对10期观测资料计算处理后,以一年为时间尺度进行分析,即对比分析每年春季观测数据,使观测时外部气象条件基本相同,排除气候差异影响。采用加权最小二乘曲面拟合进行插值计算,得到重力变化等值线(图2)。
图2 重力变化等值线图
(a)2005.04～2006.03;(b)2006.03～2007.05;(c)2007.05～2008.04;(d)2008.04～2009.04;(e)2009.05～2009.10
Fig.2 Isoline map of gravity change
(1)从图2可见,在地震多发的喀什—伽师及邻近地区,重力变化有一定的规律,空间分布比较集中,时常有明显异常变化。从图中可以清晰地看出,重力场变化表现为正负区交替出现的震荡变化。
(2)监测区重力变化可以分为两种稳态变化和非稳态变化。在稳态变化时期,重力等值线稀疏均匀,零重力变化等值线在监测区出现较多且等值线较平缓,重力场变化量较小,地震活动不活跃(图2a,e)。在非稳态变化时期,变化量较大,重力场主要表现为升—降—升的变化过程。在上升或下降阶段,在一定区域内形成重力变化等值线的密集分布,地震活动多发生在该异常区的边缘或重力梯度带上,震后逐步下降或回升变化(图2b,c,d)。
从图2a可以看出,监测区重力场活动较弱,在这一期间测区内重力变化量较小,重力变化零线出现较多,地震活动较平静,地震震级较小。阿合奇西南的哈拉峻地区出现较弱的重力变化异常和重力等值线弯曲。巴楚地区出现较大重力变化,其余地区重力变化较小。经过实地考察发现,巴楚地区的重力值异常变化较大是由于在距测点20 m处新建了1栋4层教学楼从而引起地表面载荷变化所致。
图2b显示,监测区重力场变化开始呈现活跃状态,重力变化增大,MS4.0以上地震增多,且多出现在上一期重力变化异常区域。监测区大部分地区出现正异常变化。在巴楚西北、伽师东北区域、乌恰东北区域出现+50×10-8 m·s-2异常变化区,在测区东南部出现小面积负值变化区。测区重力变化量呈现由东南向西北、由南向北两个梯度极值方向,这与该地区GPS所反映的主压应力方向一致(王晓强等,2002)。
图2c中,测区重力变化发生较大逆转,2006年3月至2007年5月正值区域均反向变化为负,负值区则转向为正,且量值较大。在乌恰以北出现-80×10-8 m·s-2高异常变化区域,阿合奇、乌什地区以及莎车以西出现-100×10-8 m·s-2高异常变化区域。2006年3月至2007年5月监测区的两个梯度极值方向也发生大逆转。
2007～2008年监测区内没有发生较大震级的地震,直到2008年10月15日乌恰西发生6.8级地震,2009年2月20日与4月19日阿合奇地区连续发生了MS5.4、MS5.8两次中强地震(图2d)。这三次地震对应了上述地区前期出现的重力异常变化。震后监测区重力等值线又恢复为正值变化,与图2b状态相似。这说明地震活动多发生在负异常区的边缘或重力梯度带上,震后重力值逐步回升(李清林等,1997)。
图2e是2009年5～10月两次观测数据的分析结果,表现出此期间监测区重力场变化减弱,但是测区内仍然出现了乌恰以北地区、莎车地区及巴楚西北伽师东北地区等3个重力变化较大区域,值得我们关注。在阿合奇及以北地区重力仍然为正值变化。根据祝意青等(2003b)对其它测区的研究,若地震后重力仍持续上升变化,则该区附近仍有发生强震的可能,所以阿合奇及以北地区仍然是我们关注的重点。
2.1 重力变化与构造活动
重力场变化包含了大量的构造活动信息,既有区域应力场作用下深大断裂活动,也有震源应力场作用下局部断裂活动的结果。受印度板块向北推挤和西伯利亚地块的阻挡作用,中国新疆的地质构造比较复杂,形成了“三山夹两盆”的构造格局:由南向北,断裂系分为西昆仑、阿尔金、天山、西域断裂系,两盆为塔里木和准噶尔盆地。新疆地区重力变化较显著的梯度带主要位于山体与盆地的过渡地带,这些地带地表坡度陡,重力梯度值大,地壳厚度突变,莫霍面向山体陡倾,现今构造活动强烈,容易发生地震(祝意青等,2003a)。
分析比较重力变化与测区的构造活动关系,可以看出:2007年5月至2008年4月整个测区重力场变化最为剧烈,乌什以及莎车以西都出现-100×10-8 m·s-2高异常变化区域(图2c)。监测区重力场变化梯度带走向在北部与近东西向的迈单断裂走向基本一致,在西部与近南北向的帕米尔弧形构造走向基本一致。在构造单元的边缘出现重力等值线形态的转折和密集。由于监测区处于南天山地震构造带和帕米尔、西昆仑地震构造带交汇处这一特殊地理位置。当监测区南北两侧同时受到印度板块和欧亚板块的挤压时,在监测区北部与西部两个弧形断裂影响下,易形成两个方向梯度极值分量(图2b,c)。
2.2 重力变化与地震
在地震孕育过程中,随着震源区应力的不断积累,地壳内部物质发生迁移,致使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(祝意青等,2003a)。
在2005～2006年期间(图2a),监测区重力场整体变化较小,只有几处较小的重力异常变化,随后发生的地震也较小。在2006～2009年,监测区重力变化较大,分别出现+50×10-8 m·s-2、-100×10-8 m·s-2、+60×10-8 m·s-2高异常变化区域,正负交替往复较大,随后发生的地震频度增加,震级增大,中强地震出现在重力变化极值区域(图2b,c,d)。这说明在一次强震发生前后,区域应力场将产生显著变化,从而改变地壳内物质的运移方式和途径,使介质密度发生变化,进而引起重力场在时间和空间上的转折变化。应力场调整过程中,在某些易于积累应力的构造部位,将引发一系列中小地震(高好林,邵辉成,2005)。
虽然监测区面积较小,监测范围有限,但是由于监测区所处的特殊地理环境,监测区内的重力变化也对区外的地震有一定的反映。2008年3月21日监测区西南的于田发生了7.3级地震前。在此前2006年3月到2007年5月,监测区整体呈现正向异常变化,监测区东南部呈现负异常。2007年5月到2008年4月期间监测区整体呈现负向异常变化,监测区东南部呈现正异常。在此后一年即2008年10月5日测区西部乌恰西发生6.8级地震。在重力场正—负—正(升—降—升)的变化过程中,中强地震多发于重力场由负异常转为正异常的变化过程中。
2.3 重力变化与区域应力场
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。印度板块对欧亚板块的挤压是伽师及帕米尔一带强烈构造变动的主要动力源。伽师强震群所处的喀什坳陷受帕米尔向北推挤、天山向南逆冲以及塔里木顺时针旋转及陆内俯冲作用,是一个主要受挤压活动而变形强烈的地区(赵瑞斌等,2000)。从大的构造背景看,该地区处于印度板块与欧亚板块碰撞的西北端,是中国大陆受板块运动作用最强烈的地区之一,也是地震活动最强烈的地区之一,其区域构造应力场活动必然受制于两大板块的共同作用。当印度板块与欧亚板块活动加强时,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,相应的区域重力场也出现有序变化。
当印度板块和欧亚板块活动加强时,监测区域构造应力场增强,2006～2007年期间GPS观测资料显示在乌恰以北地区以及英吉沙以西地区出 现较强面膨胀区域,同期两处区域重力场变化增强分别达到+50×10-8 m·s-2、+30×10-8 m·s-2(图2b)。2007～2008年期间GPS观测资料显示在喀什西南乌帕尔、盖孜等地存在一个较强的面收缩地区,它的相邻地区西侧及东侧则是面膨胀地区。与之对应,在喀什及其西南地区重力场变化量小于-40×10-8 m·s-2,与喀什西南地区相邻的乌恰以北、英吉沙西南地区重力场变化达到-60×10-8 m·s-2以上(图2c)。重力场变化图与GPS观测资料所显示的区域应力场分布图有较好的对应性。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(徐云马等,2008)。当区域应力场较强时,该区域重力场变化较强且较集中,当区域应力场很弱或松弛时,则出现较为分散的重力变化图像(图2a)。
