2. 武汉大学资源与环境科学学院,武汉 430079;
3. Texas Center for Geographic Information Science, Texas State University, San Marcos, TX 78666, USA
2. School of Resource and Environmental Science, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
3. Texas Center for Geographic Information Science, Texas State University, San Marcos, TX 78666, USA
中国大陆是研究板块特别是板内现代运动和形变的最理想的区域,尤其是青藏高原的隆起、西部南北向缩短,更是各国科学家关注的热点.“中国地壳运动观测网络"是“九五"国家重大科学工程之一.重力观测是中国地壳运动观测网络中的重要内容,是以服务于地震监测为主,兼顾其他领域应用的综合性科学工程[1].重力观测特别是重力场动态变化的检测具有重要意义:首先,重力变化的检测是地震监测的重要一环,对震前、同震及震后的重力变化检测有助于我们了解震源机制乃至作出地震中短期预测;其次,结合水准资料,可以检测构造运动地区地壳的垂直运动[2],如青藏高原的隆起以及东南沿海的地面沉降等;最后,网络工程中布设的重复绝对重力测量,把我国各个分散的地震重复测量重力网统一起来,形成具有绝对重力控制的整体重力变化图像.图 1 是中国大陆流动重力联测路线图.1998、2000、2002、2005和2008 年进行了五期重力观测,联测了中国大陆地区的23个基准站(绝对重力测量点)、56个基本站和300多个过渡点,共完成近400个测点,获得了5 期观测结果.本文以此资料为基础,初步分析了1998-2008年期间中国大陆重力场变化及其与地壳构造活动和大震活动的关系.
2 重力观测及资料处理 2.1 重力观测从1998年到2008年,网络工程进行的五期网络基准站的绝对重力测量工作由中国科学院测量与地球物理研究所采用FG-5 绝对重力仪观测,每个基准站上绝对重力测定精度优于5×10-8 m ·s-2[3-4].相对重力联测工作由中国地震局、国家测绘局和总参测绘局各组建两个作业组联合完成.每个作业小组用3~4 台LCR-G 型重力仪作业.每期的测量路线和测量点重合,复测时间相对固定在同周期进行,尽量减少可能的水文季节等影响.重力段差联测精度优于10×10-8m·s-2.为了确保相对重力联测精度,减少仪器误差影响,仪器格值测前在国家长基线上均进行了统一的标定;往返观测都在3 天内闭合,以获得可靠的重力观测资料.
2.2 资料处理本文数据处理的关键是将中国大陆内绝对重力观测资料与同期的流动重力观测资料相结合,其中绝对重力点构成一个大尺度、相对稳定的高精度控制网,流动重力观测视为与该网的定期联测,形成中国大陆重力动态监测网.这种资料处理方案的优点在于可有效地保持整个中国大陆重力场起算基准统一、稳定,又可在此基础上严密、可靠地解算出各测点的重力变化,从而获得中国大陆重力场的动态变化.具体数据处理:①使用国内先进的中国地震局地震研究所提供的重力处理软件[5-6]对多期重力观测资料进行统一处理;② 数据处理中采用稳健估计法[7-8],对少数存在误差较大的观测段差实行粗差剔除和降权处理,利用计算程序自动优化、合理确定各台仪器的先验方差后进行整体平差计算;③ 平差计算中采用网络23个基准站的绝对重力值加以控制,以获得各测点的重力值;④ 绝对重力资料处理中作了地球潮汐、光速、局部气压、极移、垂直梯度等改正,相对重力资料处理中作了固体潮、气压、一次项、仪器高等改正;⑤数据处理结果较好,五期点值平均精度均优于16×10-8m·s-2(见表 1).
对1998年以来的多期重力资料,提取多时空尺度的重力场动态变化图像.一种是相邻两期的重力场动态变化图像,以突出观测区域不同时期重力场动态演化的差异信息;一种是较长时期的重力场动态变化图像,以突出观测区域较长时期的重力场变化的累积信息或背景场特征.
此外,我们在重力场动态变化分析中对点位稳定性差、观测环境有变化的低信度测点逐个进行观测结果的分析,确定有问题者予以剔除,以利于可靠观测资料的获得和真实重力变化信息的提取.
3.1 相邻两期的重力场变化由图 2可见,1998-2000年我国大陆地区重力场变化分布较为有序.重力变化的总体趋势是自东向西逐渐降低,由东南沿海的+80×10-8m·s-2逐渐过渡到青藏高原的-90×10-8m·s-2.在我国东部有3个重力变化显著区,其一,东南沿海地区重力出现较大的正值变化和重力变化高梯度带;其二,东北地区出现一定量值的重力正值变化异常区;其三,华北地区重力变化相对平缓,但在冀蒙交界地带出现了一对范围较小的+30×10-8m·s-2和-40×10-8m·s-2变化的局部重力异常区.
在以上自东向西逐渐降低的总体趋势中,于中部的盐池、西安、泸州一带出现了量值为(-20~20)×10-8m·s-2之间的平缓变化.
本期在我国西部及邻区,青藏高原是大区域性的负重力变化区,其外围展布着环青藏高原的重力变化梯度带.青藏高原内部于昆仑山口出现-90×10-8m·s-2的重力变化异常区,青藏高原的北部与南东两侧,重力异常等值线变密,形成高原外侧突出的扇形结构.青藏高原由南向北重力变化逐渐增加,与高原接壤的塔里木盆地和河西走廊地区的重力出现正值变化,其中,塔里木盆地出现70×10-8m·s-2的重力正值异常区.另外,在滇西南地区出现-60×10-8m·s-2的重力变化异常区.
由图 3可见,2000-2002年我国大陆地区重力场变化虽然表现出一种空间大尺度范围内的有序性,但相对于上一期的重力场已出现反向变化,重力变化的总体趋势是自东向西逐渐增加,由东南沿海的-10×10-8m·s-2逐渐过渡到青藏高原的60×10-8m·s-2.我国东部地区重力出现(-30~+30)×10-8m·s-2之间的波动变化;东南沿海地区由上一期的正值变化反向为-10×10-8m·s-2的变化.滇西南及云贵高原由上一期的负值变化反向为60×10-8m·s-2的正值变化,并出现较高的重力变化梯度带.我国西部重力变化分为两部分,其一,我国西南的云贵高原-青藏地区由上一期的大范围负值变化转为大范围的重力正值变化,其中存在滇西南、青藏交界和藏西南三个重力异常区,每一个异常区的重力变化均由上一期的高负值剧烈变化转变为高正值变化;其二,新疆北部地区重力变化剧烈,并在阿勒泰地区形成50×10-8m·s-2的重力变化及乌鲁木齐附近地区的-30×10-8m·s-2重力急剧变化.
由图 4可见,2002-2005年我国大陆地区重力场变化自东向西具有正-负-正-负相间的特征,表现出一种新的有序性变化,它突出反映了大陆内部区域性的重力差异变化.在我国东部有两个重力变化显著区,其一,东北地区出现重力负值变化;其二,晋、蒙地区出现重力达-70×10-8m·s-2的重力变化,并在晋冀蒙交界地区形成重力变化高梯度带;东南沿海地区的重力变化相对平缓.
本期我国西部重力变化分为两部分,其一,纬度36°以北地区重力变化平缓,新疆北部阿勒泰地区重力变化由上一期的50×10-8m·s-2 转为-30×10-8m·s-2.其二,纬度36°以南地区重力变化较为复杂,有三个显著变化区.一是环川滇块体周围出现重力负值急剧变化,并形成重力变化梯度带;二是拉萨东西两侧出现负、正重力变化异常区及重力变化梯度带;三是紧邻巴基斯坦的新藏交界地区出现100×10-8m·s-2 的重力差异变化及重力变化梯度带.
由图 5可见,2005-2008年我国大陆地区重力变化仍表现出一种空间大尺度范围内的有序性,总体趋势是自东向西重力逐渐增加,由东南沿海的-80×10-8m·s-2 逐渐过渡到青藏高原的140×10-8m·s-2.我国东部重力变化相对比较平缓,但在晋冀蒙交界地带出现了+120×10-8m·s-2的局部重力异常区.
本期在我国西部重力变化比较复杂,主要有二个重力变化显著区.一是川滇块体所在区域出现剧烈的重力负值变化,最大达-120×10-8m·s-2,但紧邻该区域的藏东及青藏交界地区出现重力正值变化,其中,青海玉树及其附近地区出现最大的重力正值变化,达100×10-8m·s-2;二是藏西至南疆的西昆仑地区出现高达140×10-8m·s-2的重力变化正异常区,其周缘出现正、负重力变化的高梯度带.
3.2 较长时期的重力场变化为了进一步分析中国大陆较长时期的重力变化,我们绘制了1998-2005 年及1998-2008 年较长时期的重力变化等值线图.
从图 6可以看出,1998-2005年我国大陆地区重力场变化分布总体趋势是自东向西逐渐降低,由东南沿海的+70×10-8m·s-2波动式过渡到青藏高原的-60×10-8m·s-2.在我国东部有三个重力变化显著区.其一,东南沿海地区重力出现较大的正值变化和重力变化高梯度带;其二,东北地区出现较大范围的正、负相间的重力变化异常区,重力差异变化最大值达80×10-8m·s-2,并在长春-齐齐哈尔一带形成重力变化高梯度带;其三,晋、蒙地区出现-70×10-8m·s-2的重力变化异常区,并在晋冀蒙交界地区形成重力变化高梯度带.
我国西部重力变化分为二部分,其一,川滇地区出现较大范围的一正一负的重力变化异常区,两异常区的差异变化达110×10-8m·s-2,并在泸洲-汶川-马尔康一带形成重力变化高梯度带;其二,紧邻巴基斯坦的新藏交界地区重力出现80×10-8m·s-2的差异变化及四象限分布特征的重力变化.
从图 7可以看出,1998-2008年我国大陆地区重力场变化自东向西具有正-负-正-负相间的规律性,东部重力变化较为平缓.西部的重力场总体出现正负相间的四个异常区,一是川西高原出现-100×10-8m·s-2的重力变化负异常区,二是青、藏交界至藏东地区出现+80×10-8m·s-2的重力变化正异常区,三是昆仑山口西出现-80×10-8m·s-2的重力变化负异常区,四是新、藏交界地区出现140×10-8m·s-2的重力变化正异常区及重力变化梯度带.2001至2010年期间,已在上述四个重力异常区附近分别发生了2001 年昆仑山口西8.1 级、2008年新疆于田7.3级、2008年四川汶川8.0级和2010年青海玉树7.1级等大地震.
重力场是反映地球介质密度变化和各种环境(固体地球潮汐、内部热流、固体和液体之间质量的交换、表面负荷和地震构造运动等)下地球动力学特征的最基本和最直接的物理量[9].因此,在地壳运动中,由于各种原因,当中国大陆及区域构造应力场发生强弱的变化时,重力场图像也会出现相应的时空变化[10-12].
4.1 重力变化与活动地块分析不同时段重力场变化与活动构造的关系,可以看出几条规模巨大的重力变化梯度带始终纵横于中国大陆,而且大都与我国巨型的活动构造/断裂格架相吻合,特别是与活动地块/块体边界带的分布较为一致.根据中国大陆重力场动态变化的特点,按照重力变化等值线的疏密程度,可将中国大陆分为东、西两大块.尤其是1998-2000 年我国大陆重力场的变化较明显地表现出:
(1) 在我国东部有三个重力变化区,其一,东南沿海地区出现较大的重力正值变化和重力变化高梯度带;其二,东北地区出现一定量值的重力正值变化异常区;其三,在这两个异常区之间,华北地区的重力变化相对平缓.
(2) 在我国西部也存在三个重力变化区,其一,青藏高原区域性重力负值变化区,其外围展布着环绕青藏高原的重力变化梯度带;其二,新疆及阿拉善地区重力正值变化区;其三,滇西南重力负值变化区.
从地质构造分析,东、西部的以上这六个区域性重力变化区可以分别与已划分出的、中国大陆及邻区的华南、东北、华北、青藏、西域和滇缅六大活动地块区[13-17]相对应.重力场变化图像清晰地显示了这六大活动地块运动态势的差异(图 2-7).
区域重力场的空间变化与活动断裂构造密切相关,如重力的非潮汐变化较显著梯度带的走向与构造上活跃的断裂带走向基本一致,活动构造单元或者块体的边缘往往容易出现重力等值线形态的转折和密集,形成高梯度带.构造活动地块/块体区边界的断裂带,由于其规模及切割深度大、差异运动强烈而往往表现出重力变化的高梯度带,例如青藏高原周缘的重力变化高梯度带.
4.2 重力变化与MS6.8级以上大震活动关系地表重力变化主要是由地表观测点的位置变化、地表整体变形运动以及地下物质运移的综合效应引起的,包含了十分丰富的地球变动和地震与构造运动信息.正重力变化一般反映地表沉降或地下物质增加或其叠加效应,而负重力变化一般反映地表隆升或地下物质减少或其叠加效应[3-4, 18].图 2至图 7给出的、不同时段的重力场变化综合反映了中国大陆地壳现今地下物质运动、地壳变形及地表升降的效应,与大地震孕育、发生的构造动力学过程、作用可能有密切的联系.下面结合中国大陆最近10年若干大地震的震例分析,研究与探讨大地震前后区域重力场动态变化.
4.2.1 2001年11月14日昆仑山口西MS8.1地震(36.2°N,90.9°E)震前(1998-2000年,图 2),青藏高原主要表现为负重力变化,这可能反映印度板块向北推进作用加强,致使青藏高原隆升加剧,再加上青藏高原之下可能存在地幔受热的轻物质上涌[19-20],导致这一时段的重力减小.昆仑山口西MS8.1地震的孕震区位于-90×10-8m·s-2重力变化区的北缘,以北为新疆塔里木盆地的正重力变化区,正、负重力差异运动达130×10-8m·s-2,震中位于该正、负重力变化区之间的重力变化高梯度带附近[11];昆仑山口西MS8.1地震发生后的2000-2002年(图 3),青藏高原主要表现为正重力变化,震区东部和东南部大范围呈现正重力变化区,相对于震前发生最大达150×10-8m·s-2的重力反向变化,可能反映了昆仑山口西8.1级大地震同震重力场调整的响应.
昆仑山口西8.1级地震发生在青藏高原内部重力场变化最剧烈的地区以及重力场发生反向转折变化的时段.
4.2.2 2008 年5 月12 日四川汶川MS8.0 地震(31.0°N,103.4°E)震前(1998-2005年,图 6),印度板块推挤青藏高原至东昆仑断裂带附近,使得青藏高原内部的地壳物质向东扩展以及向东-南东东的运动加强[21],造成高原东南缘的川滇块体呈现大范围的高值重力正异常变化区;四川龙门山及其附近地区可能因为巴颜喀拉块体的南东东向运动加强、受四川盆地阻挡产生挤压隆升而呈现高值重力负异常变化区,尤其是四川北部地区.两异常区的差异变化大于100×10-8 m·s-2,并在四川泸洲-汶川-马尔康一带形成重力变化高梯度带[22-23],汶川8.0 级地震发生在该重力梯度带零值线与龙门山断裂带的交汇部位(图 6),汶川8.0 级地震后(2005-2008 年,图 5),震区及邻近区域重力总的变化趋势(图 5)与2000-2002年及2002-2005年时段的变化趋势(图 3、图 4)相反,表现出强烈的震后反向变化,其中,川滇块体由上一期的正值变化急剧转为负值变化,重力差异运动达110×10-8 m·s-2多,成都以东的四川盆地重力正值变化较为平缓.
汶川8.0地震发生在泸洲-汶川-马尔康重力变化高梯度带零值线与龙门山断裂带的交汇部位(图 6).
4.2.3 2008年3月21日于田MS7.3地震(36.0°N,80.0°E)震前(2002-2005年,图 4),中国大陆西部北纬35°线附近自西南向东北重力变化由60×10-8 m·s-2逐渐减少到-40×10-8 m·s-2,正、负异常区的差异变化量达100×10-8 m·s-2,并在新疆于田-和田一带形成重力变化梯度带.于田地震发生在这一重力变化正、负异常高梯度带上的零值线与西昆仑断裂-阿尔金断裂交汇部位附近(图 4),于田7.3级地震可能是2005 年10 月巴基斯坦7.8 级地震后,喜马拉雅碰撞构造带西段(帕米尔构造结及其附近)向北推挤活动造成区域构造变动响应的结果[24],而震前的断裂带变形与蠕动可能是区域重力场变化的重要原因之一,于田7.3 级地震后的2005-2008年,新疆于田-和田一带形成大范围的重力正值变化异常区(图 5),可能是强烈同震响应的表现.
于田地震发生在重力变化正、负异常区高梯度带上的零值线与西昆仑、阿尔金两断裂带的交汇部位附近.
4.2.4 2010年4月14日玉树MS7.1地震(33.2°N,96.6°E)震前(2005-2008年,图 5),川滇块体重力发生剧烈的负值变化,青藏块体重力发生正值变化,其中,青海玉树地区的重力正值变化最大,达100×10-8m·s-2,并在玉树震中附近形成与甘孜-玉树断裂走向基本一致的重力变化高梯度带,玉树震中位于重力变化异常区伴生的重力变化高梯度带与巴颜喀拉活动地块南边界的甘孜-玉树断裂带的交汇地区[25].
甘孜-玉树断裂走向北西西-北西,与鲜水河断裂共同组成巴颜喀拉地块的南边界,该地块的北边界为东昆仑断裂带(2001 年发生昆仑山口西8.1级地震),东边界为龙门山断裂带(2008年发生汶川8.0级地震).2001 年昆仑山口8.1 级和2008 年汶川8.0级地震孕育发生和震后恢复调整,对青藏高原区域重力场动态变化和2010 年玉树7.1 级大震的孕育发展具有重要影响[25](图 7).
4.2.5 2003年2月24日伽师MS6.8地震(39.5°N,77.2°E)1998-2000年(图 2),塔里木盆地出现70×10-8m·s-2的重力正值异常区及重力变化高梯度带,梯度带展布分别与柯枰断裂和南天山断裂构造带(塔里木盆地与天山的过渡地带)的走向一致,伽师6.8级地震发生在重力正异常区的重力变化高梯度带西端的向北转折处.重力变化主要是塔里木盆地下降及孕震区断层的震前蠕动引起的[12].2000-2002年(图 3),塔里木盆地与南天山地区重力场部分反向变化,时间上,伽师6.8级地震发生在重力反向变化的过程中.
4.2.6 2008年西藏改则6.9级地震和仲巴6.8级地震西藏连续发生2008年1月改则MS6.9(32.5°N,85.2°E)、8月仲巴MS6.8(31.0°N,83.6°E)地震.地震之前的2002-2005 年(图 4),拉萨的东、西两侧出现负、正重力异常变化区及重力变化梯度带,正、负重力异常区的差异变化量达90×10-8m·s-2以上.改则、仲巴两次地震均发生在重力正异常区向负异常过渡的重力变化梯度带附近.
4.2.7 2002年吉林汪清7.2级地震吉林汪清2002 年6 月发生MS7.2(43.6°N,130.8°E)级地震,其震源深度约为540km, 属深源地震.震前的1998-2000 年(图 2)和2000-2002年(图 3),汪清及其附近地区连续出现较大范围的重力正值变化异常区,汪清7.2 级地震发生在正重力变化区的局部梯度带上,可能与太平洋板块的深俯冲引起的挤压致密作用有关.
5 结论与讨论中国大陆重力场静态变化结果,许多学者都做了不少研究,但对动态变化结果目前还很少研究.网络工程获得的如此大范围的重力变化在国际上也是实属罕见.网络工程开展的绝对重力测量和相对重力联测构成的我国大陆大范围内统一的重力场观测系统,可获取与地壳运动密切关联的重力场时空变化.
(1) 中国大陆重力场的时空动态演化特征较好地反映了中国大陆Ⅰ 级活动地块运动态势及其与MS6.8级大震孕育发生的关系.地震大都发生在活动板块的边界或活动断裂带上.构造活动断裂带由于其差异运动强烈而构造变形非连续性最强,易产生急剧的重力变化,最有利于应力的高度积累而孕育地震.地震活动与重力场变化空间上分布的不均匀性和时间上的不连续性息息相关,主要表现为中国大陆MS6.8 级以上强震主要发生在重力场变化分布差异较为剧烈的地区和重力变化发生转折的时段.
(2) 网络重力资料对中国大陆2000年以来发生的4次7级以上大震均有较好反映.2001年昆仑山口西8.1级地震前,震中区及其附近出现明显的大范围区域性重力异常变化及其伴生的重力变化高梯度带,揭示了区域应力积累的程度和所在地区.2008年汶川8.0级和于田7.3 级地震前,震中区及其附近观测到明显的区域性重力异常及重力变化高梯度带,这可能是地震孕育过程中观测到的重力前兆.根据重力资料显示的异常变化,笔者对汶川8.0 级和于田7.3级地震进行了较为准确的中期预测[23-24].尤其是汶川地震地点的预测,预测震中在汶川震中的东北,映秀与北川两个极震区之间,离中国地震台网测定的汶川8.0级震中相距不到75km[23].
(3) 大地震一般发生在具有显著重力变化的构造活动断裂带上,在重力变化平缓的地区始终没有MS6.8级以上地震发生.由于孕震构造环境的差异,不同地震的重力变化响应具有明显差异.从上述动态变化图像还可以看出,动态重力变化图像也存在有显著重力异常而没有大震发生的现象,如图 5、图 6显示的晋冀蒙地区,该地区的重力变化有待进一步分析研究.
(4) 重力测量作为地震预测研究的学科,其研究能力在很大程度上取决于观测资料的丰富程度.中国大陆区域重力场演化及其与地震活动关系的研究能力,在很大程度上取决于实际监测能力.中国大陆流动重力网由于跨距大,绝对重力基准较少,监测体系的结构和能力仍存在以下问题:① 绝对重力控制点较少,获得的中国重力场动态变化图在绝对重力控制较弱的地区会发生一定的畸变.② 对7 级以上大震有较好的监测能力,但对6 级左右至7 级地震,因测点太稀而分辨能力不足,不能完整地给出强震活动引起的重力场变化图像[26].应在中国大陆强震多发区,加强重力观测(增加绝对重力控制,缩短点距和观测周期等),进一步提高中国大陆重力基本网监测能力.
致谢本文研究过程中与中国地震局地震预测研究所闻学泽研究员进行了多次有益的讨论,两位审稿专家为本文进一步完善提出了合理化建议,在此一并表示感谢.湛飞并感谢武汉大学和长江学者奖励计划的支持.
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