2008年于田Ms7.3地震前重力場動態變化特征分析＊

申重陽李 輝孫少安楊光亮玄松柏談洪波劉少明

1)中國地震局地震研究所,武漢 430071

2)地殼運動與地球觀測實驗室,武漢 430071

2008年于田Ms7.3地震前重力場動態變化特征分析＊

申重陽1,2)李 輝1,2)孫少安1,2)楊光亮1,2)玄松柏1,2)談洪波1,2)劉少明1,2)

1)中國地震局地震研究所,武漢 430071

2)地殼運動與地球觀測實驗室,武漢 430071

基于 1998年以來的中國大陸流動重力網觀測數據,分析 2008年 3月新疆于田7.3級地震前區域重力場動態變化的演化特征。結果表明:區域重力場動態演化圖像反映了該地震孕育的中長期 (2～10年)基本信息;該地震孕育時的顯著重力標志為持續多年的正重力變化(上升)和較大規模的重力變化梯級帶,前者有利于地震能量的不斷積累,后者有利于地震破裂的發生;該地震孕育過程中相關重力場變化呈增大-加速增大-減速增大的過程,與 1976年唐山 7.8級地震具類似特征;與該地震有關的多年 (8年)最大累積重力變化達 200×10-8ms-2。

于田地震;重力觀測;重力場;動態變化;孕震

1 引言

地震重力監測所獲得的地表或空間重力場動態變化,主要由地表測點位置變化、地表整體變形運動(主要指垂直位移)以及地球內部介質構造變形與密度變化之間耦合運動所引起,其包含較為豐富的地殼變動和地震運動信息。地震孕育發生過程蓄含于地殼運動過程中,通過重力場動態變化的深入分析,有可能捕獲某些強震前兆有效信息,這是利用重力手段探索地震機理研究和開展地震預測的基本出發點。

2008年 3月 21日新疆于田 M s7.3地震,是2001年昆侖山口西Ms8.1地震以來,對中國大陸強震活動具有一定影響的主要地震,祝意青等[1]利用重力變化成功對其進行了中期預測,說明了重力手段對大震預測的潛力。本文將從重力場變化的角度,分析地震孕育過程中重力場動態變化的特征,為大震孕育發生的重力學標志和地震預測提供重力學依據。

2 地震前區域重力場動態變化圖像

2.1 于田地震簡況

2008年3月21日新疆于田7.3級地震,震源深度 19 km,為主震余震型。地震位于西昆侖地震帶和阿爾金地震帶的交匯部位,即塔里木盆地南緣,北東向阿爾金斷裂帶西南端,毗鄰西昆侖山區邊緣。震中區附近發育近東西向向南突出的弧形逆沖斷裂和東側的左旋走滑斷裂。從活動地塊來說,屬于青藏和西域兩大活動地塊區過渡部位 (包括巴顏喀拉、東昆侖和塔里木 3個二級活動地塊和西昆侖山前、阿爾金兩個邊界活動帶),地塊邊界活動帶內發育有以擠壓和走滑為主的活動斷裂,淺源地震基本沿斷裂發生[2]。

2.2 重力觀測數據與結果

研究數據來源于中國大陸流動重力網觀測數據成果[3],即中國地殼運動網絡的重力網和中國數字地震網絡的重力網的觀測數據,前者為 4期數據(1998、2000、2002、2005),后者為 1期數據 (2007);絕對觀測采用 FG5絕對重力儀,相對觀測一般使用LCR-G型重力儀,部分使用 CG5相對重力儀,絕對控制精度優于 5×10-8ms-2,相對單程測量精度優于 15×10-8ms-2;經絕對重力控制下的整體處理解算,構成 1998年以來 2～3年尺度的震前重力場動態變化;處理結果表明,各期結果的點值精度均在(11～16)×10-8ms-2以內,任意兩期結果獲得的重力變化精度在 20×10-8ms-2左右。研究表明[3],目前運行的中國大陸流動重力網及其觀測數據,能夠反映較大空間尺度的重力場演化的基本輪廓。

為了研究于田地震,只截取東經 90°以西觀測成果,其中研究區觀測網線布局如圖 1所示。區域重力場動態變化采用兩種表現形式:一為差分動態變化圖像,表示兩期之間的相對重力變化,其可突出觀測區域不同時期重力場動態演化的差異信息;二為累積動態變化,表示相對某一期或某一基準的重力變化,其可突出觀測區域不同時期重力場動態演化的相對累積狀態。根據中國大陸 1998—2007年重力場動態變化解算結果,于田地震區域重力場差分動態變化和累積動態變化圖像分別如圖 2、圖 3所示。

圖 1 區域流動重力網布局與地震分布示意圖Fig.1 Sketch of gravity network and earthquakes in the studed region

2.3 重力場差分動態變化特征

從圖 2可見,1998—2000年,于田 7.3級地震震中區北部存在低值正 (或上升)重力變化區 (20× 10-8ms-2以內),震中區南部和東部為大片低值負(或下降)重力變化區 (一般低于 40×10-8ms-2,局部達 60×10-8ms-2以上),于田地震孕育部位處于正負變化區的過渡梯級帶上,毗鄰正變化區南突部位。另外,區域中東部夾于兩局部負重力變化之間低值部位為昆侖山口西 8.1級地震部位,這種重力場變化狀態可能表明震源區處于閉鎖狀態;新疆西緣低值正負重力變化特征是否受 1998年 5月 30日阿富汗 7.1級地震影響有待進一步研究。

2000—2002年,除拉薩北部存在南北向負變化條帶外,區域整體呈現大片正重力變化(幅值達 120×10-8ms-2),拉薩-烏魯木齊間存在近南北向的正負交接重力變化梯級帶 (應與昆侖山口西 8.1級地震同震響應以及震后短期調整效應有關)。于田地震孕育部位處于向北東拐凸的 100×10-8ms-2等值線附近,重力變化明顯增加。

2002—2005年,區域重力變化呈現中部高、南北低格局,中部呈現大片正變化區,顯著局部正異常變化位于昆侖山口西 8.1級地震東側,局部最大重力變化達 120×10-8ms-2,說明昆侖山口西 8.1級地震后,區域存在明顯的大震震后恢復調整效應;新疆北部從之前的持續正變化區變為負變化區,最大負變化達 100×10-8ms-2,說明其與 2003年 9月 27日俄中蒙交接地區 7.8級地震直接相關,應反映該地震的同震響應;區域南部呈現一較大局部負重力變化區,最大負重力變化達 80×10-8ms-2,局部負重力變化區的西側呈現低值正變化區,于田地震孕育在該正變化區西南緣,為正負重力變化過渡部位,這種正負重力變化分區特征可能與2005年10月8日巴基斯坦 7.8級地震有關。

圖 2 于田 7.3級地震前重力場差分動態變化圖像(單位:10-8ms-2)Fig.2 Dynamic gravity changes differed in two adjacent campaign before YutianMs7.3 earthquake(unit:10-8ms-2)

圖 3于田 7.3級地震前重力場累積動態變化圖像(單位:10-8ms-2)Fig.3 Dynamic gravity changes accumulated before YutianMs7.3 earthquake(unit:10-8ms-2)

2005—2007年,區域東南部負重力變化向東遷移收縮并向北北東向發展,穿越昆侖地震震中西側與北部負重力變化區連接,形成負重力變化區南北貫通局面,西部正變化區收縮并向北發展,說明區域處于昆侖大震后的反相調整時期;于田地震孕育部位基本維持 2002—2005年的狀態,處于西部大片正變化區南緣核部。

從上可以看出,盡管區域重力場變化明顯受昆侖山口西 8.1級地震孕育發生及震后調整的控制以及周邊大震的影響,但于田地震孕育部位除 1998—2000年重力變化呈現正負變化梯級帶外,一直處于重力正變化狀態。

2.4 重力場累積動態變化特征

從圖 3可知,2000—1998年情況如上所述。

2002—1998年,區域西部呈現巨大正重力變化區,幅值顯著增強 (最大達 140×10-8ms-2),并向東、向南擴展,正變化核心部位不變;區域東部負重力變化區往昆侖山 8.1級地震震中西側收縮,較大負變化范圍明顯增大;正負重力變化過渡地帶從南往北明顯呈北東-南北-北東向梯級帶;于田地震孕育部位處于巨大正變化區核心西南緣的北西向梯級帶上。這種區域重力變化格局明顯受昆侖山口西8.1級地震發生的影響。

2005—1998年,除東、南和北部邊緣存在小片負變化區外,區域基本呈現大片重力正變化區:西南部重力正變化基本維持不動,幅值略有增強 (最大達 160×10-8ms-2),北部正重力變化向南運動并在靠近昆侖山大震部位形成局部正重力變化(最大達100×10-8ms-2),使在區域中部形成兩個顯著的局部分異的正變化區;于田地震孕育部位仍處于西南正變化核心區西南緣的梯級帶上(亦或位于正負重力變化過渡梯級帶正變化一側),該處 80×10-8ms-2重力等值線明顯向北拐曲,而震中處于此拐曲的東翼尾部,可能說明閉鎖震源體阻擋吸收帕米爾構造結向北的推擠作用;南部出現局部負變化區,應與 2005年 10月巴基斯坦 7.8級地震影響有關:地震孕育后期,震源體呈“閉鎖”狀態,可能對帕米爾構造結向北推擠起阻擋作用,向北物質流減少而造成重力負變化。

2007—1998年與 2005—1998年重力變化格局基本維持,西部巨大局部正重力變化幅值繼續增強(達 220×10-8ms-2),南部局部負重力變化沿青藏高原南部碰撞帶往東擴展。

從上述累積重力變化可以看出,于田地震孕育部位除 1998—2000年重力變化呈現正負變化梯級帶外,一直處于最大正重力變化區西南側梯級變化帶上,且其北部一直呈現巨大正重力變化。

3 于田Ms7.3地震孕育過程的重力場變化分析

3.1 區域重力場動態變化動力學機制

研究區包括青藏高原區西部、新疆地區和青海西部,屬青藏亞板塊和新疆亞板塊,該地區現今地殼動力主要來源于印度板塊和歐亞板塊的碰撞作用[4-6]。青藏高原南部區重力變化主要表現為地表隆升作用和地下致密作用;隨著印度板塊不斷向北擠壓推進,地殼壓縮增厚,青藏高原北部區和新疆地區,逐步出現擠壓匯聚運動和側向擠出運動,前者表現為隆升(重力減少)和質量盈余 (重力增加),后者表現出質量虧損(重力減少)。

地殼垂直運動對重力觀測變化具有一定影響,一般來說,每抬升 (或沉降)1 cm,將引起測點約3.086×10-8ms-2的下降 (或上升)重力變化。目前高精度地表垂直運動觀測主要通過水準觀測來獲取,但因其觀測周期長,并與重力觀測不同步或不相匹配,故只能利用有關水準測量成果粗略估算地表垂直運動對重力變化的影響。中國大陸現今垂直形變速率圖[7,8]表明:喜馬拉雅地區、昆侖山地區以隆升為主,垂直運動速率約為 0～+20 mm/a,相當重力變化減少 0～6.2×10-8ms-2/a;塔里木、準嘎爾、柴達木等盆地以沉降為主,垂直運動速率為 0～-10 mm/a,相當重力變化增加 0～3.1×10-8ms-2/a;研究區其他地區垂直運動速率約為 -5～+3mm/a,相當重力變化增加 (1.6～-1.0)×10-8ms-2/a。可以看出,地表垂直運動對研究區展示的重力變化沒有重要影響,難以改變重力變化的基本特征。一般來說,地表重力變化主要由地表觀測點的位置變化、地表整體變形運動以及地球內部因構造塊體變形運動的密度變化效應引起[9-11]。因此,對研究區來說,正重力變化主要反映地下物質增多,而負重力變化主要反映地下物質減少。

震源機制和地表破裂顯示,于田地震以拉張為主兼有走滑運動的傾滑破裂[2],即說明震源的擠張性質,這可能主要因深部擠壓與地表局部張性作用所致。隨著印度板塊下插擠壓作用和向北推移,以及塔里木盆地的阻擋作用,造就震區地殼物質運動和應力應變場的復雜性,盡管地表存在一些局部沉降作用,但從總體來說,與震源有關的局部構造物質運動效應以隆升(重力減少)為主,與地殼深部致密作用造成的地表重力效應具有相互抵消效應,震中附近一直存在低值正重力變化,說明地下物質致密效應略強于隆升效應。總之,于田 7.3級地震是青藏高原碰撞帶西緣 (帕米爾構造結)向北推擠活動造成區域構造變動響應的結果。2000年以來,盡管區域重力變化明顯受到昆侖山口西 8.1級地震和周邊強震的影響,但孕震部位始終處于重力變化不斷增加、累積重力變化梯級帶穩定發展與維持狀態,孕震區北側始終呈現巨大正累積重力變化,可能反映了震源區能量不斷積累、深部閉鎖狀態和剪切應力狀態。

3.2 孕震不同階段重力場動態變化特征

從圖 2和圖 3可以看出,除孕震部位主要呈現梯級變化帶外,與地震有關的重力場動態演化的最顯著特征是,孕震區北側呈現一個大片、十分醒目的正重力變化區。一般來說,區域物質運動質量的總體增加,其所攜帶的能量亦增加,有利于地震孕育積累。為此,我們以該正重力變化的演化來分析孕震不同階段特征。

從差分動態重力變化圖像 (圖 2)來看,正重力變化區范圍不夠穩定,明顯受昆侖山口西 8.1級地震的影響。1998—2000年正重力變化區核心部位毗鄰孕震區,最大重力變化約 20×10-8ms-2; 2000—2002年則正重力變化核心區東移遠離孕震區,最大重力變化增加到約 100×10-8ms-2;2002—2005年正重力變化核心區繼續東移遠離孕震區,最大重力變化不變,仍約 100×10-8ms-2;2005—2007年正重力變化核心區移至孕震部位,最大重力變化約 60×10-8ms-2(表 1)。其明顯特征表現為持續多年(5年以上)的正變化特征,差分最大重力變化呈增大-加速增大(震前約 8～6年)-減速增大 (震前約 6～1年)-發震過程,反映了地震孕育能量積累-加速積累-減速積累-發震過程。

從累積動態變化圖像(圖 3)來看,正重力變化區范圍基本穩定,核心部位毗鄰孕震區,幅值變化明顯受昆侖山口西 8.1級地震的影響。2000—1998年正重力變化區最大重力變化約 20×10-8ms-2; 2002—1998年其最大重力變化為 130×10-8ms-2; 2005—1998年則其最大重力變化為 160×10-8ms-2;2007—1998年其最大重力變化約 220×10-8ms-2(表 1)。其明顯特征表現為震中區北部存在持續多年(5年以上)的正變化特征,累積最大重力變化呈增大-加速增大 (震前約 6年)-減速增大 (震前約 3年)-發震過程,反映了地震孕育能量累積過程。

表 1 孕震相關區域重力場最大動態變化(單位:10-8ms-2)Tab.1 Max imum dynam ic gravity change related to seismogen ic process(un it:10-8m s-2)

3.3 與 1976年唐山 7.8級地震的比較

李瑞浩等[12]通過系統處理分析地震前后 34期的重力測量數據,以北京為起算點,給出了天津、唐山和山海關測點隨時間變化曲線 (圖 4),其真實反映了唐山 7.81級地震前后重力變化的全過程。不難看出,從“差分”意義上來說,如李瑞浩等[12]所描述的唐山地震前后重力變化具有明顯的階段特征,即 1971—1975年的緩慢上升階段、1975年至 1976年 7月震前的反向快速下降階段和震后的平緩恢復過程;但從“累積”意義上來說,唐山地震前后重力變化具有“上升-加速上升(震前約 2～3年)-減速上升(震前約 1年)-發震-恢復”的基本特征,愈靠近震中愈明顯。比較唐山地震和于田地震前累積重力變化階段特征,不難看出兩次地震盡管由于區域構造動力環境的和重力變化源等存在巨大差異,但震前重力變化具有大體特征類似的變化過程。

圖 4 唐山地震前后重力變化 (單位:10-8ms-2)Fig.4 Gravity changes before and after Tangshan earthquake(Unit:10-8ms-2)

另外,于田地震與汶川 8.0級地震前重力變化過程亦相似[13]。

3.4 孕震條件與大震判定分析

地震源于地殼深處,為當介質應力應變能量積累到一定程度而造成的剪切破裂。據此推知,地震孕育發生應滿足兩個基本條件:

一為能量積累條件,比如地殼內部物質不斷集聚變形運動,對大地震來說這種集聚變形運動應是大范圍的,地表重力變化上升或正重力變化應是有利于能量積累的可能標志之一;

二為破裂條件,在震源區周邊應力持續失衡作用下,震源區相對薄弱部位或剪切作用明顯地帶(一般靠近已存斷裂帶)首先破裂,重力梯級變化帶,特別在重力變化相對上升和相對下降的過渡部位,往往為物質膨脹(密度減少)和收縮 (密度增加)的過渡部位,易于產生剪應力而發震。

基于這種觀點,利用重力變化進行大震的 (空間)判定應采取如下方法:

1)能量積累條件判定。呈現特征重力變化,即:持續多年的較大規模和范圍的正或上升重力變化。此時,可選區域內的最大累積重力變化為特征重力變化量,其可為孕震源提供能量來源 (大范圍判定);

2)破裂地域判定。除應具備構造運動條件外,還應具備一定的物質運動變異條件,如呈現較大規模的正、或負、或正負交接過渡的重力變化梯級帶(尤其轉折部位),其有利于地震破裂發生 (縮小范圍判定)。

于田 7.3級地震顯然符合上述條件和方法。發震強度判定可依據最大累積重力變化,如于田地震多年 (8年)最大累積重力變化達 200×10-8ms-2。發震時間判定可依據最大累積或差分重力變化的趨勢來判定,當累積或差分重力變化呈減速增加時,往往成為發震時間標志。汶川地震前重力變化亦證實上述論點[13]。

4 結論

1)基于中國大陸 1998年以來流動重力觀測數據,分析區域重力場動態演化圖像,盡管受到昆侖山地震發生和震后調整的巨大影響,但仍能夠分辨出較大空間尺度的與于田 7.3級地震孕育有關的重力場動態演化基本特征,能夠捕捉于田 7.3級地震孕育的中長期時間尺度 (2～10年)信息,其中累積重力變化圖像更為明顯。

2)于田 7.3級地震孕育發震的顯著重力標志為持續多年的正重力變化 (上升)和較大規模的重力變化梯級帶,前者有利于地震能量的不斷積累,后者有利于地震破裂的發生。

3)從累積動態變化看,與該地震孕育有關的重力場呈增大-加速增大-減速增大-發震的過程,與唐山地震、汶川地震孕育不同階段的重力場變化特征基本相似。

4)于田地震多年 (8年)最大累積重力變化達200×10-8ms-2,說明強震的發生需要較大的能量積累。

1 祝意青,徐云馬,梁偉鋒,2008年新疆于田Ms7.3地震的中期預測[J].大地測量與地球動力學,2008,(5):13-15.(Zhu Yiqing,Xu Yunma and LiangWeifeng.Mediumterm prediction of Yutian,XinjiangMs7.3 earthquake in 2008[J].Journalof geodesy and geodynamics,2008,(5): 13-15)

2 尹光華,蔣靖祥,吳國棟.2008年 3月 21日于田 7.4級地震的構造背景 [J].干旱區地理,2008,31(4):543-549.(Yin Guanghua,Jiang Jingxiang and Wu Guodong. Tectonic background of theMs 7.4 earthquake at Yutian on March 21,2008[J].Arid Land Geography,2008,31(4): 543-549)

3 李輝,等.中國大陸近期重力場動態變化圖像[J].大地測量與地球動力學,2009,(3):1-10.(Li Hui,et al.Dynamic gravity change of recent years in China continent[J]. Journal of geodesy and geodynamics,2009,(3):1-10)

4 馬杏垣,宿儉,吳大寧.中國的活動塊體運動與構造變形[A].現代地殼運動研究 (3)-活動構造與減輕地質災害[C].北京:地震出版社,1987.(Ma Xingyuan,Su Jian andWu Daning.China’s active block and tectonic defor mation[A].present-day crustal movement study(3)– active structure and geologic disastermitigation[C].Beijing:Seismological Press,1987)

5 丁國瑜,盧演儔.對我國板內運動狀況的初步探討[J].科學通報,1986,31(18):1 412-1 415.(Ding Guoyu and Lu Yanchou.The Preliminary study on intraplate movement status of our country[J].Chinese Science Bulletin,1986, 31(18):1 412-1 415)

6 丁國瑜.我國大陸的新構造變形與板內現代運動 [A].國際大陸巖石圈構造演化與動力學討論會 -第三屆全國構造地質會議論文選集 (II)[C].北京:科學出版社, 1990.(Ding Guoyu.New tectonic defor mation and presentday intra-plate movement of China continent[A].Symposia of International symposium on continental lithosphere tectonic evolvement and dynamics-the third national tectonic geology symposium(Ⅱ)[C].Beijing:Science Press,1990)

7 中國巖石圈動力學圖集編委會.中國巖石圈動力學地圖集[M].北京:中國地圖出版社,1989.(China Lithosphere Dynamic Atlas Compilation Committee.China ithosphere dynamic atlas[M].Beijing:SinoMaps Press,1989)

8 應紹奮,等.中國大陸垂直向現代地殼運動基本特征[J].中國地震,1988,4(4):1-8.(Ying Shaofen,et al. Basic characteristics of recent vertical crustal movement of China mainland[J].Earthquake Research in China,1988, 4(4):1-8)

9 申重陽,李輝,付廣裕.麗江 7.0級地震重力前兆模式研究[J].地震學報,2003,25(2):163-171.(Shen Chongyang,Li Hui and Fu Guangyu.Study on a gravity precursor mode of the Lijiang earthquake[J].Acta Seismological Sinica,2003,16(2):175-184)

10 申重陽.地殼形變與密度變化耦合運動探析[J].大地測量與地球動力學,2005,(3):7-12.(Shen Chongyang. Prel iminary analysis of coupling movement between crustal deformation and density change[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2005,(3):7-12)

11 申重陽,李輝.研究現今地殼運動和強震機理的一種方法[J].地球物理學進展,2007,22(1):49-56.(Shen Chongyang and Li Hui.A method of analyzing the present crustalmovement and the mechanism of strong shocks[J]. Progress in Geophysics,2007,22(1):49-56)

12 李瑞浩,等.唐山地震前后區域重力場變化機制 [J].地震學報,1997,19(4):399-407.(Li Ruihao,et al. The mechanis m of regional gravity changes before and after the Tangshan earthquake[J].Acta Seis mologica Sinica, 1997,19(4):399-407)

13 申重陽,等.重力場動態變化與汶川Ms8.0地震孕育過程[J].地球物理學報,2009,52(10):2 547-2 557. (Shen Chongyang,et al.Dynamic variations of gravity and the preparation process of theWenchuanMs8.0 earthquake [J].Chinese J.Geophys,2009,52(10):2 547-2 557)

CHARACTERISTIC ANALYSIS OF DYNAM IC GRAVITY CHANGE BEFORE YUTIANMs7.3 EARTHQUAKE,2008

Shen Chongyang1,2),Li Hui1,2),Sun Shaoan1,2),Yang Guanliang1,2),
Xuan Songbai1,2),Tan Hongbo1,2)and Liu Shaoming1,2)
1)Institute of Seismology,CEA,Wuhan 430071
2)CrustalMovementLaboratory,Wuhan 430071

On the basis of the data and results of the repeated gravity observation ne twork in Chinese mainland since 1998,the evolution characteristics of dynamic gravity field changes in the seis mogenic region before Yutian Ms7.3 earthquake in Mar,2008 has been analyzed and summarized.The dynamic evolution images of regional gravity field reflects the middle-long term(two to ten years)essential information during the earthquake preparation.The notable gravity symbols of the earthquake preparation are positive gravity change(rise)lasted for many years and relatively large-scale gradient zone of gravity change that the former is in favorof continuous accumulation of seismic energy and the latter makes for occurrence of seismic rupture.The related gravity change during the process of the earthquake preparation have the characteristics:increase-accelerated increase-decelerated increas which is similar to that of TangshanMs7.8 earthquake in 1976.The maximum accumulative gravity change related to the earthquake can reach 200×10-8ms-2.

YutianMs7.3 earthquake;gravimetry;gravity field;dynamic change;seismogeny

P315.72+6

A

1671-5942(2010)04-0001-07

2010-02-23

國家自然科學基金(40574012,40374031);國家“十一五”科技支撐計劃項目(2006BAC01B02-02);中國地震局監測運行項目(201210)

申重陽,男,1963年生,研究員,主要從事地球重力學與地殼運動觀測研究、地震機理與預測研究.E-mail:scy907@163.com