郝洪濤 韋進(jìn) 陳兆輝 趙云峰 張新林 劉少明 胡敏章

1)中國地震局地震研究所地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071 2)湖北省地震局，武漢 430071 3)中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180 4)中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定，2021年3月19日西藏自治區(qū)那曲市比如縣境內(nèi)發(fā)生6.1級地震(92.74°N，31.94°E)，震源深度10km。震后，美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)、全球地震矩張量計(jì)劃(GCMT)等研究機(jī)構(gòu)發(fā)布的震源機(jī)制初步結(jié)果表明，本次地震是一次以正斷為主的地震事件。

重力場的時(shí)空變化含有豐富的地殼變動信息，是研究地震孕育與發(fā)生過程的重要手段(Barnes，1966；Hunt，1970；陳運(yùn)泰等，1980)。近年來，中國地震局通過地震行業(yè)專項(xiàng)“中國綜合地球物理場觀測”以及中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)等一系列重大科學(xué)工程項(xiàng)目的實(shí)施，建立了范圍覆蓋中國大陸的地震重力監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。利用產(chǎn)出的觀測成果，一些學(xué)者對2013年蘆山7.0級地震(祝意青等，2013)、2016年門源6.6級地震(祝意青等，2016)等一系列中強(qiáng)地震前后的重力場時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究，并在地震預(yù)測應(yīng)用方面取得了較好的應(yīng)用效果。

在2021年比如6.1級地震前，中國地震局在西藏那曲市開展過多期流動重力觀測，觀測到了震中附近明顯的重力異常變化，并對此次地震作了一定程度的中期預(yù)測。2020年度地震趨勢重力研究報(bào)告指出，青藏交界地區(qū)出現(xiàn)了重力劇烈變化，重力升、降差異達(dá)100×10-8m/s2以上，西藏安多、那曲、索縣、青海雜多、治多一帶(震中位置在32.44°N，93.99°E附近)有6級地震發(fā)生的可能。可以看出，基于流動重力觀測分析做出的中期預(yù)測，與2021年3月19日西藏比如MS6.1 地震(92.74°N，31.94°E)對應(yīng)較好，尤其在地點(diǎn)的預(yù)測上，明確提到西藏那曲。因此，深入分析比如6.1級地震震中區(qū)及周邊地區(qū)近年來的流動重力觀測資料，進(jìn)而對此次6.1級地震前重力場時(shí)空動態(tài)演化特征與規(guī)律、地震孕育發(fā)生過程中的前兆表現(xiàn)有較客觀的認(rèn)識，將有助于青藏地區(qū)地震中期預(yù)測研究。

1 觀測數(shù)據(jù)與處理

青藏高原地區(qū)重力觀測是中國大陸地震重力監(jiān)測的重要組成部分。在2017年以前，該地區(qū)重力觀測主要依托中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目實(shí)施，觀測周期為2～3年一期；2018年以后，中國地震局依托綜合地球物理場觀測項(xiàng)目對藏東地區(qū)重力觀測進(jìn)行了加密，并將觀測周期改為每年一期。

根據(jù)現(xiàn)有關(guān)于地震孕育過程中重力場變化時(shí)空范圍的研究結(jié)果(胡敏章等，2019)，6級地震引起的重力異常變化，其空間范圍可達(dá)200km以上，持續(xù)時(shí)間為1～3年。為獲得完整的重力異常時(shí)空分布特征，本文將研究區(qū)范圍選取為27°N～37°N、87°E～97°E、SN向和EW向各約1000km的地區(qū)(圖1)，在構(gòu)造分區(qū)上涵蓋了拉薩塊體、羌塘塊體、巴顏喀拉塊體等。在觀測資料的時(shí)間范圍方面，選取了2015—2020年5年時(shí)間，利用期間多個(gè)項(xiàng)目獲取的相對重力觀測數(shù)據(jù)，共組成5期觀測成果，資料概況如表1所示。在絕對重力觀測資料方面，綜合利用了2013年以來由中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目和綜合地球物理場項(xiàng)目獲取的絕對重力觀測成果，資料概況如表2所示。自2015年以來，研究區(qū)內(nèi)共發(fā)生4次6級以上地震，分別為2016年10月17日雜多6.2級、2017年11月18日米林6.9級、2019年4月24日墨脫6.3級以及2021年3月19日比如6.1級地震。

圖1 重力觀測概況

表1 相對重力觀測資料概況

表2 絕對重力觀測數(shù)據(jù)概況

在數(shù)據(jù)處理過程中，首先利用絕對重力觀測結(jié)果構(gòu)建起算基準(zhǔn)和控制點(diǎn)。絕對重力觀測數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了固體潮、海潮負(fù)荷、陸地水負(fù)荷、氣壓、極移、垂直梯度等改正，并基于經(jīng)典負(fù)荷理論(Farrell，1972)與GLDAS水文模型(Rodell et al，2004)進(jìn)行了水負(fù)荷效應(yīng)改正，以減弱或消除水負(fù)荷重力效應(yīng)。最后，根據(jù)各期相對重力觀測前后兩期的絕對重力觀測值，采用式(1)所示線性擬合的方法模擬絕對重力基準(zhǔn)點(diǎn)重力值隨時(shí)間的變化，再根據(jù)相對重力觀測時(shí)間內(nèi)插或外推至相對重力觀測時(shí)刻，作為相對重力觀測數(shù)據(jù)處理的基準(zhǔn)和控制點(diǎn)。

gt=at+b

(1)

式中，t為觀測時(shí)間，gt為t時(shí)刻重力值，a、b為線性擬合參數(shù)。

相對重力觀測數(shù)據(jù)的處理同樣進(jìn)行了進(jìn)行了固體潮、氣壓、儀器高等改正。為減弱相對重力儀器格值系數(shù)誤差影響，計(jì)算過程中采用絕對重力基準(zhǔn)對格值系數(shù)進(jìn)行了整體解算，計(jì)算軟件采用中國地震局流動重力數(shù)據(jù)處理通用軟件LGADJ(劉紹府等，1991)。最終各期觀測數(shù)據(jù)平差點(diǎn)值精度均優(yōu)于15×10-8m/s2。

2 結(jié)果分析

重力場動態(tài)變化一般采用差分動態(tài)變化和累積動態(tài)變化兩種表現(xiàn)形式。差分圖像(圖2)為相鄰兩期觀測期間的變化結(jié)果(半年尺度)，可突出不同時(shí)期重力場動態(tài)演化的差異信息；累積圖像(圖3)是以2015年觀測為基準(zhǔn)的變化結(jié)果，側(cè)重于顯示較長時(shí)間內(nèi)的累積效應(yīng)。

圖2 差分重力變化

圖3 累積重力變化

2.1 差分變化

由圖2可知，各時(shí)段差分重力變化在空間分布形態(tài)和量級上均存在較大差異。在空間分布形態(tài)上，各時(shí)段變化主要表現(xiàn)為EW向差異變化，而塊體邊界南北兩側(cè)的差異變化并不顯著。在變化量級上，2015—2017年、2017—2018年2個(gè)時(shí)段變化較為劇烈，而2018—2019年、2019—2020年2個(gè)時(shí)段則較為平緩。

(1)2015—2017年時(shí)段。除南部拉薩塊體呈正負(fù)相間分布外，北部羌塘塊體和柴達(dá)木塊體整體呈自西向東、由正向負(fù)的態(tài)勢；本時(shí)段內(nèi)發(fā)生了2016年10月17日雜多6.2級地震，震中北部的高值負(fù)變化(最大量級約70×10-8m/s2)可能是此次地震震后調(diào)整效應(yīng)的反映。拉薩塊體東部地區(qū)呈現(xiàn)顯著的局部正變化區(qū)(最大量級約60×10-8m/s2以上)，并在林芝東側(cè)地區(qū)形成SN向差異變化梯度帶，0值線兩側(cè)正負(fù)變化中心差異變化約100×10-8m/s2，空間跨度約350km。2017年11月18日米林6.9級地震的發(fā)震位置位于該梯度帶和0值線上。2021年比如6.1級地震位于那曲地區(qū)自西向東由正向負(fù)的重力變化高梯度帶轉(zhuǎn)彎處附近，重力差異變化約70×10-8m/s2。

(2)2017—2018年時(shí)段。相比前一時(shí)段，本時(shí)段內(nèi)正負(fù)變化區(qū)分布明顯集中，變化量級也明顯增強(qiáng)。研究區(qū)中部地區(qū)呈高值正變化，最大量級為60×10-8m/s2；拉薩塊體內(nèi)部相比上一時(shí)段呈反向變化特征，塊體東部的林芝地區(qū)和日喀則地區(qū)轉(zhuǎn)為高值負(fù)變化，其中林芝地區(qū)最大量級達(dá)90×10-8m/s2以上，可能反映2017年米林6.9級地震的震后調(diào)整效應(yīng)。格爾木、那曲、拉薩一線形成規(guī)模較大的NE向梯度帶(正負(fù)變化中心區(qū)之間最大差異變化達(dá)150×10-8m/s2以上，空間跨度約450km)，而2021年比如6.1級地震位于該梯度帶上和0值線附近。

(3)2018—2019年時(shí)段。本時(shí)段重力變化趨于平緩，重力變化一般在30×10-8m/s2以內(nèi)。在本時(shí)段內(nèi)發(fā)生了2019年4月24日墨脫6.3級地震，但在震中附近地區(qū)并無重力測點(diǎn)覆蓋。雖然重力變化并不顯著，但從重力變化的空間分布態(tài)勢看，格爾木至那曲一線東西兩側(cè)地區(qū)發(fā)生了正負(fù)變化反向，比如6.1級地震位于自西向東、由負(fù)轉(zhuǎn)正的趨勢變化0值線附近。

(4)2019—2020年時(shí)段。除格爾木南部呈局部負(fù)變化外(最大量級約45×10-8m/s2)，研究區(qū)南部羌塘塊體和拉薩塊體基本呈相對分散的低值正變化。

2.2 累積變化

重力變化格局整體表現(xiàn)出較為明顯的繼承性，各時(shí)段圖像的空間分布形態(tài)仍以EW向差異變化為主。

(1)2015—2017年時(shí)段。同上述差分變化。

(2)2015—2018年時(shí)段。重力場變化整體呈自西向東、由正向負(fù)的趨勢性變化，正負(fù)變化交界地區(qū)形成規(guī)模較大的SN向梯度帶；那曲西北部正變化中心區(qū)(最大量級約60×10-8m/s2)至那曲東部負(fù)變化中心區(qū)(最大量級約90×10-8m/s2)差異變化達(dá)150×10-8m/s2，空間跨度約450km。2021年比如6.1級地震位于梯度帶和0值線上。

(3)2015—2019年時(shí)段。重力場變化整體空間分布態(tài)勢與前一時(shí)段相似；那曲西北部地區(qū)正變化有所減弱，正變化極值區(qū)向西遷移；林芝北部地區(qū)負(fù)變化略減弱。比如6.1級地震仍位于大致呈SN向的梯度上，但在震中地區(qū)，梯度帶發(fā)生了較為明顯的轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象。

(4)2015—2020年時(shí)段。重力變化仍維持自西向東、由正向負(fù)整體態(tài)勢；相比前一時(shí)段，重力正變化區(qū)范圍有所擴(kuò)大，東部負(fù)變化極值區(qū)量級為75×10-8m/s2左右，梯度帶兩側(cè)正負(fù)變化中心區(qū)差異變化約105×10-8m/s2，空間跨度約300km。比如6.1級地震仍位于梯度帶上。

2.3 重力場變化與地震關(guān)系

地表重力場變化與地震活動密切相關(guān)。申重陽等(2020)、祝意青等(2018、2020)對中國大陸近期的主要強(qiáng)震研究認(rèn)為，與區(qū)域構(gòu)造分布一致的重力場變化通常是構(gòu)造活動因素的反映，強(qiáng)震往往發(fā)生在與構(gòu)造分布一致的梯度帶和正負(fù)轉(zhuǎn)換帶上，而重力場演化過程中的轉(zhuǎn)折變化、等值線翻轉(zhuǎn)則可能是臨震前的前兆異常特征。祝意青等(2020)、胡敏章等(2019)進(jìn)一步研究了重力異常變化與地震預(yù)測三要素的特征指標(biāo)，指出與構(gòu)造活動有關(guān)的重力變化高梯度帶轉(zhuǎn)彎部位和趨勢異常中出現(xiàn)局部異常區(qū)是重力異常的典型形態(tài)，6級地震對應(yīng)的異常量級為70×10-8m/s2以上，異常范圍為200km以上，持續(xù)時(shí)間為1～3年。

通過上述重力場變化分析過程可發(fā)現(xiàn)：①此次比如6.1級地震震前約3年的差分和累積圖像中，出現(xiàn)了穿過比如地震震中區(qū)的近SN向重力變化梯度帶，并隨著時(shí)間推移，在震中地區(qū)梯度帶發(fā)生轉(zhuǎn)彎；2017年11月18日米林6.9級地震位于2015—2017年時(shí)段圖像中林芝東側(cè)的SN向梯度帶上；②比如6.1級地震震中西北部和東部通常呈現(xiàn)局部正負(fù)變化極值區(qū)特征，正負(fù)變化中心區(qū)差異變化最大達(dá)150×10-8m/s2以上，臨震前一期累積變化圖像中最大差異變化約105×10-8m/s2；③在異常范圍上，比如6.1級地震震中附近重力梯度帶兩側(cè)正負(fù)異常中心區(qū)的跨度為300～450km，米林6.9級地震前梯度帶兩側(cè)正負(fù)異常中心區(qū)的距離約300km。

結(jié)合上述分析認(rèn)為，2021年比如6.1級地震前約3年，重力場變化開始出現(xiàn)與地震孕育相關(guān)的重力異常特征，異常形態(tài)和持續(xù)時(shí)間與現(xiàn)有特征指標(biāo)均保持一致。在異常范圍和量級上，本文結(jié)果相比現(xiàn)有特征指標(biāo)略偏大，其原因可能包括以下因素：①重力變化結(jié)果中包含了2017年11月18日米林6.9級的同震和震后效應(yīng)，從而對重力異常范圍和變化量級產(chǎn)生影響；②西藏地區(qū)自然環(huán)境惡劣、交通不便，對重力觀測中儀器性能、觀測實(shí)施均會帶來一定影響，從而導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)的實(shí)際精度有所降低。加之該地區(qū)測點(diǎn)稀少，測網(wǎng)空間分辨率達(dá)100km以上(韓宇飛等，2020)，觀測信息的空間密度不足，不能較好地捕捉到孕震過程中出現(xiàn)的完整前兆信息。但考慮到地震孕育和發(fā)生過程的復(fù)雜性以及現(xiàn)有的認(rèn)識水平，通過分析仍不難得出，重力場時(shí)空變化特征對于研究強(qiáng)震的孕育和發(fā)生規(guī)律，尤其是地點(diǎn)判定，無疑具有重要的參考作用。

3 重力場變化機(jī)理探討

引起地表重力場變化的因素復(fù)雜多樣，一般在去除大氣、水負(fù)荷等環(huán)境效應(yīng)后，主要反映地殼垂直運(yùn)動、地下物質(zhì)分布變化等與構(gòu)造運(yùn)動相關(guān)的因素。本文在數(shù)據(jù)處理中考慮了大氣效應(yīng)改正，并采用對起算基準(zhǔn)進(jìn)行改正的方式予以消除或減弱水負(fù)荷效應(yīng)的影響，在此基礎(chǔ)上提取了由構(gòu)造因素引起的重力變化信息。

地殼垂直運(yùn)動監(jiān)測長期以來主要依靠水準(zhǔn)觀測獲取。西藏地區(qū)已有的水準(zhǔn)觀測主要是1951—1969年、1976—1984年、1991—1999年完成實(shí)施的3期全國性水準(zhǔn)測量(董鴻聞等，2002)，但其時(shí)間范圍與本文重力數(shù)據(jù)相差較大。近年來，高精度GPS觀測在地殼垂直運(yùn)動研究中得到了越來越廣泛的應(yīng)用(劉經(jīng)南等，2002；顧國華，2005；Liang et al，2013；趙斌等，2014)。其中，Liang等(2013)基于西藏地區(qū)1998—2013年期間GNSS觀測數(shù)據(jù)獲得的三維地殼運(yùn)動運(yùn)動背景顯示，青藏高原地區(qū)地表垂直運(yùn)動的量級一般在±5mm/a以內(nèi)，折合重力變化最大約為1.5μGal/a，不足以引起數(shù)十微伽的重力變化，因此地殼垂直形變不是引起重力場變化的主要原因。

在排除地殼垂直運(yùn)動影響因素后，重力場變化主要反映地殼深部介質(zhì)密度變化效應(yīng)和物質(zhì)運(yùn)動過程(申重陽等，2009)。本文研究區(qū)位于青藏高原腹地，地殼物質(zhì)在印度板塊的北向推擠作用下發(fā)生大規(guī)模側(cè)向擠出，具有大規(guī)模物質(zhì)運(yùn)移的背景。已有研究認(rèn)為，在羌塘塊體內(nèi)部，由于東部物質(zhì)快速向東和南東方向運(yùn)移牽引著西部物質(zhì)不連續(xù)地向東運(yùn)移，在拉伸過程中造成一系列共軛走滑斷裂和近SN向正斷裂(李海兵等，2021)。2021年比如6.1地震位于班公湖—怒江縫合帶與亞東—谷露SN向正斷層帶北向延伸的交匯部位，而震源機(jī)制解也顯示以正斷為主。根據(jù)位錯(cuò)理論模擬的斷層運(yùn)動重力效應(yīng)表明，正斷型斷層運(yùn)動引起的地表重力變化表現(xiàn)為以斷層為邊界的正負(fù)兩側(cè)分布(Okubo，1992；談洪波等，2008)，其空間分布特征與本文所顯示的實(shí)測重力變化的形態(tài)(2017—2018年、2015—2020年等)相符，且實(shí)測重力變化的正負(fù)轉(zhuǎn)換帶(0值線)與亞東—谷露SN向正斷層帶的走向基本一致。因此，可推測此次比如6.1地震正是羌塘塊體內(nèi)部EW向拉伸運(yùn)動作用的體現(xiàn)，而實(shí)測重力變化則較好地反映了這一構(gòu)造運(yùn)動背景所引起的質(zhì)量分布變化。

4 結(jié)論

地表重力場變化包含有豐富的地殼變動信息，是認(rèn)識地震孕育和發(fā)生規(guī)律以及進(jìn)行地震預(yù)測研究的重要手段。本文基于青藏高原地區(qū)2015—2020年期間5期地表流動重力觀測資料，獲取了該地區(qū)近期重力場變化圖像，并對重力場變化與2021年比如6.1級地震的關(guān)系進(jìn)行了研究，主要獲得以下結(jié)論：

(1)比如6.1級地震前約3年的重力圖像出現(xiàn)穿過震中區(qū)的SN向重力變化梯度帶和局部異常，其形態(tài)和持續(xù)時(shí)間與現(xiàn)有典型指標(biāo)一致，表明重力變化較為清晰地反映了此次地震孕育過程中所引起的重力異常信號。

(2)地表垂直位移因素不是引起重力變化的主要因素。實(shí)測重力場變化與正斷型斷層位錯(cuò)引起的重力變化在形態(tài)上基本一致，結(jié)合比如6.1級地震的震源機(jī)制以正斷為主，推測羌塘塊體EW向拉張運(yùn)動為此次地震的發(fā)震背景，而實(shí)測重力變化則較好地反映了這一構(gòu)造運(yùn)動背景所引起的質(zhì)量分布變化。

(3)流動重力資料對2021年比如6.1級強(qiáng)震震中地點(diǎn)的判定，進(jìn)一步證實(shí)了區(qū)域重力場觀測對未來強(qiáng)震震中位置的判定具有獨(dú)到的優(yōu)勢。在觀測信息空間密度嚴(yán)重不足的青藏高原腹地，能有效地進(jìn)行強(qiáng)震地點(diǎn)預(yù)測實(shí)屬不易。強(qiáng)震易發(fā)生在重力變化正、負(fù)異常區(qū)過渡的高梯度帶上和0值線附近，而此次比如6.1級強(qiáng)震就發(fā)生在重力差異運(yùn)動劇烈的梯度帶上和0值線附近。