四川地區流動重力觀測及其在地震預測中的應用

王偉力 鄭 兵 郝洪濤 溫軍軍 劉宏偉 馬伶俐 廖明輝

1 四川省地震局地殼形變觀測中心,四川省雅安市上壩路139號,625000 2 中國地震局地震大地測量重點實驗室,武漢市洪山側路40號,430071 3 湖北省地震局,武漢市洪山側路48號,430071

四川地處青藏高原東南緣南北地震帶中段,境內以鮮水河斷裂、龍門山斷裂、安寧河-則木河斷裂帶為主的活動構造帶呈“Y”字型分布。由于地理位置特殊、地質構造復雜,四川一直是中國大陸地震活動最為強烈的地區之一,歷史上曾發生1536年西昌7.5級地震、1786年康定-瀘定磨西7.8級地震、1933年疊溪7.5級地震、1973年爐霍7.6級地震、1976年松潘-平武7.2級地震等數次破壞性大地震。近年來,又先后發生2008年汶川8.0級地震、2013年蘆山7.0級地震、2017年九寨溝7.0級地震等3次7級以上地震,以及2014年康定6.3級地震、2019年長寧6.0級地震、2022年瀘定6.8級地震等6級以上地震,造成極其嚴重的生命和財產損失。因此,四川地區的地震活動及其孕震規律一直是近期研究的重點。

時變重力場含有豐富的地殼變動信息。近年來,學者們根據重力場變化特征進行了多次準確的中短期預測,流動重力觀測已成為地震監測研究的重要手段之一。部分學者提出擴容模式[1]、閉鎖剪力模式[2]等多種解釋強震前重力場變化的特征模式,但地震物理過程極其復雜,這些模式尚不能完整解釋震前重力場變化的具體機理,地震預測預報水平有待提高。本文從測網變遷、觀測儀器情況、觀測數據質量、映震效能、地震預測應用等多個方面,對四川流動重力觀測及其地震預測應用案例進行系統梳理,借以闡述時變重力監測在地震趨勢研判中的重要作用,以期為四川流動重力觀測和發展應用提供參考依據。

1 四川重力測網

1.1 四川重力測網概況

四川流動重力測網是服務于地震監測預測的專用重力測量網。中國地殼運動觀測網絡(1998～2007年)、數字地震網絡(2006～2007年)、中國大陸構造環境監測網絡(2010年)等項目也在四川建立了服務于地震監測預測的國家重力測網,但該網與四川重力測網彼此獨立運行。

四川流動重力測網發展和變遷可分為3個階段:1)1976～1986年為建立建設階段。1976年松潘-平武7.2級地震后,四川省地震局開始在龍門山和西昌-渡口地區開展重力測量;1976～1982年在鮮水河、安寧河-則木河、龍門山地震帶及川滇藏結合部位布設405座重力標石,建立多個重力重復測量環(線)和4個跨斷層短重力場地。2)1987～2009年為逐漸發展階段。1987年起采用LCR-G儀器測量,四川測網由鮮水河斷裂3個環(通稱甘孜環)、西昌-會理1個環(西昌環)和成都地區1個環(成都環)以及若干支線構成,重力點沿斷裂帶密集分布。成都地區觀測于1989年起中斷,1996年重新增加覆蓋龍門山斷裂中部的獨立測網。3)2010～2022年為發展完備階段。汶川地震后,對測網進行全面優化改造,并逐漸與國家重力網拼接和整合,于2010-08形成完備的四川測網雛形。2014年依托“中國綜合地球物理場觀測”等項目,測網范圍進一步擴大。2017年將爐霍-理塘聯測成環,稻城-木里-鹽源測線進一步延伸。2019～2020年對川西地區測點布局進行調整,測網范圍擴大至川東北地區,至此形成范圍廣、絕對重力控制、相對重力聯測的四川重力測網。四川重力測網歷經數10 a的變遷,截至2022年由261個重力測點組成,其中81個為重力墩、水準重力墩、GNSS并置的測點,其余為建筑物點。四川地區重力測點大部分穩定,有35個重力墩或GNSS并置點已使用10 a以上,是較好的平差起算基準。已有研究表明,川滇地區流動重力測網可達到0.75°×0.75°的場源分辨率[3],具備監測5.0級以上地震的能力[4]。

1.2 使用儀器及觀測概況

重力儀的一次項系數是重力計算的重要參數之一,其會隨時間變化而變化[5],需要定期進行校正。1977年四川省地震局引進建立雅安格值標定場地,1979年又在成都龍泉驛建立長10 km的標定場地進行儀器標定。1987～2017年,一次項格值系數采用中國地震局管理組(下文簡稱管理組)定期標定結果。2018年起,除管理組定期標定外,每年作業前以郫縣-姑咱絕對重力點為基線標定一次項系數。四川地區流動重力使用儀器和觀測情況見表1。1976～1981年,使用ZSM-3型石英彈簧重力儀采用三程觀測法每年觀測1期;1982～1986年,使用美國沃爾登重力儀采用三程觀測法每年觀測1期。早期使用的ZSM-3型重力儀受氣壓、溫度等因素影響較大,觀測段差含有40 μGal的綜合干擾。1987年起使用中國地震局提供的公用LCR-G型重力儀,執行重力測量規范及補充規定,段差均值中誤差執行規范要求的±10 μGal。1987～2009年,采用長測線往返閉合方式進行觀測,每年觀測1～2期。

表1 使用儀器和觀測概況

1.3 觀測成果

1976～1988年觀測手簿存儲于四川省地震局檔案室,1989～2022年觀測資料以電子和紙質檔案形式存儲于四川省地震局地殼形變觀測中心檔案室。野外觀測數據由2臺儀器野外同步觀測后記錄。1987～2008年,采用手工方式記錄,使用管理組提供的PC-1500程序及自研的LZCL程序進行固體潮改正、零漂改正等預處理。1991年起采用管理組提供的LGADJ程序分測網進行平差。2009年后野外資料記錄和預處理采用管理組提供的Gravitation Measure程序,使用更新后的LGADJ程序進行整網平差。1991～2010年多采用擬穩方式平差,平差基準選擇對結果影響較大。2010年以后,四川重力測網成型,平差時引入絕對重力點作為基準,嚴密解算各測點重力觀測值。2012年對歷史流動重力資料進行整理[6],糾正歷史資料中經緯度和異常點錯誤,規范測點編號。自上一次整理以來,四川重力測網和測點又經歷多次變動,因此整理2013～2022年流動重力數據以實現觀測數據的整體拼接。

2 區域重力變化與前兆特征

2.1 與強震有關的重力變化特征

四川境內地震頻發,1977年以來先后發生1981年道孚6.9級地震、1989年小金6.6級地震、1989年巴塘6.7級地震及3次余震、2001年雅江6.0級地震、2008年汶川8.0級地震及8次6.0級以上余震、2021年瀘縣6.0地震等,僅2022年就發生3次6.0級以上強震。受重力測網觀測時空范圍限制,道孚、巴塘、小金地震不在有效監測范圍內,瀘縣地震和長寧地震發生在測網邊緣的川東南工業活動區,因此選擇四川測網觀測時空范圍內發生的汶川地震、蘆山地震、康定地震、九寨溝地震、瀘定地震為典型震例,重點闡述其震前的典型重力變化特征。

2.1.1 2008年汶川8.0地震

2008年汶川8.0級地震發生在成都測網監視范圍內,獲得震前1996～2008年相對重力觀測資料。祝意青等[7]根據較大空間范圍的區域性重力異常及伴生的重力變化高梯度帶進行中期預測,同時發現重力變化與龍門山斷裂構造活動存在密切聯系,地震前川西高原重力變化顯著,映秀和北川兩個極震區附近的重力測點隨時間呈劇烈波動上升變化。申重陽等[8]研究汶川8.0級地震區域重力場動態變化演化和孕震機理,結果表明,重力場動態演化可大體反映青藏高原物質東流的動態效應和汶川地震孕育的中長期(2～10 a)信息,8 a累積重力變化幅差最大約200 μGal,汶川大震孕育的顯著重力標志為震中西南持續多年的正重力變化和出現較大規模的重力變化梯度帶。

2.1.2 2013年蘆山7.0地震

祝意青等[9]利用川西地區2010～2012年流動重力觀測資料,研究震前區域重力場異常變化,發現測區內出現較大空間范圍的區域性重力異常,沿龍門山斷裂帶南段形成重力變化高梯度帶,四川寶興-天全-康定-瀘定-石棉一帶重力差異變化達100 μGal以上。鄭兵等[10]研究認為,蘆山地震前3 a區域重力變化呈上升-加速上升-減速上升-加速下降-減速下降特征。郝洪濤等[11]結合蘆山地震科學考察資料分析認為,蘆山地震發生前龍門山斷裂帶兩側表現出顯著的正、負高值異常,同時形成與活動斷裂相關的大范圍重力變化梯度帶,與汶川地震前重力變化前兆特征一致。王林海等[12]利用貝葉斯平差方法處理川西地區流動重力觀測資料,結果顯示,蘆山地震發生在重力變化梯度帶零值線與龍門山斷裂帶交會部位附近。

2.1.3 2014年康定6.3級地震

鄭兵等[13]利用流動重力資料研究分析2014年康定6.3級地震前后的重力變化特征,結果表明,地震前震區重力變化等值線出現類似于四象限的區域分布特征,發震位置在重力變化零值線轉折、畸變附近區域,在重力變化減小后再增加的過程中發震。郝洪濤等[14]研究發現,康定地震典型前兆異常為震中附近的正重力變化以及震中出現重力變化高梯度帶,震中區無明顯異常,康定6.3級地震發生在梯度帶的伸展彎曲部位。

2.1.4 2017年九寨溝7.0地震

劉芳等[15]利用布格重力異常數據及實測流動重力數據進行小波多尺度分解,得到不同深度場源特征的地殼介質橫向不均勻性,結果表明,九寨溝地震發生在區域重力場的四象限分布中心位置。祝意青等[16]利用南北地震帶2014～2017年流動重力觀測資料系統分析區域重力場變化,結果表明,九寨溝地震前,測區內出現大規模的區域性重力異常,沿塔藏斷裂帶形成重力變化高梯度帶,其中,甘肅瑪曲及迭部、青海河南蒙古族自治縣、四川若爾蓋及九寨溝一帶重力差異變化達100 μGal以上。九寨溝地震震中位于重力差異劇烈的等值線鞍部附近,在與斷裂走向基本一致的重力變化高梯度帶零值線上。上述分析佐證了重力場動態變化圖像反映的前兆特征對強震地點預測的重要意義。

2.1.5 2022年瀘定6.8地震

2022年四川蘆山6.1級、馬爾康6.0級地震發生后,鄭兵[17]分析認為,康定地區重力異常區數值較大,重力變化梯度帶密集且零值線走向不規則,“三岔口”地區積累的構造應力仍未完全釋放。利用四川2019～2022年4期流動重力觀測資料獲取地震前重力場動態變化圖像,結果見圖1。

2021-09～2022-04,半年尺度重力場變化劇烈,且具有以鮮水河-則木河一線為邊界的分區分布特征,西南川滇藏交界及丹巴-雅安-都江堰為主要的正值變化異常區域,道孚至四川盆地以負值變化為主。2021-02～2022-04,1 a尺度的重力變化具有與上期大致相同的分布態勢,重力正值變化范圍擴大,主要集中在丹巴-雅安-都江堰、雅江-石棉-西昌-寧南區域。該期出現較大面積的北西向負值變化帶,負值變化極值出現在宜賓地區,該區域發生2021年瀘縣地震。2018-03～2022-04,4 a尺度的累積重力變化格局大致相同,但正變化明顯增強。正負變化區域沿控震斷裂分區分布,鮮水河斷裂南段呈現顯著的重力變化梯度帶,石棉-瀘定-康定一帶重力差異變化達140 μGal,并在康定-石棉-雅安形成大規模的四象限對稱中心。區域重力變化與汶川地震、蘆山地震前的區域重力場變化特征基本一致。

2.2 典型重力前兆信息

以上震例分析表明,流動重力觀測到如高梯度帶、四象限分布、零值線拐彎等強震前顯著的重力異常變化信息,雖然重力異常變化的表現形式不完全一致,但地震的發生與重力變化形態、量級及持續時間之間均存在相關關系。四川地區強、大地震震前重力場變化具有以下特征:

1)震前數年,控震斷裂一側出現大規模重力正異常變化,之后正變化范圍和量級逐漸減小,甚至出現負變化,局部重力場呈加速增大-反向變化-發震特征,但出現反向變化后至發震時長難以預測。

2)震級大小與重力異常變化持續時間和異常覆蓋范圍正相關,汶川8.0地震孕震期達10 a以上,蘆山7.0地震、九寨溝7.0地震及瀘定6.8地震孕震期約為3～4 a。

3)震中區附近重力場變化出現正值變化高值異常,且具群體性分布特征,特別是較長時期的累積變化等值線圖顯示出震中附近出現正值變化高梯度帶,強震發生于重力變化等值線局部異常、高梯度帶及其拐彎處附近,臨震前震中等值線則相對稀疏。

強震受區域應力場及主要活動斷裂帶控制,通常孕育并發生在活動斷裂帶應力高度積累部位,這些部位及其附近在孕震階段存在顯著的差異性構造運動,通常伴有明顯的重力場變化[18]。從地震發生的能量累積和剪切破裂條件分析認為,地表重力變化,特別是正值持續變化,指示地殼內部物質聚集運動過程,有利于孕震階段能量積累。四象限中心和高梯度帶零值線拐彎處是地下物質膨脹和收縮的過渡地帶,在優勢剪應力作用下更容易發震。流動重力觀測信號是由表及里的“場”兆信息,具有綜合反映震源區及外圍地區的深部構造運動及地表干擾信號的能力。重力場動態變化圖像能夠清晰地反映四川地區強震孕育和發生的動態變化過程,根據異常范圍和量級、異常形態等重力異常特征,可為強震的中期預測提供潛在可能性。

3 地震預測效能

四川流動重力測網自2008年逐步完善以來,測網范圍內共發生6.0級以上地震10次。利用四川地區的流動重力觀測資料,對其中6次地震進行了準確的中期預測[19-22],詳見表2。

從預測結果看,對發生在川滇菱形塊體內部及邊界帶的汶川、蘆山、康定、九寨溝、瀘定等地震的中期預測較為成功,這些地震均發生在預測時間內,預測地點判定準確,預測準確達60%。2008年汶川8.0地震和2013年蘆山7.0地震均發生在預測的龍門山斷裂,汶川地震預測震中與宏觀震中較一致,蘆山地震預測震中與實際震中相距77 km;蘇琴等[23]利用流動重力觀測結合形變資料較準確地判定蘆山地震三要素,同時提交短臨預報卡;2014年康定地震發生在國家重力臺網中心根據重力異常判定的道孚-石棉危險區內,發震地點、震級判定基本準確;對于2017年九寨溝地震,根據重力資料預測的震級、時間、地點基本準確,發震地點上預測意見已明確提及四川若爾蓋、九寨溝一帶;2022年蘆山6.1級地震、瀘定6.8級地震發生在管理組判定的年度地震危險區內,馬爾康6.3級地震發生在危險區邊緣,預測三要素基本準確。雖然觀測到一些相關的重力異常變化信息,但漏報了2010年攀枝花6.1級地震、2019年長寧6.0級震群和2021年瀘縣6.0級地震,長寧地震、瀘縣地震發生在工業活動頻繁、監測能力薄弱的四川測網邊緣。以上預測事例表明,四川流動重力觀測可為強震中長期預測提供重要依據,對發生在構造運動強烈的川滇菱形塊體邊界及內部的強震預測效果較好,取得了一定的減災實效。

4 結 語

四川地區流動重力觀測經歷50余年發展,由局部分散的測網觀測逐步形成覆蓋范圍廣、絕對重力控制、相對重力聯測的完善監測體系,具備監測5.0級以上地震的能力。對近年來發生的強震回溯研究表明,強震前區域重力場變化具有四象限分布、高梯度帶、零值線拐彎等典型重力變化現象,這些重力現象是與強震孕育與發生相關的前兆異常,對地震預測指標體系建設具有重要參考意義。部分學者根據流動重力反映的異常范圍、量級及持續時間等信息,結合區域地震構造背景,由“場”及“源”較好地判定了川滇菱形塊體邊界及內部發生的強、大震潛在的發震地點,并多次提出準確的預測意見,中期預測準確率達60%。利用流動重力觀測資料融合區域地殼形變資料開展短臨預測的成功案例,為地震預測實踐提供了新思路。