川滇地区地处青藏高原东南部，是中国大陆地壳运动最强烈、地震活动频度最高、强度最大的地区之一.特殊的构造部位和强烈而频繁地震活动，以及地震与构造的各种典型而复杂的关系，使这里成为研究地壳运动变化及其与地震活动规律关系的热点地区.为了监测川滇地区地壳运动变化、发现可能的地震中短期前兆，四川和云南地震局自20世纪80年代分别在该地区建立了川西和滇西地区地震重力监测网.以往的监测研究都是针对各单位独立监测网进行的(Zhu et al.，2011;徐云马等，2008)，这种按各个省区监测网进行的分散研究，由于观测信息的空间密度严重不足，所得到的信息是残缺不全的，不能捕捉到川滇地区孕震过程中出现的完整前兆信息，这直接制约着我们进行地震分析预报的能力(祝意青等，2004；Zhu et al.，2011;徐云马等，2008).2008年中国大陆发生四川汶川8.0级巨大地震，造成数万人死亡和巨大经济损失.汶川地震后，中国地震局通过震后总结与反思，认为重力观测资料在震前提出的危险性预测意见基本符合地震三要素预测的要求(祝意青等，2008；Zhu et al.，2010).因此，汶川地震后，中国地震局进一步加强了流动重力观测工作，2011年起四川和云南地震局分别对各自的重力监测网进行了优化改造，并对两个省局自成体系的重力测网进行有效连接，形成新的川滇地区整体重力监测网.新的重力联测路线覆盖了川滇地区主要的活动构造带龙门山、鲜水河、安宁河断裂带和川滇菱形块体的活动断裂带(图 1)，测网图形的控制能力较强，能够监测川滇地区的主要构造带的活动，并可以辐射到邻近区域.

图 1

Fig. 1

图 1 川滇地区重力测量路线、区域构造与地震活动示意图 Fig. 1 Sketch map of gravity monitoring network and tectonic structure and earthquake activity in Sichuan-Yunnan region

本文主要对2011年以来，川滇地区的重力观测资料，结合区域水准、GPS测量资料与活动构造分析，探讨地面重力变化与地壳运动及构造活动和强震孕育发生的关系，这有助于该地区地震危险性研究.

本文研究的川滇地区，位于99.0°E—105.0°E和23.5°N—32.0°N之间、大体以川滇菱形块体为中心的区域.自2011年对该地区进行流动重力观测优化改造以来，在测区内及其附近已连续发生2012年9月云南彝良5.7级、2013年4月四川芦山7.0级、2014年8月云南鲁甸6.5级和11月四川康定6.3级等破坏性地震(图 1).研究区的相对重力联测由四川地震局测绘工程院和云南地震局形变测量中心联合完成，每个测量小组采用2台高精度重力仪作业.每年观测2期，每期的测量路线和测量点重合，复测时间相对固定在同季节进行，以便尽量减少不同季节的水文等影响；重力联测的段差精度均优于10×10^-8 m·s^-2.

对资料的处理：①采用《LGADJ》程序进行拟稳平差，以获得统一起算基准下的重力变化.②平差计算时，先对多期重力观测资料计算结果进行整体分析，初步了解各台仪器的观测精度后，合理确定各台仪器的先验方差，再重新平差计算，以得到最佳合理解算结果(祝意青等，2004; Zhu et al.，2012).③利用统一基准解算的重力平差计算结果较好，2011—2014年的点值平均精度均优于10^-8 m·s^-2.④用Kriging对重力观测数据进行拟合推估，以便突出显示构造因素的重力效应.

芦山地震前的重力变化笔者曾做过研究(祝意青等，2013)，前期的研究是利用川西地区2010—2012年重力资料独立计算分析的，本文的重力场动态变化图像是利用川滇地区2011—2014年重力资料联合计算获得的新研究成果.

对2011年以来川滇地区获得的多期重力资料，进行年际重力场动态变化分析(图 2).

图 2

Fig. 2

图 2 川滇地区年际尺度重力场动态变化图(单位：10-8m·s-2) Fig. 2 Maps of the interannual gravity changes in Sichuan-Yunnan area(Contours are in 10-8m·s-2)

(1)2011年3月—2012年3月期间(图 2a)，测区重力变化比较复杂，川滇地区有三个重力变化显著区，其一，测区南部楚雄附近出现-60×10^-8 m·s^-2的重力变化异常区，重力变化在自南向北由负向正的变化过程中沿元谋、武定一带出现重力变化高梯度带；其二，测区中部的川滇交界地区，重力变化自西向东出现由正向负的趋势性变化，并在巧家、大关附近出现重力变化高梯度带，2012年9月7日云南彝良5.7级地震发生在重力变化高梯度上；其三，康定、雅安以北地区出现了一对范围较大的＋60×10^-8 m·s^-2和－30×10^-8 m·s^-2变化的局部重力异常区，并沿北北西向的马尔康(或称抚边河)断裂带和北东向的龙门山断裂带南段出现重力变化高梯度带(祝意青等，2013).

(2)2011年9月—2012年9月期间(图 2b)，重力变化具有分区特征.其一，测区南部地区重力变化较为复杂，重力变化在-20×10^-8～＋60×10^-8 m·s^-2之间，云南地区仍主要表现为自南向北由负向正的变化；其二，川滇交界地区总体表现为重力正值变化，美姑、大关一带出现自西向东逐渐增加的重力变化高梯度带，重力变化趋势与上期相反，2012年9月云南彝良5.7级(震中位置：27.5°N，104.0°E)发生在重力变化高梯度上，重力场的变化对这次地震有较好的反映.其三，测区北部主要表现为自西向东由负向正的趋势性变化，在康定和都江堰出现一负一正两个局部重力异常区，并沿北北西向的马尔康断裂带及北东向的龙门山断裂带出现重力变化高梯度带，2013年4月20日四川芦山7.0级地震发生于与断裂构造走向基本一致的重力变化高梯度带及梯度带的拐弯部位(祝意青等，2013).

(3)2012年9月—2013年9月期间(图 2c)，研究区以26°N为界(即以洱源、永仁为界)，测区南部地区重力变化较为平缓，重力变化在-40×10^-8～＋10×10^-8 m·s^-2之间，重力变化由上一期的自南向北由负向正的趋势性变化转为由正向负的趋势性变化，出现了一定的反向变化现象.测区北部重力变化较为剧烈，其一，九龙、雅安地区出现了一对范围较大的－60×10^-8 m·s^-2和＋60×10^-8 m·s^-2变化的局部重力异常区，并沿鲜水河断裂带及成都—德阳断裂带出现重力变化高梯度带，2014年11月22日康定6.3级地震发生在沿鲜水河断裂带出现的重力变化高梯度上；其二，攀枝花、大关地区出现了一对范围较大的＋20×10^-8 m·s^-2和－50×10^-8 m·s^-2变化的局部重力异常区，并在西昌至巧家沿则木河断裂带出现重力变化高梯度带，2014年8月3日鲁甸6.5级地震发生在重力变化高梯度带上；其三，以冕宁、西昌为中心重力变化出现四象限分布特征.

(4)2013年9月—2014年9月期间(图 2d)，以26°N为界(即以洱源、永仁为界)，测区南部地区重力变化较为平缓，重力变化在-30×10^-8～0×10^-8 m·s^-2之间，没有明显的规律性；测区北部重力变化较为复杂，重力变化在-20×10^-8～+70×10^-8 m·s^-2之间，重力变化具有以下特征：其一，九龙、冕宁、美姑一带重力变化剧烈，并出现与上期反向的重力变化特征；其二，芦山震中附近出现一正一负的局部重力异常区，并在芦山震中形成重力变化高梯度带；其三，鲁甸地震发生于重力变化异常区伴生的重力变化高梯度带上的零值线附近；其四，康定、九龙、冕宁、西昌、巧家、美姑、石棉一带重力变化非常剧烈，形成多个局部区及四象限变化分布特征.

为了分析研究区较长时段的区域重力场累积变化特征，我们以2011年9月观测资料为时间基准，绘制了2013年9月和2014年9月相对2011年9月的区域重力场累积变化动态图像(图 3).

图 3

Fig. 3

图 3 川滇地区重力场累积变化动态图像(单位：10-8 m·s-2) Fig. 3 Maps showing dynamic changes of gravity relative to 201109 in Sichuan-Yunnan area(Contours are in 10-8 m·s-2)

(1)2011年9月—2013年9月期间(图 3a)，2年尺度的累计重力变化以26°N为界(即以洱源、永仁为界)，测区南部地区重力变化较为平缓，重力变化在-30×10^-8～＋10×10^-8 m·s^-2之间；测区北部重力变化非常剧烈，其一，雅江—九龙、雅安地区出现了一对范围较大的－80×10^-8 m·s^-2和＋40×10^-8 m·s^-2变化的局部重力异常区，并沿鲜水河断裂带、龙门山断裂带南段出现重力变化高梯度带，2013年4月四川芦山7.0级地震发生于与断裂构造走向基本一致的重力变化高梯度带的拐弯部位，2014年11月康定6.3级地震发生于与沿鲜水河断裂带走向基本一致的重力变化高梯度上；其二，攀枝花、美姑地区出现了一对更大的＋40×10^-8 m·s^-2和－50×10^-8 m·s^-2变化的局部重力异常区，并在西昌—巧家—大关沿则木河—小江断裂及昭通—鲁甸断裂带出现重力变化高梯度带，2014年8月鲁甸6.5级地震发生在沿北西向则木河—小江断裂带以及沿北北东向昭通—鲁甸断裂出现的重力变化高梯度带的汇合区附近，即在攀枝花和美姑两个重力正、负变化异常区过渡带之间的重力高梯度带拐弯部位附近；其三，重力变化等值线畸变、弯曲、汇交于安宁河断裂带的冕宁、西昌附近，并形成显著的重力变化四象限分布特征，表现出强烈的左旋走滑引起的重力变化.

(2)2011年9月—2014年9月期间(图 3b)，3年尺度累积重力变化仍以26°N为界(即以洱源、永仁为界)，测区南部地区重力变化较为平缓，重力变化在-40×10^-8～0×10^-8 m·s^-2之间；测区北部重力变化更加剧烈，①出现汶川震中、芦山震中区域局部重力正值变化异常区，这可能是汶川、芦山震后恢复调整的反映.但是，如此强烈的持续恢复调整可能有利于周邻地区未来强震的发生；②鲁甸6.5级地震发生在重力变化异常区伴生的重力变化高梯度带的零值线上，康定6.3级地震发生在鲜水河断裂附近的重力变化高梯度带上；③鲜水河南段断裂两侧重力差异运动显著，重力差异运动达150×10^-8 m·s^-2以上；④康定、九龙、冕宁、西昌、巧家、美姑、石棉一带重力变化非常剧烈，形成多个局部区及四象限变化分布特征；⑤川滇交界的攀枝花附近出现80×10^-8 m·s^-2以上的重力差异运动.

总的来说，川滇地区近年的多时空尺度重力场动态图像均出现了较显著的相对重力异常变化，随着累计时间的增长，震中附近的重力异常变化更为显著.

流动重力测量反映的是区域重力场的非潮汐变化信息，地壳内部的物质迁移、地壳构造和地震的形成过程等都可以在流动重力复测结果中反映出来.研究重力场的时空动态演化特征可为探讨现今的地壳构造与强震孕育、发生的相互联系提供一定的根据(Chen et al.，1979; Imanishi et al.，2004；Kuo et al.，1999).因此，系统而深入地研究区域重力场的动态演化特征，有利于地震预测研究探索.

分析年际重力场动态图像(图 2)可以发现，重力场动态变化对彝良5.7、芦山7.0、鲁甸6.5和康定6.3级地震均有较好的反映.①2012年9月7日云南彝良5.7级地震前测区中部的川滇交界地区，重力变化自西向东出现由正向负的趋势性变化，并在巧家、大关附近出现重力变化高梯度带(图 2a)，地震发生在重力场反向恢复变化过程中，重力变化高梯度上(图 2b)；②2013年4月20日芦山7.0级地震前康定和都江堰出现一负一正两个局部重力异常区，并沿北北西向的马尔康断裂带及北东向的龙门山断裂带出现重力变化高梯度带，芦山7.0级地震发生在重力变化高梯度带拐弯的龙门山断裂带上(图 2b)，重力场反向恢复变化过程中(图 2c)；③2014年8月3日鲁甸6.5级地震前攀枝花、美姑地区出现一正一负两个局部重力异常区，并在西昌至巧家沿则木河断裂带出现重力变化高梯度带(图 2c)，鲁甸M_S6.5地震发生在重力变化等值线拐弯的昭通—鲁甸断裂带附近，重力变化高梯度带上(图 2d)；④2014年11月22日康定6.3级地震前震中附近自西向东出现由负向正的趋势性变化，并沿鲜水河断裂带出现重力变化高梯度带，康定6.3级地震发生在沿鲜水河断裂带出现的重力变化高梯度上、重力变化零等值线附近(图 2c)，临震前出现局部异常变化特征(图 2d).

分析累积重力场动态图像(图 3)可以看出，随着累积时间的增长，川滇地区的重力变化更加复杂和剧烈，累积重力变化更为显著，2013年芦山7.0级、2014年鲁甸6.5级和康定6.3级地震均发生在与构造活动有关联的重力变化高梯度带上，重力变化等值线的拐弯附近.

分析累积重力场变化(图 3)可以看出，川滇地区近期重力变化十分剧烈，表现出了区域构造活动增强引起的大范围的显著重力变化，重力变化具有以下几个特征：一是沿龙门山断裂带南段出现的重力变化异常区及其伴生的重力变化高梯度带上发生了2013年四川芦山7.0级地震，在重力变化剧烈的、沿鲜水河断裂带出现的高梯度带上发生了2014年康定6.3级地震；二是2014年鲁甸6.5级地震震中位于正、负重力异常区伴生的与昭通—鲁甸断裂带走向基本一致的重力变化高梯度带上、重力变化等值线拐弯的地区；三是重力变化等值线畸变、弯曲、汇交于安宁河断裂带的冕宁、西昌附近，并形成显著的重力变化四象限分布特征，表现出强烈的左旋走滑引起的重力变化(祝意青等，2014，2015)；四是川滇交界的攀枝花附近出现了一定的重力差异运动.

分析地表重力变化对深部物质运动信息的反映，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的影响，每抬升(或下降)1 cm，将引起测点约3.086×10^-8 m·s^-2的下降(或上升)重力变化.目前高精度垂直运动观测主要通过水准观测来获取，但因其观测周期长，与重力观测不同步，故只能利用有关水准测量成果粗略估算地表垂直运动对重力变化的影响(申重阳等，2009).1970—2011年期间垂直形变速度场图(图 4)表明，相对于稳定的华南地台，川滇地区现今总体上呈现差异性的隆升运动(郝明，2012；王双绪等，2013).其中：①四川盆地表现为-2.0～1.0 mm·a^-1的下降运动.②龙门山断裂带西部高原地区处于快速隆升阶段，速率达2 mm·a^-1以上，尤其是龙门山断裂带东、西两侧垂直差异运动显著，2013年芦山7.0级地震就发生在龙门山断裂垂直差异运动高梯度带上.③川滇菱形地块及其附近的垂直差异运动表现为西北部的上升运动明显大于东南部，其隆升最为显著的贡嘎山上升速率达5 mm·a^-1；在鲜水河断裂带上发生的2014年康定6.3级地震震中附近隆起速率为4 mm·a^-1；鲜水河断裂南段与安宁河断裂两侧垂直差异运动最为显著，形成垂直差异运动高梯度带，该地区也是重力场变化最为剧烈的地方.总的来说，川滇地区垂直形变年速率不超过6 mm·a^-1，地表垂直运动对年际重力变化的贡献一般低于2×10^-8 m·s^-2，对2至3年的累积重力变化来说，垂直运动对其影响一般在观测精度范围内.因此，图 2和图 3所展示的重力场变化主要反映了地壳深部介质密度变化效应和物质运动过程.

图 4

Fig. 4

图 4 川滇地区垂直形变速率(1970—2011)(单位：mm·a-1) Fig. 4 Map of vertical deformation velocities in Sichuan-Yunnan area for the period from 1970 to 2011 (Contours are in mm·a-1)

GPS测量显示，由于青藏地块东部向东推挤华南地块，GPS站速度矢量呈现明显的南北分异. 川滇菱形地块的侧向挤出滑移变形，使得川滇地区差异运动显著(江在森等，2009；王双绪等，2013).在鲜水河与龙门山断裂的北侧，GPS水平运动偏向北东；在川滇菱形块体内部，GPS水平运动偏向南东.重力变化也表现为：在鲜水河与龙门山断裂的北侧呈现自南西向北东由负向正的重力变化；在川滇菱形块体内部呈现自北西向南东由负向正的重力变化(图 3).即沿GPS水平运动的方向重力增加，说明重力变化受地下致密作用(密度增加)比地表隆升作用更占优势地位(申重阳等，2009).由2011—2014年面膨胀率分布(图 5)进一步反映出川滇地区呈现挤压收缩的特征，在龙门山断裂带的中北段面收缩率达到峰值(-70×10^-9a^-1)，沿鲜水河断裂南段和安宁河断裂带走向在川滇块体内部向东呈现出面收缩率逐渐降低的趋势，在滇西的丽江、洱源、大理、姚安一带则存在一定的膨胀拉张变形，面膨胀率最大达20×10^-9a^-1.

图 5

Fig. 5

图 5 川滇地区面膨胀率分布(2011—2014)(单位：10-9a-1) Fig. 5 Distribution of surface expansion rate in Sichuan-Yunnan area for the period from 2011 to 2014 (unit: 10-9a-1)

为便于对比分析川滇地区重力和GPS观测反映的面应变情况，我们把2011—2014年期间准同步观测的重力变化与面膨胀率绘制在同一张图上，将重力变化等值线标示在面膨胀率彩色图上，得到较为直观的重力变化和面膨胀率变化图像(图 6).

图 6

Fig. 6

图 6 川滇地区重力变化(等值线表示，单位：10-8m·s-2)与面膨胀率(色标表示，单位：10-9a-1)对照图 Fig. 6 The comparisons between the gravity changes (contours, unit: 10-8m·s-2) and the surface expansion rate (color bar: unit: 10-9a-1) in Sichuan-Yunnan area

分析对比图 6所示的川滇地区2011—2014年期间的重力变化与面膨胀率图像可以看出，重力上升变化强烈的地带面收缩率也显著(图 6中的蓝、绿色范围)，二者具有一定的共生性特征(如： 区域北部的龙门山附近，区域中南部的川滇交界的攀枝花至巧家附近等)；同样，在重力下降变化地带呈现面膨胀(如：川滇菱形块体南部的洱源—姚安—峨山一带).这些反映了青藏高原东缘物质东流的动力环境下(滕吉文等，2008)，龙门山断裂带地壳受挤压隆起、地下物质密度增加形成的重力上升变化特征最为显著，其次为鲜水河断裂南段——安宁河—则木河断裂附近的挤压隆升与重力变化高梯度带.

综合上述分析认为，川滇地区近期显著的重力变化是该地区深部壳、幔物质运移作用(滕吉文等，2008；祝意青等，2009；陈运泰等，2013；李德威等，2013)下引起的地表重力变化效应.芦山7.0、鲁甸6.5和康定6.3级等强震后，鲜水河断裂南段、安宁河、则木河—小江断裂带地区仍存在显著的重力异常变化，说明芦山、鲁甸和康定地震的发生并没有显著地缓解该地区的强震危险性.2014年鲁甸6.5级地震发生在安宁河—则木河—小江断裂东侧北东向昭通—莲峰断裂内(闻学泽等，2013)，与发生过芦山7.0级地震破裂的龙门山断裂带和康定6.3级地震的鲜水河断裂带南北呼应.2013年芦山7.0级、2014年鲁甸6.5级和康定6.3级地震的相继发生可能进一步增加鲜水河断裂南段、安宁河、则木河—小江断裂带地区的地震危险性.闻学泽(2000)，闻学泽等(2008)通过综合分析区域地震活动图像随时间的演变、沿断裂的历史强震背景以及精定位的小震时-空分布特征，结合已有的地震活动性参数(易桂喜等，2004)分析结果认为，冕宁以北段和冕宁—西昌段具有强震或大地震的中-长期潜势.近期重力变化和GPS及水准观测成果表明，冕宁—西昌地区是重力变化四象限分布特征的中心地带，也是面膨胀率变化过渡带和垂直形变高梯度带的地区.已有研究表明，强震易发生在与构造活动有关联的重力变化四象限中心地带或正、负异常区过渡的高梯度带上(Zhu et al.，2015)，也易发生在沿活动性断裂的断块垂直差异运动强烈或兼有强走滑运动的地方(江在森等，2009；郝明，2012).因此，2013年芦山7.0级、2014年鲁甸6.5级和康定6.3级地震的相继发生有可能在重力变化四象限分布特征的中心地带冕宁—西昌地区及其附近触发另一个强震/大震，该地区具有7级大震中-长期危险性.

通过对重力观测资料的整体平差计算，本文系统研究了川滇地区2011年以来的重力场演化图像，并初步分析了重力场的异常变化与构造活动、未来强震危险性的关系.主要结果如下：

(1)近年来，川滇地区重力变化剧烈，出现多个局部重力变化异常区以及与主要活动断裂带展布基本一致的重力变化高梯度带和重力变化四象限分布特征，反映该地区出现了显著的重力异常变化.

(2)沿鲜水河—安宁河断裂带的西侧发生大幅度的相对重力负值变化、其东侧出现相对重力正值变化，断裂带两侧的重力差异运动达150×10^-8 m·s^-2以上；沿则木河—小江断裂西侧发生较大幅度的相对重力正值变化、其东侧出现相对重力负值变化，断裂带两侧的重力差异运动均达100×10^-8 m·s^-2以上；反映沿鲜水河—安宁河—则木河—小江断裂带的构造活动显著，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，有利于应力的高度积累而孕育强震.

(3)2013年芦山7.0级、2014年鲁甸6.5级和康定6.3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，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，笔者及其合作者在芦山7.0级、鲁甸6.5级和康定6.3级地震前¹⁾曾进行了一定程度的中期预测(祝意青等，2013，2015).

1)中国地震局第二监测中心2012—2014年度地震趋势研究报告重力专题报告.

(4)重力场动态变化对强震的地点预测具有重要指示作用，可为未来强震/大震的中期预测提供震例经验和参考.强震易发生在重力变化正、负异常区过渡的高梯度带上，重力变化四象限分布特征的中心附近.近期重力异常的分析反映：重力变化四象限分布特征的中心地带冕宁—西昌地区及重力变化剧烈的攀枝花—元谋地区存在中-长期尺度的强震/大震风险.