胡敏章 李 輝 劉子維 郝洪濤 王青華 鄭 兵

1 中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢市洪山側(cè)路40號，430079

2 云南省地震局形變測量中心，昆明市知春街249號，650000

3 四川省地震局測繪工程院，雅安市上壩路139號，625000

地震孕育和發(fā)生與地球內(nèi)部的形變及物質(zhì)遷移密切相關(guān)，地表觀測的重力變化能在一定程度上反映地球內(nèi)部形變和物質(zhì)遷移現(xiàn)象。國內(nèi)外學(xué)者對地震前后的重力變化進行研究［1－6］，并且有過成功的中期預(yù)測［7－8］。為更好地分析地震前后重力變化的區(qū)域特征，需要對離散的觀測數(shù)據(jù)進行格網(wǎng)化。文獻［5］以滇西地震試驗場為例，研究反距離加權(quán)法、多面函數(shù)擬合法等在重力變化數(shù)據(jù)格網(wǎng)化中的應(yīng)用。文獻［9－10］根據(jù)重力網(wǎng)的分形特征確定適合的格網(wǎng)化參數(shù)，并分析中國地震重力監(jiān)測體系的結(jié)構(gòu)和能力。

本文研究川滇地區(qū)（99°～108°E，21°～32°N）最新建成的重力網(wǎng)分形特征，探討其地震監(jiān)測能力，并結(jié)合試驗確定最佳格網(wǎng)化參數(shù)。根據(jù)2010～2013年流動重力觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建重力變化圖像，并結(jié)合2010年以來的地震事件，分析重力變化特征及其與地震活動的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)（圖1藍色方框內(nèi)）地處我國南北地震帶的南段。區(qū)域內(nèi)遍布斷裂帶（圖1紅色實線），是我國地殼運動最劇烈、地震活動最頻繁的地區(qū)之一。圖1中紅色圓點為2010～2014－04發(fā)生的Ms5.0以上地震震中，藍色方塊為Ms4.0～4.9地震震中。

為有效監(jiān)測川滇地區(qū)地殼運動，自20 世紀70年代末，相關(guān)單位陸續(xù)在該地區(qū)建立了流動重力監(jiān)測網(wǎng)。自1984年，中國地震局地震研究所與云南省地震局及德國漢諾威大學(xué)等單位合作，也在滇西建立了包括區(qū)域相對重力網(wǎng)、絕對重力網(wǎng)、微重力網(wǎng)和重力垂直梯度測線在內(nèi)的綜合高精度重復(fù)重力測網(wǎng)。此后，川滇地區(qū)重力網(wǎng)經(jīng)過陸續(xù)改造、更新，形成圖1所示覆蓋范圍較大、點位分布較均勻的測網(wǎng)（灰色小圓點為相對重力測點，黑色五角星為絕對重力測點）。中國地震局下屬各單位在研究區(qū)域內(nèi)，平均每年進行兩期流動重力觀測，包括絕對重力測量和相對重力聯(lián)測。

圖1 研究區(qū)斷裂帶、重力測點及地震分布概況（○為2014－08云南魯?shù)镸s6.5地震和2014－10景谷Ms6.6地震震中位置）Fig.1 Distribution of fracture zone，gravimetric points and earthquakes over the studied region（The symbols“○”indicate the epicenters of Jinggu Ms6.6and Ludian Ms6.5earthquakes in Yunnan province）

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 重力網(wǎng)平差

本文計算了川滇地區(qū)2010～2013年下半年（通常是9月左右）以及2013年蘆山Ms7.0地震科考的流動重力觀測數(shù)據(jù)。聯(lián)合相對重力觀測和同步絕對重力觀測，進行經(jīng)典平差計算，各期數(shù)據(jù)點值平均精度最小為11.5μGal，最大為17.65 μGal，平均值為13.38μGal。

2.2 重力變化分形特征及格網(wǎng)化

重力網(wǎng)經(jīng)平差后獲得各觀測點的重力值，以某期觀測結(jié)果為參考，通過作差可獲得相應(yīng)重力變化。由于觀測數(shù)據(jù)是離散點值，需將離散數(shù)據(jù)進行格網(wǎng)化?？梢酝ㄟ^研究重力網(wǎng)的分形特征來確定格網(wǎng)化時的格網(wǎng)尺寸，即格網(wǎng)距［9］。對于分形點集，分形維Df定義為：

本文采用經(jīng)典方盒法對研究區(qū)分形維進行估算，計算格網(wǎng)距。方盒法把點集存在的區(qū)間依次劃分為邊長為r1，r2，r3，… 的若干小方塊，統(tǒng)計各系列含有數(shù)據(jù)點的方塊個數(shù)，記為n（r）。此時，在r的一定區(qū)間內(nèi)，log（n（r））～log（r）呈直線狀態(tài)。該直線段斜率的負值即為分形維Df，同時在曲線拐彎處確定相應(yīng)格網(wǎng)距，如圖2所示。研究區(qū)內(nèi)重力網(wǎng)點集的分形維數(shù)為1.43～1.62，對應(yīng)格網(wǎng)距為30～60km，數(shù)據(jù)點覆蓋范圍達1 000km以上（圖1）。該重力網(wǎng)具備監(jiān)測Ms5.0級以上地震的能力［10］。

圖2 川滇地區(qū)重力網(wǎng)的分形維數(shù)與格網(wǎng)距Fig.2 The fractal dimension and grid space of the gravimetric network over Sichuan－Yunnan region

本文采用張力樣條法進行數(shù)據(jù)格網(wǎng)化［11］。以2010～2011的重力變化為例，通過試算確定張力參數(shù)為0.3，格網(wǎng)距為20′（約37km），格網(wǎng)化結(jié)果如圖3（a）所示，格網(wǎng)化結(jié)果未改變重力變化基本趨勢（圖3（b））。以未參與格網(wǎng)化的64個測點值為檢核參考，根據(jù)格網(wǎng)化結(jié)果內(nèi)插計算檢核點數(shù)據(jù)，并與觀測值作差，70%以上點值差在±30 μGal以內(nèi)，標(biāo)準差為15.84μGal，如圖3（c）所示。選用上述格網(wǎng)化參數(shù)時，格網(wǎng)化結(jié)果與檢核點之差的標(biāo)準差最小，且保持了數(shù)據(jù)本身的變化趨勢，說明本文數(shù)據(jù)格網(wǎng)化策略的有效性。

圖3 重力網(wǎng)離散點數(shù)據(jù)的格網(wǎng)化結(jié)果（a）、實測值（b）以及檢核點上格網(wǎng)化值與實測值之差（c）Fig.3 TGirding of the scatter data points in the gravimetric network（a），the observed data（b），and the differences between gridded and observed data on the checking points

3 研究區(qū)近年重力變化及其與地震活動的關(guān)系

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)統(tǒng)一地震目錄，研究區(qū)內(nèi)2010年至今Ms5.0 以上地震活動統(tǒng)計見表1。為盡量避免水儲量變化等影響，本文僅采用下半年觀測數(shù)據(jù)，作年際重力變化圖（圖4）。數(shù)據(jù)格網(wǎng)化方法和參數(shù)采用本文§2結(jié)果。

1）2011～2010年，重力變化受斷裂帶活動強烈控制，等值線總體呈南北走向，但局部細節(jié)非常豐富。沿紅河斷裂帶自西向東，重力變化由正轉(zhuǎn)負，并形成重力變化高梯度帶；鮮水河斷裂帶上重力變化等值線走向垂直于斷裂帶，在爐霍附近形成幅度較小的正變化，自西北至東南，重力變化呈正－負－正交替變化趨勢；龍門山斷裂帶重力變化等值線與斷裂帶走向平行，形成自西向東、重力變化由負到正的高梯度帶，最大可達－90μGal～60 μGal，并一直往南發(fā)展，延伸至云南巧家附近，形成正、負交替變化形態(tài)和高梯度帶；在龍門山－安寧河斷裂帶以東，也形成幅度較小的正、負交替變化和梯度帶，可能與這一地區(qū)的Ms4.0～4.9地震活動有關(guān)。2011年至今發(fā)生的所有Ms5.0以上地震主要位于重力變化高梯度帶上。

圖4 川滇地區(qū)重力變化Fig.4 The gravity change over Sichuan－Yunnan region

表1 研究區(qū)2010年至今Ms5.0級以上地震活動Tab.1 Earthquakes withamplitude larger than Ms5.0 since 2010in the studied region

2）2012～2011年，重力變化總體上西部為負、東部為正。除研究區(qū)西北部外，其他變化幅度不大。值得注意的是，與2011～2010年相比，重力變化符號發(fā)生反轉(zhuǎn)。在四川白玉以北，重力變化由負轉(zhuǎn)正；在云南香格里拉周邊，重力變化由正轉(zhuǎn)負，且覆蓋范圍有所擴大；在研究區(qū)西南角以及東部地區(qū)，重力變化符號均發(fā)生反轉(zhuǎn)。尤其值得注意的是，龍門山斷裂帶南段，即蘆山及周邊地區(qū)，重力變化打破了上期與斷裂帶平行的走勢，負變化區(qū)跨越整個斷裂帶，并形成局部高－低相間的變化態(tài)勢，成為2013－04－20蘆山Ms7.0地震前重力場演化的明顯信號。

3）2013～2012年重力變化的突出特點是龍門山－鮮水河斷裂帶交匯處以北的正變化，幅度達90μGal以上。它疊加了蘆山地震震前重力演化最后階段、同震變化以及震后調(diào)整等影響。南部地區(qū)重力變化較為散亂，分布著一些小范圍、小幅度的正－負重力變化閉圈，顯示蘆山地震之后南部地區(qū)可能發(fā)生了一定的構(gòu)造調(diào)整。

4）從2012～2010 累積的重力變化看（圖4（d）），2013年發(fā)生的Ms5.0 以上地震均位于重力變化正－負轉(zhuǎn)換的高梯度帶上，且主要位于研究區(qū)北部。在巧家及以南地區(qū)，雖形成重力變化高梯度帶，但近幾年都未發(fā)生過Ms5.0以上地震，未來1～2a應(yīng)予重點關(guān)注。

從2013～2011 兩年累積重力變化看（圖4（e）），研究區(qū)內(nèi)有3個地點重力變化較明顯，應(yīng)予以關(guān)注：鮮水河斷裂帶東南端及其與龍門山斷裂帶的交匯地區(qū)，重力變化等值線總體走勢與鮮水河斷裂帶平行，但仔細觀察可以看到，其走向發(fā)生曲折變化，在道孚地區(qū)走向垂直于斷裂帶，2010－04－28發(fā)生過四川道孚Ms5.0地震，未來再次發(fā)生Ms5.0以上地震的可能性較大；云南巧家及周邊地區(qū)形成重力變化高梯度帶，并在過去4a內(nèi)發(fā)生多次Ms4.0～4.9地震；研究區(qū)的西南部，形成了小范圍、自西向東由負到正的重力變化高梯度帶。

5）從2013～2010年累積重力變化看（圖4（f）），重力變化最劇烈的地區(qū)依然是鮮水河及龍門斷裂帶的交匯地區(qū)。沿鮮水河斷裂帶，重力變化等值線垂直于斷裂帶走向，自西北至東南方向，重力變化依次為正－負－正；在安寧河斷裂帶以東地區(qū)，形成重力變化“四象限”形態(tài)，并于2014－04－05發(fā)生云南永善地震，東部重力變化高梯度帶中期發(fā)生Ms5.0以上地震的可能性依然存在；云南巧家周邊重力變化高梯度帶等值線自西部的近東－西向發(fā)生近90°轉(zhuǎn)向，變成南－北走向；研究區(qū)域西南部紅河斷裂帶南段也存在重力變化梯度帶，但重力變化幅度和覆蓋范圍都較小。

蘆山Ms7.0地震對重力場演化產(chǎn)生了重要影響。圖5（a）是震后科考數(shù)據(jù)與2012年下半年觀測數(shù)據(jù)作差，稱為準同震變化，它包括2012年下半年至震前的重力變化和蘆山地震同震變化信息。圖5（b）是2013年下半年觀測數(shù)據(jù)與科考數(shù)據(jù)作差，蘊含了震后調(diào)整信息。

圖5 蘆山Ms7.0級地震的準同震重力變化（a）及震后調(diào)整（b）Fig.5 The quasi coseismic gravity chang（a）and the adjustment after the Lushan Ms7.0earthquake（b）

如圖5（a），龍門山斷裂帶兩側(cè)重力變化與圖4（d）較為一致，自西北向東南方向由負變正，只是斷裂帶東南部正變化范圍有所擴大，而西北部負變化范圍和量級縮小。由于圖5（a）同時包含了震前重力演化和同震重力變化信息，因此不能給出同震重力變化的準確數(shù)值。但結(jié)合位錯模型模擬結(jié)果［12］或許可以推斷，除震中鄰近地區(qū)外，蘆山地震并未產(chǎn)生顯著的同震重力變化。

圖5（b）是蘆山地震震后調(diào)整圖像。震前龍門山斷裂帶兩側(cè)重力變化態(tài)勢為西部負變化、東部正變化（圖4（d））。震后斷層上累積的應(yīng)力應(yīng)變得到一定程度的釋放，重力變化呈現(xiàn)反向調(diào)整特性，即斷裂帶西部變?yōu)檎兓?、東部變?yōu)樨撟兓?，重力變化等值線走向平行于斷裂帶，且量級與圖4（d）相近。綜合震前累積變化和震后調(diào)整，3a累積重力變化的量級和范圍均縮小了（圖4（f）），但在四川道孚周邊以及鮮水河、安寧河和龍門山斷裂帶交匯地帶依然形成了明顯的重力變化高梯度帶，并且與圖4（d）相較，道孚附近重力變化梯度加強了。

4 結(jié) 語

1）川滇地區(qū)重力網(wǎng)分形維數(shù)約為1.43～1.62，對應(yīng)格網(wǎng)間距約30～60km，測點覆蓋范圍在南北和東西兩個方向上均超過1 000km，具備監(jiān)測研究區(qū)內(nèi)Ms5.0以上地震的能力。

2）本文認為，采用張力樣條插值方法進行重力變化數(shù)據(jù)格網(wǎng)化時，格網(wǎng)間距取20′（約37 km）、張力參數(shù)取0.3比較合適。

3）斷裂帶對研究區(qū)重力變化特征有很強的控制能力，2011年以來Ms5.0 以上地震主要發(fā)生在重力變化正－負轉(zhuǎn)換的高梯度帶上。

4）地震前后蘆山及周邊地區(qū)均有較為劇烈的重力變化。根據(jù)研究區(qū)域2a和3a尺度累積重力變化特征，認為鮮水河斷裂帶東南段、安寧河斷裂帶北段以及研究區(qū)西南部重力變化依然較強，對這些地區(qū)的震情應(yīng)加強監(jiān)測。

后記：在本文送審之際，研究區(qū)內(nèi)于2014－08－03和10－07分別發(fā)生云南魯?shù)镸s6.5和景谷Ms6.6級地震。從圖4 的重力變化圖看，2a尺度的震前重力累積變化對上述兩個地震均有較強的反映。魯?shù)榈卣鹎埃?010～2012年（圖4（d））云南巧家地區(qū)重力變化等值線走向呈南北向，并形成自西南向東北向、由小增大的重力變化梯度帶；2011～2013年（圖4（e））重力變化等值線走向發(fā)生變化，在震區(qū)南部形成近東西向等值線，并形成“負中心”。景谷地震前，2010～2012年（圖4（d））震區(qū)正重力變化帶呈東西走向，并在南、北兩處均有負變化區(qū)域，形成“四象限”圖形；2011～2013年（圖4（e））重力變化等值線走向轉(zhuǎn)為南北向，自西向東重力變化由負轉(zhuǎn)正，且變化值較大。

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