地球物理学进展  2015, Vol. 30 Issue (5): 1990-1994   PDF    
引用本文
姜永涛, 张永志, 王丽美, 高春春, 杨杰. 2015. 川滇地区重力场特征及其与区域强震的关系[J]. 地球物理学进展, 30(5): 1990-1994, doi: 10.6038/pg20150502  
JIANG Yong-tao, ZHANG Yong-zhi, WANG Li-mei, GAO Chun-chun, YANG Jie. 2015. The characteristics of gravity fields in Sichuan-Yunnan region and its relationship with regional earthquakes. Progress in Geophysics, 30(5): 1990-1994, doi: 10.6038/pg20150502   
川滇地区重力场特征及其与区域强震的关系
姜永涛1,2, 张永志2, 王丽美1, 高春春1, 杨杰1     
1. 南阳师范学院 环境科学与旅游学院, 南阳 473061;
2. 长安大学 地质工程与测绘学院, 西安 710000
收稿日期: 2014-12-12 修回日期: 2015-06-06.
基金项目: 国家自然科学基金项目(41374028,41274083,41304013)和国土资源大调查项目(1212010914015)联合资助.
作者简介: 姜永涛, 男, 1985年生, 博士, 南阳师范学院教师, 主要从事重力与地壳形变研究.(E-mail: 1212203jiang@sina.com)
摘要: 本文利用最新超高阶重力场模型EIGEN-6C2、全球DEM模型 topo_15.1.img和地壳模型CRUST1.0等数据,研究了川滇地区的不同类型的静态重力场(自由空气重力异常、布格重力异常和剩余均衡重力异常)分布特征,探讨了区域强震与静态重力场之间的关系.整体上看,川滇地区自由空气重力异常FA与地形镜像关系明显,说明地形效应对重力场影响较大；由于扣除了地形效应,区域布格重力异常格呈现西北低、东南高的特征,总体反映了川滇地区地壳厚度变化的基本格局,并在此之上,叠加了各种强度不等的局部异常；利用Parker方法正演了Moho起伏引起的地表重力变化,将其从区域布格重力异常中扣除,得到反映地表密度分布的剩余重力异常.通过对比2000年以来发生的区域大震震源机制与不同静态重力场分布特征可知,逆冲/正断型地震(如汶川地震、芦山地震)往往发生在静态重力异常的高梯度带上,而走滑型地震(如玉树地震、鲁甸地震)发生在重力异常变化较为平稳的区域,这可能与断裂的性质及其所处构造环境有关.
关键词: 重力场模型     川滇地区     布格异常     剩余重力异常     强震    
The characteristics of gravity fields in Sichuan-Yunnan region and its relationship with regional earthquakes
JIANG Yong-tao1,2, ZHANG Yong-zhi2, WANG Li-mei1, GAO Chun-chun1, YANG Jie1     
1. School of Environment Science and Tourism, Nanyang Normal University, Nanyang 473061, China;
2. School of Geology Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an 710000, China
Abstract: Using the newly ultrahigh order gravity field model EIGEN-6C2, the global DEM model topo_15.1.img and the crust model CRUST1.0, we calculate three kinds of static gravity fields (Free-air gravity anomaly, Bouguer anomaly and residue gravity anomaly) of Sichuan-Yunnan region, and study the relationship between these gravity fields and regional earthquakes. As a whole, the Free-air gravity anomaly has a clear mirror-image relation with regional topography, which means that the regional topography has a big effect on Free-air gravity anomaly. By subtracting the topography gravity effect from Free-air gravity anomaly, we get the Bouguer anomaly of Sichuan-Yunnan region, which presents a characteristic of the lower northwest higher southeast; And the Bouguer anomaly basically reflect the crustal thickness changes of Sichuan-Yunnan region, which be superposed of the intensity of various range of local anomalies. Based on the Parker method we calculate the gravity effect of regional Moho discontinuity, by subtracting it from regional Bouguer anomaly, we get the residue gravity anomaly, which can reflect the density difference of crust in Sichuan-Yunnan region. By comparing the patterns of these gravity fields with the earthquakes source mechanism which occurred after the year 2000, we found that, the thrust or normal type of earthquakes are likely to break on the high gradient zone of three kinds of static gravity fields, and the strike-slip type of earthquakes are likely to break on the smooth and steady area static of gravity fields, which may be concerned with the nature of the faults and the structural setting of the crust.
Key words: gravity field model     Sichuan-Yunnan region     Bouguer anomaly     residue gravity anomaly     Earthquakes    
 0 引 言

重力场研究历来是大地测量学研究的核心和热点问题(许厚泽，2001；宁津生，2002；李建成等，2003).全球重力场模型用一组重力位系数来表达地球重力场，目前的代表性的超高阶重力场模型有2190 阶次的EGM2008(Pavlis et al.，2008)和1949 阶次的EIGEN-6C2(Förste et al.，2012).重力正反演研究是地学中的研究热点问题之一，Parker(1973)于1972年给出了频率域中密度界面起伏与其引起的地表重力异常的一维关系式，奠定了频率域中重力异常正反演的基石.基于Parker公式，Oldenburg(1974)提出了在频率域中反演密度界面的Parker-Oldenburg迭代算法；基于Parker-Oldenburg迭代算法，Shin等(2007)研究了青藏高原地区的Moho起伏特征，Block等(2009)研究了南极大陆的地壳结构.此外，汪健等(2012)通过与空间域重力正演方法(高斯求积法)的比较，证明了波数域parker方法正演重力异常具有较高的精度.

受印度板块北推碰撞欧亚大陆、青藏高原NE向挤压和向东挤出动力环境控制，川滇地区地质构造结构复杂、地形地貌反差显著、深浅构造活动强烈、地震发生频度高且强度大(王双绪等，2013).本文利用最新超高阶重力场模型EIGEN-6C2(Förste et al.，2012)、全球DEM模型 topo_15.1.img(Smith and Sandwell, 1994)和地壳模型CRUST1.0(Laske et al.，2013)等数据，计算并分析川滇地区的不同类型的静态重力场(自由空气重力异常、布格重力异常和剩余均衡重力异常)分布特征，探讨区域强震与静态重力场之间的关系.

1 川滇地区自由空气重力异常

赵德军等(2014)利用中国各地区实测GPS/水准数据检验了EIGEN-6C2和EGM08在中国大陆的精度，结果表明，EIGEN-6C2优于EGM08模型，尤其是在青藏高原地区，EIGEN-6C2模型高程异常精度提高了18 cm.原因可能是EIGEN-6C2模型采用了最新的卫星重力观测数据(GRACE、GOCE)，提高了重力场模型的中长波精度.

在物理大地测量领域，重力场模型常用完全正常化勒让德函数P nm(cosθ)和相应的正常化位系数C nm，S nm来表示.利用重力场模型位系数求算重力异常的公式为(Hofmann-Wellenhof and Moritz, 2006；Barthelmes, 2009)

式中：GM为地心引力常数，GM=3.986004415×1014 m3s－2；a为椭球长半轴，如WGS椭球，a=6378136.3 m；r为地心向径，单位m；θ为地心余纬(极距)，θ=90°－φ，φ为地心纬度；λ为地心经度，具体计算时要转为弧度；C nm，S nm为重力场位系数，无量纲.采用上述参数单位，可求算地表任意点(r, θ，λ)处重力异常，单位 m/s2.

利用重力场模型EIGEN-6C2，基于公式(1)，矢径r=a(1－fcos2θ)(a, f分别为 WGS84参考椭球的长半轴和扁率)可以求算出椭球面上的川滇地区自由空气重力异常(Free-air Anomaly, FA)，如图 1.

图 1 川滇地区自由空气异常 Fig. 1 Free-air gravity anomaly in Sichuan-Yunnan region

区域断裂(邓起东，2007)：EKL 东昆仑断裂带；LRB 龙日坝断裂；MJ 岷江断裂；LMS 龙门山断裂带；GY 甘孜-玉树断裂带；XSH 鲜水河断裂带；DLS 大凉山断裂；ANH 安宁河断裂；ZMH 则木河断裂；XJ 小江断裂；MZ 湄沾断裂；BY 白玉断裂；LT 理塘断裂；LCJ 澜沧江断裂；NJ 怒江断裂；BT 巴塘断裂；JSJ金沙江断裂；DZ 德钦-中甸断裂；LJ-XJ 丽江-小金河断裂；HH 红河断裂；NCJ 南华-楚雄-建水断裂；NTH 南汀河断裂.

整体上看，川滇地区自由空气重力异常FA与地形镜像关系明显，说明地形效应对重力场影响较大.区域FA值最高可达600 mGal, 如龙门山次级块体、雅江次级块体、香格里拉次级块体和藏东次级块体；FA最低值位于四川盆地和喜马拉雅山东构造节区域，最低为-250 mGal.但龙门山次级块体FA值大于其西侧松潘-甘孜地区(地形高于龙门山次级块体)和其东侧的四川盆地(地形低于龙门山次级块体)，该重力异常带表明这里是一个深部物质重新分异、调整和能量强烈交换的地带(滕吉文等，2008).

2 区域布格重力异常

传统由自由空气重力异常FA求算完全布格异常(Bouguer anomaly, BA)分为三个步骤：(1)布格盘改正；(2)曲率改正(Curvature Correction)：是将平面布格盘取代为同厚度(计算点高程)的球冠形状的布格盘(球冠范围166.735 km)是产生的曲率改正；(3)局部地形改正.

一般情况下，第一项和第三项改正一同进行，被称为地形改正(Terrain Correction).传统的计算是由模板法手工计算布格改正，伴随着计算机和全球DEM获取技术(SRTM, ASTER GDEM)的发展，也产生了新的技术和算法来求算地形改正.

Fullea等(2008)提出了一种利用高精度DEM计算地形改正的算法，并编制了计算完全布格异常的FORTRAN程序FA2BOUG.利用FA2BOUG程序(Fullea et al.，2008)，采用最新同为1′间隔全球地形数据模型topo_15.1.img(Smith and Sandwell, 1994)和自由空气异常模型grav.img.20.1(Sandwell et al.，2013)计算得到的川滇地区2′×2′布格重力异常BA如图 2.

图 2 川滇地区布格重力异常 Fig. 2 Bouguer anomaly in Sichuan-Yunnan region

可以看出川滇地区布格重力异常的基本特征是西北低、东南高，总体反映了川滇地区地壳厚度变化的基本格局(楼海和王椿镛，2005)，在此之上，叠加了各种强度不等的局部异常.西北高原地区由于去除了地形影响，表现负布格重力异常特征，最大可达-600 mGal.从区域断层分布可以看出，龙门山断裂，丽江-小金河断裂带处于布格重力异常的高梯度带上；此外，从震源机制可以看出，逆冲/正断型地震往往发生在布格重力异常的高梯度带上，而走滑型地震发展断层两侧的布格重力异常差值不大，这些基本揭示了布格重力异常与区域构造的关系.

3 剩余重力异常

布格重力异常由于去除了地形效应，主要反映地表以下的壳幔密度结构.众所周知，Moho面为岩石圈一个重要密度突变面(Griffin and O'Reilly, 1987)，全球Moho界面平均密度差可达0.45 g/cm3(Sjöberg and Bagherb and i, 2011)，因此为细致研究壳幔密度分布特征，需要从布格重力异常中去除Moho起伏引起的重力效应.本节利用CRUST1.0提供的川滇地区Moho深度，采用Parker方法正演了Moho起伏引起的重力异常，将其从布格异常中去除，得到主要反应地壳密度等信息的剩余重力异常.

频率域中密度界面h(x)与其 引起的地表重力异常Δg(x) 的一维关系式为(Parker, 1973)

其中，F()为傅里叶变换；G为万有引力常数；ρ为Moho界面密度差，本节ρ=0.45 g/cm3；k为波数，波数与波长的关系为k=1/λ；z0为待反演密度界面平均深度，本节取39 km；x为位置矢量.

利用CRUST1.0(Laske et al.，2013)提供的Moho界面起伏数据，求算其引起的地表重力异常如图 3.在形态上，Moho起伏与其引起的地表重力异常呈现很好的镜像关系，Moho面下凹的地方，重力异常为负值，如在川滇地区西北侧，可达-550 mGal；Moho面与区域平均深度相近的地方，其地表重力异常越小，如川滇地区东南侧.

图 3 Moho起伏引起的重力效应 Fig. 3 Gravity due to Moho discontinuity

将Moho起伏引起的地表重力异常从区域布格重力异常去除，可以得到反映地壳密度的剩余重力异常，如图 4.地壳密度除在纵向上呈现分层密度递增的趋势之外，在横向上也存在密度差异，若忽略地表浅层地质因素的影响，地壳密度横向差异性可能与区域所处构造环境密切相关.图 4显示，四川盆地剩余重力场异常为正值，最大可达150 mGal, 说明该区的地壳介质密度较大，原因可能是其为克拉通地壳有关；龙门山次级块体的剩余重力异常呈现分异性，南部为正异常，说明区域所处西北-东南向挤压环境对该区地壳的致密作用；龙门山次级块体北段的负重力异常表明该区地壳密度较低，可能是此处地壳由挤压变为向东北分流逃逸有关；青藏高原和藏东次级块体呈现正剩余重力异常特征，说明此处地壳密度较大，可能与其挤压构造环境密切相关；雅江次级块体和香格里拉次级块体呈现负重力异常变化，即此处的地壳密度较低，可能与区域中更新世时期(约780~130 ka)，处于相对稳定的弱伸展状态有关(张岳桥等，2010)；26°N以南各次级块体呈现负剩余重力异常，说明这些区域的地壳密度较低，原因可能与区域地壳正经历重力坍塌作用(Shen et al.，2001)和岩石圈拆沉作用(许志琴等，1999)有关.

图 4 川滇地区剩余重力异常 Fig. 4 Residue gravity anomaly in Sichuan-Yunnan region

从区域大型断裂与剩余重力异常的关系可以看出，龙门山断裂带处于剩余重力异常正负异常分布区边界附近，位于正异常(密度较高)的东南一侧，反映出龙门山次级块体向东南方密度较高的四川盆地的逆掩推覆构造；甘孜-玉树、鲜水河断裂带处于剩余重力异常平稳的地区，说明这些大型走滑断裂带两侧的密度差异也不很明显，沿断裂带也没有强度较高的小局部异常存在，地质研究资料也表明沿鲜水河断裂带没有发生过能引起地壳密度变化的大规模的深部岩浆上涌活动(许志琴等，1992).但在鲜水河断裂、龙门山断裂和安宁河断裂相交会的地方，剩余重力异常变化比较强烈，交会处西侧为较突出的负异常(低密度区)，东侧为正异常(高密度区)，这可能与断裂方向的改变有关系(楼海和王椿镛，2005).安宁河、则木河断裂位于剩余重力异常的高梯度带上.

从近年来发生的大震震源机制可以看出，逆冲/正断型地震(如汶川地震、芦山地震)往往发生在剩余重力异常的高梯度带上，而走滑型地震(如玉树地震、鲁甸地震)发生在剩余重力异常变化较为平稳的区域，这可能与断裂性质和断裂区域的构造环境有关.

4 结 论

本文计算并分析了川滇地区的不同类型的静态重力场(自由空气重力异常、布格重力异常和剩余均衡重力异常)分布特征，探讨了其与区域构造和强震之间的关系，主要结论如下：

(1)川滇地区自由空气重力异常FA与地形镜像关系明显，说明地形效应对重力场影响较大；由于扣除了地形效应，区域布格重力异常格呈现西北低、东南高的特征，总体反映了川滇地区地壳厚度变化的基本格局，并在此之上，叠加了各种强度不等的局部异常；

(2)剩余重力异常主要反映了川滇地区地壳密度结构.从近年来发生的大震震源机制可以看出，逆冲/正断型地震(如汶川地震、芦山地震)往往发生在剩余重力异常的高梯度带上，而走滑型地震(如玉树地震、鲁甸地震)发生在剩余重力异常变化较为平稳的区域，这可能与断裂性质和断裂区域的构造环境有关.

致 谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！

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