1992—2000年滇西大地水準(zhǔn)面變化與Ms≥6.0地震＊

董正瑤 李 輝 汪 健 談洪波

(1)浙江省地震局,杭州 310013 2)中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071 3)地殼運(yùn)動(dòng)與地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071)

1992—2000年滇西大地水準(zhǔn)面變化與Ms≥6.0地震＊

董正瑤1)李 輝2,3)汪 健2,3)談洪波2,3)

(1)浙江省地震局,杭州 310013 2)中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071 3)地殼運(yùn)動(dòng)與地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071)

用滇西地震試驗(yàn)場(chǎng)流動(dòng)重力復(fù)測(cè)資料計(jì)算大地水準(zhǔn)面時(shí)空動(dòng)態(tài)變化,研究表明大地水準(zhǔn)面演化特征與該區(qū)斷裂活動(dòng)關(guān)系密切相關(guān),對(duì) 6.0級(jí)以上地震有較好的反映,局部大地水準(zhǔn)面變化與地震的孕育、發(fā)生有關(guān)。

地震;流動(dòng)重力測(cè)量;大地水準(zhǔn)面變化;地殼運(yùn)動(dòng);滇西地區(qū)

1 引言

我國(guó)的地震重復(fù)重力測(cè)量工作到目前為止已走過(guò)了 40多年的歷程。40多年來(lái),在測(cè)量?jī)x器、觀測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和地震預(yù)報(bào)研究等方面都取得了一定進(jìn)展[1]。在測(cè)量精度方面,隨著 LaCoste-Romberg高精度相對(duì)重力儀的引進(jìn),相對(duì)重力測(cè)量精度已達(dá)10×10-8ms-2左右。根據(jù)兩期觀測(cè)資料計(jì)算重力場(chǎng)時(shí)間變化,其精度在 15×10-8ms-2左右,相應(yīng)的監(jiān)測(cè)重力場(chǎng)變化的能力高于 40×10-8ms-2,相當(dāng)于可以捕捉到一次 5.0級(jí)以上地震孕育所產(chǎn)生的重力場(chǎng)變化。國(guó)內(nèi)外的大量的觀測(cè)結(jié)果表明[2-4],在地震的孕育、發(fā)生過(guò)程中,的確顯示出了具有地震前兆意義的重力變化。

大地水準(zhǔn)面被認(rèn)為是地球重力場(chǎng)的幾何表象和重力等位面,是地球上部圈層的一個(gè)物理界面。地球內(nèi)部構(gòu)造活動(dòng),如地震,會(huì)引起不同程度和不同范圍的大地水準(zhǔn)面變化,與地殼深部密度及動(dòng)力學(xué)變化密切相關(guān)。本文以滇西地區(qū)的流動(dòng)重力測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù),建立局部大地水準(zhǔn)面變化詳細(xì)數(shù)學(xué)模型,對(duì)滇西大地水準(zhǔn)面變化的形態(tài)與Ms6.0以上地震活動(dòng)關(guān)系進(jìn)行了分析。

2 大地水準(zhǔn)面變化計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

大地水準(zhǔn)面差距表示為[5]：

式中σ為整個(gè)地球,R為地球半徑,γ為橢球面上的正常重力,Δg′(ψ,α)是地面點(diǎn) P(ψ,α)歸化到大地水準(zhǔn)面上的重力異常,S(ψ)為 Stokes函數(shù)。

顧及球面極坐標(biāo)系流動(dòng)面元與球面坐標(biāo)系流動(dòng)面元的關(guān)系 R2sinψdψdα=R2cosφdφdλ,式 (2)變?yōu)椋?/p>

式中ψ根據(jù)計(jì)算點(diǎn)和流動(dòng)點(diǎn)的經(jīng)緯度進(jìn)行計(jì)算,即cosψ=sinφsinφP+cosφcosφPcos(φ-φP),格網(wǎng)面積Δ Σi為：

3 滇西地震試驗(yàn)場(chǎng)資料及精細(xì)數(shù)據(jù)處理

滇西地震試驗(yàn)場(chǎng)位于川滇塊體的南端,地質(zhì)環(huán)境和構(gòu)造背景復(fù)雜 (圖 1),是我國(guó)強(qiáng)震活動(dòng)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)[6]。流動(dòng)重力測(cè)量工作始于 1973年,1984年對(duì)滇西實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的重力網(wǎng)進(jìn)行了改造,擴(kuò)建為具有130多個(gè)測(cè)點(diǎn)的高精度重復(fù)重力網(wǎng) (圖 1)。自 1985年起使用LCR-G型相對(duì)重力儀每年進(jìn)行 2～3次重復(fù)測(cè)量,測(cè)量精度約為(7～10)×10-8ms-2。

圖1 滇西重力網(wǎng)Fig.1 Gravity network ofWestern Yunnan

在進(jìn)行重力網(wǎng)平差數(shù)據(jù)處理時(shí),為提高整個(gè)網(wǎng)平差結(jié)果精度的可靠性和均勻性,以下關(guān)絕對(duì)重力基準(zhǔn)點(diǎn)做為擬穩(wěn)點(diǎn)[7](圖 2),對(duì) 1985年以來(lái)的每一期觀測(cè)資料進(jìn)行擬穩(wěn)平差。利用昆明的絕對(duì)重力變化值作為參考基準(zhǔn),對(duì)每一期的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正,從而獲得每一期的基于絕對(duì)重力控制的具有時(shí)空基準(zhǔn)的重力變化值,再以各時(shí)間段網(wǎng)格化后的重力變化值作為依據(jù),根據(jù)式 (4)計(jì)算滇西地區(qū)的局部大地水準(zhǔn)面變化(圖 3,4)。

圖2 下關(guān)絕對(duì)重力基準(zhǔn)站絕對(duì)重力變化時(shí)序圖Fig.2 Variations of gravity changes at Xiaguan absolute gravity fiducial station

圖3 昆明絕對(duì)重力基準(zhǔn)點(diǎn)重力變化時(shí)序圖Fig.3 Variations of gravity changes at Kunming absolute gravity fiducial station

圖4 昆明 GNSS基準(zhǔn)站垂直位移變化時(shí)序圖Fig.4 Variations of vertical displacement at Kunming GNSS fiducial station

4 區(qū)域大地水準(zhǔn)面動(dòng)態(tài)變化結(jié)果及分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

以下關(guān)絕對(duì)重力基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì) 1992—2000年,每年2期的觀測(cè)資料進(jìn)行擬穩(wěn)平差,并對(duì)滇西地區(qū)的重力結(jié)果按 2′×2′格網(wǎng)化,以所有時(shí)間段的重力值均值作為背景重力值,計(jì)算得到的滇西地區(qū)大地水準(zhǔn)面變化等值線如圖 5。利用美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局發(fā)布 EG M2008地球重力場(chǎng)模型,計(jì)算得到的滇西地區(qū)大地水準(zhǔn)面的起伏變化如圖 6。

4.2 結(jié)果分析

從圖 6可看出,滇西地區(qū)的大地水準(zhǔn)面起伏整體表現(xiàn)為負(fù)值,約 -44～-32 m,區(qū)域大地水準(zhǔn)面起伏與紅河斷裂帶、瀾滄江斷裂帶走向較為一致,局部受小斷裂帶影響交錯(cuò),是滇西地區(qū)內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的綜合反映。GPS觀測(cè)結(jié)果表明[8,9],相對(duì)于歐亞板塊,川滇地區(qū)顯示圍繞東喜馬拉雅構(gòu)造結(jié)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、拉張伸展、擠壓與剪切變形共存的復(fù)合變形模式,而滇西地區(qū)由于青藏高原物質(zhì)的向東擠出在東部相對(duì)穩(wěn)定的四川盆地和華南塊體的阻擋下,與印度板塊共同的作用下造成順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),且川滇地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)方向與金沙江、瀾滄江和怒江的流向一致,在重力的作用下地殼物質(zhì)緩慢地向南蠕動(dòng)。

從圖 5看出,滇西地區(qū)的大地水準(zhǔn)面在紅河斷裂帶的兩側(cè)以及斷裂的一些局部地區(qū)變化較大, 1992、1993、1994年,大地水準(zhǔn)面年內(nèi)變化整體除了值大小外呈現(xiàn)基本相同的變化特征,沿紅河斷裂帶由北向南增大但不明顯;1995年,上半年與下半年呈現(xiàn)相反特征,特別是上半年變化,與 GRACE衛(wèi)星重力觀測(cè)到的一些結(jié)果及其理論向上延拓圖像呈現(xiàn)出一致性,下半年 10月發(fā)生武定Ms6.5地震,震后下半年變化形成以彌渡-姚安為中心的峰值,下半年基本與上半年反向變化,顯示出震后物質(zhì)調(diào)整信息, 1996年上半年 (麗江地震前)變化與滇西大地水準(zhǔn)面起伏狀態(tài)相反,表明紅河斷裂帶北段和瀾滄江斷裂帶較為活躍,發(fā)生麗江Ms7.0地震和Ms6.8余震,1996年下半年大地水準(zhǔn)面變化又呈現(xiàn)相反狀態(tài),顯示出震后物質(zhì)調(diào)整信息,1997年年變化不明顯,較為平穩(wěn),與滇西大地水準(zhǔn)面起伏形態(tài)較為一致,1998年上半年由南向北逐漸增加,等值線垂直法線與斷裂帶基本重合,1998年下半年梯度帶密集區(qū)沿紅河斷裂帶偏東北向,隨即在 1998年 11月發(fā)生寧蒗Ms6.2地震,1999年上半年和下半年形態(tài)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90度后相似,下半年亦呈現(xiàn)與斷裂帶一致走向的等值線密集區(qū),與衛(wèi)星重力觀測(cè)結(jié)果較為一致,隨即在測(cè)區(qū)發(fā)生姚安Ms6.5地震,震后 2000年上半年并未呈現(xiàn)相反變化狀態(tài),而 2000年下半年呈現(xiàn)四象限對(duì)稱變化分布。

5 結(jié)論

1)滇西地區(qū)大地水準(zhǔn)面動(dòng)態(tài)變化在整個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)一種平穩(wěn)-不平穩(wěn)-反向的狀態(tài)變化。

2)大地水準(zhǔn)面變化與斷裂帶走向基本一致,呈對(duì)稱分布,且與滇西大地水準(zhǔn)面起伏相反狀態(tài)下,半年后均發(fā)生Ms6.0以上地震,為利用大地水準(zhǔn)面動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)地震提供了一定的參考依據(jù)。

圖5 滇西地區(qū)大地水準(zhǔn)面動(dòng)態(tài)變化圖Fig.5 Dynamical variations of geoid changes inWestern Yunnan area

致謝 感謝邢樂(lè)林博士對(duì)絕對(duì)重力測(cè)量數(shù)據(jù)的精細(xì)處理!

圖6 滇西地區(qū)大地水準(zhǔn)面起伏變化(單位：m)Fig.6 Fluctuation of geoid inWestern Yunnan

1 祝意青,王慶良,徐云馬.我國(guó)流動(dòng)重力監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)展的思考[J].國(guó)際地震動(dòng)態(tài),2008,9：19-25.(Zhu Yiqing, WangQingliang and Xu Yunma.Thoughts on the development of earthquakemonitoring and prediction inmobile gravity[J].RecentDevelopment inWorld Seis molgy,2008,9：19-25)

2 李瑞浩.重力學(xué)引論[M].北京：地震出版社,1988.(Li Ruihao. Gravimetry guide[M]. Beijing：Seis mological Press,1988)

3 Chen Y T,Gu H D and Lu Z X.Variations of gravity before and after the Haicheng earthquake,1975,and the Tangshan earthquake,1976[J].Phys Earth Planet Int.,1979,18：330-338.

4 祝意青,王雙緒.昆侖山口西 8.1級(jí)地震前重力變化[J].地震學(xué)報(bào),2003,25(3)：291-297.(Zhu Yiqing and Wang Shuangxu.Gravity variation before Kunlun mountain passwesternMs8.1 earthquake[J].Acta Seismologica Sinica,2003,25(3)：291-297)

5 李建成,等.地球重力場(chǎng)逼近理論與中國(guó) 2000似大地水準(zhǔn)面的確定 [M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2003.(Li Jiancheng,et al.The theory of earth gravity approach and deter mination of China quasi-geoid 2000[M].Wuhan：Wuhan University Press,2003)

6 徐云馬,祝意青,程宏賓.1998—2004滇西地區(qū)重力場(chǎng)演化與Ms≥6.0地震[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2008, (2)：51-55.(Xu Yunma,Zhu Yiqing and Cheng Hongbin. Relations bet ween changes of gravity field andMs≥6.0 earthquake in western Yunnan during 1998—2004[J]. Journal of Geodesy and Geodynamic,2008,(2)：51-55)

7 張為民,王勇.洱海水位變化對(duì)下關(guān)基準(zhǔn)點(diǎn)絕對(duì)重力觀測(cè)影響 [J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2005,(4)：114-116.(ZhangWeimin andWang Yong.Effect ofwater level variations of Erhai lake on absolute gravity observation at Xiaguan fiducial station[J].Journal of Geodesy and Geodynamic,2005,(4)：114-116)

8 周偉,等.川滇地區(qū)現(xiàn)金構(gòu)造變形分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2008,(2)：22-27.(Zhou Wei,et al.Analysis of present-day tectonic deformation in Sichuan-Yunnan area[J].Journal of Geodesy and Geodynamic,2008,(2)：22-27)

9 王雙緒,等.利用重力復(fù)測(cè)研究局部大地水準(zhǔn)面變化與地震的關(guān)系[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2009,(1)：6-10.(Wang Shuangxu,et al.Studyon relation between variation of local geoid and earthquake by repeated gravity survey[J].Journal of Geodesy and Geodynamic,2009,(1)：6 -10)

RELATI ONS BETW EEN CHANGES OF GEO I D AND EARTHQUAKES (Ms≥6.0)INW ESTERN YUNNAN DURING 1992—2000

Dong Zhengyao1),Li Hui2,3),Wang Jian2,3)and Tan Hongbo2,3)

(1)Earthquake Adm inistration of Zhejiang Province,Hangzhou 310013 2)Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071 3)CrustalM ovem ent Laboratory,W uhan 430071)

On the basis of the mobile gravity data in western area of Yunnan province during 1992-2000,the dynamically evolutional characteristicsof geoid are researched.The results show that the changesof geoid are closely relative to fault activity,and the variationsof local geoid are relatedwith the preparation and occurrence of earthquake ofMs≥6.0

earthquake;mobile gravimetry;geoid variation;crustalmovement;the west of Yunnan

1671-5942(2011)04-0027-05

2011-01-12

中國(guó)地震局地震行業(yè)專項(xiàng)(喜馬拉雅計(jì)劃)

董正瑤,1981年生,碩士,主要從事重力資料處理研究.E-mail：39041086@qq.com

P315.72+5

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