2.1 乌鲁木齐及周边地区重力场变化特征
乌鲁木齐测区重力点位的布设基本成网状,根据各期重力点位值的变化,得出乌鲁木齐及周边地区1987～2001年和2001～2011年长尺度重力场变化等值线分布(图2)。从图中可以看出,乌鲁木齐及周边区域地壳运动相对活跃,重力变化量相对较大,1987～2001年重力场变化范围为
(-60～+70)×10-8 m·s-2,而2001～2011年比1987～2001年的重力变化相对较小,重力变化范围(-60～+20)×10-8 m·s-2。
1955～1994年在乌鲁木齐及附近地区共发生9次MS≥4.0地震,最大震级为MS6.6,MS≤3.9的地震每年发生至少几十次; 1987～2001年该区域发生了2次4级以上地震(1994年11月08日4.2级地震,1998年7月4日4.1级地震),这些4级左右地震,主要分布在妖魔山、乌拉泊、西山等断裂上及其交汇处; 2001年之后,在该区域发生了2次4级以上地震(2002年10月7日4.6级地震,2007年3月29日4.0级地震); 最近一段
图2 乌鲁木齐及其周边地区重力场变化等值线图(10-8 m·s-2)(a)1987～2001年;(b)2001～2011年
Fig.2 Isoline map of gravity field change in Urumqi and its surrounding regions
时期内,乌鲁木齐及周边地区相对稳定,重力场变化不大,能量处于积累的过程,重力变化有一定的规律,空间分布集中。图2也清晰地显示了乌鲁木齐及周边地区重力场正负区交替出现,正负重力异常变化梯度带的附近是物质增减差异剧烈的地区(祝意青等,2003),因而伴随着相应的重力异常,能量易于积累,但目前重力场变化不是很大。
乌鲁木齐及周边区域的重力场于不同时间段在空间分布上表现出明显的差异性,在1987～2001年和2001～2011年两个时段,重力场发生了显著的变化。1987～2001年重力场(图2a)主要表现为正值区,且重力变化的零等值线位于阜康以南、三坪以北,另一处零等值线分布于后峡和永丰之间,这表明天山地区重力值目前还处于抬升趋势过程中,物质在不断流动,能量不断积累。天山山体及其南北构造的发育都是由印度板块和西伯利亚板块相对运动所造成的,其结果使天山南北形成了近SN向的挤压应力场,在邻近的两个构造之间,由于力和能量的传递使地下物质发生了变迁,进而引起重力变化。
1993年2月3日和静5.7级地震发生在和静北乌瓦门断裂附近,此断裂为南天山和中天山的分界性深大断裂,测区后峡测线与其隔山相望,震前重力异常变化集中在该测线上,地壳深度为30～40 km,岩石所处的温度为700～850 ℃,这几乎是花岗岩的溶解温度。和静地震的震源深度为33 km,在这个深度,很可能出现软流层或至少使地下物质处于一种不稳定状态(海力,1996),由于SN向的挤压力和上地幔物质调整,使断层区域的地壳物质密度发生变化,导致重力也随之发生变化。
2001年之后,研究区重力场格局出现了新的变化(图2b),这可能与1993年2月和1995年5月在该地区分别发生的5.7、5.8级地震有关,地壳能量得以释放,地震时震源区介质发生的快速破裂或是原断层的失稳,迫使区域构造应力场调整地表重力场的分布,重力场出现了大幅度负值区(刘代芹等,2009,2010)。在区域构造应力场减弱的过程中,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,随着时间的推移,应力和能量的积累,导致了重力场继续向NE向增强,当区域应力场很弱或松弛时,则出现了位于红山公园和林管站附近的零等值线。从图2b可以看出,该区域重力变化还处于加剧过程中(地壳物质相对增加),物质在不断汇集,能量也在不断积累,该区域地震趋势值得关注。
从大尺度重力变化等值线图来看(图2),重力变化有一定的规律,空间分布较集中,时常有明显异常产生变化,重力场正负区交替出现,因而也将伴随着相应的重力异常,这也表明了乌鲁木齐及周边地区是中小地震多发区,地震多发于重力变化正负值交替的零等值线附近,与近几年发生的多数地震发生的规律基本一致。
2.2 独山子、呼图壁、宁家河测区重力变化特征
在北疆流动重力监测区布设了3条流动重力测线(呼图壁、宁家河、独山子),其重力点位布设呈线状,无法构成网型,且跨距大、测点少,在最近几年,由于新疆经济快速发展,基础建设大规模的改造,重力点遭到了严重破坏。
重力段差是相邻两测点的重力值之差,重力段差变化反映的是两个测点重力值变化的差异。研究重力段差变化适合于跨断裂的重力测段,因为这种测段的重力段差变化中包含着断裂活动引起的断裂几何与物理参数变化的重力效应,能较好反映出该地区地壳活动趋势、物质的流动以及能量的积累,可用于地震预报。呼图壁测线横跨霍尔果斯—吐谷鲁断裂带,宁家河、独山子两条测线均跨越准噶尔南缘断裂,并且这两条断裂均属逆断层。这3条流动重力测线布设的地区多数处于山高路陡且荒芜人烟的地方,点间高差、重力段差都较大。点位稍微变化,重力点值就会产生较大变化,且点位及周围环境常受到洪水、风沙和人为因素损坏,加之这些地区地质构造十分复杂,许多构造大小交错,密集分布,点值易受微构造运动影响(张建超,2002)。我们建立了从1987年4月至2011年7月重力数据库,分别绘制了3个测区各测段的重力段差时序变化图和重力变化剖面图,并结合以测线为中心,半径150 km范围发生的地震,分析该区域重力变化特征。
2.2.1 测线重力段差时序变化分析
(1)呼图壁测线
从图3可以清楚看到,N51-N53,N53-N54,N54-N56这3条测段近期重力变化量较小,趋于稳定状态,而在断裂带两侧的N53-N54与N54-N56两测段重力正负变化交替出现,在该区域发生过3次5级以上地震,且这3次地震基本上都发生在重力场反向回跳的转折线附近。呼图壁测线重力异常变化最大出现在2006年,位于N51-N53测段,这可能是由于N51点位于红山水库边缘上方,2005年10月水库未蓄水,由于N51点重力值比N53点变化大,导致2005年10月各测段的重力段差绝对值减小,在2006年观测时水库已有一定的蓄水量,我们推断该测段本期重力绝对值较上期明显增大的原因是由蓄水量的明显变化所引起的,应属于观测环境变化引发的异常变化。
图3 呼图壁测线重力段差时序变化图(a)N51-N53;(b)N53-N54;(c)N54-N56
Fig.3 The time-series curve of gravity difference in Hutubi measuring line
(2)宁家河测线
从图4可以看出,在1996～1997年,N30-N33和N33-N34测段最大变化幅度分别为±95×10-8 m·s-2、±187×10-8 m·s-2。在观测期间,笔者排除了外界环境干扰因素进行综合分析,这可能与1995年乌苏5.8级地震,1996年5.2级地震有密切关系。在2003年第2期重力观测之前,笔者针对测段N33-N34、N34-N35、N35-N36的多年观测结果进行了分析研究,由于当时重力异常量级较小(-39×10-8 m·s-2),再结合乌鲁木齐各观测异常变化,认为:乌鲁木齐地区和北疆地区重力监测范围内地壳构造运动有渐趋活跃的趋势,因此,不排除有小于5.0级地震发生的可能性,并预测乌鲁木齐地区和北疆地区发生MS≥5.0地震的概率小于0.5。之后,2002年10月6日和2003年2月24日乌鲁木齐西南分别发生了4.8级和4.6级地震,2月14日在石河子N30-N33测段附近分别发生了5.0级和5.4级地震,实际发生地震和预测地震结果比较吻合,石河子地区预测地震震级较实际偏小,其原因可能是当时测得的重力异常量级较小,理论上这不会反映出短期内有大于5.0级的地震发生,只能认为是一种趋势变化处于某一阶段过程,这种误差,笔者认为是由于该区地壳内部构造活动速率加大,如果施测周期缩短,有可能捕捉到临震前量级较大的异常信息。
N30-N33测段位于准噶尔南缘断裂带附近,开始观测后不到1个月,2002年10月7日乌鲁木齐西南方发生了MS4.6地震,该地震位于博格达断裂带西端和准噶尔南缘断裂东端,笔者认为N30-N33、N33-N34两段异常与该地震有必然的联系,这是因为乌鲁木齐地区自1987年以来未发生5级以上地震,构造活动一直比较平稳,2000年下半年开始,重力有明显的趋势性变化,即重力变化正负交替出现,历时近两年,变化幅度达+60×10-8 m·s-2,呈现出地壳下部物质密度聚积,应力增加的过程。而从2002年上半年至9月份,反向变化达-47×10-8 m·s-2,这是一个应力释放过程,可以看出,应力聚积是一个较长的阶段,而释放则较为短暂,由于能量释放过快,造成了地下构造物质受力不均,应力失衡而引发了此次地震。另外,从图4b可以看出,N30-N33测段对其周围地区地震的反映较为敏感,如对1995年乌苏5.8级地震,1996年5.2级地震均有不同程度的反映,这两个地震是一个应力释放过程,由于距震中稍远,而震级又偏小,因此重力变化幅度不是太大。
(3)独山子测线
从独山子测线的4条测段可以看出,重力变化正负交替出现(图5)。在2006年上半年,N38-N39测段出现重力异常现象,下半年复测后重力段差变化值(-28×10-8 m·s-2)接近异常临界值(±30×10-8 m·s-2),同时其相邻2条测段N39-N41和N41-N47的段差变化值分别为+46×10-8 m·s-2和-48×10-8 m·s-2,在2006年第2期复测中出现异常现象。从2008年4月至2009年4月前3期观测数据可以看出,在与独山子测线相应的区域重力场也出现有序的变化,具有一定的规律性。但在2009年4月至2009年8月期间,N38-N39测段变化趋势则出现转折,重力段差变化值出现了大幅度抬升,这说明该区域断裂活动迹象明显。2011年7月重力测量结果显示,独山子地区重力测线出现两段重力异常测段N39-N41和N41-N47,
重力段差变化量分别为+40×10-8 m·s-2和-68×10-8 m·s-2,异常值远远超过了异常临界值,与此测段相邻的N47-N48测段重力段差变化量接近异常临界值。
结合上两期观测结果发现N39-N41测段重力段差变化量由负变为正,段差值增大,即北盘重力变化为正值(+40×10-8 m·s-2),证明该区域地壳内部形变运动明显受到周围板块的强烈影响,从而使地下物质不断挤压而堆积,物质密度不断增大,能量也在不断汇集。N41-N47测段重力段差变化连续几年出现异常变化,变化量由正值变为负值,段差值减小,即南盘重力变化为负值(-68×10-8 m·s-2),证明该地区地壳物质在不断迁移,物质密度在不断亏损,结合以往的观测结果和重力异常变化量分析,该地区物质运动出现了明显的加剧。1987～2011年在该区域发生7次5
图4 宁家河测线重力段差时序变化图
(a)N27-N28;(b)N28-N29;(c)N29-N30;(d)N30-N33;(e)N33-N34;(f)N34-N36
Fig.4 The time-series curve of gravity difference in Ningjiahe measuring line
级以上地震,在时间序列上,在该区域的大部分地震发生前,重力段差和重力测点所呈现的重力变化值先是增强,然后反向减弱,在反向过程中发震,与祝意青等(2003)研究结果基本一致,而且该监测区自2009年以来并未发生4级以上的地震,根据最新观测结果及以往预测经验,地震一般发生在重力变化梯度带或段差变化转折部位,因此笔者认为此测区非常值得关注。2011年11月1日距离重力测线170 km处(43.6°N,82.4°E)发生了尼勒克—巩留6.0级地震,这与我们重力测量分析结果非常吻合。
图5 独山子测线重力线差时序变化图(a)N38-N39;(b)N39-N41;(c)N41-N47; (d)N47-N48
Fig.5 The time-series curve of gravity difference in Dushanzi measuring line
2.2.2 重力剖面变化分析
重力场只能反映较大范围的趋势性变化,而重力剖面变化则能较好地反映各个测线(段)的实际变化情况(祝意青等,2003),为了能进一步认识北疆测区的流动重力变化趋势,较好地分析该区域地震活动与重力变化之间的响应关系,为地震中长期预报提供可靠的资料,笔者分别绘制了该测区的3条测线剖面图,为了能清晰地对比各点的重力变化趋势,将每个测区分成了两个时间段1987～2001年和2001～2011年分别进行分析。
(1)呼图壁测线
该测线位于呼图壁县境内,目前只保存4个监测点(图6),即N51、N53、N54和N56。1987～2001年,各测点重力变化逐渐增大,由北向南呈抬升趋势,尤其N56点重力变化急剧上升,变化最大值为+44×10-8 m·s-2。1987～2001年该区域(半径150 km内)曾发生3次5级以上地震,即1996年1月9日5.2级地震(震中位置:43.80°N,85.58°E)、1995年5月2日5.8级地震(震中位置:43.78°N,84.73°E)和1991年6月6日5.2级地震(震中位置:42.68°N,87.25°E)。
该区2001～2011年总的重力变化趋势与1987～2001年相反,除了N51点,其余3个监测点重力变化趋势由北向南急剧下降,下降最大的监测点为N56,下降值为-54×10-8 m·s-2,2003年2月14日发生5.4级地震(震中位置:44.01°N,85.87°E)。
图6 呼图壁测线重力变化剖面图
Fig.6 Profiles of gravity variation in Hutubi measuring line
(2)宁家河测线
该测线位于沙湾县境内,目前只保存有8个监测点(图7),即N27、N28、N29、N30、N31、N33、N34和N35。1987～2001年各监测点除N28、N34和N36点的重力变化为正值外,其余各点均为负值,且从N29点起,重力由北向南缓慢抬升,1987～2001年在该区域(半径150 km内)发生5次5级以上地震,即1996年1月9日5.2级地震(震中位置:43.80°N,85.58°E)、1995年5月2日5.8级地震(震中位置:43.78°N,84.73°E)、1990年10月25日5.2级地震(震中位置:44.13°N,83.95°E)、1990年10月25日5.2级地震(震中位置:44.23°N,83.90°E)、1997年6月4日5.0级地震(震中位置:43.32°N,84.25°E)。
2001～2011年重力总体变化与1987～2001年相比,变化趋势基本一致,只是在量级上有一定的增大,除了N27点外,各监测点重力变化趋势都在下降,变化最大的点为N29,相对变化值为-97×10-8m·s-2。该期重力变化从N29点发生了转折,重力变化由北向南大幅度抬升,2003年2月14日发生5.4级地震(震中位置:44.01°N,85.87°E),目前该区域重力变化量在不断累积,能量也在不断汇集。
图7 宁家河测线重力变化剖面图
Fig.7 Profiles of gravity variation in Ningjiahe measuring line
(3)独山子测线
该测线位于乌苏县境内,目前只保存了5个监测点(图8),即N38,N39,N41,N47和N48。1987～2001年,各监测点重力相对变化比较平稳,除了N39点重力变化为正值外,其余各点相对N38点为负值变化,且变化不大。1987～2001年在该区(半径150 km内)发生5次5级以上地震,即1996年1月9日5.2级地震(震中位置:43.80°N,85.58°E)、1995年5月2日5.8级地震(震中位置:43.78°N,84.73°E)、1990年10月25日5.2级地震(震中位置:44.13°N,83.95°E)、1990年10月25日5.2级地震(震中位置:44.23°N,83.90°E)、1997年6月4日5.0级地震(震中位置:43.32°N,84.25°E)。
2001～2011年重力总体变化趋势与1987～2001年相比,各监测点重力变化除了N39点变化为正值外,其余各点均为负值,重力由北向南急剧下降,且相对变化最大的点为N47,相对变化值为-134×10-8 m·s-2。2003年2月14日发生5.4级地震(震中位置:44.01°N,85.87°E)、2006年11月23日发生5.1级地震(震中位置:44.26°N,83.46°E)。从图8可以看出,重力变化量相对较大,且相对2001年,各监测点重力都在下降。
图8 独山子测线重力变化剖面图
Fig.8 Profiles of gravity variation in Dushanzi measuring line
整体分析北天山测区3条测线剖面图,可以看出,上述3条测线重力变化均为负值,1987～2001年与2001～2011年两时段内同点位重力变化相比,变化较大值分别为宁家河测线的N29点(-97×10
-8m·s
-2),独山子测线的N47点(-134×10
-8 m·s
-2),说明该区能量正处于积累的过程,物质密度不断减小,地壳在不断隆起,挤压应力不断增强,目前该区域地壳变化相对活跃,于2011年11月1日发生了尼勒克—巩留6.0级地震。
