)造結(jié)擠壓的影響,塔里木盆地向北偏西運(yùn)動(dòng),擠壓天山使之再造山隆起,正重力變化顯示該區(qū)地下物質(zhì)因不斷擠壓而堆積[7]。南天山地區(qū)重力變化主要顯示正變化,之后呈現(xiàn)負(fù)變化,可能說明壓陷作用和北向擴(kuò)張作用交替進(jìn)行。

5 討論與結(jié)論

1)在空間分布上,地震發(fā)生前重力場(chǎng)變化均出現(xiàn)于與活動(dòng)斷層走向基本一致的高梯度帶,或重力場(chǎng)變化的零線附近,與異常中心對(duì)應(yīng)的震中的位置不是很遠(yuǎn),異常測(cè)段均在震源區(qū)附近,范圍較局部。

2)一年尺度的重力變化圖像較好地反映了重力場(chǎng)隨時(shí)空的變化,對(duì)于以多震、強(qiáng)震為特征的南天山地區(qū),重力異常變化明顯,這表明獲得的結(jié)果反映出來的南天山地區(qū)重力場(chǎng)變化是可靠的。

3)在時(shí)間序列上,地震發(fā)生前,重力段差和點(diǎn)值變化較多存在增強(qiáng),然后反向減弱,往往在反向過程中發(fā)生地震。

4)在地震孕育過程中,隨著震源區(qū)應(yīng)力的不斷集中,使得地殼內(nèi)部的物質(zhì)發(fā)生遷移,致使地殼內(nèi)部密度發(fā)生變化,使得該處重力和地面點(diǎn)的空間位置發(fā)生了變化。

1 沈軍,等.2003年 2月 24日新疆巴楚-伽師 6.8級(jí)地震發(fā)震構(gòu)造[J].地震地質(zhì),2006,28(2)：205-212.

2 胡斌,等.關(guān)中地區(qū)重力場(chǎng)及其時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征[J].中國(guó)地震,2006,22(2)：172-181.

3 王曉強(qiáng),等.伽師及其鄰近地區(qū)重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化特征初步分析[J].內(nèi)陸地震,2007,21(3)：213-217.

4 祝意青,等.河西地區(qū)重力場(chǎng)及其動(dòng)態(tài)演化特征[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)學(xué),2003,(4)：44-48.

5 牛安福,等.伽師地震與區(qū)域斷層活動(dòng)研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2003,23(1)：17-21.

6 徐忠淮,汪素云,高阿甲.地震活動(dòng)反應(yīng)的青藏高原東北地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征,地震學(xué)報(bào),2000,22(5)：472-481.

7 李輝,等.中國(guó)大陸近期重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化圖像[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2009,(3)：1-10.

8 張曉亮,等.青藏塊體東北緣地殼運(yùn)動(dòng)與孕震特征[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2004,(4)：76-81.

9 申重陽,等.云南地區(qū)主要斷層運(yùn)動(dòng)模型的 GPS數(shù)據(jù)反演[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2002,(3)：46-51.

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11 趙瑞斌,李軍,沈軍.喀什坳陷北緣活動(dòng)斷裂與古地震初步研究[J].地震學(xué)報(bào),2000,22(3)：327-331.

DYNAM IC CHANGE OF GRAVITY FIELD IN SOUTH TIANSHAN AREA AND RELATION W ITH W ESTERNW UQIAMs6.8 EARTHQUAKE

Liu Daiqin1,2),Li Jie1,3),Wang Xiaoqiang1),Li Hui2)and Paerhati·Zainula1)

(1)Earthquake Adm inistration of X injiang UygurAutonom ous Region,U rum qi 830011
2)Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071
3)Research Center of Space Science and Technology,China University of Geosciences,W uhan 430074)

Using the mobilely gravimetric data from 2005 to 2009,the dynamic changes of the gravity field in the South TianshanMountain area of Xinjiang is analyzed,and its patterns by year are given.Furthermore,combined with ti me series of gravity difference value and computed GPS data the intrinsic relations between the gravity and strain fields and theMs6.8 earthquake on Oct.5,2008 in the west toWuqia are analyzed.At last,the response of local gravity field to tectonic conditions is analyzed aswell.It is shown that the change of gravity field is related to the minidynamic activity of local stress-strain field,i.e.the change of gravity reflects the precusory change feature of the gravity source caused by the strain field change.

gravitational field;anomaly variation;western WuqiaMs6.8 earthquake;geologic structure;stressstrain field

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0084-05

2010-03-05

新疆維吾爾自治區(qū)科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目 (200741121);地震科學(xué)聯(lián)合基金 (A08056);新疆地震科學(xué)聯(lián)合基金(200805)

劉代芹,男,1979年生,工程師,碩士,主要從事重力測(cè)量、大地測(cè)量以及地殼形變分析研究工作.E-mail：xjdzjldq@126.com

P315.72+6

A