2019, Vol. 39
2. 中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨市学府路29号，150080
2017-07-15广西南丹(24.82°N，107.34°E)发生MS4.0地震，震源深度为6 km，震中位于NE向木伦-东兰-逻楼断裂与NW向河池-南丹断裂附近，控震构造为NW向河池-南丹主干断裂，发震构造为木伦-东兰-逻楼断裂[1]。震中所在的桂西北地区位于华南褶皱系的二级构造单元——右江褶皱带和湘桂褶皱带上。华南褶皱系在早古生代为冒地槽，加里东运动褶皱回返转化为准地台，印支运动结束海相沉积历史，奠定了本区基本的构造格架。新构造期以来，研究区呈大面积的间歇性隆升，发育有四级剥蚀夷平面和一些断陷盆地。受云贵高原强烈抬升作用的影响，区域地势由NW向SE降低，地形切割强烈，河谷深切，地表主要出露古生代碳酸盐岩和中生代碎屑岩，以溶蚀、侵蚀地貌为主。测年结果显示，桂西北地区构造多为中更新世活动断裂，运动方式以粘滑为主。据中国大陆东部地区地震地质研究成果，中更新世活动断裂具备发生6级左右地震的构造条件[2]。历史上(1000~1969年)震中区域范围内共发生MS4.0以上地震46次，其中4.0~4.9级37次，5.0~5.9级8次，6.0~6.9级1次，最大地震为1875-06-08乐业MS6.5地震。1970年以来共发生MS3.5以上地震24次，其中3.0~3.9级8次，4.0~4.9级15次，5.0~5.9级1次，最大地震为1977-10-19平果MS5.0地震(图 1)。
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F1:惠水断裂;F2:贵定断裂;F3:三都-荔波断裂;F4:榕江-宰便断裂;F5:三江-融安断裂;F6:永福-溆浦断裂;F7:河池-南丹断裂;F8:河池-宜州断裂;F9:巴马-博白断裂;F10:木伦-东兰-逻楼断裂;F11:都安-马山断裂;F12:桂林-南宁断裂;F13:百色-合浦断裂;F14:永福-武宣断裂;F15:靖西-崇左断裂;F16:宾阳-大黎断裂;F17:百旺断裂(断裂资料来源于广西壮族自治区地震局工程防震研究院) 图 1 桂西北地区地震地质构造 Fig. 1 Construction diagram of seismic-geological in northwest Guangxi areas |
近年来，许多学者对地震前后重力场变化进行了研究，产出诸多成果[3-6]。本文利用2014~2017年广西流动重力观测资料，研究南丹MS4.0地震前后重力场变化特征，结合广西及邻区GPS与断裂构造资料，综合分析重力场变化与地震及断裂构造活动的相互关系，为本地区地震趋势分析提供参考。
1 区域重力与GPS资料处理广西及邻区流动重力观测网络包含104个测点和114个测段(图 2(a))，测点平均间距为30~40 km。截至2017-10共开展了6期流动重力测量，重力平差计算[4]结果见表 1，整体重力点值平均精度约为7.7 μGal。
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断裂资料来源于1976年中国活动性断裂和强震震中分布图(1∶3000000) 图 2 广西及邻区流动重力、GPS观测网络 Fig. 2 Flowing gravity and GPS observation network in Guangxi and neighboring areas |
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表 1 广西及邻区流动重力测量情况及精度统计 Tab. 1 Flowing gravity measurement and precision statistics in Guangxi and neighboring areas |
2009年以来，广西及邻区陆续产出多期连续、流动GPS观测数据(图 2(b))，利用最小二乘配置方法对其进行计算，得到区域应变率参数[7]。本文以2014~2017年区域重力场及水平形变场数据作为研究对象，综合分析南丹MS4.0地震前后地壳形变场变化情况。
2 重力场演化特征本文主要研究2014~2017年研究区重力场变化特征，即南丹MS4.0地震前后重力场差分动态与1~3 a尺度变化。
2.1 1~3 a尺度的重力场动态变化图像首先进行1~3 a尺度的重力变化分析，以了解研究区年际及累积重力场动态变化特征。从图 3(单位μGal)可以看出：
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图 3 南丹地震前后1~3 a尺度重力场动态变化 Fig. 3 Gravity field dynamic variation images between one and three years before and after earthquake in Nandan |
1) 2014-12~2015-12期间(图 3(a))，桂西北地区重力变化由SW向NE从正向负逐步减弱，重力差异变化约为50 μGal，重力异常区域位于南丹-荔波一带。重力变化等值线走向总体与NW向河池-南丹断裂走向一致，并沿断裂出现重力变化梯度带，表明重力变化受区域应力场作用和断裂活动控制。
2) 2015-12~2016-10期间(图 3(b))，重力变化呈现出新的态势，桂西北地区在田林及贵州荔波出现2个局部重力正变化异常区，贵州紫云及马山-环江一带出现2个局部重力负变化区，天峨-南丹一带呈现重力四象限分布异常特征，重力差异变化达50 μGal；异常区中心位于NE向木伦-东兰-逻楼断裂、NW向河池-南丹断裂与近EW向河池-宜州断裂交汇处。2015-12~2017-05累积重力变化(图 3(e))总体表现为天峨-南丹一带呈持续重力变化四象限分布特征，重力差异变化达60 μGal，2017-07-15河池南丹MS4.0地震发生在重力变化四象限中心部位。
3) 2016-10~2017-10期间(图 3(c))，以25°N为界，贵州紫云、荔波地区重力呈正值，天峨、环江地区重力呈负值，重力变化为30 μGal，并沿木伦-东兰-逻楼断裂、河池-南丹断裂与河池-宜州断裂形成重力变化梯度带，天峨-南丹一带出现局部重力异常及零等值线的拐弯现象，南丹MS4.0地震发生在局部重力异常区及零等值线拐弯处。
4) 2014-12~2017-10期间(图 3(d))，桂西北地区近3 a尺度的累积重力变化总体表现为：在田林及贵州荔波地区出现2个局部重力正变化异常区，贵州紫云及马山-环江一带出现2个局部重力异常负值区，天峨-南丹一带呈重力四象限分布，重力差异变化达60 μGal，重力变化等值线走向与木伦-东兰-逻楼断裂、河池-南丹断裂及河池-宜州断裂走向基本一致，异常区中心位于木伦-东兰-逻楼断裂、河池-南丹断裂与河池-宜州断裂交汇处。南丹MS 4.0地震发生在重力变化四象限中心部位。
5) 2015-12~2017-10期间(图 3(f))，桂西北地区约2 a尺度的累积重力总体变化较为剧烈，自SW向NE出现由负向正逐渐增大的变化趋势，重力差异变化达70 μGal，异常区中心位于天峨-南丹-环江一带，重力变化等值线走向与河池-南丹断裂及河池-宜州断裂走向基本一致，并沿断裂构造线出现重力变化高梯度带，南丹MS4.0地震发生在局部重力异常区及零等值线拐弯处。
2.2 重力场差分动态变化图像为分析研究区重力场短期变化特征，以相邻2期观测资料为时间基准，分别绘制相邻2期(约0.5 a尺度)区域重力场差分变化图像(图 4，单位μGal)。分析图 4可以发现：
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图 4 南丹地震前后重力场差分动态变化 Fig. 4 Gravity field differences dynamic variation images before and after earthquake in Nandan |
1) 2014-12~2015-06期间(图 4(a))，桂西北地区重力呈正值变化特征。2015-06~12期间(图 4(b))，桂西北地区重力场变化较为剧烈，天峨-环江-贵州荔波一带重力变化表现出与上期反向的变化特征，并沿河池-南丹断裂出现重力变化高梯度带，重力差异变化达60 μGal。
2) 2016-10~2017-05期间(图 4(c))，桂西北地区重力变化平缓；2017-05~10期间(图 4(d))，重力变化总体与上期变化相反，自N向S出现由正向负逐渐减小的变化趋势，重力差异变化达40 μGal，重力变化等值线走向与木伦-东兰-逻楼断裂、河池-南丹断裂及河池-宜州断裂走向基本一致，并在天峨-环江一带出现重力零等值线拐弯现象，南丹MS4.0地震发生在重力零等值线拐弯处。
3 重力变化与南丹MS4.0地震 3.1 重力场时变与南丹MS4.0地震活动关系由区域重力场差分动态变化图像可以看出，2015-06~12桂西北天峨至贵州荔波地区沿河池-南丹断裂出现重力变化高梯度带(图 4(b))；2015-12~2016-10天峨-南丹地区附近重力变化由局部差异变化发展为四象限分布特征(图 3(b))，2017-07-15南丹MS4.0地震发生在重力变化四象限中心部位；2016-10~2017-05天峨、环江一带呈持续较弱的重力变化四象限分布(图 4(c))；2017-05~10重力变化总体与上期相反，重力变化等值线走向与木伦-东兰-逻楼断裂、河池-南丹断裂及河池-宜州断裂走向基本一致，在天峨-南丹一带出现重力零等值线拐弯，南丹MS4.0地震发生在重力零等值线拐弯部位(图 4(d))。差分重力图像表明，南丹MS4.0地震前重力变化为“局部重力异常→四象限重力异常→重力反向变化发震”的过程[3-4]。
由1~3 a尺度累积重力变化图像(图 3)可知，2014-12~2015-12研究区附近沿河池-南丹断裂出现重力变化高梯度带，反映重力变化受区域应力场作用和断裂活动控制；2015-12~2016-10天峨-南丹一带重力变化由局部差异变化发展为四象限分布特征，异常区中心位于木伦-东兰-逻楼断裂、河池-南丹断裂与河池-宜州断裂交汇处；2016-10~2017-10天峨-南丹一带出现沿断裂分布的局部重力异常及零等值线拐弯现象，南丹MS4.0地震位于局部重力异常区及零等值线拐弯处；2015-12~2017-05累积重力变化在天峨-南丹附近出现显著的四象限分布特征，虽较好地对应南丹MS4.0地震，但2015-12~2017-10约2 a尺度累积重力变化异常持续时间较长，变化幅度大，重力差异变化达70 μGal，值得持续关注。
3.2 重力变化分析为了解地表重力变化与深部物质运动的相互关系，应分析地表变形运动对地表重力变化的影响。一般来讲，地表重力变化直接受地表垂直运动影响，每抬升(或下降)10 mm，将引起测点约3.086 μGal减小(或增大)的重力变化[5]。本文利用1999~2017年陆态网连续GPS站及流动GPS站的观测资料，解算ITRF2008框架下广西及邻区的垂直形变速率[1]。结果表明，广西垂直形变速率不超过3 mm/a，地表垂直运动对年际重力变化的贡献低于1.0 μGal，相比2014~2017年期间重力场累计变化量最高达60 μGal而言，地表垂直变形运动对重力变化的影响不大。
中强地震的发生与孕震区的地壳水平形变异常演化密切相关，一些学者就地壳水平形变异常展布形态与中强地震地点的关系进行了探讨[8]。震例分析显示，中强地震易发生在强挤压、弱剪切边缘或其过渡区域，这些区域可能存在闭锁，是中强震发生的主体地区[9]。为了便于与重力观测资料进行对比分析，本文主要使用GPS观测网络2015~2017年广西及邻区连续和流动GPS站观测资料(图 2(b))，求解区域应变率参数，给出2015~2017年广西及邻区面膨胀率(图 5(a))与最大剪应变率分布图像(图 5(b))。结果表明，桂西北地区总体呈挤压收缩特征，田林-天峨至贵州紫云一带挤压收缩最为显著，面收缩率峰值达-4.0×10-8/a；天峨-南丹一带及贵州荔波地区处于弱剪切低值区，南丹MS4.0地震发生在面收缩峰值附近及弱剪切低值区域，与以往的震例分析结论基本一致[9]。为对比分析桂西北地区重力变化与GPS面应变变化差异，本文将广西2015-06~2017-04期间准同步观测的重力变化与面膨胀率重叠绘制，将重力变化等值线标示在面膨胀率图像上，得到重力变化和面膨胀率变化图像(图 6)。图中等值线为重力变化，色标为面膨胀率。从图中可以看出，天峨-田林一带重力上升变化强烈的区域其面收缩率也最为明显，榕江-兴安重力上升亦对应面应变收缩，环江-马山、天峨-紫云一带重力下降对应面应变膨胀。南丹MS4.0地震发生在重力四象限中心部位及面应变收缩峰值附近，震中附近的重力变化四象限梯度走向基本对应面膨胀四象限梯度走向。
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图 5 2015~2017年广西地区面膨胀率及最大剪应变率分布 Fig. 5 Surface strain and maximum shear strain rate distribution in Guangxi areas from 2015 to 2017 |
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图 6 广西地区重力变化与面膨胀率对照图 Fig. 6 The comparison between the gravity changes and the surface expansion rate in Guangxi |
综上所述，相对于地表隆升作用而言，广西及邻区重力场变化受水平形变致密作用(密度增加)的影响更为显著。南丹MS4.0地震震区附近重力异常变化四象限梯度走向基本对应面膨胀四象限梯度走向，反映震区存在深部物质运移，引起活动构造变形，在地表产生相应的重力变化[10]。
4 近期重力变化分析分析2 a尺度重力场变化(图 3(f))可以发现，桂西北地区累积重力总体变化较为剧烈，重力差异变化达70 μGal，异常区中心位于天峨-南丹-环江一带，重力变化等值线走向与河池-南丹断裂及河池-宜州断裂走向基本一致，并沿断裂构造线出现重力变化高梯度带。结合深部构造与地球物理场特征进一步分析认为，天峨-南丹-环江一带既是莫霍面等深线变化较强地段[11]，亦是2015-09以来的ML3.0地震围空区，沿主断裂存在低b值异常区[1]。具备这些深部构造特征的区域，往往具有发生中强震的背景[12]。目前，天峨-南丹-环江一带已发生2017-07-15南丹MS4.0地震，根据以往震例研究[4-5]，该地区仍存在发生中强地震的可能。
5 结语本文利用重力场观测数据，结合GPS与活动构造资料，分析南丹MS4.0地震前后区域重力场动态变化特征，获得以下几点认识：
1) 2017-07-15南丹MS4.0地震发生在重力差异变化强烈的四象限中心附近，异常区中心位于木伦-东兰-逻楼断裂、河池-南丹断裂与河池-宜州断裂交汇处。差分重力图像表明，南丹MS4.0地震前重力变化为“局部重力异常→四象限重力异常→重力反向变化发震”的过程。
2) 南丹MS4.0地震发生在木伦-东兰-逻楼断裂、河池-宜州断裂与南丹-河池断裂交接处附近，重力变化与GPS观测反映的水平运动表明，南丹地震震中位于重力四象限分布中心部位及面压缩峰值附近，进一步证明重力场和形变场动态变化对中强地震地点预测具有指示意义[13]。
3) 近期地壳形变异常分析反映天峨-南丹-环江一带是重力变化最剧烈地区，亦是水平形变面压缩过渡带，同时位于莫霍面等深线强烈变化地段、ML3.0地震围空区及低b值异常区。结合地震活动图像、定点前兆观测异常等资料[1]综合分析认为，该地区仍存在发生中强地震的可能。
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2. Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering Mechanics, CEA, 29 Xuefu Road, Harbin 150080, China