2017年九寨溝地震前重力場異常特征提取

劉芳 祝意青 趙云峰 劉濤

1）中國地震局第二監測中心，西安市西影路316號 710054

2）陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，西安 710075

0 引言

2017年8月8日四川省阿壩州九寨溝縣（33.20°N，103.82°E）發生7.0級地震，震源深度約20km，震源機制顯示，該地震為走滑型（易桂喜等，2017），同震位錯以左旋走滑為主（季靈運等，2017）。地震震中位于巴顏喀拉塊體東緣岷江斷裂、塔藏斷裂和虎牙斷裂附近（徐錫偉等，2017）。九寨溝地震是繼昆侖山口西8.1級地震、汶川8.0級地震和玉樹7.1級地震后，在巴顏喀拉塊體周緣發生的又一次大地震。

九寨溝地震前，中國地震局在南北地震帶開展了多期流動重力觀測，觀測到震中附近明顯的重力異常變化；祝意青等（2017）研究認為，甘青川地區重力變化劇烈及具有四象限分布特征，重力差異達 100×10－8ms－2以上，甘肅迭部、瑪曲、夏河，青海河南、瑪沁、同德，四川若爾蓋、九寨溝一帶有發生6～7級地震的可能。近年來，已有的研究結果表明，地震孕育過程中的地殼變形和震源介質性質的變化將會引起震區周圍重力場的變化，而重力場異常是可靠的前兆物理參數之一（顧功敘等，1997；祝意青等，2010；Li et al，2011；陳石，2016）。而布格重力異常是研究巖石圈和地質構造的重要地球物理資料之一，布格重力異常能突出地反映地殼淺層、深層物質分布的橫向不均勻性的重力效應，它與地殼物質橫向密度區域的密度異常有關。進行重力異常識別以判斷重力場變化的正常態與異常態時，不僅要看到重力變化圖像所反映的非均勻程度，還要分析重力變化的演變過程與變化趨勢，以及要注意到重力場變化與布格重力異常背景場間的關系（申重陽等，2007；祝意青等，2012）。因此，系統深入地分析南北地震帶布格重力異常和時變重力場資料，研究九寨溝地震前的重力變化，對于了解地殼深部環境的變異及研究地震的成因機理等具有科學意義。

1 數據與方法

重力異常是地殼質量分布不均所引起的重力值偏離正常重力值的異常響應，它能夠直觀地反映地質體的分布、地殼深部結構以及斷裂構造展布等信息。然而，重力場是疊加場，包含巖石圈不同層次的場源信息，如區域場與局部場信號疊加在一起，深部場與淺部場信號疊加在一起，因此，在利用重力數據研究深部構造時，場源信息的有效分離至關重要（曾華霖，2005）。已有研究表明，快速發展的小波變換方法已成為重力異常分解的重要技術手段，該方法可以將重力場異常劃分成幾何意義下的不同成分，從而提取出研究對象中不同尺度的局部異常信息，達到位場分離的目的。Mallat（1989）首先提出了小波多尺度分析的塔式算法；侯遵澤等（1997）闡述了小波變換及多尺度分析原理，并應用于中國大陸布格重力異常的研究；楊文采等（2001）詳細討論了離散小波變換與重力異常的多重分解時應注意的問題。此外，還有諸多研究者利用小波變換方法在重力場的地質構造研究中取得一些結果（高德章等，2000；方盛明等，2001；姜文亮等，2010；李大虎等，2014；談洪波等，2017）。因此，在利用重力數據研究構造特征時，需要采用合適有效的數據處理方法進行重力場異常信息的分離，以提取出與研究對象相關的信息部分，進而對場源所引起的局部場異常進行分析研究。

根據小波多尺度分解原理，重力異常可分解為（楊文采等，2001）

其中，Ai為重力異常的i階（i為不小于2的整數）近似，即重力異常的低頻成分；Di（i=1，2，…i）為經i次分解后得到的各階小波細節，即重力異常的高頻成分。為了將深層異常體產生的重力異常從總異常中有效分離，在Matlab下選用二維重力異常分解的雙正交小波基函數“bior3.5”（刁博等，2007）對布格重力異常及時變重力場動態變化異常進行小波4階尺度分解。

2 區域布格重力異常特征研究

2.1 區域布格重力異常特征

布格重力異常是地殼內部不同密度巖性體所表現的重力異常，它能直觀地反映出地下深部構造特征及斷裂構造的展布等信息。EGM2008是現今精度、空間分辨率最高的全球重力場模型，可提供高達2160階的重力異常場球諧系數（Pavlis et al，2008、2012），數據可從世界重力圖網站（WGM，http：//bgi.omp.obs-mip.fr）下載，該網站提供了自由空氣重力異常數據及布格重力異常數據。EGM2008模型空間異常在我國大陸的總體精度為10.5mGal（章傳銀等，2009），在自由空氣重力異常的基礎上進行層間改正、曲率改正、地形改正可得到2.5′×2.5′區域布格重力異常（圖1）。由圖1可見，區域布格重力異常整體呈現為負值異常，西北區域布格重力異常低，東南區域相對較高，自西向東逐漸增加，為－560～－80mGal，其中，川西高原布格重力異常為－560～－280mGal，龍門山斷裂帶附近為－200～－120mGal，四川盆地約為－80 mGal，可見沿著龍門山斷裂帶附近形成布格重力異常高梯度帶，表明川西高原和四川盆地密度差異明顯。大震經常發生在重力異常突變帶與活動斷裂帶交匯處（周志鵬等，2014），此次九寨溝地震即發生在巴顏喀拉塊體向四川盆地的過渡地帶，處于塔藏斷裂帶與岷江斷裂帶交匯處附近的重力異常變化突變帶內。

圖1 研究區布格重力異常及主要斷裂分布

2.2 布格重力異常的多尺度小波分解

布格重力異常包含了從地表到深部所有密度不均勻引起的重力效應，為了從不同尺度和深度上分析九寨溝7.0級地震的深部地殼結構特征，本文利用小波多尺度分解方法對布格重力異常進行分解，發現4階小波逼近具有平滑的區域場特征，故選擇 4階小波多尺度分解進行場分離。圖2為布格重力異常1～4階小波細節圖。由圖2（a）的1階小波細節可見，變化量不大，在±10×10－8m·s－2以內，且變化無明顯規律，等值線圈閉總體范圍較小，為小尺度重力變化，主要反映了淺層地表密度不均勻體的分布情況。在九寨溝東南側的塔藏斷裂兩側有明顯的重力正負差異異常，同時在鮮水河斷裂帶也有重力局部異常。由圖2（b）的2階小波細節可見，整個研究區域范圍內變化量仍然在±10×10－8m·s－2左右，在馬爾康斷裂帶兩側，以小金地區為中心呈現出重力變化四象限；在虎牙斷裂的西南側形成重力變化高梯度帶，同時在汶川地區，近乎垂直于龍門山斷裂帶中段也形成重力變化高梯度帶。由圖2（c）的3階小波細節可見，等值線圈閉總體范圍變大，突出了深層物質密度變化的局部性，許多弱小細節連成較大的異常，在九寨溝附近，沿著岷江斷裂帶形成重力變化高梯度帶；汶川-成都之間形成明顯的重力變化正負四象限特征；沿著鮮水河斷裂帶兩側也有明顯的密度差異變化。由圖2（d）的4階小波細節可見，以松潘地區為中心、直徑范圍200km內形成重力負異常區，這與地震層析成像結果一致（王偉峰等，2015），王偉峰等（2015）發現松潘-甘孜地塊東南部中下地殼存在大面積分布的S波低速區，表明其為易變形地區，沿迭部-白龍江斷裂帶及塔藏斷裂形成了重力變化高梯度帶，而九寨溝地震即發生在此高梯度帶的拐彎地帶，故四川盆地呈現出重力異常正值變化。

圖2 布格重力異常1～4階小波細節

3 流動重力測量重力場動態變化特征

2010年中國地震局啟動了地震行業科研重點專項“中國綜合地球物理場觀測——青藏高原東緣地區”重力場變化加密監測網，該網以全國重力基本網為總體構架，對南北地震帶地區已有的地震流動重力監測網進行成場、成網優化改造，把云南、四川、甘肅、寧夏、河西和陜西等6個區域重力網連接在一起，形成點距為60～80km的高分辨率監測網（Liang et al，2013）。對于早期的資料及2014年以后的資料，有關文獻已作過研究（Zhu et al，2010；祝意青等，2017），本文主要分析2010～2013年間高精度的重力觀測資料，觀測資料利用絕對重力控制解算的重力平差計算結果較好，點值平均精度小于10×10－8m·s－2，反映重力觀測資料質量可靠。圖3是2010～2013年3年尺度累積重力變化圖。

圖3 2010～2013年3年尺度累積重力變化

3.1 區域重力場變化特征

從2010～2013年3年尺度的累積重力變化來看，總體變化趨勢為自西向東、由負向正的趨勢性變化，其與布格重力空間分布大體相似，都是自西向東、由負向正的趨勢性變化，反映出重力變化受此區域應力場的作用和深大斷裂活動的控制，沿同仁-碌曲-瑪曲-若爾蓋-馬爾康一線出現一個大尺度的重力變化高梯度帶。同時，以松潘為中心，重力變化出現四象限變化特征，重力差異變化大于100μGal，九寨溝地震即發生在重力變化四象限中心附近沿碌曲-九寨溝-武都的重力變化高梯度帶的轉彎部位，這較好地反映了強震危險地點與區域重力場的四象限分布、高梯度帶及其拐彎、交匯部位等有關（li et al，2011；祝意青等，2015；Chen et al，2016）。

3.2 區域重力場變化的多尺度小波分解

對3年尺度的累積重力變化作了1～4階小波多尺度分解。圖4（a）為布格重力異常4階小波逼近圖，圖4（b）為累積重力變化4階小波逼近圖。4階小波逼近主要反映的是下地殼至上地幔物質引起的重力效應。由圖4可見，異常分區特征十分明顯，在此區域自西向東異常逐漸增大，四川盆地均為重力異常高值區，松潘-甘孜地塊均為重力異常低值區，高低分界線走向也大致一致，區域重力場異常變化的幾何形態與布格重力異常空間分布間的如此密切相關，進一步證實了川西高原及其附近存在深部殼、幔物質運移深層次的物質與能量的交換和動力作用（滕吉文等，2008），說明巴顏喀拉塊體向東運動受到堅硬的四川盆地阻擋，而九寨溝地震則發生在過渡帶內，這可能與該地區地殼內部物質遷移相關。

圖4 4階小波逼近圖

4 結論與討論

本文基于小波多尺度分解的方法，對重力靜態場（布格重力異常）和動態場（流動重力）變化分別進行了分離，進而對2017年8月8日九寨溝7.0級地震前區域深部地殼介質密度變化進行了分析，得到以下認識。

（1）九寨溝地震處于巴顏喀拉塊體向四川盆地的過渡帶內，可能與該地區地殼內部物質遷移相關。

（2）應用小波多尺度方法對布格重力異常及累計重力變化進行異常分離，從1～4階小波細節可以看出，隨著小波細節階數的增加，分布規律逐漸增強，4階小波逼近反映了該區域的區域異常。因此認為，小波多尺度分析方法可用于重力場的研究。

（3）重力場靜態異常、動態異常變化可為研究深地殼結構性質提供重要的物理場信息，研究發現，九寨溝地震發生在區域重力場的四象限分布中心位置，已有震例表明，地震發生在出現顯著四象限分布特征的重力異常變化中（祝意青等，2014）。而重力構造學認為，地球重力是地球構造運動的主要驅動力，重力場蘊含著構造力信息，分析其變化特征可為研究區域地殼動力學與地震環境提供一定的依據，對于深入了解潛在的地震危險性具有一定的科學意義。

致謝：感謝參與重力測量的全體工作人員，感謝匿名評審專家對本文給出了有益的建設性意見。