2017年8月8日，四川省阿坝州九寨沟县发生M_S7.0地震，震源深度约20 km，震中位于塔藏断裂、岷江断裂和虎牙断裂附近，此地震为一次走滑型为主事件.九寨沟M_S7.0地震是继2008年汶川M_S8.0大地震和2013年芦山M_S7.0地震后在四川境内发生的又一次强烈地震.九寨沟地震前，中国地震局在南北地震带开展过多期流动重力观测，观测到了震中附近明显的重力异常变化, 并对2017年九寨沟地震作了一定程度的中期预测.笔者在中国地震局第二监测中心2016—2017年地震趋势研究报告“中国大陆及重点区域重力场动态变化综合分析”一节中指出，甘青川地区出现了重力剧烈变化及四象限分布特征，重力升、降差异达100×10^-8m·s^-2以上，甘肃迭部、玛曲、夏河，青海河南蒙古族自治县、玛沁、同德，四川若尔盖、九寨沟一带(震中位置在34.7°N, 101.9°E附近)有6~7级地震发生的可能.可以看出，基于流动重力观测分析做出的中期预测，与九寨沟M_S7.0地震(33.2°N，103.82°E)对应较好，尤其是在地点的预测上，明确提到四川若尔盖、九寨沟一带.在此之前的相关研究也表明，基于流动重力观测资料曾对南北地震带2008年四川汶川M_S8.0、2013年四川芦山M_S7.0和2013年甘肃岷县漳县M_S6.6地震及2016年青海门源M_S6.4等多次强震/大震做出了一定程度的中期预测(祝意青等, 2008, 2013, 2014, 2016).近年来，已有许多研究成果表明，时变重力场异常是与地震孕育发生相关的可靠性前兆异常之一，特别是对于6级以上地震的孕震过程，重力异常变化十分明显，是可靠的前兆物理参数之一(顾功叙等，1997；Kuo et al., 1999；Zhu et al., 2010; Li et al., 2011; Chen et al., 2016).因此，系统深入分析南北地震带重力观测资料，进而对九寨沟M_S7.0地震前重力场时空动态演化特征与规律、地震孕育发生过程中的前兆表现有一个较为客观的认识，这有助于地震中短期预测研究.

南北地震带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, 使这里成为国内外地学专家研究的热点.为监测南北地震带地壳运动变化、发现可能的地震中短期前兆，中国地震局第二监测中心、四川地震局和甘肃地震局等单位自20世纪80年代分别在该地区建立了独立的地震重力监测网(祝意青等, 2001, 2009)，2008年汶川地震后，中国地震局加强流动重力观测，对南北地震带进行优化改造，通过不断的优化与整合，2014年形成了目前的南北地震带整体重力监测网(图 1)，本文主要分析2014年以来该地区的重力场变化.

图 1

Fig. 1

图 1 南北地震带重力测量路线及构造略图 Fig. 1 The gravity surveying route and tectonic outline of the North-South earthquake belt in China

本研究区域：100°E—107.5°E、29.5°N—37.5°N.相关流动重力观测网线布局如图 1所示, 联测了南北地震带地区的6个绝对重力站(西宁、兰州、天水、松潘、郫县、姑咱).绝对重力测量工作由国家测绘地理信息局第一大地测量队和中国地震局地震研究所采用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^-8m·s^-2(何志堂等，2014；邢乐林等，2016).相对重力联测由中国地震局第二监测中心、中国地震局地球物理勘探中心和四川地震局采用Burris及LCR-G型重力仪观测，重力段差联测精度优于10×10^-8m·s^-2.

数据处理：(1) 空间范围由过去的按各省区地震重力网独立计算，完善为本文的按南北地震带进行区域性的整体平差计算分析；(2) 绝对重力观测资料与同期的流动重力观测相结合，获取南北地震带以绝对重力为基准的区域重力场的动态变化；(3) 绝对重力资料处理和相对重力资料处理中均作了相关的改正(祝意青等, 2013, 2016)，利用绝对重力控制解算的重力平差计算结果较好，2014—2017年的点值平均精度在8.2×10^-8~9.3×10^-8m·s^-2之间，反映南北地震带重力观测资料质量可靠；(4) 用最小二乘配置对研究区域内数据进行拟合推估，绘制研究区域的重力场时空动态演化图像.

对2014年以来南北地震带获得的多期重力资料，进行准同期观测的年际重力场动态变化分析(图 2a、2b、2c).

图 2

Fig. 2

图 2 南北地震带不同时段的重力场动态变化图像（单位：10-8m·s-2） （a）2014-04-2015-04；（b）2015-04-2016-04；（c）2016-04-2017-04；（d）2014-04-2016-04；（e）2015-04-2017-04；（f）2014-04-2017-04. Fig. 2 Dynamic image of gravity field in different periods of North-Souh earthquake belt (Contours are in 10-8m·s-2)

(1) 2014年4月—2015年4月期间(图 2a)，测区南部的康定、雅安附近出现了一对范围较大的+40×10^-8m·s^-2和-50×10^-8m·s^-2变化的局部重力异常区，并沿鲜水河断裂带出现重力变化高梯度带，2014年11月康定6.3级(震中位置：30.3°N，101.7°E)发生在鲜水河断裂带南段重力变化高梯度带上，重力变化对这次地震有较好的反映(Zhu et al., 2015)；测区中部的川甘青交界地区，重力变化自南向北出现由负向正的趋势性变化，并在马尔康、九寨沟、武都一带出现重力变化梯度带；测区中北部的甘青交界出现一正一负重力变化异常区，并沿青海河南蒙古族自治县、甘肃夏河一带出现重力变化梯度带.

(2) 2015年4月—2016年4月期间(图 2b)，测区南部的康定、马尔康一带出现－50×10^-8m·s^-2变化的局部重力异常区，康定附近的重力变化由上期的正值变化转为负值变化，这可能是康定6.3级地震后反向恢复的反映；测区中北部的甘青川交界一带重力变化剧烈，重力变化出现四象限分布特征，四象限变化中心位于青海河南蒙古族自治县附近，重力差异运动达90×10^-8m·s^-2以上，九寨沟震中附近重力变化较为平缓.

(3) 2016年4月—2017年4月期间(图 2c)，整个测区出现了一个贯通南北的重力正值变化异常区，测区南部重力正值变化量值高、范围广，向北逐渐收缩，在九寨沟和玛曲附近急剧收缩为鞍状.测区南部的川西地区重力变化剧烈，沿马尔康、汶川、雅安一带出现重力变化高梯度带.测区中北部以迭部、合作为中心出现直径大于300 km范围的重力变化异常区及其伴生的重力变化高梯度带，九寨沟地震发生在若尔盖—九寨沟—岷县重力变化高梯度带的转弯部位，重力变化对这次九寨沟地震有较好的反映.

分别绘制了2年尺度区域重力场的滑动累积变化和3年尺度的区域重力场累积变化图像(图 2d、2e、2f)，分析不同时段的区域重力场累积变化特征.

(1) 2014年4月—2016年4月期间(图 2d)，重力变化自南向北由负向正的趋势性变化过程中出现了2个比较显著的局部重力异常区，一是测区南部鲜水河断裂带附近出现一正一负重力变化异常区，并沿鲜水河断裂带出现重力变化高梯度带，2014年11月康定6.3级地震发生在鲜水河断裂带南段重力变化高梯度带上；二是测区中部沿北西西向构造出现一条约500 km长的重力变化高梯度带，九寨沟地震发生在与迭部—白龙江断裂及塔藏断裂走向一致的重力变化高梯度带上、九寨沟局部重力异常区附近.

(2) 2015年4月—2017年4月期间(图 2e)，自四川康定至青海西宁东部出现直径大于600 km范围的重力变化异常区及其伴生的重力变化高梯度带，并以若尔盖为中心出现重力变化四象限分布特征，九寨沟7.0级地震发生在四象限中心东侧、与南北向岷江断裂走向基本一致的重力变化梯度带上；测区南部的汶川、雅安一带重力变化剧烈，该区曾发生2008年汶川8.0级和2013年雅安7.0级地震.

(3) 2014年4月—2017年4月期间(图 2f)，3年尺度的重力累积变化非常显著，总体态势表现为自西向东由正向负的趋势变化，变幅在-50×10^-8~+70×10^-8m·s^-2之间.其中，测区西部出现贯穿南北的区域性重力异常及其伴生的重力变化高梯度带，并在玛曲及九寨沟等地区产生可能与地震孕育发生有关的多点局部重力异常区(马瑾等，2007；陈运泰等，2013).此次九寨沟地震发生在沿近南北向岷江断裂以及沿北西西向塔藏断裂带出现的重力变化高梯度带的转弯处附近，在玛曲和九寨沟一正一负重力变化异常区过渡带之间的重力高梯度带上，重力变化零值线附近，这与已有研究关于强震中期危险区位置与重力异常区关系的认识基本一致(祝意青等, 2009, 2013, 2014；Liang et al., 2016)，即强震一般发生在重力变化的局部异常、高梯度带以及梯度带的拐弯部位.

为了分析研究九寨沟地震前区域重力场的短期前兆变化特征，我们绘制了地震前半年尺度的区域重力场差分动态变化图像(图 3).分析图 3表明：

图 3

Fig. 3

图 3 九寨沟地震前重力场差分动态变化图像(单位：10-8m·s-2) (a) 2016-04—2016-10；(b) 2016-10—2017-04. Fig. 3 Difference dynamic image of gravity field before Jiuzhaigou earthquake (Contours are in 10-8m·s-2)

(1) 2016年4月—2016年10月期间(图 3a)，区域重力场自南向北出现由正向负的趋势性变化，重力变化在-50×10^-8~+30×10^-8m·s^-2之间，在四川若尔盖、九寨沟及甘肃天水—平凉一带分别出现+30×10^-8m·s^-2和+50×10^-8m·s^-2的重力变化局部异常区；在西宁—兰州一带出现的-50×10^-8m·s^-2的重力变化局部异常区朝南发展、在岷县附近急剧收缩；测区中部出现的一条横跨整个区域的重力变化高梯度带在岷县附近发生剧烈弯曲，并在迭部、武都附近产生与迭部—白龙江断裂及塔藏断裂走向一致的重力变化高梯度带，九寨沟地震发生在与北西西向塔藏断裂走向基本一致的重力变化梯度带的转弯部位.

(2) 2016年10月—2017年4月期间(图 3b)，整个测区出现了贯通南北的重力正值变化异常区，以北纬32°为界(即以马尔康、广元为界)，测区南部重力正值变化东西范围长，测区北部重力变化南北范围长，重力变化在九寨沟和玛曲附近急剧收缩为鞍状，形成显著的鞍状重力变化特征；九寨沟、玛曲地区由上期的正值变化转为重力负值变化异常区，出现与上期(图 3a)反向的变化特征，并产生局部重力异常区及其伴生的重力变化高梯度带，九寨沟地震发生在重力变化等值线畸变、弯曲的鞍部附近.

分析1年尺度的区域重力场动态变化图像可以发现，2014年4月—2015年4月期间(图 2a)，自南向北出现由负向正逐渐增加的趋势性变化过程中于九寨沟震中区附近出现重力变化异常区及重力变化梯度带的转折；2015年4月—2016年4月期间(图 2b)，甘肃迭部、四川若尔盖地区重力变化由上期正值变化转为负值变化，九寨沟地震震中及其附近的重力变化较低；2016年4月—2017年4月期间(图 2c)，整个测区出现大范围的重力异常变化，并在九寨沟地震震中附近出现局部重力异常及其伴生的重力变化高梯度带，九寨沟M_S7.0地震发生在松潘—九寨沟—岷县重力变化高梯度带上.1年尺度的重力场动态图像较好地反映了九寨沟地震孕育发生过程中震中附近的重力场变化过程，即由“趋势性重力异常变化→低值变化→大范围重力变化异常区及重力变化高梯度带”的演化过程.

分析区域重力场累积动态变化图像可以看出，南北地震带2年以上尺度的重力场动态变化图像均出现了较显著的重力异常变化.2014年4月—2016年4月期间(图 2d)，九寨沟附近出现与北西西向塔藏断裂走向一致的重力变化高梯度带，九寨沟与岷县之间重力差异运动达60×10^-8m·s^-2以上.2015年4月—2017年4月期间(图 2e)，随着离发震时间的临近，九寨沟附近的重力变化高梯度带发生了转折，出现与南北向岷江断裂走向基本一致的重力变化梯度带，九寨沟与玛曲之间重力差异运动达70×10^-8m·s^-2以上.2014年4月—2017年7月期间(图 2f)，震中附近的重力异常变化更为显著，九寨沟与玛曲重力差异运动达90×10^-8m·s^-2以上，该期间重力场变化可分为三级.一级变化为自西向东由正向负的趋势性变化，主要反映九寨沟M_S7.0地震前区域应力场增强引起的大空间尺度重力场的有序性变化；二级变化表现为区域重力场趋势变化中沿巴颜喀拉地块东边界出现的延伸长、变幅大的重力变化梯度带.三级异常变化为沿巴颜喀拉地块东边界的重力变化梯度带附近出现的与九寨沟地震孕育发生有关的局部重力负异常区.九寨沟地震震中位于负重力异常区及与塔藏断裂走向和岷江断裂走向基本一致的重力变化高梯度带交汇处附近、重力变化等值线拐弯的地区，较好地反映了强震中期危险地点与区域重力场的局部异常、高梯度带及其拐弯、交汇部位有关 (Li et al., 2011；Zhu et al., 2015；Chen et al., 2016).

分析地震前区域重力场差分动态图像(图 3)可以发现，2017年8月8日九寨沟地震前震中附近区域重力场出现明显的异常变化.2016年4月—2016年10月期间(图 3a)，测区中部出现一条横跨整个区域的重力变化高梯度带，九寨沟地震发生在重力变化梯度带急剧扭曲部位、与塔藏断裂走向基本一致的重力变化梯度带的转弯处.2016年10月—2017年4月期间(图 3b)，九寨沟地区重力变化与上期(图 3a)反向，重力变化等值线畸变、弯曲、汇交于玛曲、九寨沟附近，并形成鞍部等值线分布特征，九寨沟地震发生在重力变化急剧弯曲的鞍部附近.重力场差分动态演化图像，比较清晰地反映了2017年九寨沟地震发生在重力反向变化过程中，重力变化等值线发生急剧弯曲的鞍部附近.

已有研究表明, 地震震级与重力异常变化的持续时间、幅值及范围密切相关.观测资料积累的时间越长越有利于判断强震发震震级，异常特征幅度越大、持续的时间越长，其对应的震级越大(祝意青等, 2013, 2014).九寨沟地震前甘宁青交界地区1年尺度的重力变化明显，2年以上的累计变化更为显著，这是判定该区发生6~7级强震危险性的主要依据.2017年4月获得新资料以后，中国地震局重力观测技术管理部及时进行资料分析认为，2016年10月—2017年4月期间的短期重力异常变化十分突出，在中国地震台网中心6月份组织的2017年年中全国地震趋势跟踪分析中，进一步提出了甘青川交界地区发震的紧迫性.

重力场变化与活动断裂构造密切相关，在强震孕育发生过程中，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(马瑾等，2007；陈运泰等, 2013；Liang et al., 2013；祝意青等，2014).2017年九寨沟地震发生在巴颜喀拉地块东边界，震中位于2013年四川芦山7.0级地震和甘肃岷县漳县6.6级地震之间，芦山7.0级地震和岷县漳县6.6级地震与本次地震有较好的构造关联，它们的发生可能对九寨沟地震具有一定的促震作用.强震发生对周围断层影响的数值模拟也表明，芦山地震的发生造成岷江断裂、塔藏断裂等不同程度的应力增加(李玉江等，2014).九寨沟地震发生在塔藏断裂和岷江断裂附近，这两条断裂是该地区的主要控制断裂.受青藏高原内部地壳物质向东扩展作用的影响(滕吉文等，2008；闻学泽等，2009；江在森等，2009；申重阳等，2009)，川西高原及邻区存在深部壳、幔物质运移深层次的物质与能量的交换和动力作用，即深部壳、幔边界与上地幔物质和能量在进行强烈交换，引起活动断层物质变迁和构造变形，九寨沟震中附近先后出现与塔藏断裂和岷江断裂走向基本一致重力变化高梯度带，说明震前断层的活动引起地表重力场发生了相应的变化.九寨沟地震发生在与塔藏断裂和岷江断裂构造活动有关联的重力变化正、负异常区过渡的高梯度带上，重力变化等值线的拐弯部位.

本文从重力场动态变化的角度，分析研究了2017年四川九寨沟M_S7.0地震前区域重力场动态变化特征与规律，获得的主要认识有：

(1) 南北地震带重力网的流动重力观测资料显示，2017年九寨沟地震前出现了较好的中期前兆性变化图像，即区域重力场变化既呈现大尺度空间范围的有序性又有相对小尺度的局部集中性(图 2f)，九寨沟地震发生在重力变化负异常区及沿巴颜喀拉地块东边界出现的重力变化高梯度带上.2008汶川地震、2013芦山地震之前也出现了这种类似现象(祝意青等, 2008, 2013).

(2) 年际尺度的重力场动态图像较好地反映了九寨沟M_S7.0地震前震中附近的重力变化，是一个由“趋势性重力异常变化→低值变化→大范围重力变化异常区及重力变化高梯度带”的系统演化过程.地震前的重力场差分动态演化图像，比较清晰地反映了2017年四川九寨沟地震发生在重力反向变化过程中，重力变化等值线发生急剧弯曲的鞍部附近.

(3) 2017年九寨沟地震发生在具有显著重力变化的塔藏断裂和岷江断裂附近，这两条断裂与本次地震有较好的构造关联.

(4) 流动重力资料对2017年九寨沟7.0级强震震中地点的判定，进一步证实区域重力场观测对未来强震震中位置的判定具有独到的优势.

南北地震带流动重力测量人员精心观测获得了高质量资料, 闻学泽研究员为本文的完善提出了中肯建议，匿名审稿专家提出了宝贵意见，在此一并致谢.