(新疆维吾尔自治区地震局,新疆 乌鲁木齐 830011)
(Earthquake Agency Xinjiang Uygur Autonomous Region,Urumqi 830011,Xinjiang,China)
AKto MS6.7 earthquake; gravity field; lithosphere magnetic field
利用南天山地区3年的流动重力和流动地磁资料,分析阿克陶6.7级地震前区域重力场与地磁场的异常特征。结果 表明:(1)阿克陶6.7级地震前重力场年尺度动态变化图像和差分动态演化图像显示乌恰和布伦口地区均出现较显著的流动重力异常变化;(2)地震前岩石圈磁场的水平矢量方向和磁偏角均发生较大变化。
Using the multiple-scale mobile gravity and magnetic data in southern Tianshan area,we systematically analyzed the anomaly characteristics between the spatial-temporal gravity and magnetic changes before the AKto MS6.7 earthquake in Xinjiang.The results showed that:(1)Before the occurrence of great earthquake,the continuous significant changes occurred in Wuqia and Bulunkou areas in a year scale gravity fields,as well as larger time scales.(2)The horizontal vector and magnetic declination of the lithosphere magnetic field appeared anomalous change before the AKto MS6.7 earthquake.
2016年11月25日,在新疆阿克陶县发生6.7级地震,地震发生在木吉盆地北缘断裂上,该断裂属塔什库尔干断裂带北端的分支断裂,沿断裂晚第四纪以来断层新活动特征明显,为全新世活动断层。木吉盆地北缘断裂总体走向NWW,全长约120 km,右旋走滑兼正断性质(李文巧,2014)。地震孕育发生过程蕴含于地壳运动过程中,通过重力场动态变化的深入分析,有可能捕获某些有效的强震前兆信息,这是利用重力手段探索地震机理研究和开展地震预测的基本出发点(申重阳等,2010)。而应力积累及临震应力突变则可能引起地震孕育区及附近地区地下岩石磁性的改变,导致局部地磁场出现异常变化(熊仲华,刘运生,1997; 李琪等,2007; 苏树朋等,2009)。南天山地区近年来地震频发,震情形势严峻,本文将对阿克陶地震前重力场和岩石圈磁场变化进行分析研究。
新疆维吾尔自治区地震局于2005年开始在南天山地区布设流动重力观测点,用于获取该地区的重力时空变化特征,每年观测2期,经过多年的优化与改造,目前已形成由7个小环、170个观测点构成的重力监测网(图1)。本次研究采用2014—2016年多期观测资料对阿克陶6.7级地震前的重力场时空变化特征进行分析,野外采用高精度CG5型重力仪进行数据采集,室内选取塔什库尔干、库车、乌什3个点的绝对重力值,利用经典约束平差进行平
图1 南天山地区流动重力测点和流动地磁测点分布图
Fig.1 Distribution of mobile gravity and mobile magnetic measuring points in the southern Tianshan area
差计算(祝意青等,2004,2015),然后利用Kriging方法进行内插计算相邻几期的重力值数据变化(李辉等,2009; 申重阳等,2009)。
新疆维吾尔自治区地震局于2009年开始在南天山地区进行流动地磁矢量观测(图1),本文使用2014—2016年南天山地区45个地磁测点3期变化的观测资料对阿克陶6.7级地震前的岩石圈磁场变化进行分析研究; 利用喀什地磁台、且末地磁台的分钟值数据进行改正,用以消除地磁观测数据中所包含的地磁场日变化等外源场成分。为了消除地磁观测数据中所包含的地球主磁场长期变化成分,采用“1995—2016中国地区地磁场非线性变化模型(NOC)”(顾左文等,2009; 陈斌等,2011a,b; 倪喆等,2014a,b),归算年代为2015.0地磁标准年代。
笔者利用2014—2016年南天山地区重力监测网多期的观测数据,根据计算结果绘制不同尺度的重力变化图像,提取重力场动态变化信息与地震活动的关系,如图2～3所示。图中红色实线表示重力变化的零值线,黑色实线表示重力变化为正值,黑色虚线表示重力变化为负值,浅红色为区域断层,红色实心圆圈为阿克陶6.7级地震。
由图2可见,2015年8月—2016年4月半年尺度重力场观测资料显示(图2a),南天山地区重力场变化主要是以正值变化为主,除塔里木盆地南缘、西昆仑部分地区及乌什至拜城一带出现重力场负值变化外,其余地区均为正值变化。乌恰、阿合奇、阿克苏一带以及塔什库尔干、叶城一带出现两条几乎平行的零线。重力场以巴楚和乌恰为中心向南北逐步减弱,其中零线附近的乌什至阿合奇为重力正负值转换区域,乌恰、和田地区出现重力变化高梯度带。虽然2015—2016年在境外的塔吉克斯坦和阿富汗地区发生了几次7级地震,乌恰地区的重力场异常得到一定减弱,但重力数据结果显示,该地区重力梯度带依然存在,最大变化量约40×10-8 m/s2。
2016年4月—8月的观测资料(图2b)显示,南天山地区重力场变化主要以负值变化为主,并沿着阿克苏、阿合奇、乌恰以及塔里木盆地南缘叶城、皮山、和田形成了两条近乎平行的零线。塔里木盆地的重力场变化与上一期相比出现较大面积的负值变化,说明塔里木盆地处于反向调整阶段,物质向外扩散致使盆地的密度发生变化。2015年7月3日皮山发生6.5级地震后,皮山附近的重力值出现明显的负值变化,显示出该区域的应力得到一定的释放,经过半年的调整后,该区域重力值由负值转为正值,显示出地壳物质运动向该区域集中,重力值增大。阿克陶6.7级地震前震中附近的乌恰、布伦口地区物质密度发生较大变化,由前一期的重力正值变化转为负值变化,并出现小范围的零线环。
图2 南天山地区半年尺度重力场变化图像
Fig.2 Images of gravity field variation in the southern Tianshan area in half a year scale
由图3所见,2014年4月—2015年4月一年尺度的重力变化图(图3a)显示,重力场除巴楚和塔什库尔干外,整体以负值变化为主,即重力场处于不断减小的变化过程。零线沿着喀什、布伦口以及塔什库尔干地区形成半闭合区域,塔里木盆地出现大范围的零线闭合区域。巴楚周围出现重力正值的高梯度带,并伴有重力变化零线环出现,阿克苏与拜城的中间区域也形成小范围的零线闭合区域。另外,塔什库尔干附近重力场也出现了重力变化正值集中区域。
与上一期相比,2015年4月—2016年4月一年尺度的重力场(图3b)出现了大范围的调整,除了和田和塔什库尔干地区出现重力负值变化以外,其他区域均为重力正值变化。塔里木盆地重力场正值变化是该地区地壳形变的背景趋势,由于受到帕米尔高原的俯冲作用以及南天山的阻挡,
一直处于下沉趋势,其密度也随之不断增加,从而出现重力场正值变化。从量级来讲,巴楚、乌恰地区出现的重力场变化已达到(50～80)×10-8 m/s2。
2014年8月—2015年8月一年尺度的重力场变化(图3c)以正值变化为主,除阿克苏至阿图什一带为负值变化外,其余地区均为正值变化。重力场变化的零线基本沿着南天山、昆仑山山体和塔里木盆地边缘进行分布,从而表明南天山地区重力变化的机理与构造分布特征基本一致。泽普和皮山地区零线变化呈现的异常“突出”态势可能与皮山6.5级地震的孕育有关。乌恰地区出现高值梯度带,变化量到达50×10-8 m/s2,布伦口地区也出现重力正值的高梯度带。喀什至乌恰的重力场变化中出现了显著的四象限分布。
2016年8月的最新观测资料(图3d)显示,乌什—阿克苏—拜城地区、塔里木盆地以及西昆
图3 南天山地区一年尺度重力场变化图像
Fig.3 Images of gravity field variation in the southern Tianshan area in one year scale
仑地区以负值变化为主,喀什至乌恰地区继续以正值变化为主,乌什、巴楚、麦盖提以及布伦口一带形成零线,和田地区也出现小范围的零线环。虽然2016年阿合奇和乌什附近多次发生小地震,和前一年相比该地区的重力场有所调整,但重力值依然处于正负值转换区域。2015年10月—2016年5月境外发生5次6级以上地震,乌恰地区出现的重力高值异常有所减弱。阿克陶地震前,乌恰至喀什地区2014年8月—2015年5月出现的四象限分布消失,布伦口地区由高梯度带变为零线附近。
综上所述,差分动态图像显示阿克陶6.7级地震前一年乌恰地区位于重力变化高梯度带,地震前乌恰地区和布伦口地区变为负值变化。一年尺度累积变化图像显示地震前一期乌恰至喀什地区出现四象限分布,布伦口地区位于高梯度带,地震前乌恰至喀什地区四象限分布消失变为正值变化,布伦口地区变为零等值线附近。
利用2014—2016年南天山地区流动地磁3期的观测数据,根据计算结果绘制相邻2期岩石圈磁场的变化并研究其与阿克陶6.7级地震的关系,如图4～8所示。图中黑色实线表示地磁场变化的零值线,红色实线表示正值,蓝色实线表示负值,红色五角星为阿克陶6.7级地震。
南天山地区水平矢量变化分布如图4所示。2014—2015年水平矢量变化(图4a)整体可分为3部分,库车至民丰以东的区域以北西向为主,以西区域至乌什、墨玉以南东向为主,乌什至墨玉以西的区域无规则分布,柯坪至巴楚一带、阿克陶至塔什库尔干一带、皮山一带出现明显方向转折。2015—2016年水平矢量变化(图4b)整体以南东向为主,有较好的规律性,与2015年相比矢量方向统一,量级有所增大。阿克陶地震前一年水平矢量处于方向转换的边缘区域,地震前水平矢量方向发生变化,方向朝东。
南天山地区垂直矢量变化分布如图5所示。2014—2015年垂直矢量整体向上(图5a),2015—2016年垂直矢量整体向上(图5b),量级与2015年相比有所增加。阿克陶地震前一年和地震前垂直矢量均为向上,量级增大。
南天山地区总磁场强度变化分布如图6所示。2014—2015年总强度(图6a)整体呈正值变化,柯坪至巴楚一带处于零等值线附近的正值高梯度带,阿克陶至塔什库尔干一带处于零等值线附近,皮山一带为正值变化。2015—2016年总强度(图6b)整体呈正值变化,乌什至阿合奇位于正值集中区,库车至轮台附近出现小范围的零线。阿克陶地震前一年位于零等值线附近的正值区域,地震前位于正值区域。
南天山地区磁偏角变化分布如图7所示。2014—2015年磁偏角(图7a)正负值区域各占一半,柯坪至巴楚一带、阿克陶至塔什库尔干一带处于正负值交界的零等值线附近,皮山一带为零等值线附近。2015—2016年磁偏角(图7b)为正值变化,乌什至阿合奇位于高值集中区。阿克陶地震前一年位于零等值线附近,地震前位于正值区域。
图4 南天山地区地磁场水平矢量变化分布图
Fig.4 Variation distribution of the horizontal vector in the southern Tianshan area
图5 南天山地区地磁场垂直矢量变化分布图
Fig.5 Variation distribution of the vertical vector in the southern Tianshan area
图6 南天山地区总磁场强度变化分布图
Fig.6 Variation distribution of total intensity in the southern Tianshan area
图7 南天山地区磁偏角变化分布图
Fig.7 Variation distribution of the magnetic declination in the southern Tianshan area
南天山地区磁倾角变化分布如图8所示。2014—2015年磁倾角(图8a)整体以正值变化为主,阿克陶至塔什库尔干一带处于正负值交界的零等值线附近,柯坪至巴楚一带处于零等值线附近的正值区域。2015—2016年磁倾角(图8b)整体为正值变化。阿克陶地震前一年位于零等值线附近的正值区域,地震前位于正值区域。
图8 南天山地区磁倾角变化分布图
Fig.8 Variation distribution of the magnetic inclination in the southern Tianshan area
综上所述,阿克陶6.7级地震前一年水平矢量位于转换区域边缘,垂直矢量方向向下,总强度和磁倾角位于正值区域,磁偏角位于零等值线附近,地震前水平矢量方向发生转变,方向朝东,垂直矢量方向向下,总强度、磁偏角和磁倾角位于正值区域。阿克陶地震前一年和地震前发生明显变化的是水平矢量和磁偏角,其余参数变化不大。
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(祝意青等,2003)。震前重力场正异常区的发展与未来地震的发生有更密切的关系,其范围和幅度决定震级的大小,演变过程决定发震时间(贾民育,詹洁晖,2000)。重力差分动态图像表明阿克陶6.7级地震前和前一期相比,离震中较近的乌恰地区和布伦口地区重力场发生较大变化,乌恰地区由正值的高梯度带转为重力负值,布伦口地区由正值变化转为负值变化。一年尺度重力场变化图像显示,地震前与前一期相比,乌恰至喀什地区的四象限分布消失变为正值变化。布伦口地区在一年尺度重力图像上显示地震前一期位于高梯度带,地震前变为零等值线附近。
一般来说,局部磁异常场是极其稳定的,它产生的根源是地壳内磁性岩石的不均匀分布,但一些构造运动可以引起磁异常场的变化(徐文耀,2003)。阿克陶6.7级地震前,2016年与2015年相比,水平矢量发生变化,由转换区域边缘变为朝东变化,磁偏角由零等值线附近变为正值变化,说明阿克陶地区存在某种构造运动,这些运动造成区域应力场发生了变化,从而引起地壳中岩石磁性发生改变,导致磁异常场的变化。
结合流动重力和流动地磁的资料可知,阿克陶地震前乌恰至喀什地区多年尺度的重力变化由四象限分布变为正值变化,布伦口地区重力值在正值高梯度带和零等值线附近转换。岩石圈磁场显示地震前震中附近的水平矢量和磁偏角发生变化。因此,为提高地震震情形势研判的准确性与可靠性,应综合应用多学科、多手段资料的研究结果进行分析研究。
感谢新疆维吾尔自治区地震局流动重力和流动地磁野外工作人员的辛勤作业,感谢审稿专家为本文进一步完善提供了宝贵的意见和建议。
