胡敏章， 郝洪濤， 韓宇飛， 趙云峰， 劉金釗， 鄭兵， 張新林， 張毅，李忠亞， 王嘉沛， 汪健， 尹鵬， 吳云龍， 韋進(jìn)， 吳桂桔

1 地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國地震局地震研究所， 武漢 430071 2 防災(zāi)科技學(xué)院， 河北廊坊 065201 3 武漢引力與固體潮國家野外科學(xué)觀測研究站， 武漢 430071 4 中國地震臺網(wǎng)中心， 北京 100000 5 中國地震局第二監(jiān)測中心， 西安 710000 6 中國地震局第一監(jiān)測中心， 天津 300000 7 四川省地震局， 成都 610000

0 引言

2021年5月22日，青海省果洛藏族自治州瑪多縣發(fā)生MS7.4地震，震中位于巴顏喀拉塊體北邊界以南(98.34° E，34.59° N)、震源深度17 km(中國地震臺網(wǎng))，初步判斷發(fā)震斷裂為瑪多—甘德斷裂帶(詹艷等，2021)，地震序列精定位顯示發(fā)震斷裂為昆侖山口—江錯斷裂(王未來等，2021)，GCMT的快速震源機(jī)制解顯示本次地震為走滑兼正斷性質(zhì)事件.地震所在的巴顏喀拉塊體是21世紀(jì)以來我國MS7.0大震活動的主體區(qū)域，其東部地區(qū)近十余年以來就先后發(fā)生過2008年四川汶川MS8.0、2010年青海玉樹MS7.1、2013年四川蘆山MS7.0、2017年四川九寨溝MS7.0等大地震.

大地震的孕育和發(fā)生與活動塊體邊界構(gòu)造密切相關(guān)(張培震等，2013).塊體邊界帶往往是地殼構(gòu)造變化區(qū)域，可能呈現(xiàn)與強(qiáng)震孕育相關(guān)的重力場均衡背景(王謙身等，2008；張永謙等，2010；陳石等，2011；付廣裕等，2015；付廣裕和王振宇，2020).震前更有可能觀測到顯著的重力變化(賈民育和詹潔暉，2000；申重陽等，2009；祝意青等，2015)，且依據(jù)重力變化范圍、量級，及其時間演化過程，可以對強(qiáng)震地點(diǎn)進(jìn)行一定程度的中長期預(yù)測(祝意青等，2018；胡敏章等，2019).因此，開展大震震區(qū)重力均衡背景和震前重力場變化的研究對深入理解其孕育和發(fā)生機(jī)理、提高未來區(qū)域強(qiáng)震預(yù)測能力均有較重要意義.

本文擬基于巖石圈撓曲均衡模型，利用EIGEN6C4重力場模型(http:∥icgem.gfz-potsdam.de)和SIO V15.1地形數(shù)據(jù)(http:∥topex.ucsd.edu)，計算震區(qū)及周邊巖石圈有效彈性厚度(Te，effective elastic thickness)和撓曲均衡重力異常，分析區(qū)域孕震環(huán)境；利用地震流動重力監(jiān)測資料，提取震前重力場變化圖像，分析區(qū)域重力變化過程.研究結(jié)果可為區(qū)域大地構(gòu)造環(huán)境、大震孕育機(jī)理等研究，以及后續(xù)震情演化分析提供參考.

1 區(qū)域構(gòu)造背景

新生代以來印度—?dú)W亞板塊的持續(xù)碰撞造成了青藏高原的劇烈隆升、地殼縮短和增厚(Wang et al., 2001；Zhang et al., 2004；Gan et al., 2007)，并形成了主要以大型走滑斷裂帶為邊界的活動塊體構(gòu)造(張培震等，2003).其中，巴顏喀拉塊體是目前地震最為活躍的區(qū)域，中國大陸近20年來所有MS7.0以上地震均發(fā)生在該塊體周緣.

巴顏喀拉塊體北邊界為東昆侖斷裂帶，是一條近EW走向的巨型左旋走滑斷裂帶，是控制青藏高原物質(zhì)東向運(yùn)動的重要邊界帶(Tapponnier，2001).自西向東，斷裂帶滑動速率逐步減小，由西部格爾木—瑪沁段約10 mm·a-1向東衰減至瑪曲段約5 mm·a-1，至東部末端的塔藏段進(jìn)一步衰減至3 mm·a-1以下(Van der Woerd et al., 2000，2002；李陳俠，2009；Ren et al., 2013).震源機(jī)制解也顯示，東昆侖斷裂帶主要發(fā)生左旋走滑型地震(聞學(xué)澤等，2011).

巴顏喀拉塊體南邊界為甘孜—玉樹—鮮水河斷裂帶，是一條NW向左旋走滑斷裂帶.甘孜—玉樹—鮮水河斷裂帶總體左旋走滑運(yùn)動速率較大，其中玉樹斷裂帶晚更新世晚期以來平均速率為12.5 mm·a-1，而鮮水河斷裂帶平均約10 mm·a-1(聞學(xué)澤等，2003，2011).整個邊界斷裂帶均強(qiáng)震活躍，尤其是作為巴顏喀拉和川滇菱形塊體邊界的鮮水河斷裂帶，自有地震記錄以來就發(fā)生過8次MS7.0以上大地震.

向東運(yùn)動的巴顏喀拉塊體被四川盆地阻擋，形成龍門山逆沖推覆構(gòu)造帶，為其東邊界.龍門山構(gòu)造帶自西向東主要由汶川—茂縣斷裂、映秀—北川斷裂和灌縣—江油斷裂等三條主干斷裂組成，呈疊瓦狀向四川盆地內(nèi)逆沖推覆，約到20多公里深處合并形成一條剪切帶(張培震等，2008).地震地質(zhì)研究的萬年時間尺度和GNSS觀測的現(xiàn)今地殼運(yùn)動速率均表明，龍門山構(gòu)造帶形變以水平縮短-擠壓逆沖為主、伴有水平剪切運(yùn)動(張培震等，2008；聞學(xué)澤等，2011).

除邊界帶外，巴顏喀拉塊體內(nèi)部也發(fā)育有一系列斷裂帶.其中，龍日壩斷裂帶東西兩側(cè)GNSS運(yùn)動速率明顯不同，是塊體內(nèi)部構(gòu)造分界帶，將巴顏喀拉塊體分成東南部的龍門山次級塊體和西北部的阿壩次級塊體(徐錫偉等，2008；陳長云等，2013).龍門山次級塊體內(nèi)部除龍門山構(gòu)造帶外，還分布有岷江斷裂帶、虎牙斷裂帶等，與塔藏斷裂等構(gòu)成東昆侖斷裂帶東端的系列分支斷裂.2017年九寨溝MS7.0地震即發(fā)生在岷江、虎牙、塔藏三條斷裂帶交匯部位(徐錫偉等，2017).阿壩次級塊體內(nèi)部主要分布有NW向的瑪多—甘德、達(dá)日、五道梁—長沙貢瑪?shù)认盗凶笮呋瑪嗔褞?達(dá)日斷裂帶控制了1947年達(dá)日MS7.7地震，而瑪多—甘德斷裂帶則初步判定為本次MS7.4地震的發(fā)震斷層(梁明劍等，2014，2020；詹艷等，2021).

2 巖石圈有效彈性厚度與均衡重力異常計算

2.1 計算方法

根據(jù)巖石圈撓曲均衡模型，Moho面在地形等載荷作用下將發(fā)生撓曲形變，而巖石圈有效彈性厚度(Te)是決定其形變量的關(guān)鍵參數(shù)之一(Watts，2001).通過對地形和重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析等，可定量計算巖石圈有效彈性厚度，為區(qū)域地震構(gòu)造背景研究提供參考(McNutt，1979；Kirby，2014；鄭勇等，2012；李永東等，2013；陳波，2013).

本節(jié)利用SIO V15.1地形數(shù)據(jù)(圖1)和EIGEN6C4重力異常(圖2)，基于空域法計算瑪多MS7.4地震震區(qū)及周邊巖石圈有效彈性厚度及均衡重力異常(趙俐紅等，2004；Jordan and Watts，2005；姜效典等，2014；胡敏章等，2020).與譜分析方法相比，空域法具有可顧及巖石圈強(qiáng)度橫向變化的優(yōu)勢.根據(jù)巖石圈撓曲均衡模型，在地形載荷q(可記為ρcgh)和水平應(yīng)力場(σxx，σyy，σxy)作用下，巖石圈的撓曲形變(以Moho撓曲表征)微分方程為(van Wees and Cloetingh，1994)

圖1 2021年青海瑪多MS7.4地震震區(qū)及周邊地形與大地構(gòu)造 震源機(jī)制解為GCMT快速解，歷史MS5.0以上地震為來自中國地震臺網(wǎng)(https:∥news.ceic.ac.cn/)1500年以來地震記錄，3級以上 余震為截止到5月27日的中國地震臺網(wǎng)記錄.地形數(shù)據(jù)為來自斯克利普斯海洋研究所的地形模型SIO V15.1.Fig.1 The tectonic settings around the Madoi MS7.4 earthquake area The focal mechanism solution is the fast solution of GCMT, and the historical earthquakes larger than MS5.0 are from China seismic network (https:∥news.ceic.ac.cn/), according to the records of earthquakes since 1500, the aftershocks with MS≥3.0 are records from China seismic network before May 27, 2021. The background topography model is downloaded from Scripps Institute of Oceanography, SIO V15.1.

圖2 2021年青海瑪多MS7.4地震震區(qū)及周邊EIGEN6C4模型布格重力異常(1 mGal=1×10-5m·s-2)Fig.2 The EIGEN6C4 Bouguer gravity anomalies around the Maduo MS7.4 earthquake, 2021, in Qinghai Province(1 mGal=1×10-5m·s-2)

(1)

當(dāng)顧及巖石圈有效彈性厚度的橫向變化時，可采用有限差分方法求其數(shù)值解，即以中心差分公式代替(1)式中的偏導(dǎo)數(shù)，將此偏微分方程轉(zhuǎn)換成線性方程組以獲得其數(shù)值解，即

AW=H，

(2)

基于巖石圈撓曲均衡理論，以地形數(shù)據(jù)為輸入載荷，根據(jù)公式(2)計算地形載荷作用下產(chǎn)生的Moho面撓曲，進(jìn)而計算Moho面撓曲引起的布格重力異常，當(dāng)布格重力異常的計算值與觀測值之差的均方根RMS(Root Mean Square)達(dá)到最小時，獲得Te計算結(jié)果，同時區(qū)域布格重力異常計算值與觀測值之差即為撓曲均衡重力異常.計算過程中采用表1所示的平均地殼參數(shù)，具體數(shù)據(jù)處理流程參見胡敏章等(2020).

表1 巖石圈有效彈性厚度計算時采用的平均地殼參數(shù)Table 1 The theoretical crustal parameters for calculating of Te

2.2 計算結(jié)果

瑪多MS7.4地震震中及周邊地區(qū)巖石圈有效彈性厚度計算結(jié)果見圖3，撓曲均衡重力異常見圖4.

從圖3可以看出，巴顏喀拉塊體及周邊地區(qū)巖石圈有效彈性厚度為0～100 km，在青藏高原內(nèi)部一般小于70 km.總體上，巴顏喀拉塊體巖石圈有效彈性厚度較周邊塊體小，約為0～20 km，即巖石圈強(qiáng)度相對較弱，其內(nèi)部巖石圈有效彈性厚度自西向東呈減小趨勢.北部祁連塊體巖石圈有效彈性厚度較小，大部分地區(qū)為0～30 km；柴達(dá)木塊體大部分有效彈性厚度在30 km以上，特別是柴達(dá)木盆地格爾木至海西等地區(qū)有效彈性厚度達(dá)50～80 km，巖石圈強(qiáng)度相對較大.南部羌塘塊體大部分地區(qū)有效彈性厚度大于20 km，且在塊體東部玉樹-德格地區(qū)存在局部高值，有效彈性厚度達(dá)40 km以上.東部四川盆地為穩(wěn)定地塊，成都以東地區(qū)巖石圈有效彈性厚度達(dá)50 km以上.因此，巴顏喀拉塊體處于“南北夾持、東部受阻”的構(gòu)造態(tài)勢，強(qiáng)震主要發(fā)生在巖石圈強(qiáng)度快速變化的“梯度帶”地區(qū)，以及有效彈性厚度較小(<10 km)的區(qū)域.瑪多MS7.4地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體北部巖石圈強(qiáng)度較弱的區(qū)域，有效彈性厚度約15 km.

根據(jù)地殼均衡理論，基于與真實(shí)地球均衡狀態(tài)更匹配的均衡模型計算獲得的均衡重力異常量值應(yīng)更小、分布也應(yīng)更“平緩”.從圖4看，巴顏喀拉塊體及周緣地區(qū)撓曲均衡重力異常幅度大多在±20 mGal(1 mGal=1×10-5m·s-2)以內(nèi)，變化平緩，顯示該區(qū)域巖石圈符合撓曲均衡模式，也間接說明圖3所示巖石圈有效彈性厚度計算結(jié)果是可靠的.巴顏喀拉塊體邊界上的較明顯均衡重力異常主要分布在兩個地區(qū)，一是格爾木以南的北邊界地區(qū)，沿斷裂帶存在自南向北由負(fù)向正的均衡重力異常條帶；二是東部的龍門山斷裂帶及三岔口地區(qū)，沿斷裂帶分布有正負(fù)交替的局部均衡重力異常.這些均衡重力異常較突出的地區(qū)，也是MS7.0以上地震多發(fā)的區(qū)域.

圖3 2021年青海瑪多MS7.4地震震區(qū)及周邊巖石圈有效彈性厚度計算結(jié)果Fig.3 The lithospheric effective elastic thickness (Te) around the Madoi MS7.4 earthquake, 2021, in Qinghai Province

圖4 2021年青?，敹郙S7.4地震震區(qū)及周邊撓曲均衡重力異常計算結(jié)果(1 mGal=1×10-5m·s-2)Fig.4 The calculated flexural isostatic gravity anomalies around the Madoi MS7.4 earthquake, 2021, in Qinghai Province (1 mGal=1×10-5m·s-2)

3 震前重力變化

3.1 地震流動重力監(jiān)測概況

自1998年以來，中國地震局聯(lián)合國家測繪地理信息局、中國科學(xué)院等多部委建立了全國性的流動重力監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，每2～3年進(jìn)行一次復(fù)測.2008年汶川MS8.0地震后，中國地震局通過綜合地球物理場觀測等項(xiàng)目，在青藏高原東緣建立了區(qū)域地震流動重力監(jiān)測網(wǎng).2017年，湖北省地震局(中國地震局地震研究所)牽頭，將全國流動重力監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行了整合優(yōu)化，形成了覆蓋中國大陸的重力監(jiān)測網(wǎng)，并計劃每年開展1～2期觀測，獲取重力場變化信息，為地震分析預(yù)報和地球科學(xué)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

圖5所示為瑪多MS7.4級地震震區(qū)及周邊流動重力測網(wǎng)，由21個絕對重力測點(diǎn)和450個相對重力聯(lián)測點(diǎn)組成.青藏高原東部地區(qū)，2018以前，每2～3年觀測1期，2018年以來每年觀測1期；位處南北地震帶、河西走廊的四川、甘肅等地區(qū)，每年觀測2期.需要注意的是，青海省內(nèi)格爾木—五道梁測線與瑪多—玉樹測線之間的南北兩條連接線均是2017年青藏高原東緣測網(wǎng)改造時增加的測線，2018年以來才形成穩(wěn)定可靠的觀測.

圖5 2021年青?，敹郙S7.4地震震區(qū)及周邊流動重力測網(wǎng)Fig.5 The repeated gravimetry network around the Madoi MS7.4 earthquake, 2021, in Qinghai Province

流動重力觀測采用絕對重力控制下的相對重力聯(lián)測方法完成.絕對重力測量主要由湖北省地震局采用FG5型高精度絕對重力儀完成、部分測點(diǎn)由中國地震局第二監(jiān)測中心利用A10型便攜式絕對重力儀完成；相對重力聯(lián)測則由中國地震局第二監(jiān)測中心、四川省地震局、中國地震局第一監(jiān)測中心、湖北省地震局等采用BURRIS、LCR、CG5/6等型號的高精度相對重力儀完成.

為保持區(qū)域數(shù)據(jù)資料完成性，本文主要對2015年以來每年9月前后觀測獲取的流動重力資料進(jìn)行了處理.以絕對重力為起算基準(zhǔn)，采用經(jīng)典平差方法計算了測網(wǎng)每期重力點(diǎn)值，并通過作差計算獲取了測點(diǎn)重力變化.相對重力儀的格值等參數(shù)采用絕對重力控制下的直接計算結(jié)果，各期數(shù)據(jù)選用、儀器參數(shù)見表2，數(shù)據(jù)解算精度情況見表3.從表3看，各期計算結(jié)果點(diǎn)值精度約為2～30×10-8m·s-2，4個年度觀測結(jié)果點(diǎn)值平均精度均優(yōu)于15×10-8m·s-2，2018—2020年的點(diǎn)值平均精度更是優(yōu)于10×10-8m·s-2，顯示流動重力觀測精度較高，數(shù)據(jù)處理結(jié)果可靠.

表2 2021年青?，敹郙S7.4地震震區(qū)及周邊流動重力數(shù)據(jù)選用、儀器參數(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistics about the selected gravimetry data and instruments′ parameters used around the Madoi MS7.4 earthquake, 2021, in Qinghai Province

表3 2021年青?，敹郙S7.4地震震區(qū)及 周邊流動重力數(shù)據(jù)解算精度(單位：10-8m·s-2)Table 3 Statistics of the gravimetry data processing accuracy around the Madoi MS7.4 earthquake, 2021, in Qinghai Province (Unit: 10-8m·s-2)

3.2 震前重力變化特征

盡管2018年以前青藏高原地區(qū)流動重力觀測網(wǎng)非常稀疏，但利用依托陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程建立的格爾木—五道梁和玉樹—瑪多兩條測線，以及東部的區(qū)域流動重力測網(wǎng)，我們提取了本次地震周邊地區(qū)2015年以來的流動重力變化.

(1)2015年以來的累積重力變化

以2015年度觀測結(jié)果為基準(zhǔn)，將2018、2019、2020年觀測結(jié)果與之作差，計算獲得3～5年的累積重力變化.圖6(a、b、c)分別展示了2015年以來瑪多MS7.0地震前3、4、5年的累積重力變化特征，顯示本次地震周邊地區(qū)存在較顯著的重力變化，地震發(fā)生在重力正-負(fù)變化的高梯度帶.

2015—2018年(圖6a)的3年累積重力變化顯示，瑪多震區(qū)及周邊重力場變化呈西北負(fù)-東南正的特征，震中東南局部正重力變化量級超過75×10-8m·s-2，正負(fù)重力變化差異超過100×10-8m·s-2.

2015—2019年(圖6b)的4年累積重力變化顯示，瑪多震區(qū)及周邊重力場變化繼續(xù)維持了西北負(fù)-東南正的態(tài)勢，重力場變化等值線在震中南部平行于斷裂帶走向，至東部轉(zhuǎn)向?yàn)榇怪?，震中東南局部正重力變化量級稍減，但依然達(dá)60×10-8m·s-2以上，正負(fù)重力變化差異超過90×10-8m·s-2.

2015—2020年(圖6c)的5年累積重力變化顯示，區(qū)域重力場總體上自西向東呈正-負(fù)-正-負(fù)的變化趨勢，瑪多震區(qū)及周邊重力場呈西負(fù)-東正變化特征，重力變化梯度帶走向垂直于斷裂帶，震中東部的局部正重力變化顯著，但較圖6(a、b)范圍收窄、量級減小，局部超過45×10-8m·s-2，正負(fù)重力變化差異超過110×10-8m·s-2.

圖6 2015年以來累積重力變化 (a) 2015—2018年累積重力變化； (b) 2015—2019年累積重力變化； (c) 2015—2020年累積重力變化(1 μGal=1×10-8m·s-2).Fig.6 Cumulative gravity change since 2015 (a) Cumulative gravity change during 2015—2018, (b) cumulative gravity change during 2015—2019, and (c) cumulative gravity change during 2015—2020 (1 μGal=1×10-8m·s-2).

從累積重力變化看，至少自2018年以來震中周邊區(qū)域即出現(xiàn)較明顯重力變化.震中以西(玉樹—瑪多測線以西)由于無觀測點(diǎn)，重力變化細(xì)節(jié)不明；震中以東則有較明顯的正變化.2019年以來，震中以東正重力變化范圍逐步收窄、量級逐步減小，至2020年形成了與斷裂帶走向垂直的重力變化梯度帶.

(2)2018年以來的重力變化

2018年以來，玉樹—瑪多測線至格爾木—五道梁測線之間增加了少量測點(diǎn)，從圖7(a、b、c)看，震前近兩年震中及周邊主要呈區(qū)域性重力變化，整體幅度較小，震中位于重力變化零值線.

圖7 2018年以來重力變化 (a) 2018—2019年重力變化； (b) 2019—2020年重力變化； (c) 2018—2020年重力變化(1 μGal=1×10-8m·s-2)Fig.7 Gravity changes since 2018 (a) Gravity changes during 2018—2019； (b) Gravity changes during 2019—2020, and (c) gravity changes during 2018—2020 (1 μGal=1×10-8m·s-2)

2018—2019年(圖7a)的1年期重力變化顯示，地震周邊地區(qū)總體呈西北正-東南負(fù)的微弱重力變化，震中東南局部負(fù)重力變化約-15×10-8m·s-2.

2019—2020年(圖7a)的1年期重力變化顯示，地震周邊地區(qū)總體重力變化微弱，震中附近有局部弱變化，存在重力變化零值線局部變化.

2018—2020年(圖7a)的2年累積重力變化顯示，地震周邊重力變化呈西南正-東北負(fù)的區(qū)域弱變化，大致與2015年以來的較長期累積重力變化趨勢相反，震中周邊地區(qū)重力變化依然不大，在±15×10-8m·s-2以內(nèi).

從近兩年的年際和2年累積重力變化看，2018年以來，瑪多地震周邊地區(qū)重力變化很小，顯示震區(qū)地殼在震前兩年已進(jìn)入“固化”狀態(tài)，活動性減弱，但內(nèi)部應(yīng)力持續(xù)增強(qiáng).

4 討論

4.1 Te與大地構(gòu)造

研究區(qū)域Te值為0～100 km，與活動塊體構(gòu)造關(guān)系密切.

祁連塊體巖石圈強(qiáng)度較低(0 km

柴達(dá)木塊體Te值較高，特別是柴達(dá)木盆地格爾木至海西等地區(qū)達(dá)50～80 km，與李永東等(2013)給出的50～90 km、Jordan和Watts(2005)給出的50～60 km、Braitenberg等(2003)給出的60～80 km一致.柴達(dá)木盆地的高Te值與其為古老克拉通碎片、下伏有古生代地殼這一構(gòu)造背景相符(Jordan and Watts, 2005; 李永東等，2013).

巴顏喀拉塊體是青藏高原物質(zhì)東向運(yùn)動的主要區(qū)域，Te值為0～20 km，巖石圈強(qiáng)度弱.自五道梁以東，Te由20 km逐步減小至龍門山次級塊體的10 km以下.較弱的巖石圈強(qiáng)度也使得在南北“夾持”下的巴顏喀拉塊體更易于東向擠出，并在受剛性的四川盆地阻擋后造成地殼變形、縮短、增厚，以及形成逆沖推覆構(gòu)造等.巴顏喀拉塊體東部中下地殼出現(xiàn)低速層結(jié)構(gòu)(Wang et al.,2010；嘉世旭等，2014)，同時具有高導(dǎo)/低阻的大地電磁特性(王緒本等，2009；詹艷等，2021)，表明該區(qū)域存在低強(qiáng)度的地殼軟弱層.同時，廣泛分布的斷裂帶也會降低巖石圈整體強(qiáng)度，因此巴顏喀拉塊體東部特別是龍門山次級塊體Te表現(xiàn)為顯著低值(<10 km).

羌塘塊體大部分區(qū)域的Te大于20 km，五道梁以南出現(xiàn)局部大于30 km的高值區(qū)，玉樹—德格地區(qū)出現(xiàn)局部大于40 km的高值區(qū).這些局部高值區(qū)內(nèi)部構(gòu)造相對穩(wěn)定，MS5.0以上地震主要圍繞高值區(qū)邊界區(qū)域發(fā)生.

綜上所述，研究區(qū)域巖石圈有效彈性厚度橫向變化明顯，塊體之間巖石圈強(qiáng)度差異較大，塊體內(nèi)部也可能存在局部的高強(qiáng)度巖石圈.Te較小的區(qū)域往往是易于發(fā)生地殼形變的邊界帶區(qū)域，塊體邊界多為巖石圈強(qiáng)度變化梯度帶.青藏高原東北部這種高Te區(qū)域被低Te區(qū)域分割的分布形態(tài)在印度半島和澳大利亞均有發(fā)現(xiàn)(Jordan and Watts，2005；Simons et al., 2000).Te反映的這種高原內(nèi)部巖石圈強(qiáng)度橫向差異說明在青藏高原形成過程中，板塊碰撞對大陸塊體的改造作用不是均一的，巖石圈強(qiáng)度大的塊體不易被構(gòu)造運(yùn)動所改造，而可能被繼承保留下來，形成高原內(nèi)局部構(gòu)造穩(wěn)定的高Te區(qū)域.

4.2 Te與強(qiáng)震活動

巖石圈有效彈性厚度雖與地球各圈層厚度無直接對應(yīng)關(guān)系，但其作為表征巖石圈整體力學(xué)強(qiáng)度的參數(shù)，與殼幔物質(zhì)組成、熱狀態(tài)等相關(guān)(Forsyth，1985；Burov and Diament, 1995；安美建和石耀霖，2006).Te計算結(jié)果也可以為高原內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動機(jī)制等研究提供參考依據(jù)(趙俐紅等，2004；姜效典等，2014).

從地震分布看，研究區(qū)域強(qiáng)震活動主要發(fā)生在Te強(qiáng)弱變化的過渡地帶，以及Te較小區(qū)域的斷裂帶上.柴達(dá)木盆地、羌塘塊體內(nèi)部玉樹—德格等局部Te高值區(qū)代表了高原內(nèi)部的局部構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)域，這些區(qū)域內(nèi)部相對少發(fā)MS5.0以上中強(qiáng)地震，更無MS7.0以上大地震.巴顏喀拉塊體東部、川滇菱形塊體北部，巖石圈強(qiáng)度很小(一般Te<10 km)，反映這些區(qū)域巖石圈易于發(fā)生構(gòu)造形變，其地震活動雖不如活動塊體邊界帶頻繁，但震級較高原內(nèi)局部高Te值區(qū)域大，例如巴顏喀拉塊體東部塊體內(nèi)部就發(fā)生過1947年達(dá)日MS7.7地震.

本次瑪多MS7.4地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體內(nèi)部，震中Te較小(～15 km)，其北部Te逐漸增大，也屬于巖石圈強(qiáng)度由弱向強(qiáng)的過渡地帶.發(fā)震斷層兩側(cè)沒有發(fā)現(xiàn)明顯的Te變化，同時撓曲均衡重力異常幅度小(<20×10-5m·s-2)，變化平緩，顯示在垂向上震中區(qū)域處于整體均衡狀態(tài)，斷層的運(yùn)動應(yīng)以水平方向的錯動為主，這與本次瑪多地震以走滑為主的震源機(jī)制解一致.

4.3 瑪多MS7.4地震前重力變化機(jī)理

地震實(shí)際上是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，應(yīng)變在活動斷裂帶上不斷積累并達(dá)到極限狀態(tài)后而突發(fā)失穩(wěn)破裂的結(jié)果(張培震等，2013).地震的孕育發(fā)生過程中必然伴隨地球內(nèi)外的形變、物質(zhì)遷移等，引起地表重力場的變化.高精度的流動重力復(fù)測可以捕捉到大震前重力場有序性變化，并應(yīng)用于大震地點(diǎn)的預(yù)測(祝意青等，2020).

數(shù)十年來，學(xué)者們根據(jù)大地震前后重力變化特征，對震前重力變化機(jī)理開展了探索.陳運(yùn)泰等(1980)在分析1975年海城地震和1976年唐山地震前后重力變化時指出地表觀測到的重力變化大部份是質(zhì)量遷移引起的，并對形變和質(zhì)量遷移引起的重力變化效應(yīng)進(jìn)行了理論上的分析.Li和Fu(1983)采用擴(kuò)容模式來解釋唐山地震前后重力場的變化過程.認(rèn)為唐山地震前后震中區(qū)經(jīng)歷了應(yīng)力積累壓縮(重力增大)-膨脹擴(kuò)容(重力減小)-發(fā)震-震后恢復(fù)的過程，并且理論計算的重力變化值與實(shí)測值具有較好的一致性.申重陽等(2011)根據(jù)對2009年云南姚安MS6.0地震前重力場變化特征的分析，結(jié)合震源機(jī)制解，指出：震中區(qū)相對重力變化四象限分布圖像反映出孕震體先存剪應(yīng)力，并提出了“閉鎖剪力”前兆模式，也為震前出現(xiàn)的“梯度帶”和“四象限”前兆標(biāo)志解釋提供了一種思路.雖然目前尚未有一種成熟的理論模式能夠解釋所有觀測到震前重力變化現(xiàn)象，但是無論其背后的物理過程為何，地表觀測到的重力場變化均可歸結(jié)為觀測點(diǎn)位置變化(地殼形變)和物質(zhì)遷移(局部密度變化、地下流體運(yùn)動等)的綜合影響(李瑞浩，1990).

觀測點(diǎn)隨地表垂直運(yùn)動1 mm引起的重力變化約為0.3086×10-8m·s-2，隆升引起負(fù)變化，沉降引起正變化.GNSS和水準(zhǔn)測量表明青藏高原處于整體隆升過程中，且其東緣和喜馬拉雅山相對于山前盆地隆升速率～6 mm·a-1，而高原內(nèi)部一般隆升速率1～2 mm·a-1，局部張裂構(gòu)造區(qū)還存在0～3 mm·a-1的沉降(Liang et al., 2013；Hao et al., 2014).盡管大震前可能有較短期的強(qiáng)烈地表垂直運(yùn)動(張四新等，2008)，但總體上川西高原垂直運(yùn)動速率約為±10 mm·a-1(高原內(nèi)部較邊緣小得多)，其重力變化影響量級應(yīng)小于4×10-8m·s-2/a.因此，地表垂直運(yùn)動不能完全解釋觀測到的瑪多地震前累積重力變化(圖6)，它主要還是來源于地球內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動相關(guān)物質(zhì)遷移的影響.

瑪多地震前重力場存在明顯的有序性變化，3～5年的累積重力變化自西向東存在大范圍的負(fù)-正-負(fù)變化趨勢(圖6)，2018年以來的近期重力變化主要呈西正-東負(fù)區(qū)域性弱變化，重力變化方向與長期累積變化相反，震中位于重力變化零值線拐彎部位(圖7).負(fù)-正-負(fù)的累積重力變化態(tài)勢顯示高原物質(zhì)向東運(yùn)動過程中，震中以西因物質(zhì)遷出而呈負(fù)重力變化，在震中以東、瑪曲—阿壩以西地區(qū)堆積而呈正重力變化，瑪曲—阿壩以東區(qū)域則因物質(zhì)補(bǔ)充不足而呈負(fù)重力變化，顯示了震前的構(gòu)造運(yùn)動態(tài)勢.近期的弱重力變化則意味著塊體物質(zhì)遷移達(dá)到了新的平衡狀態(tài)，而震中及周邊地區(qū)巖石圈則已積累了巨大應(yīng)力，地震危險性增強(qiáng).

5 結(jié)論

本文利用EIGEN6C4重力場模型和SIO V15.1地形數(shù)據(jù)，基于巖石圈撓曲均衡理論，計算了巖石圈有效彈性厚度和撓曲均衡重力異常，研究了瑪多MS7.4地震周邊地區(qū)重力均衡背景，探討了區(qū)域大地構(gòu)造特征；基于流動重力觀測資料，分析了震前重力變化特征，研究了其可能的重力變化機(jī)理.本文的研究可得到如下結(jié)論：

(1)瑪多MS7.4地震及周邊地區(qū)(青藏高原東北部)巖石圈有效彈性厚度為0～100 km，且各活動塊體間差異較大.自北往南，祁連塊體巖石圈強(qiáng)度較弱，有效彈性厚度為0～30 km；柴達(dá)木塊體為50～80 km高值；巴顏喀拉塊體為0～20 km低值；羌塘塊體大部分區(qū)域Te大于20 km，且存在玉樹—德格等局部大于40 km的高值區(qū).

(2)巖石圈有效彈性厚度分布與區(qū)域塊體構(gòu)造關(guān)系密切，青藏高原東北部塊體間Te差異明顯.Te反映的這種高原內(nèi)部巖石圈強(qiáng)度橫向差異說明在青藏高原形成過程中，板塊碰撞對大陸塊體的改造作用不是均一的，巖石圈強(qiáng)度大的塊體不易被構(gòu)造運(yùn)動所改造，而可能被繼承保留下來，形成高原內(nèi)局部構(gòu)造相對穩(wěn)定的高Te塊體或區(qū)域.巴顏喀拉塊體Te較其北部柴達(dá)木塊體和南部羌塘塊體均小，易于在南北“夾持”下塊體物質(zhì)的東向運(yùn)動.

(3)區(qū)域強(qiáng)震活動主要發(fā)生在Te強(qiáng)弱變化的過渡地帶，以及Te較小地區(qū)的斷裂帶上.塊體及其內(nèi)部的局部Te高值區(qū)是構(gòu)造相對穩(wěn)定的區(qū)域，這些區(qū)域內(nèi)部相對少發(fā)MS5.0以上中強(qiáng)地震.巖石圈強(qiáng)度很小的地區(qū)(一般Te<10 km)易于發(fā)生構(gòu)造形變，其地震活動雖不如活動塊體邊界帶頻繁，但震級較局部高Te值區(qū)域大.

(4)瑪多MS7.4地震前觀測到了較長時間尺度的累積重力變化，自2015年以來3～5年的累積正負(fù)重力變化差異均達(dá)～100×10-8m·s-2，自西向東呈大范圍的負(fù)-正-負(fù)變化趨勢，但2018年以來震中及周邊地區(qū)則以區(qū)域性弱變化為主，地震發(fā)生在重力變化“零值線”拐彎部位.震前重力變化主要反映的是地球內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動相關(guān)物質(zhì)遷移過程，同時也再次說明MS7.0以上地震重力變化分析應(yīng)關(guān)注長期變化特征，短期的弱變化可能意味著震區(qū)地殼已進(jìn)入“固化”狀態(tài)，內(nèi)部應(yīng)力持續(xù)增強(qiáng).