高尚華， 佘雅文， 付廣裕

中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所)， 北京　100036

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利用重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算地殼垂向構(gòu)造應(yīng)力的新方法

高尚華， 佘雅文， 付廣裕*

中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所)， 北京100036

摘要本文提出一種基于重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算垂向構(gòu)造應(yīng)力的新方法.計(jì)算步驟如下： (1) 通過重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算布格重力異常； (2) 依據(jù)布格重力異常數(shù)據(jù)推算莫霍面深度； (3) 依據(jù)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過均衡理論計(jì)算均衡面深度； (4) 依據(jù)莫霍面與均衡面之間剩余物質(zhì)(殼幔物質(zhì)密度差)所承受的附加浮力，計(jì)算地殼承載的垂向構(gòu)造應(yīng)力.本文利用上述構(gòu)造應(yīng)力新算法，計(jì)算了巴顏喀拉塊體東邊界及周邊地區(qū)垂向構(gòu)造應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)龍泉山斷裂帶以東地區(qū)垂向構(gòu)造應(yīng)力基本為零，龍泉山斷裂帶與龍門山斷裂帶之間地區(qū)垂向構(gòu)造應(yīng)力為正值，巴顏喀拉地塊東部垂向構(gòu)造應(yīng)力為負(fù)值.鮮水河斷裂帶東南段周邊蓄積了-40～-50 MPa的垂向構(gòu)造應(yīng)力，且梯度變化劇烈；松潘高原蓄積的垂向構(gòu)造應(yīng)力大約為-10～-20 MPa，相對(duì)較小.

關(guān)鍵詞重力； 布格重力異常； 構(gòu)造應(yīng)力； 地殼均衡； 莫霍面

1引言

地殼內(nèi)部的應(yīng)力一般由靜巖應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力兩部分組成.靜巖應(yīng)力(也稱正壓力)主要由重力決定，其大小是深度的函數(shù).地殼內(nèi)部壓力與上覆物重力之間的平衡狀態(tài)稱為靜巖應(yīng)力狀態(tài)，與靜止流體中的應(yīng)力狀態(tài)完全等價(jià).靜止流體中任何一點(diǎn)的壓力在各個(gè)方向相等，并隨著深度線性增加.然而，在地球內(nèi)部，尤其在地球淺層，巖石并非全部處于靜巖應(yīng)力狀態(tài)，而多為多種應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)三個(gè)主應(yīng)力不等時(shí)，即存在構(gòu)造應(yīng)力.其實(shí)，構(gòu)造應(yīng)力就是附加在正壓力之上的一種應(yīng)力，又稱偏應(yīng)力，是由相鄰地塊地形高低、密度、力的大小和方向、溫度場(chǎng)等的不同所產(chǎn)生的負(fù)載應(yīng)力差(黨亞民等，2009).

與構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)的研究是一個(gè)重要的地學(xué)研究方向，不少學(xué)者對(duì)重力異常、密度異常與構(gòu)造應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行過探討，或者對(duì)典型區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行過研究.Turcotte和Schubert(1982)推導(dǎo)了使用地殼平均密度計(jì)算構(gòu)造應(yīng)力的計(jì)算公式；Bowin等(1986)利用點(diǎn)質(zhì)量元法建立起場(chǎng)源深度與衛(wèi)星重力位系數(shù)階數(shù)之間的關(guān)系；Hardebeck和Michael(2004)探討了圣安德斯斷裂帶上的應(yīng)力方向.我國(guó)的構(gòu)造應(yīng)力研究始于20世紀(jì)70年代，之后很多學(xué)者在此方面取得了一系列成果.張赤軍等(1988)給出了利用地面、衛(wèi)星重力資料研究巖石層密度的方法；方劍(1994)對(duì)這種方法進(jìn)行了推廣，給出了用重力場(chǎng)模型計(jì)算不同深度密度異常的公式；張永慶等(2009)利用1996年麗江地震序列反演了震區(qū)應(yīng)力狀態(tài)；邱澤華等(2010)研究了汶川地震前姑咱地震臺(tái)觀測(cè)到的異常應(yīng)變變化.萬永革等(2011)探討了不同應(yīng)力狀態(tài)和摩擦系數(shù)對(duì)綜合P波輻射花樣的影響.總體來說，目前關(guān)于構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的研究途徑主要包括地質(zhì)資料分析、原地應(yīng)力測(cè)量、震源機(jī)制解、斷層擦痕反演、實(shí)驗(yàn)?zāi)M以及數(shù)值模擬等.

地震是巖石圈應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化的結(jié)果，一般認(rèn)為是由地球內(nèi)部的巖體受到構(gòu)造應(yīng)力作用，導(dǎo)致巖體突然斷裂錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生，因此研究地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布具有重要的科學(xué)意義.鑒于此，本文提出一種基于流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算構(gòu)造應(yīng)力的新方法，該算法可望進(jìn)一步挖掘目前越來越豐富的流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用潛力，并為地震中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)研究提供支持.

2基于流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)研究

重力/GPS結(jié)合是一種新的測(cè)量方法(寧津生和王正濤，2010).近年來，基于重力/GPS數(shù)據(jù)的研究取得了不少進(jìn)展.王謙身等(2013)對(duì)陜西榆林—重慶綜合地球物理大斷面中從陜西咸陽至中秦嶺北側(cè)測(cè)段特異重力場(chǎng)進(jìn)行了分析和探討.陳石等(2014)研究了云南魯?shù)镸S6.5地震震源區(qū)和周邊三維密度結(jié)構(gòu)及重力場(chǎng)變化.Zhang 等(2014)利用兩條垂直于龍門山斷裂帶的布格重力異常剖面數(shù)據(jù)，通過莫霍面和均衡面的對(duì)比發(fā)現(xiàn)龍門山以東地區(qū)地殼基本處于均衡狀態(tài)，而龍門山以西地區(qū)則處于非均衡狀態(tài).Fu等(2014) 發(fā)現(xiàn)龍泉山脈是四川盆地地殼均衡狀態(tài)的分界線，并據(jù)此推測(cè)龍泉山斷裂帶是一條深埋的高角度斷裂帶.Fu和Zhang(2014)發(fā)現(xiàn)龍門山中南段地殼均衡負(fù)異常顯著，具有發(fā)生7級(jí)以上強(qiáng)震的深部動(dòng)力條件.楊光亮等(2015)利用重力/GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)反演了金川—蘆山—犍為觀測(cè)剖面的密度構(gòu)造，分析了蘆山地震及龍門山地區(qū)地殼構(gòu)造背景和深部動(dòng)力環(huán)境特征.

綜上可知，利用重力/GPS聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究是國(guó)內(nèi)地學(xué)界近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并取得了不錯(cuò)的成績(jī)，但迄今為止尚未看到利用重力/GPS聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地殼構(gòu)造應(yīng)力計(jì)算方面的研究.

3利用重力/GPS聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算垂向構(gòu)造應(yīng)力的基本原理

地球是一個(gè)具有圈層結(jié)構(gòu)的球體，大體可分為地殼、地幔和地核三層.從漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代來看，相對(duì)輕且堅(jiān)硬的地殼漂浮在重而柔軟的地幔之上，如同固態(tài)冰漂浮在液態(tài)水之上.如果沒有外力作用，即處在一種理想的靜水平衡狀態(tài)，地殼自然地漂浮在地幔之上(如圖1a)，此時(shí)地殼處于均衡狀態(tài)，處于地殼底部的莫霍面與均衡面重合.換句話說，當(dāng)不存在垂向外力作用時(shí)，莫霍面與均衡面一致.但是，當(dāng)有垂向外力作用于地殼時(shí)，均衡面將偏離莫霍面，地殼就不均衡(圖1b).加在地殼上的垂向外力越大，莫霍面與均衡面之間的差異也越大，地殼越不均衡(圖1c).s

圖1　莫霍面、均衡面的分布與地殼承載外力之間的關(guān)系Fig.1　The relationship between the force the crust bears and the distribution of the Moho and the isostatic crustal thickness

對(duì)于實(shí)際地球而言，地殼具有彈性，可以承載各個(gè)方向的構(gòu)造應(yīng)力，包括垂向構(gòu)造應(yīng)力.局部地區(qū)均衡面與莫霍面之間的剩余物質(zhì)(地殼地幔物質(zhì)密度差)所產(chǎn)生的附加浮力，一般是通過地殼來承載并平衡.理論上講，均衡面與莫霍面之間的剩余物質(zhì)所產(chǎn)生的附加浮力，基本上與地殼所承載的垂向外力大小相等、方向相反.因此，我們可以通過莫霍面與均衡面之間的剩余物質(zhì)承受的附加浮力來定量計(jì)算地殼所承受的垂向構(gòu)造應(yīng)力.根據(jù)Fu等(2014)可知，基于地表進(jìn)行的流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)，可推算莫霍面與均衡面之間的差異.若考慮其間剩余物質(zhì)密度，即可進(jìn)一步計(jì)算區(qū)域地殼所承受的垂向構(gòu)造應(yīng)力.

依據(jù)流動(dòng)重力/GPS聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算地殼承載的垂向構(gòu)造應(yīng)力的具體步驟如下：(1)依據(jù)流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過固體潮改正、中間層改正、高程改正和地形改正，獲得測(cè)區(qū)布格重力異常場(chǎng)；(2)參考區(qū)域巖石圈密度構(gòu)造模型，依據(jù)布格重力異常數(shù)據(jù)推算莫霍面深度；(3)依據(jù)GPS觀測(cè)獲得的高程數(shù)據(jù)，利用均衡理論計(jì)算均衡面深度；(4)依據(jù)均衡面與莫霍面之間的差異，以及其間的剩余物質(zhì)密度，計(jì)算剩余物質(zhì)產(chǎn)生的附加浮力，該附加浮力與地殼所承受的垂向構(gòu)造應(yīng)力大小相等、方向相反.

當(dāng)?shù)蒯：偷貧さ拿芏确謩e簡(jiǎn)化為ρM和ρC時(shí)(圖2a)，根據(jù)浮力原理，地殼承載的垂向構(gòu)造應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

圖2　Moho面與均衡面之間剩余物質(zhì)產(chǎn)生的附加浮力計(jì)算模型，該附加浮力與地殼承載的垂向構(gòu)造應(yīng)力大小相等、方向相反(a) 均一密度地殼模型； (b) 層狀密度地殼模型.Fig.2　Computation model of additional buoyancy generated by the remaining materials between the Moho and the isostatic crustal thickness. This additional buoyancy is equal to the vertical tectonic stress of the Crust in magnitude, but in opposite direction(a) A uniform crustal model; (b) A layered crustal model.

(1)

公式(1)中，dMoho為Moho面深度，diso為均衡面深度,g為地表重力加速度.當(dāng)?shù)貧っ芏葹榉謱訕?gòu)造時(shí)(圖2b)，假設(shè)均衡面處在密度層ρm的內(nèi)部，則相應(yīng)的垂向構(gòu)造應(yīng)力計(jì)算公式為

(2)

公式(2)中，ρi和di(i=1,2,…,n)分別代表從地表到地殼深部各密度層的密度和厚度，ρm為第m層地殼的密度，ρM為地幔的密度.

需要特別指出的是，本文計(jì)算的地殼垂向構(gòu)造應(yīng)力，不是指構(gòu)造應(yīng)力隨深度的詳細(xì)分布，而是指地殼整體承受的構(gòu)造應(yīng)力，即垂向構(gòu)造應(yīng)力沿著地殼垂向積分的結(jié)果.此外，莫霍面不是固態(tài)與液態(tài)物質(zhì)的分界線，而是一個(gè)化學(xué)界面，其兩側(cè)物質(zhì)的物性明顯不同，但實(shí)際固液分界線的位置不影響上述附加浮力以及垂向構(gòu)造應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果.

4垂向構(gòu)造應(yīng)力計(jì)算新方法在巴顏喀拉塊體東邊界的應(yīng)用

4.1流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)

2008年汶川MW7.9地震以來，不少學(xué)者在巴顏喀拉塊體東邊界及周邊地區(qū)開展了高精度流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)(圖3).中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所跨龍門山斷裂帶中北段建立了兩條流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)剖面(Zhang et al., 2014)；湖北省地震局與中國(guó)地震局地球物理研究所共同在蘆山MW6.6地震周圍地區(qū)展開流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合剖面觀測(cè)(楊光亮等，2015).此外，中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所于2012年圍繞龍泉山脈建立了一個(gè)重力觀測(cè)網(wǎng)，并進(jìn)行了流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)(Fu et al., 2014).上述觀測(cè)相互補(bǔ)充，形成了一個(gè)較為理想的重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)網(wǎng)(圖3)，為巴顏喀拉塊體東邊界垂向構(gòu)造應(yīng)力的計(jì)算提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).圖3中，黑色粗線條為流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)路線，紅色線條為區(qū)域主要斷層.汶川—茂汶斷裂帶、映秀—北川斷裂帶和灌縣—安縣斷裂帶組合成著名的龍門山斷裂帶，該斷裂帶是巴顏喀拉地塊和華南地塊的邊界帶，兩側(cè)的地形地貌差異巨大.巴顏喀拉地塊上地殼朝南東的水平運(yùn)動(dòng)在四川盆地西緣受到華南地塊的阻擋，轉(zhuǎn)換成龍門山斷裂帶的逆沖運(yùn)動(dòng)(杜方等，2009).本文統(tǒng)一整理了上述三個(gè)來源的布格重力異常數(shù)據(jù)，獲得巴顏喀拉塊體東邊界及周邊地區(qū)布格重力異常場(chǎng).

4.2莫霍面的計(jì)算

Moho面是地球內(nèi)部接近地表的一個(gè)比較大的間斷面，是地殼與地幔之間的一個(gè)化學(xué)界面，同時(shí)也是一個(gè)地震波速度間斷面.Moho面的變形通?？捎脕砗饬可系蒯r石圈的變形.由于縮短效應(yīng)，青藏高原的地殼厚度大約是地球大陸地殼厚度平均值的兩倍.從四川盆地到青藏高原內(nèi)部，Moho面的巨大變化是觀測(cè)到的布格重力異常的最主要貢獻(xiàn)(Jiang et al., 2004).布格重力異常反應(yīng)的是地球內(nèi)部物質(zhì)密度的橫向變化，應(yīng)用布格重力異常數(shù)據(jù)，通過重力正反演分析，可得到相應(yīng)的深部地殼構(gòu)造，特別是莫霍界面(Moho)深度(地殼厚度)的起伏變化(王謙身等，2009).

為簡(jiǎn)化計(jì)算，我們假設(shè)研究區(qū)域的地殼密度均一(模型2a)，則該地區(qū)地殼厚度的變化可近似表示為密度層的緩慢變化，該密度層的密度為地幔與地殼的密度差.假設(shè)研究區(qū)域地殼密度為2.67 g·cm-3(海平面以上物質(zhì)的平均密度)，則地表觀測(cè)的布格重力異常變化可簡(jiǎn)化為由地下Moho面附近的密度層引起，因此可以直接利用布格重力異常數(shù)據(jù)計(jì)算Moho面的起伏變化.Sun和Zhou(2012)把大地震引起的海水再分布導(dǎo)致的重力變化轉(zhuǎn)化為密度層的變化，其基本研究思路與本文一致.具體地說，若地表重力觀測(cè)站下方H米深度處一個(gè)較大的局部區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)厚度為h的密度層，該密度層的密度為Δρ，則該密度層在地表產(chǎn)生的重力變化可表示為(郭俊義，2001)

(3)

公式(3)表示的是觀測(cè)點(diǎn)下方局部區(qū)域內(nèi)厚度為h而且可被近似當(dāng)作平面的質(zhì)量層在地表引起的重力異常值的近似值.其中，G為萬有引力常數(shù).Wang等(2010)對(duì)四川地區(qū)進(jìn)行過詳細(xì)研究，認(rèn)為該地區(qū)地殼地幔的密度差異Δρ為0.649±0.036 g·cm-3.取Δρ=0.649 g·cm-3，代入公式(3)，可獲得Δg與h之間的定量關(guān)系.進(jìn)一步，如果我們已知一個(gè)測(cè)站的地殼厚度h0與布格重力異常值Δg0，則整個(gè)重力觀測(cè)網(wǎng)內(nèi)任意測(cè)站對(duì)應(yīng)的地殼厚度可根據(jù)該測(cè)站的布格重力異常值推測(cè)出來(Fu et al., 2014).與我們研究小組的前期工作(Fu et al., 2014)類似，我們以四川盆地的資陽站為基礎(chǔ)進(jìn)行分析.資陽站所在地區(qū)的均衡地殼厚度為39.5287 km，觀測(cè)到的布格重力異常為-113.9032 mGal.假設(shè)該處地殼厚度處于均衡狀態(tài)(該測(cè)站距離青藏高原較遠(yuǎn)，處于均衡狀態(tài)的可能性較大)，則圖3所示的重力網(wǎng)所有測(cè)站對(duì)應(yīng)的Moho面深度都可以推測(cè)出來.

圖3　巴顏喀拉塊體東邊界流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)網(wǎng)Fig.3　The hybrid gravity and GPS observation network at the east boundary of Bayanhar block

圖4給出了巴顏喀拉塊體東邊界及周邊地區(qū)Moho面深度分布.測(cè)線附近的Moho面深度計(jì)算結(jié)果精度較高，用彩色標(biāo)示.距離測(cè)線較遠(yuǎn)地區(qū)的Moho面結(jié)果是基于插值方法獲得，精度相對(duì)較低，用灰色等值線標(biāo)示.整體上，研究區(qū)域Moho面由東南向西北逐漸增厚，變化趨勢(shì)比較平緩.在華南塊體的四川盆地區(qū)域的Moho面深度在40 km左右變動(dòng)，但進(jìn)入巴顏喀拉塊體的松潘高原以后，Moho面深度逐步增加到50 km以上.

4.3均衡面的計(jì)算

由GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)均衡理論可以確定不同高程對(duì)應(yīng)的均衡補(bǔ)償厚度，然后根據(jù)區(qū)域平均地殼厚度可進(jìn)一步計(jì)算該處的均衡地殼厚度(王謙身等，2009).具體地說，根據(jù)Airy均衡理論，處于均衡狀態(tài)的地殼厚度H與地形高度h滿足如下關(guān)系(郭俊義，2001)：

(4)

其中，r是Airy均衡模型的山根，H0是海平面以下平均地殼厚度，ρt是海平面以上物質(zhì)的密度(2.67 g·cm-3)，Δρ是地殼和地幔物質(zhì)的密度差異.依據(jù)Wang等(2010)，研究區(qū)域殼幔密度差Δρ與地殼平均厚度分別取為0.649 g·cm-3和37.9 km.依據(jù)圖3給出的GPS高程數(shù)據(jù)，本文利用公式(4)估算了巴顏喀拉塊體東邊界及周邊地區(qū)均衡地殼厚度分布(圖5).

圖5給出了巴顏喀拉塊體東邊界及周邊地區(qū)地殼均衡厚度分布形態(tài).同圖4，精度較高的結(jié)果用彩色標(biāo)示，精度相對(duì)較低的結(jié)果用灰色等值線標(biāo)示.由圖5可知，研究區(qū)域內(nèi)部的均衡地殼厚度基本上在38～56 km之間變化，且受地形影響較大，總體分布形態(tài)不是特別規(guī)則，其中山區(qū)短波長(zhǎng)信號(hào)較多，呈現(xiàn)出明顯的不規(guī)則特性.

4.4地殼垂向構(gòu)造應(yīng)力的計(jì)算

將由布格重力異常數(shù)據(jù)計(jì)算出的Moho面深度與由Airy均衡理論計(jì)算得到的均衡地殼厚度做對(duì)比，給出二者的差異.當(dāng)某處二者的差異很小或者接近于零時(shí)，即表明該地處于均衡狀態(tài).如差異較大，則處于不均衡狀態(tài).二者相差越大，表明該區(qū)地殼越不均衡.當(dāng)均衡面深度大于Moho面深度時(shí)，根據(jù)大陸均衡原理，該地區(qū)應(yīng)該“下降”，使地形高度減小，才能趨于均衡；反之，當(dāng)均衡面深度小于Moho面深度時(shí)，地殼亦不均衡，該區(qū)應(yīng)該“上升”(王謙身等，2009).總之，通過均衡面與Moho面深度的比較，可確定某一地區(qū)(地帶)是否達(dá)到均衡，且可借此計(jì)算地殼承載的垂向構(gòu)造應(yīng)力的大小和方向.

圖4　巴顏喀拉塊體東邊界及周邊地區(qū)Moho面深度分布Fig.4　The distribution of Moho depth at the east boundary of Bayanhar block and around area

均衡面與Moho面的不一致一般會(huì)造成附加浮力，該浮力主要由地殼來承載.因此，根據(jù)均衡面與莫霍面之間的深度差，以及地殼與地幔之間的密度差異(即剩余密度)，可計(jì)算區(qū)域地殼承載的垂向構(gòu)造應(yīng)力.取地殼地幔密度差為Δρ=649 kg·m-3，則巴顏喀拉塊體東邊界及周邊地區(qū)垂向構(gòu)造應(yīng)力分布如圖6所示.同圖4，精度較高的結(jié)果用彩色標(biāo)示，精度相對(duì)較低的結(jié)果用灰色等值線標(biāo)示.

由圖6可知，龍泉山斷裂帶以東地區(qū)，地殼承載的垂向構(gòu)造應(yīng)力幾乎為零.龍泉山斷裂帶與龍門山斷裂帶之間地區(qū)，地殼承載的垂向構(gòu)造應(yīng)力為正值(向上為正).向西穿越龍門山斷裂帶，地殼承載的垂向構(gòu)造應(yīng)力再度接近為零.到隸屬于巴顏喀拉地塊的松潘高原等地，地殼承載的垂向構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)為負(fù)值.總體上，研究區(qū)域從東南到西北形成“零-正-零-負(fù)”模式的地殼垂向構(gòu)造應(yīng)力總體分布形態(tài).研究區(qū)域西北部的松潘高原地區(qū)，地殼承載的垂向構(gòu)造應(yīng)力大約為10～20 MPa，該地區(qū)的垂向構(gòu)造應(yīng)力釋放的較為完整，近期再次發(fā)生大地震的可能性不大.研究區(qū)域西南部的鮮水河斷裂帶東南段附近地區(qū)，地殼承載的垂向構(gòu)造應(yīng)力較大，大約為40～50 MPa，該地區(qū)垂向構(gòu)造應(yīng)力積累較高，且梯度變化劇烈.鮮水河斷裂帶東南段附近明顯的高梯度垂向構(gòu)造應(yīng)力分布，與該地區(qū)較大的地形落差有關(guān).

圖5　巴顏喀拉塊體東邊界及周邊地區(qū)均衡面深度分布Fig.5　The distribution of isostasy thickness at the east boundary of Bayanhar block and around area

圖6　巴顏喀拉塊體東邊界及周邊地區(qū)地殼垂向構(gòu)造應(yīng)力分布Fig.6　The distribution of vertical tectonic stress of the Crust at the east boundary of Bayanhar block and around area

巴顏喀拉塊體東邊界及周邊地區(qū)的上述垂向構(gòu)造應(yīng)力分布狀態(tài)可用龍門山擠壓增厚模型解釋.Wang等(2011)指出，龍門山是由于四川盆地地殼被動(dòng)插入到龍門山下部，引起地殼增厚造成.在這種龍門山擠壓增厚模式下，四川盆地西部地殼由于龍門山的壓力作用，引起下沉，致使Moho面深度大于均衡面深度，該效應(yīng)對(duì)應(yīng)向上的垂向構(gòu)造應(yīng)力；反之，松潘高原地區(qū)在其底部被動(dòng)插入的四川盆地地殼向上的彎曲應(yīng)力作用下，Moho面深度小于均衡面深度.為保持平衡，松潘高原地區(qū)的地殼產(chǎn)生向下的垂向構(gòu)造應(yīng)力.

值得注意的是，汶川MW7.9地震和蘆山MW6.6地震都不是發(fā)生在垂向構(gòu)造應(yīng)力很高的地區(qū)，而是發(fā)生在由正向負(fù)變化的高梯度帶附近.祝意青等(2013)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)震易發(fā)生在重力變化正、負(fù)異常區(qū)過渡的高梯度帶上，在汶川MW7.9地震和蘆山MW6.6地震前均有重力場(chǎng)正負(fù)異常高梯度變化.垂向構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)可能和重力場(chǎng)時(shí)空變化一樣，對(duì)強(qiáng)震地點(diǎn)預(yù)測(cè)具有指示意義，相關(guān)研究有待深入進(jìn)行.

5結(jié)論

本文基于流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)，提出了一種計(jì)算地殼垂向構(gòu)造應(yīng)力的新方法,拓展了流動(dòng)重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用潛力.該方法的計(jì)算步驟如下：首先利用重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)布格改正獲取區(qū)域布格重力異常場(chǎng)，然后結(jié)合區(qū)域地震波層析成像結(jié)果或密度模型，反演Moho面分布；接著依據(jù)GPS高程數(shù)據(jù)，利用地殼均衡模型計(jì)算區(qū)域均衡面分布；最后，利用均衡面與Moho面之間剩余物質(zhì)所受附加浮力與地殼承載垂向應(yīng)力大小相等、方向相反的基本思想，依據(jù)均衡面與Moho面之間的差異及其間的剩余密度，計(jì)算地殼承載的垂向構(gòu)造應(yīng)力.

本文收集了三個(gè)研究小組(Zhang et al., 2014; Fu et al., 2014; 楊光亮等，2015)給出的重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用上述構(gòu)造應(yīng)力計(jì)算方法，計(jì)算了巴顏喀拉塊體東邊界及周邊地區(qū)的地殼垂向構(gòu)造應(yīng)力分布形態(tài)，發(fā)現(xiàn)龍泉山斷裂帶以東地區(qū)的地殼垂向構(gòu)造應(yīng)力基本為零，龍泉山斷裂帶與龍門山斷裂帶之間地區(qū)的地殼垂向構(gòu)造應(yīng)力為正值，然后向西逐漸轉(zhuǎn)化為負(fù)值.鮮水河斷裂帶東南段周邊蓄積了40～50 MPa的垂向構(gòu)造應(yīng)力，且應(yīng)力梯度變化劇烈；松潘高原垂向應(yīng)力蓄積相對(duì)較小，大約只積蓄了10～20 MPa的垂向構(gòu)造應(yīng)力.汶川MW7.9地震和蘆山MW6.6地震都發(fā)生在垂向構(gòu)造應(yīng)力正、負(fù)過渡區(qū)的高梯度帶上，發(fā)生在垂向構(gòu)造應(yīng)力零值線附近.最后，利用龍門山擠壓增厚模型解釋了巴顏喀拉塊體東邊界從東南到西北的“零-正-零-負(fù)”模式的地殼垂向構(gòu)造應(yīng)力總體分布形態(tài).

致謝感謝審稿專家給出的建設(shè)性意見.

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(本文編輯胡素芳)

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金(41574071,41404142,41461164004)，地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2014IES010102,2014IES0201)資助.

作者簡(jiǎn)介高尚華，女，副研究員，主要從事地震觀測(cè)技術(shù)、地殼重力均衡研究.E-mail:gao966@cea-ies.ac.cn *通訊作者付廣裕，男，研究員，主要從事地震位錯(cuò)形變與地殼重力均衡研究.E-mail:fugy@cea-ies.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160607 中圖分類號(hào)P313,P223

收稿日期2016-01-13，2016-05-22收修定稿

A new method for computing the vertical tectonic stress of the crust by use of hybrid gravity and GPS data

GAO Shang-Hua, SHE Ya-Wen, FU Guang-Yu*

KeyLaboratoryofEarthquakePrediction,InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China

AbstractThis paper presents a new method to calculate the vertical tectonic stress of the crust by use of hybrid gravity and GPS observation data. The calculation procedures are as follows: (1) Compute the Bouguer gravity anomalies using gravity and GPS data; (2) Deduce the Moho depths using the obtained Bouguer gravity anomaly data; (3) Compute the isostatic crustal thickness based on isostatic theory and GPS data; (4) Calculate the vertical tectonic stress of the crust based on the buoyancy that the remaining materials between the Moho and the isostatic crustal thickness bears. Using the above method, we calculate the vertical tectonic stress at the east boundary of Bayanhar block and surrounding area. The vertical tectonic stress is about zero at the area east to the Longquanshan fault zone, positive at the area between the Longmenshan and Longquanshan fault zones, and negative at the eastern part of Bayanhar block. The vertical tectonic stress at the southeast segment of the Xianshuihe fault and adjacent area is as high as -(40～50) MPa, with rapid gradient changes. The vertical tectonic stress at Songpan Plateau is -(10～20) MPa，lower than that of Xianshuihe area.

KeywordsGravity; Bouguer gravity anomaly; Tectonic stress; Isostasy; The Moho

高尚華， 佘雅文， 付廣裕. 2016. 利用重力/GPS聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算地殼垂向構(gòu)造應(yīng)力的新方法. 地球物理學(xué)報(bào)，59(6):2006-2013,doi:10.6038/cjg20160607.

Gao S H, She Y W, Fu G Y. 2016. A new method for computing the vertical tectonic stress of the crust by use of hybrid gravity and GPS data.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(6):2006-2013,doi:10.6038/cjg20160607.