笔者绘制了测区各时段的重力变化等值线图(图2)。通过分析区域重力场的时空动态演化过程,可以得出以下几点认识:

图2 2000～2006年兰天武地区重力变化等值线(10-8 m/s2)(a)2000-07～2001-05;(b)2001-05～2002-05;(c)2002-05～2003-04; (d)2003-04～2004-04;(e)2004-04～2005-06;(f)2005-06～2006-06

(1)图2较清晰地反映了重力异常由弱至强的增强过程,重力年变化量从开始的(-20～+20)×10^-8 m/s²逐渐增加至(-50～+50)×10^-8 m/s²。从空间上看,重力变化等值线在西秦岭北缘断裂南北两侧表现出较明显的差异性。

(2)从多期重力变化等值线图来看,对于兰天武地区,2000～2001、2001～2002这两期重力变化相对较小,在(-20～+20)×10^-8 m/s²之间,表明该时段内兰天武地区构造运动处于较弱水平; 2002～2003、2003～2004、2004～2005这三期重力变化较大,都在(-50～+50)×10^-8 m/s²之间,表明区域构造活动处于较强水平,在这期间相继发生了2003年11月13日岷县M_S5.2(103.9°E,34.7°N)和2004年9月7日岷县M_S5.0(103.9°E,34.7°N)地震; 2005～2006这一期重力变化在(-40～+20)×10^-8 m/s²之间,相对前三期有所减弱,但比2000～2001、2001～2002强,期间在测区南部临近地区发生了2006年6月武都、文县间M_S5.0(105.0°E,N33.1°N)地震,这表明该时段内区域构造仍处于较高水平。

(3)相邻两期重力的动态变化对测区内发生的岷县2003年5.2、2004年5.0级地震及测区近邻2006年武都、文县间5.0级地震均有较好反映。2002～2003年和2003～2004年均表现为测区南部重力变化较为剧烈,并在西秦岭北缘断裂附近形成重力变化梯度带。2002～2003年测区南部重力变化自西向东逐渐增加,2003～2004年出现反向变化,在反向变化过程中,西秦岭北缘断裂南侧附近连续发生岷县5.2和5.0级地震。2004～2005年重力变化总体表现为自南向北逐渐减少。在测区南部有2个重力变化显著区,一是西秦岭北缘断裂中段附近天水—武山—通渭地区局部重力异常及其伴生的重力变化高梯度带; 二是武都地区东西两侧出现了一对+40×10^-8 m/s²和-30×10^-8 m/s²变化的局部重力异常区(武都、文县间5.0级地震发生在重力由正值向负值变化的零值线附近)。2005～2006年重力出现反向变化,在反向变化过程中发生武都、文县间5.0级地震; 这一期间天水—武山—通渭地区局部重力异常较为剧烈。

(4)2003～2004年重力出现反向变化,在反向变化过程中西秦岭北缘断裂南侧附近发生岷县5.2级地震,可以看出此时震中附近仍处于应力高积累过程中; 在发生2004年9月的5.0级地震后,震中附近重力变化平缓,应力松弛。说明该地区的应力积累没有在一次地震中释放完。

(5)从空间上看,在西秦岭北缘断裂两侧重力变化等值线表现出较明显的差异性,其南北两侧附近的重力变化表现为正、负交替变换。岷县5.2、5.0级地震都发生在西秦岭北缘断裂带附近。

为了进一步分析兰天武地区较长趋势的重力变化,了解重力变化的累积量,我们绘制了2000～2006年重力变化等值线图(图3)。

2000～2006年较长时间的重力变化表明,西秦岭北缘断裂北侧重力变化较为显著,重力正值变化与负值变化最大差异值达(50～60)×10^-8 m/s²,天水—武山—临洮一带形成重力负—正—负—正—负的变化梯度带,显示这是一个值得注意的异常区域,存在发生中强震的趋势性背景。

图3 兰天武地区较长时期重力变化等值线图(10-8 m/s2)

重力点值时序变化能较好地突出异常测点的动态变化。由于点位变化和观测等原因,我们只对靠近震中、变化比较大的异常测点绘制重力点值变化时序图,各点值变化均相对于2002年(图4)。(1)下罗测点位于西秦岭北缘断裂南侧,重力点值变化具有较强的时序性。2003～2004年在其重力变化时序曲线反向过程中发生了岷县5.2级地震,并在2004～2005年再次反向的过程中发生了岷县5.0级地震(图4a)。

(2)协店子测点的重力变化具有较明显的累积过程,2002～2006年间累积变化量达到了40×10^-8 m/s²,其中2005～2006年这一期就达到了35×10^-8 m/s²,对应了2006年6月的武都、文县间5.0级地震。该测点对地震与区域重力场变化的关系有较好的反映。

为了更好地看清断裂构造在地震活动中的动态变化,选择两水(33.423°N,104.816°E)至临洮(35.377°N,103.850°E)之间(图1b中虚线所示)绘制了等值线剖面图(图5)。该剖面基本沿测量路线,可信度高。剖面跨越了西秦岭北缘断裂、临潭—宕昌断裂和光盖山—迭山北麓断裂。在剖面图中可以清晰地看出西秦岭北缘断裂、临潭—宕昌断裂重力变化异常明显,断裂两侧的重力变化有较强的差异性,而岷县5.2、5.0级地震就发生在这两条断层之间,说明地震活动与断层活动有密切的关系(张赤军等,1994; 何文贵等,2006)。

图4 重力点值变化时序图(a)下罗测点;(b)协店子测点

图5 重力跨断层变化图(2003～2006)

地震活动与现今地质构造,特别是第四纪以来的新构造活动关系密切。而地质构造与深部构造之间又有着密切的联系,甚至受深部构造控制。利用重力资料对研究区的构造活动进行研究,能比较全面地认识该地区的地质构造活动背景及其与地震的关系。

兰天武地区2000年以来1年尺度的重力场时空动态变化表明,该地区各期重力变化量差异较大,年变化量在(-50～40)×10^-8 m/s²范围内,基本以西秦岭北缘断裂带为界,南强北弱。据腾锐增等(1994)、袁道阳等(1999)的研究:西秦岭北缘断裂早期为一条压性断裂,大约自中更新世以来转变为以左旋走滑为主、兼具正断分量,是一条全新世活动断裂。

多年重力变化累积量的空间分布与构造活动较为密切,从6年尺度的重力场变化可以看出:测区中部西秦岭北缘断裂一带重力正值变化明显,重力变化等值线的基本走向总体上与呈NWW向的西秦岭北缘断裂带走向成90°垂直,与区域主压应力方向(NEE)基本一致(江在森等,2006),与腾锐增等(1994)、袁道阳等(1999)的研究结果一致。说明西秦岭北缘断裂带是兰天武地区构造活动比较强烈的一条断裂带。

重力场与构造应力场内在关系的理论研究(向文等,1999; 祝意青等,2004)表明,重力变化与构造应力之间有着密切的联系。当区域构造应力场发生强弱变化时,重力场图像也会随之出现时空变化。重力场变化能反映区域应力场的微动态活动。

兰天武地区位于受强烈挤压而剧烈抬升的青藏亚板块与受地壳伸展而强烈下沉的华北亚板块之间,其区域构造应力场活动必然受制于两大亚板块的共同作用。当青藏亚板块或华北亚板块活动加强时,在区域构造应力场增强的过程中,地壳中的物质迁移出现有序性分布,相应地区域重力场也出现有序变化。

在图2上,我们可以清晰地看到这种重力场随构造应力场的变化。如2000～2001年时段,在以西部青藏应力场增强为主体的作用下,兰天武地区区域重力场出现整体上升的有序性变化; 2001～2002年,西部昆仑山口西8.1级大震的发生使地壳应力场发生了较大的变化(郭良迁等,2004),区域应力场的调整,影响整个区域内重力场也随之出现反向变化。

在地震孕育过程中,随着震源区应力的不断积累,地壳内部的物质发生迁移、地壳内部密度发生变化,从而导致该处地表的重力发生变化。主要表现为重力场空间分布的有序性变化、局部重力异常区及伴生的重力变化高梯度带的出现、重力点值随时间的演化。分析兰天武地区的重力场演化过程可以发现,该地区重力场变化多次反向,重力变化空间梯度较大,测区内多次发生5级以上的地震。

兰天武地区的重力点值变化对区内所发生的中等以上地震有很好的反映。如岷县2003年5.2级、2004年5.0级地震前,震中附近的下罗测点出现明显的重力异常变化,震后反向恢复; 2006年的武都、文县间5.0级地震前,协店子测点出现明显的重力异常累积变化过程。