閆琳琳 呂傳振 徐玉健

（中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180）

引言

據(jù)研究，青藏高原及其周邊地區(qū)歷史上曾多次發(fā)生8級(jí)以上地震（Mugnier等，2013；張?jiān)龋?015）。2015年4月25日，尼泊爾MS8.1地震發(fā)生于青藏高原南緣，屬于典型的俯沖型地震。該地震所處的喜馬拉雅斷裂帶中段是青藏高原及其周邊地區(qū)熱點(diǎn)地震研究區(qū)域。此次地震發(fā)生后，中國(guó)日喀則地區(qū)連續(xù)發(fā)生5.9級(jí)、5.3級(jí)地震，表明青藏高原周邊地區(qū)的地震活動(dòng)性在一定程度上受到了尼泊爾地震的影響。關(guān)于此次地震的孕震背景和過(guò)程、同震效應(yīng)及其對(duì)中國(guó)大陸的影響等研究，已取得了一些有意義的成果，喜馬拉雅斷裂帶上承載的匯聚作用，最終以喜馬拉雅主逆沖斷層上重復(fù)發(fā)生大地震永久變形的形式體現(xiàn)（劉靜等，2015；盛書(shū)中等，2015；姚華建等，2015）。歷史上，喜馬拉雅斷裂帶至少發(fā)生過(guò)8次MW7.5以上的大地震（圖1）。

布格重力異常通常反映了殼幔密度結(jié)構(gòu)與正常地殼密度之間的差異性分布（薛典軍等，2006；付廣裕等，2015；康開(kāi)軒等，2015；玄松柏等，2015），與地震孕育具有緊密聯(lián)系，為研究地震孕育過(guò)程和發(fā)震機(jī)理提供地球動(dòng)力學(xué)依據(jù)。隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，高精度測(cè)量全球重力場(chǎng)成為可能，繼而構(gòu)建了各種高分辨率的重力場(chǎng)模型。EGM2008（Earth Gravitational Model 2008）是近年來(lái)應(yīng)用較為廣泛的全球高階重力場(chǎng)模型（Holmes等，2008），它的球諧展開(kāi)階次為2160，空間分辨率為5′（9km）（畢奔騰等，2016）。其前60階、61—360階、361—2160階球諧系數(shù)分別由GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)、EGM96重力模型和剩余地形重力模型構(gòu)建而成（鄭增記等，2015；鄒正波等，2010）。在青藏高原地區(qū)，EGM2008模型數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)地面重力數(shù)據(jù)之間存在約11.6mGal的誤差（章傳銀等，2009），其異常的變化趨勢(shì)大體一致（付廣裕等，2013）。

圖1 喜馬拉雅主逆沖斷裂帶的歷史地震和古地震事件的時(shí)空分布（據(jù)劉靜等（2015）） Fig.1 Distribution of historical earthquakes and palco-earthquakes along the Himalayan frontal thrust (after Liu et al.,2015).

根據(jù)前人研究，青藏高原許多地區(qū)的重力異常和構(gòu)造活動(dòng)之間有著密切的聯(lián)系，構(gòu)造活動(dòng)較活躍的地區(qū)通常屬于地殼不均衡或重力異常變化較快的地區(qū)。本文簡(jiǎn)述了青藏高原及其周邊地區(qū)重力場(chǎng)細(xì)節(jié)信息特征，并結(jié)合尼泊爾MS8.1地震的均衡重力異常及GPS觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行討論。

1 重力異常分析

重力異常通常反映地表下不同深度、不同規(guī)模及不同密度的地質(zhì)體對(duì)應(yīng)的重力異常疊加總效應(yīng)。運(yùn)用小波多尺度分析方法可將信號(hào)分解成各種不同頻率成分，并且聚焦到任意細(xì)節(jié)上加以分析（侯遵澤等，1997）。本文通過(guò)小波多尺度的分析方法分離出反映其橫向、縱向上不同尺度地質(zhì)體產(chǎn)生的重力異常場(chǎng)（孟小紅等，2012；Jiang等，2012），從而推測(cè)出目的地質(zhì)體對(duì)應(yīng)的重力特征。基于EGM2008重力場(chǎng)模型，并根據(jù)以上數(shù)據(jù)處理方法得到青藏高原及其周邊地區(qū)的重力異常圖，如圖2所示。由圖可見(jiàn)其形態(tài)與地形圖相似，在沿喜馬拉雅山脈分布的高地勢(shì)地區(qū)顯示出明顯的梯度帶。該區(qū)域內(nèi)布格重力異常以負(fù)值為主，約為-50mGal，由北向南逐漸增強(qiáng)。青藏高原布格重力異常在-300mGal以下，而在喜馬拉雅山脈以南的印度板塊則在-50mGal以上。在青藏塊體與印度板塊交界處有1條明顯的重力梯度帶，特別是在喜馬拉雅山脈附近，重力值由北向南劇烈遞增，在不到100km的范圍內(nèi)重力值增加了100mGal。

2 小波多尺度分析

1984年，法國(guó)地球物理學(xué)家Crossman和Morlet提出小波分析方法。近年來(lái)，該方法被廣泛應(yīng)用于重力異常的處理。小波多尺度分析方法可以方便地將重力異常場(chǎng)分解成不同深度、規(guī)模、形態(tài)的信號(hào)成分，為解釋深度、密度與重力場(chǎng)的變化關(guān)系提供了有效的依據(jù)（劉芳等，2013）。設(shè)函數(shù)f(t)∈L2(R)，定義其小波變換為：

圖2 研究區(qū)重力異常圖 Fig.2 Gravity anomaly in the study areas

其中，函數(shù)系

稱為小波函數(shù)（Wavelet Function）。

?(t)滿足條件令：

其中，?(w)是?(t)的傅里葉變換，得相應(yīng)的小波逆變換公式為：

取a=a0j，b=ka0jb0，a0>1，b0>0，則有小波變換的離散形式：

取a0=2，b0=1：

利用Mallat算法，對(duì)青藏高原及周邊地區(qū)重力場(chǎng)變化進(jìn)行多尺度分解，通過(guò)功率譜分析原理計(jì)算每階小波的徑向功率譜，可估算出每階異常的場(chǎng)源深度，所得結(jié)果如表1所示。研究區(qū)布格重力異常1—6階小波變換細(xì)節(jié)如圖3所示。由圖可見(jiàn)，小波多尺度分解結(jié)果中1、2階小波細(xì)節(jié)圖像在喜馬拉雅塊體、川滇菱形塊體等地區(qū)顯示較為復(fù)雜，中上地殼淺層密度不均勻體的分布情況得以體現(xiàn)。三疊紀(jì)復(fù)理石沉積廣泛分布在松潘—甘孜地塊中巴顏喀拉和可可西里地區(qū)，厚度多在10km以上，由于后期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、基底褶皺變形，沉積物得到重新改造，其重力異常形態(tài)表現(xiàn)為略微雜亂的弱異常特征。3階和4階小波的細(xì)節(jié)異常圖反映了青藏高原淺部的布格重力異常特征，由于許多弱小異常連片形成較大規(guī)模的重力異常，其內(nèi)部布格重力異常呈條帶狀向東西延伸，貫穿整個(gè)青藏高原；異常呈有規(guī)律的高低相間分布，與地表斷裂的分布位置相對(duì)應(yīng)。沿青藏高原的南部喜馬拉雅主邊界斷裂、北部阿爾金斷裂及北昆侖斷裂發(fā)育細(xì)長(zhǎng)的高重力異常條帶，推測(cè)是由地表淺部的火山巖條帶引起的。在青藏高原四周邊界斷裂的位置均顯示出低重力異常，將青藏高原與周邊構(gòu)造單元分開(kāi)，明顯地刻畫(huà)出青藏高原的邊界，其成因可能為青藏高原之下巨厚的地殼所引起的。青藏高原內(nèi)部布格重力異常主要在-60—-20mGal（圖3（e）），其中雅魯藏布江縫合帶、羌塘地塊中部呈低重力異常，而在主邊界斷裂、北昆侖斷裂帶、金沙江縫合帶和班公湖-怒江縫合帶則呈現(xiàn)出明顯的條帶狀高重力異常，此異常由淺至深均存在，說(shuō)明淺部火山巖不足以形成這些異常條帶，主要還是由于高原地殼堆疊與莫霍褶皺所引起。喜馬拉雅造山帶以北則呈現(xiàn)負(fù)異常，推測(cè)是巖石受壓力破碎或者存在地殼熔融物質(zhì)。6階小波細(xì)節(jié)圖反映了該區(qū)域上地幔布格重力異常特征，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)源深度大約為56km。通過(guò)6階小波變換后發(fā)現(xiàn)，深部物質(zhì)有重新分配和調(diào)整的現(xiàn)象，青藏高原內(nèi)部隨著時(shí)代的推移有向東移動(dòng)的跡象，而青藏高原殼幔物質(zhì)擠入到川滇菱形塊體，在這樣1個(gè)狹小的空間內(nèi)勢(shì)必會(huì)積累巨大的應(yīng)變能，從而造成該區(qū)地震活動(dòng)性強(qiáng)。上地幔重力變化信號(hào)顯示沿拉薩和喜馬拉雅塊體的重力變化信號(hào)呈現(xiàn)出不連續(xù)性，從而說(shuō)明印度板塊在俯沖過(guò)程中可能出現(xiàn)斷裂。在喜馬拉雅布格異常階梯狀陡變地帶，中強(qiáng)地震頻發(fā)，且地震震中的分布與喜馬拉雅造山帶的走向有一定的關(guān)系。推測(cè)由于陸-陸板塊碰撞，擠壓與能量的交換使該地帶長(zhǎng)期以來(lái)處于活動(dòng)狀態(tài)，從而孕育著大地震的發(fā)生。

表1 各階小波細(xì)節(jié)反映的場(chǎng)源深度 Table1 Depth reflected by each of detail wavelet transform

利用離散小波變換方法，將埋藏于不同尺度和深度的重力異常信息有效分離，從不同尺度和深度上分析此次地震的深部成因（祝意青，2007；褚慶忠等，2014）。研究區(qū)布格重力異常3—5階小波變換逼近圖（圖4）反映了下地殼至上地幔物質(zhì)引起的重力效應(yīng)，青藏高原塊體為布格重力異常低值區(qū)，印度板塊為布格重力異常高值區(qū)，其分界線與喜馬拉雅斷裂帶一致。

圖3 研究區(qū)布格重力異常1—6階小波變換細(xì)節(jié) Fig.3 The detailed images of Bouguer gravity anomaly from 1st to 6th order multi-scale wavelet analysis

圖4 研究區(qū)布格重力異常3—5階小波逼近圖 Fig.4 The approximation of Bouguer gravity anomaly from 3rd to 5th multi-scale wavelet transform

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年4月2日以來(lái)，該研究區(qū)的地震多發(fā)生在印度板塊與歐亞板塊的交界處（圖5）。該區(qū)的重力異常隨空間變化異常劇烈，青藏高原塊體與印度板塊交界處則是1個(gè)高密度重力梯度帶；5.0級(jí)以上地震在重力高低異常接觸帶上發(fā)生較為頻繁。受印度板塊與歐亞板塊碰撞、擠壓的作用，目前喜馬拉雅地震帶處于地震的強(qiáng)烈活動(dòng)期，并孕育著7.0級(jí)以上大地震，危險(xiǎn)性仍值得關(guān)注。

3 GPS及均衡重力異常分析

Ader等（2012）利用青藏高原及周邊地區(qū)的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)喜馬拉雅主斷層面上的主要閉鎖區(qū)進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)從喜馬拉雅南緣到主前緣斷裂之間為斷層閉鎖區(qū)主體，寬度達(dá)100km左右。通過(guò)分析GPS速度場(chǎng)，認(rèn)為青藏高原存在近南北向擠壓應(yīng)變積累且喜馬拉雅地區(qū)以北東向運(yùn)動(dòng)為主，而震源區(qū)周?chē)淖畲笾鲏簯?yīng)變方向?yàn)镹WW—SEE（孫文科等，2010；占偉等，2015；蘇小寧等，2015），說(shuō)明此次大震序列正是在印度板塊與歐亞板塊的強(qiáng)烈擠壓作用下發(fā)生的。

圖5 青藏高原及周邊地區(qū)重力異常及5.0級(jí)以上地震分布 Fig.5 Distribution of earthquakes with M≥5.0 and gravity anomalies over the Qinghai-Tibetan Plateau and its surrounding areas

喜馬拉雅造山帶南北兩側(cè)地區(qū)重力均衡異常變化顯著，且重力異常呈現(xiàn)有規(guī)律的條帶狀展布（付廣裕等，2015）。尼泊爾MS8.1地震以南地區(qū)的地殼均衡異常約為-100—0mGal，北部的喜馬拉雅地震活動(dòng)帶地殼正均衡異?？蛇_(dá)300—400mGal。該地震發(fā)生在地殼均衡負(fù)異常向正異常過(guò)渡的高梯度帶上，即重力均衡與不均衡的耦合部位，雅魯藏布江地帶重力均衡異常趨近于零，表明2個(gè)陸-陸板塊碰撞、擠壓過(guò)渡帶則完全處于非均衡狀態(tài)，這與小波重力異常的分析結(jié)果一致，充分表明殼、幔物質(zhì)再分配并進(jìn)行強(qiáng)烈的物質(zhì)交換，為強(qiáng)地震的孕育提供了良好的構(gòu)造環(huán)境。

在巨大地震的孕育和發(fā)生過(guò)程中，震源區(qū)附近的物質(zhì)發(fā)生遷移和質(zhì)量再分布，重力場(chǎng)也會(huì)隨之變化。GPS、重力均衡異常的結(jié)果與本文小波多尺度異常分析的結(jié)果一致，陸-陸板塊的碰撞、擠壓及物質(zhì)交換導(dǎo)致了此次地震的發(fā)生。青藏高原及其周邊地區(qū)巖石圈活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制主要表現(xiàn)為地表隆升和地下深部物質(zhì)遷移（盧占武等，2006；胡敏章等，2015），由此可以推斷，基于EGM2008計(jì)算的青藏高原及周邊地區(qū)的重力變化主要反映了該地區(qū)深部殼幔物質(zhì)的遷移和質(zhì)量再分布。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)分析青藏高原及周邊地區(qū)重力異常特征，結(jié)合GPS速度場(chǎng)和震源機(jī)制，初步探討了青藏高原及其周邊地區(qū)的重力變化，其主要反映了該地區(qū)深部殼幔物質(zhì)的遷移和質(zhì)量再分布，得到以下初步結(jié)論：

（1）該研究區(qū)（75°—105°E，25°—40°N）重力場(chǎng)變化平緩，且重力異?？傮w上屬于負(fù)異常，而青藏高原塊體與印度板塊交界處則存在1個(gè)高密度重力梯度帶，其異常隨空間變化異常劇烈。

（2）震后的GPS速度場(chǎng)顯示喜馬拉雅主邊界斷裂存在大范圍擠壓應(yīng)變積累，震源區(qū)處于近南北向擠壓應(yīng)變積累高值區(qū)的過(guò)渡區(qū)域，與重力異常所顯示的過(guò)渡梯度帶特征具有一致性。

（3）近年來(lái)5級(jí)以上地震多發(fā)于沿喜馬拉雅山脈走向的重力異常負(fù)異常向正異常過(guò)渡的梯度帶上，說(shuō)明由于殼、幔物質(zhì)強(qiáng)烈的物質(zhì)交換使重力異常處于非均衡狀態(tài)，從而使中強(qiáng)地震頻發(fā)，因此該區(qū)地震危險(xiǎn)性仍值得關(guān)注。