2021, Vol. 41
2. 中国地震局乌鲁木齐中亚地震研究所, 乌鲁木齐市科学二街338号, 830011;
3. 新疆维吾尔自治区地震局, 乌鲁木齐市科学二街338号, 830011;
4. 北京劳雷物理探测仪器有限公司, 上海市龙吴路777号, 200232;
5. 中国地震局地震研究所地震大地测量重点实验室, 武汉市洪山侧路40号, 430071
北天山位于准噶尔盆地南缘，是境内外天山重力梯度带的重要组成部分，该地区构造活动较为活跃，是中国大陆构造运动强烈、地震活动频度较高的地区。新疆维吾尔自治区地震局在该地区布设了大量的地球物理观测台站，在地质构造[1-2]、地壳形变[3-4]以及重力和深部构造探测[5-7]等方面取得了许多成果，为研究该地区地壳运动及孕震机理提供了基础资料，但针对北天山地区地壳密度变化、地壳内部物质迁移规律的研究成果较少。国内外学者以往研究重力变化问题多侧重于形变，应用地表重力研究地下物质密度变化者不多，特别是在三维反演地下物质密度动态变化方面鲜有涉及[5]。因此，获取北天山地区异常场与壳内剩余密度体的分布关系及其与构造运动的相关性，对研究中强地震活动的长期趋势性具有一定的指示意义。
1 北天山地区重力数据观测及处理利用2台高精度石英型重力仪(CG-5、CG-6型)对北天山地区进行观测，2012~2018年每年进行2期观测，2019年后每年进行1期观测。采用中国地震局地震研究所提供的PDA进行野外记录和解算。各测段符合重力测量规范要求，观测成果合格率达到100%。室内数据处理采用中国地震局攻关软件LGADJ，整合北天山地区多期流动重力观测数据，采用剔除粗差和降权处理，合理确定仪器的先验方差，再选用乌鲁木齐、库车、库尔勒3个绝对重力点进行约束经典平差，整体解算精度(8×10-8 m/s2)可满足地震监测预报和科学研究要求。
2 北天山地区重力场变化特征分析 2.1 北天山地区重力变化特征绘制2015~2019年北天山地区重力场变化图像(图 1)。从2015-09~2017-08变化尺度(图 1(a))来看，北天山地区(尤其是山区)重力场以正值变化为主，最大量值在+140 μGal左右；盆、山结合带呼图壁、石河子、独山子、精河至伊宁沿线重力变化主要为负值，最小量值在-80 μGal左右。北天山地区的重力变化等值线基本保持东西向分布，与北天山大型断裂带的走向一致。众多学者研究表明[5-7]，中强地震往往发生在地震断裂带附近重力变化的四象限或重力正、负交替变化异常区及高梯度附近。从2016-08~2019-08尺度(图 1(b))来看，北天山地区大部依然呈现重力正值变化，仅在盆、山结合部存在小范围的重力负值区域。
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图 1 北天山地区重力场变化图像 Fig. 1 Image of gravity field in north Tianshan area |
陈运泰[8]、申重阳[9]的研究结果表明，地壳形变引起地表高程发生变化，导致地壳内部物质不断迁移，进而使得介质密度发生改变，最终导致重力发生变化。因此，当地壳内部构造介质受到外力挤压时，物质密度增高，重力变化增大；同样，当地壳外部物质汇集时，重力变化也将不同程度地增大。研究认为，北天山地区重力正值变化正是由于受到塔里木盆地持续向北推挤以及准噶尔盆地阻挡，导致密度升高，该结果与上述理论[8-9]相吻合。
从2017-08~2019-08重力场变化情况(图 1(c))来看，北天山地区重力场受到2016-12-08呼图壁MS6.2地震及2017-08-09精河MS6.6地震影响，在北天山呼图壁、石河子、独山子以南的山区重力场出现一定范围的调整，形成零值线区域，尤其是呼图壁震中重力值几无变化，地壳活动水平趋于平静，地震能量得到释放；在新源一带则出现重力变化梯度带且伴随零值线穿越；而在北天山南部区域，博罗科努-阿齐克库都克断裂具有强烈的右旋走滑运动[2]，表明该地区重力变化与构造运动特性密切相关。
从最新的1 a尺度重力场变化情况(图 1(d))来看，北天山地区大部以负值调整为主，量值变化在-40 μGal；北天山山体北坡重力呈现正值变化趋势；重力变化零值线分布于乌鲁木齐、呼图壁、石河子等地区。1900年以来地震目录表明，该地区属于中强地震多发区，曾多次发生5级以上地震，这些地震大多发生在重力变化的零值线附近或者高梯度带上，上述孕震区域是物质增减差异比较剧烈的地区。从2 a尺度的重力变化图像可以清楚看出，在北天山中段尤其是新源一带，有重力变化零值线出现。因此认为，该地区具有孕育6.0级左右地震的潜能。
2.2 北天山地区重力段差变化特征以2014~2019年北天山地区1 a尺度的重力场时空变化图像为背景，基于重力场微变化信号“以场求源”的思路和方法，采用重力段差可视化方法原理[10]，绘制出北天山地区重力各段差矢量图(图 2)，并与重力场变化图形进行叠加，以此分析北天山地区重力变化显著性程度与该地区构造运动之间的响应关系。
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图 2 北天山地区流动重力变化段差分布 Fig. 2 Distribution of mobile gravity variation interval difference in north Tianshan area |
由图 2可见，乌鲁木齐周围的段差变化值从2014年开始均具有一定的规律性，基本呈现一种顺时针旋转的运动趋势，且段差变化值较大，其后在2016-12-08发生呼图壁6.2级地震。其他区域段差变化值无规律性，托克逊地区的观测结果显示该区域的异常误差较大。图 2(d)结果显示，精河至独山子、独山子至巩乃斯一带段差呈现规律性分布，方向较统一，应关注该区域的地震异常信息。图 2(e)显示，精河至独山子一带段差持续呈现规律性分布，方向统一，2017-08-09精河发生6.6级地震，震后精河至独山子一带段差分布无规律性，方向不统一，说明段差变化有较好的指示意义。图 2(f)表明，北天山地区段差变化整体无规律性。值得注意的是，图 2(g)中乌鲁木齐首府圈出现了明显的段差变化；而图 2(h)中，乌鲁木齐首府圈周边段差变化相对较小，该异常可能与乌鲁木齐4.2级地震前期地下物质运移及构造活动密切相关。乌鲁木齐、阜康、五家渠至石河子沿线呈现重力场异常，另外在以巩乃斯为中心的周边测线3个方向箭头均指向巩乃斯方向。最新一期资料计算结果(图 2(i))显示，和硕、库尔勒和轮台沿线的段差变化均呈现一定的规律性，且方向统一，此结果与北天山新构造运动断块差异性垂直升降运动的强烈性、水平运动的明显性、活动强度的阶段性和间歇性、运动方式的继承性和新生性[2]较吻合。从而表明，该地区地震异常信息较明显，具有孕育中强地震的潜能。
3 北天山中段地壳密度变化特征初步分析为了解北天山中段物质运移和能量累积的变化特征，为该地区地震危险性判定提供科学依据，采用紧凑重力反演(compact gravity inversion)方法[11-12]，利用北天山中段流动重力观测资料，计算该区域地壳不同深度下的介质密度变化特征，并通过地壳密度变化探讨北天山中段地壳物质迁移以及物质和能量的累积特性。本文以北天山中段重力场变化资料为基础，截取3个观测时段的数据进行反演计算，获得0.5 a和1 a尺度的北天山中段不同深度的地壳密度变化图像，分析研究区域地壳物质密度随深度的不同而发生的变化，从而深入研究该区域地震孕育背景与构造环境之间的响应关系。
3.1 0.5 a尺度北天山中段密度变化特征在地壳内部不同方向上搭建10 km/层的结构框架，沿着垂直方向构建从地表至地壳深部每层厚度为10 km的切片，共切割为6层，将水平方向切片中心点投影到地表，与计算点间距一致，根据地球物理探测研究结果，给出北天山地区密度变化范围(±100 g/m3)，将其作为迭代反演过程中的约束条件。经过40次反复迭代计算，其均方差为0.05 μGal，绘制不同尺度下的北天山中段地壳物质密度变化图像(图 3、图 4)。
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图 3 0.5 a尺度北天山中段地壳物质密度变化 Fig. 3 Crustal material density variation in the middle part of north Tianshan mountains on half a year scale |
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图 4 1 a尺度北天山中段地壳物质密度变化 Fig. 4 Crustal material density variation in the middle part of north Tianshan mountains on one year scale |
整体分析图 3可以看出，此时间段内, 北天山地壳密度变化不大，但分布较清晰，该区域以85°E为分界线，以西地区地壳物质密度变化为正值，以东地区则为负值。由于构造应力作用，使得北天山中段大量物质运移而集中在巩乃斯-独山子附近地区。根据地壳均衡原理，物质大量迁移将使和静和乌拉斯台地区物质密度变小，从而导致该地区地壳物质处于亏损状态。当地壳物质集中运移到北天山中段，即那拉提-独山子附近，呼图壁地区地壳密度变化呈现出正负交替变化态势，而2016-12-08在呼图壁发生MS6.2地震，这与地震多发生在重力场由正值区域转为负值区域的零值线附近的研究结果相吻合。
从图 3可以清楚看出，北天山中段最大重力场的扰动部位为20~40 km，即地壳物质密度最大异常深度分布在20~40 km区域，0~10 km深度北天山中段地壳密度变化最大值约为±10 g/m3；随着深度的不断增加，该地区地壳密度也发生不同变化。从10~20 km、20~30 km和30~40 km分层图像可以看出，随着地壳深度的不断增加，物质密度也不断增大，最大变化量达到±50 g/m3；而在地壳深度达到40 km以后，密度将不再与地壳深度成正比，即随着地壳深度的增加，物质密度变化逐渐变小。从图 3(e)、图 3(f)可以看出，当地壳深度达到40~50 km和50~60 km时，二者之间地壳密度变化几乎无差异，从而也表明，北天山中段地壳物质密度变化最佳深度为30~40 km，此深度是能较好地反映出该地区孕震背景条件和北天山中段物质运移和能量积累的最佳深度。
3.2 1 a尺度北天山中段密度变化特征利用1 a尺度(2016-05~2017-05)的流动重力观测资料模拟计算出北天山中段地壳物质密度变化分布状态(图 4)，同样采用10 km间隔进行北天山中段地壳深度划分，绘制不同深度(0~60 km)的6个切片进行比较。从1 a尺度的北天山地壳密度变化图像(图 4)可以看出，物质运移量相对0.5 a尺度的变化较大，最大累积变化值为±100 g/m3。从北天山中段密度变化特征来看，地壳深度为0~10 km时，密度变化幅度在±20 g/m3以内；地壳深度为10~20 km时，研究区域的正负密度达到±60 g/m3，相对半年尺度的密度变化速度较快；地壳深度为20~30 km时，最大密度变化正值出现在独山子和玛纳斯以南地区，即呼图壁附近，达到+100 g/m3以上；地壳深度为30~40 km时，密度变化基本延续着20~30 km深度的变化结果，只是密度变化范围有所收缩，且较为集中。因此，该地区由于物质不断运移，能量不断积累，当地壳能量积累到一定极限时，有可能发生中强地震。从1 a尺度变化密度分布图(图 4)来看，呼图壁地区受到周边构造应力的作用，地壳物质运移最集中，密度累积变化量最大，能量积累最强，从而发生了2016-12-08呼图壁MS6.2地震。同样，这与中强地震多发生在重力变化的高梯度区域的研究结果相吻合。
图 4可以清晰反映出北天山中段地壳物质密度变化的基本特征，随着地壳深度不断增加(0~40 km)，介质密度变化逐渐呈现增加趋势；地壳深度到达40~60 km时，密度变化逐渐减小，且在30~40 km深度结果最佳。这与利用0.5 a尺度重力场反演的北天山中段地壳密度变化结果一致，从而也表明，该地区重力变化局部场反映的最佳深度为30~40 km，即北天山中段孕震深度为30~40 km。研究区域内地壳正负密度变化以巩乃斯-和静为分界线，巩乃斯-和静以北地区，地壳物质密度呈现正值变化；以南地区，密度变化为负值，密度正值变化区基本位于北天山北坡和准噶尔盆地南缘。表明该地区物质运移较为集中，或者表明地壳有所下沉，导致该地区物质密度处于增加的变化趋势。而在山体附近，物质密度为负值变化，说明山体物质处于亏损态势，或者山体受到构造应力的作用，地壳正处于隆升过程，使得新生代晚期构造强烈向上隆升，形成再生造山带。迄今天山仍在不断抬升，印度板块向北推挤是区内新构造运动的主要动力学原因[1-2]。
4 结语1) 重力变化图像和可视化段差分布图表明，北天山地区重力场时空演化特征反映了该地区构造运动的外部环境因素，该区域重力变化具有显著的分区特征和物质迁移规律性，其运动特性与该区构造分布基本一致。
2) 本文初步揭示了北天山中段地壳不同深度物质密度变化的基本特性，各构造单元体的密度变化趋势较好地反映出该地区地壳运动机制具有明显的差异性。北天山北坡密度呈现增加趋势，表明北天山中段主要受构造应力不断增强的影响，使得该地区处于物质汇聚状态，压应力场作用占主导。北天山山体负密度变化揭示地壳物质具有膨胀或迁出的特征，负密度变化区表现为地壳物质不断亏损，反映出该地区拉张应力场作用占主导。
3) 不同时间段的重力数据反映出密度变化区域不同，因为地壳物质随着时间变化在不断位移，致使不同地区的重力场也在不断演化，但不同时间段的密度变化深度基本一致，表明北天山地区密度变化最优深度为30~40 km。
4) 北天山中段受到准噶尔盆地以及塔里木盆地的推挤和俯冲，致使该地区上地幔物质不同程度地上浮，同时对天山地壳深部热熔度增强，致使北天山地壳大约在40 km深度的壳幔过渡带呈现明显的低速异常区域，与大致垂直于北天山中段南部的负密度变化区域和北部的正密度变化区域相吻合。
致谢: 感谢中国地震局重力观测技术管理部提供相关基础资料。
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2. Urumqi Institute of Central Asia Earthquake, CEA, 338 Second-Kexue Street, Urumqi 830011, China;
3. Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, 338 Second-Kexue Street, Urumqi 830011, China;
4. Laurel Geophysical Instruments Co Ltd, 777 Longwu Road, Shangshai 200232, China;
5. Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China