新疆喀什及鄰近區域流動地磁和流動重力聯合分析研究1

陳 麗 劉代芹 李 杰 艾力夏提·玉山李桂榮 李 瑞 丁新娟 孫小旭

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新疆喀什及鄰近區域流動地磁和流動重力聯合分析研究1

陳 麗 劉代芹 李 杰 艾力夏提·玉山李桂榮 李 瑞 丁新娟 孫小旭

（新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊 830011）

利用2014—2015年南天山地區45個測點的2期流動地磁資料，分析喀什及鄰近區域相鄰兩期巖石圈磁場的動態變化特征，同時，利用2014—2016年170個測點的4期流動重力資料，分析不同時間尺度的重力場動態變化信息。研究表明：皮山6.5級地震的發生對皮山一帶的地磁矢量分布特征影響較大，總磁場強度、磁偏角和磁傾角均有變化；無論是半年尺度還是一年尺度的重力變化圖像都顯示烏恰一直處于重力變化的高梯度帶；綜合多手段的觀測資料對震情形勢的判定更為準確。

喀什 流動地磁 流動重力 變化特征

引言

由于流動重力觀測受干擾較少，資料信度較高，故往往能夠反映深部物質運移與變遷的信息（地震預報推進組，2001）。而應力積累及臨震應力突變則可能引起地震孕育區及附近地區地下巖石磁性的改變，導致局部地磁場出現異常變化（熊仲華等，1997；李琪等，2007；蘇樹朋等，2009）。通過對區域巖石圈磁場的監測及變化的分析，可以提取出有關的震磁前兆異常信息，尤其是巖石圈磁場的局部異常時間變化，這是地震地磁監測的重要物理基礎，也是開展震磁變化前兆信息研究的基本出發點（國家地震局科技監測司，1991；徐文耀，2003；許儀西等，2008；楊福喜等，2010）。重力和地磁的定期重復觀測可為中短期地震趨勢預測提供判斷依據。

喀什及鄰近區域受力形式復雜：東南面受到塔里木盆地NNW向的擠壓作用；北面是由多條逆斷層組成的柯坪塊體，破壞性地震沿柯坪斷裂頻頻發生；西面受到天山、西昆侖與帕米爾弧交匯區的張性拉張作用，南北兩側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（劉代芹等，2009，2010）。2008年以來，喀什及鄰近區域地震活動活躍，據統計5級以上的地震共發生了41次。在新疆喀什及鄰近區域嚴峻的震情形勢和地震頻發的情況下，對地震前后地球物理場進行對比分析研究，能有效促進對地震發生的物理機制的理解與認識，為地震前兆異常的辨別提供寶貴的資料和經驗。

1　資料概況與數據處理

2009年起，新疆維吾爾自治區地震局每年5—7月在南北天山地區開展流動地磁矢量觀測。本文使用南天山地區45個地磁測點（圖1）2014—2015年2期資料進行喀什及鄰近區域相鄰期巖石圈磁場變化特征分析研究。所用資料包括每個測點的地磁總強度、磁偏角和磁傾角，以及測點的地理方位角、經度、緯度與海拔高度，然后，通過、、這3個分量解算出水平分量、北向分量、東向分量及垂直分量。

由于地磁場隨時間的變化而變化，需要將不同時期測量的地磁數據歸算到某一特定時刻，經過歸算后的地磁數據才具有對比分析的價值。地磁觀測數據中包含地磁內源場和外源場2部分的變化。為消除地磁觀測數據中所包含的地磁場日變化等外源場成分，需要進行日變化改正；為消除地磁觀測數據中所包含的地球主磁場長期變化成分，需要進行長期變化改正。本文利用喀什和且末地磁臺的分鐘值數據進行改正，地磁長期變化采用“1995.0—2014.5、1995.0—2015.7中國地區地磁場非線性變化模型（NOC）”（顧左文等，2009；陳斌，2011；陳斌等，2011；倪喆，2014；倪喆等，2014）進行改正，歸算年代為2010.0地磁標準年代。

為獲取南天山地區的重力時空演化特征，新疆維吾爾自治區地震局于2005年布設流動重力觀測點進行每年2期的重復觀測，通過多年的改造和優化，形成了由7個小環構成的重力觀測網，共計170個重力觀測點，測點平均距離為20—40km（圖1）。

流動重力野外觀測工作使用高精度CG5型重力儀。本次研究采用2014—2016年4期觀測資料進行重力場時空變化特征分析，所有資料的觀測精度均符合規范要求，即自差小于25×10-8m·s-2，互差小于30×10-8m·s-2，室內數據處理采用中國地震局攻關軟件LGADJ，選取塔什庫爾干、庫車、烏什3個點的絕對重力值，利用經典約束平差對每期數據進行平差計算（祝意青等，2004，2015），再利用Kriging方法進行內插計算獲得鄰近2期的重力值變化數據（李輝等，2009；申重陽等，2009）。

2　磁場、重力場變化特征分析

2.1巖石圈磁場局部變化特征

筆者通過建立巖石圈磁場的變化模型繪制了喀什及鄰近區域2013—2014年、2014—2015年水平矢量變化、垂直矢量變化和總磁場強度、磁偏角、磁傾角的等變線的空間分布圖。從圖2中可以分析2013—2015年巖石圈磁場的局部變化特征。圖中紅色實線表示正值變化，藍色實線表示負值變化，黑色實線為零等值線，綠色圓圈為地震。

（a）2013—2014年水平矢量變化 （b）2014—2015年水平矢量變化 （c）2013—2014年垂直矢量變化（d）2014—2015年垂直矢量變化 （e）2013—2014年總磁場強度變化 （f）2014—2015年總磁場強度變化

2.1.1水平矢量的空間變化

圖2（a）中顯示2013—2014年水平矢量以英吉沙、且末為界，以北的區域基本為東西向分布，以南的區域以北西向分布為主，皮山至于田矢量方向由北東向轉為北西向，烏什至柯坪一帶、喀什至英吉沙一帶、皮山至墨玉一帶出現明顯方向轉折。圖2（b）為2014—2015年水平矢量變化分布圖，水平矢量整體可分為3部分，庫車至民豐以東的區域以北西向為主，以西區域至烏什、墨玉以南東向為主，烏什至墨玉以西的區域無規則分布，柯坪至巴楚一帶、阿克陶至塔什庫爾干一帶、皮山一帶出現明顯方向轉折，與2014年相比矢量方向轉折區域向西南遷移，量級和范圍有所減小。

2.1.2垂直矢量的空間變化

圖2（c）中垂直矢量以庫車、民豐為界，以西的區域方向整體向下，以東的區域方向整體向上，喀什至英吉沙一帶出現明顯方向轉折。圖2（d）中顯示2014—2015年垂直矢量整體向上，2015年7月3日皮山發生6.5級地震，震后與震前相比矢量方向發生改變，由向下變為向上。

2.1.3總磁場強度的空間變化

從圖2（e）中可以看出，負值區域被正值區域包圍，喀什至英吉沙一帶總強度處于正值高梯度帶，皮山至墨玉一帶處于負值高梯度帶。從圖2（f）中可以看出，2014—2015年總強度整體呈正值變化，柯坪至巴楚一帶處于零等值線附近的正值高梯度帶，阿克陶至塔什庫爾干一帶處于零等值線附近，皮山一帶與2014年相比由負值變化轉為正值變化。

2.1.4磁偏角的空間變化

圖2（g）中磁偏角正負值區域各占一半，負值區域被正值區域包圍，喀什至英吉沙一帶處于正值高梯度帶，烏什至柯坪一帶處于負值高梯度帶，皮山至墨玉一帶處于零值線附近。從圖2（g）中可以看出，2014—2015年磁偏角正負值區域各占一半，柯坪至巴楚一帶、阿克陶至塔什庫爾干一帶處于正負值交界的零等值線附近，皮山一帶由2014年的正值變為零等值線附近。

2.1.5磁傾角的空間變化

圖2（i）中磁傾角整體以負值變化為主，喀什至英吉沙一帶處于正值高梯度帶，皮山至墨玉處于負值高梯度帶。圖2（j）中2014—2015年磁傾角整體以正值變化為主，阿克陶至塔什庫爾干一帶處于正負值交界的零等值線附近，柯坪至巴楚一帶處于零等值線附近的正值區域，皮山一帶由2014年的負值變化轉為正值變化。

綜上所述，喀什及鄰近區域的地磁矢量異常特征為：2015年與2014年相比，異常區域向西南方向偏移，范圍和量級有所減小，總強度、磁偏角和磁傾角由整體以負值變化為主變為整體以正值變化為主。皮山6.5級地震前垂直矢量方向向下，位于總強度和磁傾角負值區域，位于磁偏角正值區域，地震后垂直矢量方向向上，位于總強度和磁傾角正值區域，磁偏角位于零等值線附近，皮山地震的發生對皮山一帶的地磁矢量分布特征影響較大。

2.2重力場時空變化特征

筆者利用南天山重力網優化改造后（2014—2016年）共4期的觀測數據，根據計算結果繪制半年和一年不同尺度的重力變化圖像（圖3及圖4），以便提取不同時間尺度的重力場動態變化信息與地震活動性的關系。圖中紅色實線表示重力變化的零值線，黑色實線表示重力變化為正值（增加），黑色虛線表示重力變化為負值（減小），淺紅色為區域斷層，紅色圓圈為地震。

2.2.1半年尺度重力變化圖像

從圖3（a）可以看出，研究區域重力場呈現出大范圍的負值區域，且變化量不大，相對較穩定，重力變化零線分布在阿合奇以西、拜城和庫車附近地區，在塔什庫爾干和烏恰地區也出現了小范圍的重力場零線，在重力場變化的零線附近于2015年1月10日發生了阿圖什S5.1級地震。

從2014年8月至2015年4月的重力場變化圖（圖3（b））中可以看出，除了在塔里木盆地中部和阿圖什地區出現負值以外，其它地區均呈現正值變化，表明該區域地殼物質不斷運移而集中，能量處于積累階段。重力變化零線分布在阿克蘇、烏什、阿合奇一帶，喀什、麥蓋提、皮山一帶，塔什庫爾干地區也出現零線分布。其中，在皮山地區的零線兩側分別有正負梯度帶出現，2015年7月3日皮山S6.5地震發生在重力變化零線附近的正值高梯度帶上。

通過2015年8月的觀測資料獲取的重力變化圖像（圖3（c））可以看出，雖然2015年7月3日在皮山發生了6.5級地震，但重力場并未出現較大范圍的反向調整，重力場變化繼承上半年的變化趨勢，并且大部分地區重力場有持續增強的趨勢，重力變化零線也隨之向南移動，沿著阿合奇、烏什和阿克蘇地區重力場形成了封閉區域，而帕米爾地區的重力變化零線向西移動，沿著喀什以南、布倫口、塔什庫爾干分布。由于物質運移、集中，致使塔里木盆地物質密度不斷增加，從而也就表明該地區重力場變化為正值，但變化量不大。值得注意的是，在烏恰附近出現重力場高值集中區，變化值達到80×10-8m·s-2。

2016年4月獲得的最新觀測資料顯示（圖3（d）），半年尺度重力場變化主要以正值變化為主，南天山西段、塔里木盆地以及西南天山與西昆侖交匯地區均出現重力場正值變化，塔里木盆地南緣及西昆侖其它地區出現重力場負值變化。南疆地區重力場以巴楚和烏恰為中心向南北逐步減弱，最后沿著阿克蘇、烏什一帶，以及塔什庫爾干、葉城一帶分別出現2條幾乎平行的零線。其中零線附近的烏什、阿合奇、烏恰、葉城、和田地區出現重力變化梯度帶。雖然在塔吉克斯坦和阿富汗地區發生了幾次7級地震，新疆境內烏恰至塔什庫爾干地區的重力場異常得到一定減弱，但最新重力數據結果顯示，該地區重力梯度帶依然存在，最大變化量為40×10-8m·s-2左右。

從2014—2016年半年尺度重力變化圖像中可以看出，烏恰、塔什庫爾干一直處于重力變化零線附近，且烏恰在2015年4月—8月、2015年8月—2016年4月的半年尺度圖像中均出現重力高梯度帶，其出現的重力異常可能與2015年10月26日阿富汗興都庫什（36.5°N，70.8°E）S7.8和2015年12月7日塔吉克斯坦（38.2°N，72.9°E）發生的S7.4地震有關，2次地震都發生在帕米爾俯沖帶上，其中阿富汗興都庫什S7.8地震距重力異常區約400km，塔吉克斯坦S7.4地震距塔什庫爾干和烏恰之間出現的重力異常區約170km。

2.2.2一年尺度重力變化圖像

通過一年尺度（2013年8月—2014年8月）的重力場變化圖顯示（圖4（a）），重力場分布格局較清晰，南天山地區重力場處于不斷減小的變化過程，即重力場為負值區域，根據重力場變化機理，表明了南天山地區受到了青藏高原、西昆侖構造應力的推擠，山體正處于不斷隆升的過程。而且，在阿合奇以西地區重力變化呈現出小范圍的閉合零線區域。無論是在半年還是一年為尺度的重力變化圖像中都可以看出，在西昆侖與南天山西段交匯處重力場變化出現高梯度帶，且在和田和庫車附近呈現出重力變化零線區域，2015年1—7月在該區域重力變化的零線附近曾發生了2次5級以上中強地震，即2015年1月10月阿圖什S5.0級和2015年7月3日皮山S6.5級地震。

從一年尺度（2014年8月—2015年8月）的重力變化圖（圖4（b））可以看出，該時間段內的重力變化與2013年8月—2014年8月相比，重力場出現了大面積的調整過程，且重力變化的零線基本上沿著南天山、昆侖山山體和塔里木盆地邊緣分布，從而表明該地區重力變化的機理與構造分布特征基本一致。在澤普和皮山地區零線變化呈現出異常的“突出”態勢，這可能與皮山S6.5級地震的孕育有關。烏恰地區伴隨著小范圍的零線閉合區域，且處于高值梯度帶，變化量到達50×10-8m·s-2。塔什庫爾干附近區域重力場也出現了重力變化負值集中區域，而且重力演化過程基本與半年尺度的圖3（b）、（c）一致，另在在南天山西段重力場變化出現了一個小范圍的四象限分布。

通過一年尺度（2014年4月—2015年4月）的重力變化圖（圖4（c））可以看出，重力場呈現大范圍的負值區域，即重力場處于不斷減小的變化過程，僅巴楚和塔什庫爾干附近的重力變化為正值。零線沿著塔什庫爾干、布倫口、喀什形成半閉合區域，塔里木盆地出現大范圍的零線閉合區域，其中，巴楚周圍出現正值高梯度帶，并且伴隨有重力變化零線環出現，阿克蘇與拜城的中間區域也形成小范圍的零線閉合區域。另外，塔什庫爾干附近重力場也出現了重力變化正值集中區域。

從2015年4月—2016年4月一年尺度的重力場變化圖（圖4（d））中可以看出，該時間段內的重力變化與2015年4月—2014年4月相比，重力場出現了大面積的調整過程，除了和田和塔什庫爾干地區出現重力負值變化以外，其他區域均為重力正值變化。塔里木盆地重力場正值變化是該地區地殼形變的背景趨勢，因其受到帕米爾高原的俯沖作用，同時在北邊遇到南天山地區的阻擋，一直處于下沉趨勢，其密度也隨之不斷增加，從而出現重力場正值變化。從量級來講，巴楚、烏恰地區出現的重力場變化已達到50—80×10-8m·s-2。

從2013—2016年一年尺度重力變化圖像中看出，2014年以來烏恰一直處于重力變化高梯度帶，巴楚也位于重力變化高梯度帶，并伴有零線。受皮山6.5級地震的影響，皮山-和田區域的重力場變化位于零線區域，最新一期的結果顯示重力變化零線近乎水平，雖然在塔吉克斯坦和阿富汗地區發生了幾次7級地震，新疆境內烏恰至塔什庫爾干地區的重力場異常依然存在。

3　結論與討論

本文應用喀什及鄰近區域2014—2015年45個地磁測點觀測數據，分析相鄰兩期巖石圈磁場的動態變化特征，利用2014—2016年170個重力測點觀測數據，分析不同時間尺度的重力場動態變化信息，結果表明：

（1）2015年喀什及鄰近區域的地磁矢量異常區域與2014年相比向西南方向偏移，范圍和量級有所減小，總強度、磁偏角和磁傾角由整體以負值變化為主變為整體以正值變化為主。

（2）皮山6.5級地震的發生對皮山一帶的地磁矢量分布特征影響較大，地震前垂直矢量方向向下，位于總強度和磁傾角負值區域、位于磁偏角正值區域，地震后垂直矢量方向向上，總強度和磁傾角變為正值，位于磁偏角零等值線附近。

（3）從半年尺度重力變化圖像中可以看出，烏恰、塔什庫爾干一直處于重力變化零線附近，且烏恰在2015年4月—8月、2015年8月—2016年4月半年尺度圖像中均出現重力高梯度帶，從一年尺度重力變化圖像中看出，2014年以來烏恰一直處于重力變化高梯度帶，巴楚也位于重力變化高梯度帶，并伴有零線。

（4）結合震例分析可知，2015年7月3日皮山6.5級地震位于流動地磁的異常區域內，利用流動地磁的異常區進行發震地點的判定有一定的指示意義。重力零線附近于2014年7月9日發生了麥蓋提S5.1級地震，2015年1月10日在重力場變化的高梯度和零線附近發生了阿圖什S5.1級地震，2015年7月3日皮山S6.5級地震發生在重力高梯度帶和零線附近，2015年12月7日吉爾吉斯斯坦S5.2級地震發生在重力高梯度帶。

一般來說，局部磁異常場是極其穩定的，它產生的根源是地殼內磁性巖石的不均勻分布。但一些構造運動可以引起磁異常場的變化（徐文耀，2003）。2015年與2014年相比，總強度、磁偏角和磁傾角由整體以負值變化為主變為整體以正值變化為主，說明喀什及鄰近區域存在某種構造運動，這些運動造成區域應力場發生了變化，從而引起地殼中巖石磁性發生改變，導致磁異常場的變化。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（祝意青等，2003）。從年尺度的重力場的變化圖中可以看出，重力變化以正值為主，整體具有增強的趨勢，說明喀什及鄰近區域的區域應力場發生改變，地殼物質因不斷擠壓而堆積。綜合巖石圈磁場和重力場的變化可知，喀什及鄰近區域的區域應力場發生了變化。

為提高地震震情形勢研判的可靠性與準確性，筆者認為應綜合應用多學科、多手段資料的研究結果。因此，綜合流動地磁和流動重力的研究與分析結果對喀什及鄰近區域異常區域的判定應更為準確。

致謝：感謝新疆維吾爾自治區地震局流動地磁和流動重力野外工作人員的辛勤作業，感謝審稿專家為本文進一步完善提出了建設性意見與修改建議。

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Mobile Magnetic and Gravity Survey in Kashi and Its Adjacent Regions

Chen Li, Liu Daiqin, Li Jie, Ailixiati·Yushan, Li Guirong, Li Rui, Ding Xinjuan and Sun Xiaoxu

(Earthquake Administration of Xinjiang Uyghur Autonomous Region, Urumqi 830011, China)

After Analyzing the dynamic variation characteristics of lithosphere magnetic in Kashi and its adjacent regions, by using 45 measuring points and two phases mobile geomagnetic data from 2014 to 2015 combining with 170 survey points and six stages of mobile gravity data from 2014 to 2016, we studied the dynamic change information of gravity field at different scales. The results show that the PishanS6.5 earthquake has great influence on the distribution of magnetic vector in Pishan, in which total intensity, magnetic declination and magnetic inclination also has changed. In general, Wuqia was always in high gradient belt at all scale of gravity field change images. We conclude that integrating multi-means of data is more reliable in determining the tendency of earthquakes.

Kashi; Mobile magnetic; Mobile gravity; Variation characteristics

1基金項目 新疆維吾爾自治區自然科學基金（2016D01A062），國家自然科學基金（41474016、41374030、41274036），中國地震局震情跟蹤定向工作任務（2016010404、2016010218），新疆地震科學基金（201613）共同資助

2016-08-09

陳麗，女，生于1984年。工程師。主要從事地殼形變研究。E-mail：dragon127653@sina.com

陳麗，劉代芹，李杰，艾力夏提·玉山，李桂榮，李瑞，丁新娟，孫小旭，2017．新疆喀什及鄰近區域流動地磁和流動重力聯合分析研究．震災防御技術，12（2）：423—432．doi：10.11899/zzfy20170220