GRACE揭示的現階段青藏高原及鄰域重力變化趨勢

姜永濤 王麗美 高春春 楊九元

摘要：利用2003和2013年的GRACE月重力場模型，求算2003～2013年青藏高原及鄰域的現今重力變化圖像，利用該趨勢圖像中若干特征點上的月重力變化數據，由最小二乘擬合其長期重力變化，驗證重力變化圖像的可靠性，最后簡要探討青藏高原重力變化的原因。結果顯示，現今青藏高原及鄰域未呈現整體尺度的重力變化趨勢；近年來青藏高原強震主要發生在重力變化呈現明顯四象限分布特征的大型斷裂帶上；相對于地殼均衡效應不明顯的青藏高原東緣地區，高原腹地的地殼均衡效應更加顯著。

關鍵詞：青藏高原及鄰域；GRACE；重力場；地殼均衡效應

中圖分類號：P315.726 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）04-0574-05

0 引言

青藏高原的形成源于印度板塊和歐亞板塊的碰撞（Harrison et al，1992；許志琴等，1999），由于強烈的構造運動，現今歐亞大陸90%以上的強震都發生在青藏高原及其邊緣地區。地球重力場及其變化圖像一直是地震監測預報研究的基本信息源。祝意青等（2003）利用地殼重力網1998～2000年間的兩期絕對重力和相對重力觀測資料，初步分析了2001年11月14日昆侖口西8.1級強震與震前青藏高原重力變化特征的關系；申重陽等（2010）研究了2008年于田MS7.3地震前重力場動態變化特征，發現此次地震孕育過程中的相關重力變化呈“增大—加速增大—減速增大”特征。不僅大震同震過程會引起地表大的重力變化，在大震孕育過程中，斷層附近地殼應力和質量的變化也會產生重力場變化信號（Li等，1997）。因此，通過定點重力連續觀測或定期流動重力網重復觀測，有可能會捕捉到與震源變化有關的重力前兆信息。祝意青等（2008a，b）研究認為，地面重力觀測資料可對汶川MS8.0地震發震三要素（地點、時間和震級）進行較好的中期預測，該中期預測方法同樣適用于新疆于田MS7.3大震。

青藏高原及鄰域的絕對重力觀測點較少，拉薩、大理和昆明絕對重力觀測點的現今重力變化呈下降趨勢。Sun等（2009）利用這些測點上的絕對重力和GPS資料，研究認為這些點的負重力變化部分是由于Moho面起伏變化造成的，但在Sun的研究中僅利用青藏高原中南部和東南部邊緣地帶的三個絕對重力點觀測資料，很難真實地反映出高原整體的重力變化趨勢。因此，本文利用重力觀測衛星GRACE從2003年和2013年的月重力場模型，求算2003～2013年青藏高原的現今重力變化趨勢，并通過該趨勢圖上若干特征點的月重力變化，通過最小二乘擬合得到其長期變化趨勢，驗證了重力變化圖像的可靠性，最后本文探討了青藏高原重力變化的可能成因。

由圖1可以看出，2003～2013年，青藏高原并非呈現整體特征的重力變化趨勢。GRACE重力結果顯示，現今高原內陸呈正重力變化趨勢，最大可達1.2 μGal/a；青藏高原南部，如東構造結、喜馬拉雅造山帶和印度東北部區域呈現負重力變化，并在（78°E，30°N）和（94°E，30°N）形成了兩個負重力變化高值區，變化率最大可達-1.5 μGal/a；青藏高原西北部的帕米爾高原區域呈正重力變化，量值約0.3 μGal/a；甘孜—玉樹斷裂帶和鮮水河斷裂帶東北部的阿壩次級塊體和四川盆地為青藏高原東緣的兩個正重力變化高值區，而龍門山次級塊體為相對較低的正重力變化區域；川滇塊體南部區域呈現弱的負重力變化。

圖1顯示，2003～2013年，拉薩、大理和昆明地區的GRACE衛星重力變化率分別為-0.6、-0.2和-0.4 μGal/a，與地面絕對重力變化結果（Sun et al，2009）較為一致，量值上的差別，可能是GRACE衛星恢復重力場階數有限（本文重力場模型為90階）的緣故。

結合青藏高原大型走滑斷裂分布可以發現，高原腹地重力變化梯度帶與大型斷裂帶走向呈現近似正交的特征，且近年發生的幾次走滑型強震，如昆侖山口西MS8.1地震、玉樹MW7.1地震、新疆于田MS7.3地震均位于重力變化梯度帶的零值區附近；同樣，青藏高原東緣的走滑型強震，如魯甸M6.5地震和普洱M6.6地震也發生在正負重力梯度帶的零值區附近。青藏高原東緣的逆沖型地震，如汶川MW7.9地震和蘆山MS7.0地震發生在兩個重力變化高值區的鞍部地區，也處于重力變化梯度帶上。通過2000年以來的大震震中和重力變化圖像的位置關系可以看出，強震往往發生在大型斷裂帶上，且重力變化呈現出明顯四象限分布特征的區域，這可能說明現今重力場變化模式對斷層面上積累的應力有一定的觸發作用，可視為強震的重力中短期前兆。

為進一步驗證區域重力變化圖像的可靠性，本文利用GRACE衛星2003～2013年的所有月重力場模型，計算了圖1中8個特征點位置上的長期重力變化曲線，并對其進行了最小二乘擬合，結果如圖2和表1所示。

3 青藏高原及鄰域現今Moho起伏特征

衛星重力結果是一種空間重力異常，對地表高程變化不敏感，忽略青藏高原地區冰后回彈效應、剝蝕效應和季節性重力效應（Sun et al，2009），現今青藏高原衛星重力變化主要反映了高原地殼物質垂向遷移變化，即Moho面起伏的變化。

根據地殼均衡原理，Moho面下降區域的地表應呈現隆升特征，Moho面上升的區域地表則呈現下降特征，Liang等（2013）的GPS觀測結果證實了在青藏高原中部（87°E，34°N）附近區域的地表呈現下降特征，高原其余區域呈現地殼抬升態勢。青藏東緣的Moho面年變化率為抬升，而水準觀測資料（Hao et al，2014）顯示該區域為整體隆升（伴隨個別拉張盆地的下降），這看似矛盾的特征表明青藏高原腹地的地殼均衡效應明顯，而高原東緣地區的地殼均衡效應不明顯。

由以上討論可知，在印度板塊和歐亞板塊的碰撞作用下，高原腹地處于高溫高壓條件下的深部地殼在其上覆巖石的重力載荷下已作韌性流動（Ji，2008），因此地殼均衡效應顯著，在受到深部地殼物質差應力和高原北部塔里木克拉通的阻擋作用，高原物質離開青藏高原腹地轉向壓力低的東側逃逸。東側逃逸的高原物質受青藏高原東緣巖石圈構造環境控制，呈現出地殼不均衡狀態。

4 結論

本文獲取了2003～2013年青藏高原及鄰域的長期衛星重力變化圖像，討論了青藏高原及鄰域的地殼運動狀態，得出了以下結論：（1）現今青藏高原及鄰域并非呈現整體特征的重力變化趨勢；（2）2000年以來，青藏高原區域的強震主要發生在大型斷裂帶上，且衛星長期重力變化呈明顯四象限分布的區域，這可能說明青藏高原的現今重力場變化模式對斷層面上積累的應力有觸發作用；（3）根據高原增厚一維模型獲取的青藏高原及鄰域moho面年變化率差異性較大，結合近年GPS和水準資料研究結果發現，青藏高原腹地地殼均衡效應顯著，而青藏高原東緣地區的地殼均衡效應不明顯。

參考文獻：

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孫文科，張新林，沈嗣鈞等.2011.高斯濾波在處理 GRACE 數據中的模擬研究：西藏拉薩的重力變化率.中國科學：地球科學，41（9）：1327-1333.

許志琴，楊經綏，姜被等.1999.大陸俯沖作用及青藏高原周緣造山帶的幌起.地學前緣，6（3）：139-151.

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