新疆及鄰近地區重力場變化特征研究①

劉代芹，李 杰，王曉強，祝意青，方 偉

（1.新疆維吾爾自治區地震局，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國地震局第二監測中心，陜西 西安 710054）

0 引言

新疆及周邊地區（西藏、甘肅、青海和寧夏）一直是中國大陸地震多發地區之一。近兩年來，天山，昆侖山、阿爾金山一直處于活躍時期，6級地震頻繁發生。2011年11月1日新疆鞏留尼勒克交界處發生了MS6.0地震，時隔7個月，于2012年6月30日在北天山中段的和靜、新源交界處發生了MS6.6地震，2012年8月12日在新疆于田縣又發生了MS6.2地震。在新疆周邊地區6級以上地震活動也比較活躍，2013年07月22日在甘肅省定西市岷縣漳縣交界發生MS6.6地震，8月12日西藏昌都地區左貢縣、芒康縣交界發生了生MS6.1地震；另外，就在本文撰寫期間，位于人口稠密的烏魯木齊市（2013年8月30日）發生了MS5.1地震。

重力場反映地球介質密度變化和各種環境（固體地球潮汐、內部熱流、固體和液體）之間質量的交換、表面負荷和地震構造運動等，是地球動力學特征的最基本和最直接的物理量［1］，因此在地殼運動中，由于各種原因區域構造應力場發生強弱的變化時，重力場圖像也會出現相應的時空變化。本文利用1998年以來全國地殼運動網、數字地震網和陸態網絡重力觀測數據，結合新疆及周邊地區動力構造環境和強震活動，系統地分析新疆及周邊地區的重力場演化特征，為新疆及周邊地區地殼運動和動力學、地震等災害預測研究提供基礎研究成果。

1 點位分布和數據處理情況

本文整理了 1998、2000、2002、2005、2008 和2010年共6期全國地殼運動網、數字地震網和陸態網絡重力觀測數據，該數據由中國地震局、總參測繪局、中國科學院和國家測繪局等單位共同完成觀測。為了系統地給出新疆及周邊地區2～3年尺度的重力場動態變化圖像，本文選取了新疆及周邊部分地區（西藏、甘肅、青海和寧夏）網絡重力數據。選取的監測網是由相鄰監測點之間約100km間距，近100個重力觀測點構成，其中4～6個絕對重力點，90余個相對重力點（圖1），基本覆蓋了新疆大部和西藏、甘肅、青海、寧夏部分地區。

圖1 新疆及周邊地區重力點位分布圖Fig.1 Distribution of gravity points in Xinjiang and the circumjacent areas

數據處理采用了中國地震局攻關軟件LGADJ，首先對每期數據進行平差計算，選取相對穩定且分布合理的點位作為擬穩點。在計算過程中，對少數存在誤差較大的觀測段差實行粗差剔除和降權處理，并合理確定各臺儀器的先驗方差，再利用絕對重力點位數據參與整體平差計算；絕對重力資料觀測結果以5×10－8ms－2精度定權，相對重力聯測資料的權則按儀器不同，在計算過程中迭代計算確定［2］。最終計算結果表明，各期結果的點值精度均為（8～12）×10－8ms－2，任意兩期結果獲得的重力變化精度在15×10－8ms－2左右，解算精度滿足地震預報和重力場變化研究的需要。

2 重力場動態變化特征分析

本文首次利用1998、2000、2002、2005、2008和2010年共6期的重力數據，繪制了不同時段的重力變化圖像，以便提取不同時間尺度的重力場動態變化信息。作者采用了兩種方法對其進行剖析，一種是鄰近兩期的重力場動態變化圖像，以突出觀測區域不同時期重力場動態演化的差異信息；一種是長時間尺度重力場動態變化圖像，以突出觀測區域較長時期的重力場變化的累積信息或背景場特征［3－4］。

2.1 鄰近兩期重力場變化特征分析

從圖2（a）可以清楚看出，1998～2000年重力變化總體顯示與背景場（盆地正值變化、山區負值變化）一致的繼承性，該區域塔里木盆地重力場變化出現正值區，四周重力變化為負值，即重力值減少。在新疆地區，零線位于伊寧、阿克蘇、喀什、和田等地，且零線的分布恰恰位于阿爾金斷層附近，把塔里木和阿爾金山分割開來，與本地區的構造分布非常一致。重力變化高梯度帶位于和田以及整個昆侖山地區，且均呈現出負值區域，重力變化值達到近－50×10－8ms－2。新疆周邊地區呈現零線的地區分別為拉薩、格爾木等地，西藏唐古拉山附近重力變化值較大，為＋74×10－8ms－2。新疆塔里木盆地重力場變化為正值，說明該地區重力處于增加過程，這是因為塔里木盆地位于天山、阿爾金山和昆侖山之間，且三者構造較活躍，構造應力較強，塔里木盆地處于下沉的趨勢［5］是導致該地區物質重力增加的主要原因。而南天山西段、昆侖山地區重力變化出現負值區，說明該地區山體不斷在抬升，導致地殼密度減小。

2000－2002年（圖2（b））與1998－2000年相比重力場出現了大范圍調整變化。研究區域中間部分呈現出了小范圍的負值區，四周重力變化均為正值，即新疆若羌地區、和田地區以南到西藏拉薩，重力變化出現正值區。負值區域在烏魯木齊—庫爾勒地區，若羌、敦煌也出現了小范圍的負值區，但其變化量不大。與1998－2000年相比，重力正值變化區在不斷增強，且占主導地位，重力零線基本上與新疆天山構造走向一致，而在天山中段出現了重力變化正負交替的區域，本時段在該研究區域內重力變化最大的是庫爾勒地區，變化量達到＋87×10－8ms－2。

圖2 鄰近兩期重力場變化圖像Fig.2 Gravity field change images between the adjacent two observation years

2002－2005年重力場變化（圖2（c））呈現出北負南正的新格局，與2000－2002年重力變化相比較，新疆西部地區重力變化增加，除烏魯木齊出現小范圍的正值區域外，重力變化零值線沿著新疆伊犁河谷、庫爾勒和敦煌一線，其以北地區重力變化均為負值區，以南地區重力場呈現正值分布，且從烏魯木齊至阿勒泰重力迅速減少80×10－8ms－2。另外，在喀什、和田和拉薩均出現小范圍零值區域，重力場變化的高梯度帶位于烏魯木齊附近。

2005－2008年（圖2（d））重力場變化明顯呈現四象限分布特征，東西地區重力場變化為負值區，南北為正值區，且正值變化縱向貫穿該區域。2005－2008年的重力場變化趨勢是2002－2005年重力場衍生的結果，在2005年該地區就較好地呈現了重力場格局分布的新趨勢，西部零線位于新疆伊寧、庫爾勒和喀什等地，東部零線沿若羌到西藏地區。該區域重力變化最大的梯度帶為新疆喀什、巴楚附近，重力正負差異最大變化值為－100×10－8ms－2。

2008－2010年（圖2（e））與2005－2008年相比較，重力場出現了明顯的反方向變化，即東西為正，南北為負值的格局，說明在該時間段內重力場受到了西南及鄰區原正重力變化中心區經四周分異擴展后，在西藏塊體北部、東西兩側形成貫通的負變化區。阿爾金山重力變化與昆侖山重力變化一樣，均出現了大面積的負值區，精河—庫爾勒—烏什—喀什一線以西形成重力正值變化條帶，而重力變化最大的區域為西藏的洞錯地區，變化量約為－140×10－8ms－2，說明該地區構造活動較劇烈。

2.2 長時間尺度重力變化特征分析

通過較長時間尺度重力場觀測能較好地反應出該地區重力場累積變化的趨勢，將觀測時間段劃分為兩個，即1998－2005年和2005－2010年。通過圖3（a）和圖3（b）可以發現這兩個時間段重力場變化趨勢完全相反。1998－2005年重力場累積變化呈現了北東為負值區，南西為正值區，阿勒泰、克拉瑪依和烏魯木齊為小范圍的正值區域。2005－2010年重力場則呈現了北東為正值區，南西為負值區，且阿勒泰、克拉瑪依和烏魯木齊附近同樣出現反方向的負值區域。可見在這兩個時段內該地區的構造應力處于一個先增加后減弱的過程。在重力場出現方向調整的過程中，即2005－2010年期間在該地區發生多次中強以上地震。

圖3 長時間尺度重力變化圖像Fig.3 Gravity field change images in long time scale

為了能更好地分析該地區重力總體累計變化趨勢，本文還繪制了1998－2010年重力場累計變化圖像（圖3（c）），可以清楚看到，1998－2010年重力場變化趨勢基本上與2005－2010年時間段重力變化一致，重力場向西南方向推移。從重力累積變化等值線來看，和田地區重力變化差異較為顯著，在重力場變化轉折部位分別于2012年3月9日在新疆洛浦發生 MS6.0地震（39.4°N，81.3°E），2012年8月12日在新疆于田發生 MS6.2地震（35.9°N，經82.5°E）。1998－2010年長時間段重力變化顯示，在西昆侖和南天山交匯區域重力場變化梯度較大，說明該地區構造活動相對活躍，且山體重力變化為負值區域，重力變化的零線位于塔里木盆地和昆侖山東段交界邊緣，基本與該地區構造動力運動分區基本一致；塔里木盆地重力場變化為正值，說明該地區重力處于增加過程，這是由于塔里木盆地三面受天山、阿爾金山和昆侖山擠壓，構造應力較強，并且研究表明［5］塔里木盆地正處于下沉的趨勢；而南天山西段、昆侖山地區重力變化出現負值區，說明該地區山體不斷在隆升；阿爾金斷裂帶重力場正（西）負（東）交替出現；在天山地區，重力場將該地區縱向切割為三部分，南天山中東段和北天山東段重力場均零線變化，即重力場正負交替出現，而塔里木盆地的東北緣即南天山東段南側，重力異常變化較明顯，正負重力變化交替出現；北天山北緣的準噶爾盆地重力變化較平穩，雖然有重力零線出現，但重力變化較小（20×10－8ms－2）；阿勒泰地區重力累計變化甚微。

3 重力變化與大震活動的響應關系

地震是震源區介質發生的快速破裂錯動或原斷層的失穩，地震的孕育和發生不但受到區域構造控制，而且受十分復雜的深部動力學過程影響。與深部物質運移有關的重力場變化在一定程度上可以反映地殼內部震源的位置和范圍。

通過分析新疆及周邊地區的重力場演化過程可以發現該地區重力場變化的形態異常，重力變化空間梯度較大，因而測區內有6級以上的強震發生。受青藏高原，特別是帕米爾構造結擠壓的影響，使天山再造山隆起，重力在不斷減小，處于負值區；塔里木盆地向北偏西運動且處于下沉趨勢，重力正值變化顯示該區地殼物質因不斷擠壓而堆積。在1998－2005年天山地區重力變化主要表現為正值變化，2005－2010年之后呈現重力負值變化，可能說明壓陷作用和向北擴張作用交替進行。2001年11月14日在新疆、青海交界的昆侖山布喀達坂峰附近，巴顏喀拉與柴達木活動地塊的邊界上發生了MS8.1地震（36.2°N，90.9°E），即昆侖山口西地震，該地震位于巨大重力負值變化區域，說明該區域地下介質存在較嚴重的質量虧損狀態，可能與昆侖山口西MS8.1地震的孕育狀態有關，此時較大的昆侖地震源應處于物質能量積累的最后階段，其震源閉鎖狀態可能導致物質突然減弱［7］，天山塊體北部及鄰區因慣性作用和運動滯后性使地下物質繼續向東向運動，這說明印度板塊推擠青藏高原至昆侖斷裂帶附近往東及SEE運動加強。2008年3月21日新疆維吾爾自治區于田縣發生了 MS7.3地震（35.6°N，81.6°E）地震前，震中出現明顯的重力異常變化，震后反向恢復。當重力場出現反向調整時，往往會發生地震，2003年2月24日在新疆伽師（39.5°N，77.2°E）發生了6.8級地震，該地區重力場在震前重力場出現了大面積的反向調整（圖2（a）、（b）），喀什坳陷受帕米爾向北推擠、天山向南逆沖以及塔里木順時針旋轉及陸內俯沖作用，是一個主要受擠壓活動而變形強烈的地區。2008年玉田MS7.3、烏恰西MS6.8兩個強震的發生，打破了重力場的有序變化，當區域應力場很弱或松弛時，則出現較為分散的重力變化圖像。該地區重力場在區域應力場增強的情況下，均出現東升西降（或西升東降）的有序性變化。西昆侖—帕米爾高原應力場發生反向調整，區域重力場也隨之出現西升東降的反向變化。

4 重力場變化與構造活動的關系

南北天山、昆侖山同時受到印度板塊和歐亞板塊的擠壓，是受力較強烈的地區，容易積累大地震的能量。重力場變化包含了大量的構造活動信息，既有區域應力場作用下深大斷裂活動，也有震源應力場作用下局部斷裂活動的結果［8］。該地區10年多來的重力場時空動態變化表明，重力場出現異常，年變化量都在30×10－8ms－2以上。新疆南部重力場變化較顯著的梯度帶走向與柯枰斷裂和南天山、昆侖山、阿爾金斷裂構造活躍帶走向基本一致，并在構造單元的邊緣出現重力等值線形態的轉折和密集，形成高梯度帶，近年來發生的多次強震都是在此梯度帶附近發生。在構造應力發生微弱變化時，很容易引起這些剩余質量的不規則重新運移和分布，對地表重力場產生影響。在重力作用于殼內物質的運移的方向上，如果受到阻擋，往往容易形成地表的大規模擠壓、推覆、逆沖與走滑構造，天山、昆侖山、阿爾金地區斷層屬性基本上屬于以逆沖與走滑為主［9］。

新疆及周邊地區重力變化具有明顯的分區特征，基本與該地區構造動力運動分區一致。不同區域因大地構造環境不同、巖石圈與深部結構與動力學條件不同、地質演化歷史與先存構造格局不同，重力變化機制存在差異［2］。如天山現今地殼主要表現為快速縮短和隆升效應［10－11］，青藏高原區主要表現為擠壓致密效應和高原隆升效應［2］。塊體邊界或過渡部位往往為重力梯級變化過渡帶，如天山西段、昆侖山以及阿爾金山，從長時間尺度重力變化來看，2005年以前重力場變化出現了東負西正的格局，東移塊體一般表現為負變化，說明該區域地殼不斷隆升，物質運移造成物質虧損；2005年以后由于東流物質受到阻擋，負重力變化逐步向正重力變化發展。1998－2010年延續了2005－2010年，只是顯示重力場正值區域在不斷向西推移，負值區域逐漸縮小，而位于天山以北的準噶爾盆地重力變化相對較穩定。昆侖山、天山、阿爾金山地區環境應力場特征也表明了上述地區剪應力平均值偏高［12］，是由于印度洋板塊對亞歐板塊的碰撞作用，使塔里木盆地受到強烈擠壓，這種擠壓在西段尤為強烈，這是導致塔里木盆地周邊震源錯動活動的主要因素。塔里木盆地周邊震源斷錯活動的主要原因從大的構造背景看，是該地區處于印度洋板塊與歐亞板塊碰撞的西北端，是中國大陸受板塊運動作用最強烈的地區之一，也是地震活動最強烈的地區之一，是其區域構造應力場活動必然受制于兩大亞板塊的共同作用。印度板塊對歐亞板塊的擠壓是帕米爾一帶強烈構造變動的主要動力源，當印度板塊與歐亞板塊活動加強時，區域構造應力場也相對增強，地殼中的物質遷移將出現有序分布，相應的區域重力場也會出現有序變化。

5 結論與討論

（1）新疆及周邊地區重力場變化相對較大，無論是鄰近兩期還是較長時間尺度重力場變化圖像都較好地表現出該區域多次出現較大范圍的重力異常，且大震一般發生在重力變化轉折、高梯度帶附近以及構造交匯部位。

（2）新疆及周邊地區重力場時空變化特征與地殼物質密度變化結構基本一致，較好地反映了該地區殼物質運移的基本過程。

（3）新疆及周邊地區動態重力變化特征基本反映了新疆及周邊地區動力構造運動的外部環境，研究區域重力變化特征具有明顯的分區特征，基本與該地區構造分布基本一致。山體和盆地之間的重力變化有顯著的區別。印度板塊對新疆及周邊地區的推擠作用尤為強烈。

（4）2012年全國網絡重力觀測任務只完成了對全國大部分地區（除了新疆、西藏）的觀測，因而本文只采用了2010年以前的重力數據對新疆及周邊地區給予分析。2013年各單位將對新疆及西藏地區重力監測網實施觀測，作者希望通過獲取上述兩地區最新（2013年）的重力數據，以更好地分析新疆及周邊地區的最新重力場變化特征，為該地區地震預報提供更可靠的基礎依據。

新疆和西藏國土面積遼闊，人煙稀少，重力監測點位布設較稀少，而且由于最近幾年西部基礎建設與開發，重力點位在不同程度上遭到破壞，我們能明顯體會到2010年觀測的重力數據并不是那么完整和連續，極大地降低了重力網的監測能力。希望各部門加大重力點的保護和宣傳工作，另外建議對破壞的重力點加以重新選埋，對一些監測能力較低的重力網型進行優化改造。

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