(新疆维吾尔自治区地震局,新疆 乌鲁木齐 830011)
(Earthquake Agency of Xinjiang Uyghur Autonomous Region,Urumqi 830011,Xinjiang,China)
利用2014—2016年南天山—帕米尔地区5期流动重力观测资料,分析该地区半年和一年尺度重力变化特征,探讨了地震孕育发生与重力场变化特征的关系。结果 表明:南天山—帕米尔地区半年和一年尺度重力变化量分别为(10～20)×10-8 m·s-2和(20～30)×10-8 m·s-2,重力场变化有明显的分区特征,塔里木盆地较多表现出重力正值变化,南天山和帕米尔地区正负值变化交替出现。重力场变化能较好地反映该地区地震孕育和发生过程,地震发生前,在震中附近地区的重力变化值出现上升的趋势。在孕震区及附近地区出现重力变化高梯度带,并伴随有重力变化零线,且地震多发生在重力变化正值集中区的零线附近。
地震前后地下应力应变状态的变化会改变地表重力场的分布,陈运泰等(1980)研究发现,1975年海城地震和1976年唐山地震前后的重力场变化不仅是由高程变化所引起,高程变化无法解释这么大量级的重力场变化分布,由此提出了地球深部物质迁移的可能性,并认为地球内部物质迁移导致地壳密度的变化,从而改变地表重力场分布,最早提出了“物质运移”的概念用于解释地震前观测到的重力场变化的物理机制。因受到板块运动的作用,加上地壳物质物理性质的差异性,不同区域地壳物质受到不同程度的应力作用,这种因应力状态的变化而引起的地球内部物质运移的重新分布会改变地表重力场的分布格局。由于地球内部的密度不一样,地壳内物质受到的重力作用也不一样,这必然引起地壳内部的能量积累的不平衡,同时在应力作用下的地壳内物质运移在受到阻挡后,形成挤压、推覆、逆冲与走滑构造,为地震的孕育和发生创造条件。流动重力测量反映的是区域重力场的非潮汐变化信息,地壳内部的物质迁移、地壳构造和地震的形成过程等都可以在流动重力复测结果中反映出来,地表重力场的变化则能较好地反映地壳厚度的差异、地壳密度的变化和深部物质迁移等构造活动信息(陈石等,2011; 贾民育,詹洁辉,2000; 祝意青等,2001。系统分析地震前后重力场时空变化特征,对认识地震的孕育发生规律、捕捉地震前兆、开展中强地震预测的应用研究具有现实意义(祝意青等,2013)。本文拟利用2014—2016年的流动重力观测资料,分析南天山—帕米尔地区重力场分布变化及其与地震的关系。
南天山—帕米尔地区位于新疆西南部,地处于南天山、西昆仑及塔里木盆地3大地质构造单元交汇处,在印度板块与欧亚板块的俯冲碰撞作用下,帕米尔的陆内俯冲和变形作用非常强烈(Molnar,1988)。地质学及GPS研究结果表明欧亚大陆岩石圈深部向帕米尔俯冲至少有200 km,使帕米尔地区地壳厚度比其它区域平均地壳厚度大2倍(汪素云等,1992; 楼小挺等,2007)。南天山地区受到帕米尔高原沿其北缘的帕米尔推覆构造带往北俯冲到欧亚大陆之上的影响,向南俯冲到稳定的塔里木块体北缘之上,该地区现今的缩短速率达到19～20 mm/a(Abdrakhmatov,1996; 王琪等,2000),相当于印度板块向北移动速率的一半(Molnar,1988)。在印度板块向北俯冲的作用下,西昆仑、帕米尔构造带等地区形成了一系列的向北凸出的弧型推覆构造,这些弧型推覆构造在东西两侧由正向逆冲渐变为斜冲—走滑大断裂,显示出东侧右旋、西侧左旋的断层活动特征。弧型推覆构造的东侧、NW走向的逆断层与斜切天山NW向的塔拉斯一费尔干那深大右旋走滑逆冲断裂带、NW向的西昆仑北缘走滑断裂构造在新疆乌恰地区交汇(陈杰等,1997)。这些活动构造特征致使南天山—帕米尔地区成为整个新疆地区构造运动最强烈的地区之一,该地区经常发生中强地震,如1902年阿图什8级地震,1985年乌恰7级地震,1998年阿图什6.9级地震,2008年乌恰6.8级地震等。2013—2016年在测区内共发生了5次MS≥5地震(图1),包括2013年3月阿图什MS5.1地震、2013年12月柯坪MS5.3地震、2014年7月麦盖提MS5.1地震、2015年1月阿图什MS5.0地震和2015年7月皮山MS6.5地震。
图1 南疆地区重力网分布图
Fig.1 Distribution of gravity observation network in Southern Xinjiang area
随着“中国地壳运动观测网络工程”在新疆地区的开展,新疆地震局于2005年在南天山喀什—伽师及邻近地区建立了由40个流动重力监测点构成的重力观测网,并从2005年开始每年至少进行2期重复观测(王晓强等,2007)。为了更好掌握南天山地区流动重力场变化趋势,2007年新疆地震局在原有的喀什—伽师监测网基础上,把监测范围扩展到乌什、柯坪、阿克苏一带。2013年再次扩展南疆监测网,在阿克苏、喀什、和田等地区埋设35个流动重力监测点,形成了覆盖南天山、西昆仑、帕米尔高原以及塔里木盆地部分地区的流动重力观测网络。
本文选取2014—2016年新疆地震局观测的5期南天山—帕米尔地区流动重力数据,研究范围包括(75°～83°E,37°～42°N),覆盖阿克苏地区、克州地区、喀什地区以及和田部分地区(图1),总面积约1.95×105 km2。野外观测均使用2台CG5型高精度重力仪,野外记录与计算均采用中国地震局地震研究所提供的掌上电脑程序“重力测量电子记簿系统”,所有测段自差互差符合规范要求,即往返测自差小于25×10-8 m·s-2,互差小于30×10-8 m·s-2。平差计算采用中国地震局攻关软件LGADJ。在平差计算时,利用库车和塔什库尔干2个点的绝对重力值进行约束经典平差,在平差计算时,采用降权或粗差剔除等方法对误差比较大的测段进行了优化,绝对重力资料观测结果以(3～5)×10-8 m·s-2精度定权(刘代芹等,2015)。最终计算结果显示,各期结果的点值精度为(6～9)×10-8 m·s-2,任意2期结果获得的重力变化精度为(7～10)×10-8 m·s-2,解算精度均满足重力场变化研究的需要。基于平差结果,计算半年尺度和一年尺度的重力变化量,最后利用Kriging插值法对重力变化量数据进行内插计算得到整个研究区重力场变化等值线图。
本文根据平差数据计算结果,分别绘制了2014—2016年的半年尺度和一年尺度重力场变化图像。
从2014年4—9月(图2a)的重力场变化图中可以看出,研究区域重力场呈现出大范围的负值区域,重力零线分布在喀什、阿合奇附近地区,在塔什库尔干和乌恰地区也出现了小范围的重力零线,在塔里木盆地中部地区表现为重力场正值变化区。在重力场变化的高梯度带和穿过喀什、阿合奇的零线附近(40.2°N,77.3°E)于2015年1月10日发生了阿图什MS5.0地震。
图2b为2014年9月—2015年4月测区重力场变化图,与图2a对照分析可以看出,重力场变化出现大规模的正负调整变化,这是由2014年7月9日麦盖提MS5.1地震所导致。西昆仑、阿克苏以北地区出现重力正值变化,而南天山西段、塔里木盆地中部等地区重力则呈现负值变化,表明西昆仑地区的地壳密度或地下物质变化相对于西南天山地区有明显的差异性。西昆仑地区以皮山地区为界,其东侧为重力负值变化,西侧为重力正值变化。2015年7月3日皮山MS6.5地震发生在重力高梯度带和零线附近,该地震震中位于西昆仑山地隆起
区与塔里木盆地过渡地带,西昆仑山前分布多条活动断裂,在塔里木盆地边缘地带分布有泽普隐伏断裂、皮山东南隐伏断裂,此次地震微观震中位于这2条隐伏断裂之间。
通过2015年4月―2015年8月的重力场变化图像(图2c)可以看出,整个测区处于重力正值变化,除了乌恰地区出现重力变化高梯度带以外,其他地区的重力变化量在20×10-8 m·s-2以内。西南天山地区沿着阿合奇、乌什和阿克苏地区形成了重力零线闭合区域。从南天山—帕米尔地区的重力场变化情况来看,整个区域处于重力变化增强态势。值得注意的是,在乌恰附近出现重力场高值集中区,变化量值达到80×10-8 m·s-2。同时,乌恰高梯度带附近出现重力零线,且其分布形态与该地区构造特征基本一致。
2015年8月—2016年4月的观测资料显示(图2d),在南天山西段、塔里木盆地以及西南天
图2 南天山—帕米尔地区半年尺度重力场变化图像
Fig.2 Gravitational field changes of Sourthern Tienshan-Pamir area in half year scale
山与西昆仑交汇地区均出现重力正值变化,塔里木盆地南缘及西昆仑其它地区出现重力负值变化。南疆地区重力场以巴楚和乌恰为中心向南北逐步减弱,最后沿着阿克苏、乌什一带,以及塔什库尔干、叶城一带分别出现2条几乎平行的零线。其中零线附近的乌什、阿合奇、乌恰、叶城、和田地区出现重力变化梯度带。虽然在塔吉克斯坦和阿富汗地区发生了几次7级地震,新疆境内乌恰至塔什库尔干地区的重力场异常有一定减弱,但最新重力数据结果显示,该地区重力梯度带依然存在,最大变化量约为40×10-8 m·s-2,这很可能与2016年6月在吉尔吉斯斯坦境内发生的MS6.7地震有关,该地震震中离乌恰、布伦口出现的异常区的直线距离约150 km。
2013年9月—2014年9月的重力场变化图显示(图3a),重力场分布格局较清晰,南天山地区
重力场处于不断减小的变化过程,即为负值区域,根据重力场变化机理,表明了南天山地区受到了青藏高原、西昆仑构造应力的推挤,山体正处于不断隆升的过程,这与利用InSAR和水准资料研究的结果一致(乔学军,郭利民,2007; 王晓强等,2009; 艾力夏提·玉山等,2015)。从重力零线的分布情况来看,在阿合奇以西地区重力变化呈现出小范围的闭合的零线区域,在和田和库车中间呈现出重力零线区域,2015年1—7月在该区域重力零线附近曾发生了2次5级以上中强地震,即2015年1月10月阿图什MS5.0和2015年7月3日皮山MS6.5地震。
从2014年9月—2015年8月的重力场变化图(图3b)可以看出,与图3a相比,该时段重力场出现了大面积的调整过程,且重力零线基本上沿着南天天山、昆仑山山体和塔里木盆地边缘分布,表明该地区重力变化的机理与构造分布特征基本一致。
图3 南天山—帕米尔地区一年尺度重力场变化图像
Fig.3 Gravitational field changes of Sourthern Tienshan-Pamir area in one-year scale
在乌恰附近地区出现重力变化集中区,变化量达到50×10-8 m·s-2。另外,塔什库尔干附近区域重力场也出现了重力正值集中区,零线从塔什库尔干往北通过乌恰再往西延伸,而且重力演化过程基本与图2d一致,在南天山西段重力场变化出现了一个小范围的四象限分布,且重力场正负交替出现将南天山地区切割为4部分(图3b)。重力场变化说明乌恰、喀什以东地区和和田、阿克苏以西地区地壳物质不断运移而集中,地壳密度不断增加,即重力正值变化的盆地区域地壳密度变大。根据研究经验表明(申重阳等,2010; 祝意青等,2013; 梁伟锋等,2012),2个相邻时段内的重力场变化出现梯度变化(图3a、b),往往是发生中强地震的前兆异常信息体现,而皮山MS6.5地震则恰恰发生在该地区。
2014年4月—2015年4月的重力场变化图(图3c)显示,整个研究区重力场呈现大范围的负值变化,即重力场处于不断减小的变化过程,仅巴楚和塔什库尔干附近呈现重力正值变化。巴楚、塔什库尔干、塔里木盆地中部地区出现小范围的重力变化正值闭合区,我们认为在巴楚地区出现的重力变化是由该地区的KJ52观测点的位置以及其周围环境变化所引起。
从2015年4月—2016年4月的重力场变化图(图3d)中可以看出,该时间段内的重力场变化与该区域的背景趋势变化基本一致,即山区为重力负值区,盆地为重力正值区。从整个区域的重力场分布情况来看,除了和田和塔什库尔地区干出现重力负值以外,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。因塔里木盆地受到帕米尔高原的俯冲作用,同时在北边遇到南天山地区的阻挡,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。而在乌恰地区出现了重力正值高梯度带,这很可能与2016年6月在该区域附近的吉尔吉斯斯坦境内发生的几次5级和6级地震有关。
重力场分布反映的是较大范围地区的趋势性变化,而重力剖面变化则能较好地反映沿着某几条测段或测线的实际变化情况(祝意青等,2003)。2014年新疆地震局将原来的覆盖喀什—阿克苏地区的重力网扩展到西昆仑和塔里木盆地等地区,从2014年9月开始对其进行了观测,因此,为了更好地分析南天山—帕米尔地区重力变化趋势与特征,以2014年9月观测数据为基准,分别绘制了塔什库尔干—布伦口—乌恰(图4中的测线a)、喀什—托帕—巴音库鲁提(测线b)、阿克苏—乌什—阿合奇—喀什—乌恰(测线c)、喀什—英吉沙—泽普—叶城—皮山—和田(测线d)4条重力剖面变化图。
图4 重力剖面及时间序列测点分布图
Fig.4 Distribution map of gravity profile and measuring points of time sequence
从塔什库尔干—布伦口—乌恰的重力变化剖面图(图5a)中可以看到,该区2015年4月重力变化不是很大,到2015年8月和2016年4月,KJ39出现不断上升,总变化量达到60×10-8 m·s-2,从剖面曲线来看,塔什库尔干至布伦口地区重力变化主要以正值变化为主,2015年8月和2016年4月的变化曲线基本一致。
喀什—托帕—巴音库鲁提重力变化剖面图(图5b)表明,2015年4月该测线的重力变化为负值,于2015年8月开始转为正值变化,尤其是2015年8月托帕和巴音库鲁提地区发生大幅度的重力反向变化,最大变化量达80×10-8 m·s-2,形成了重力变化高梯度带。喀什至托帕测段重力变化比较小。该测线是一条沿着费尔干纳断裂布设的测线。测点的中误差远远低于异常值,说明该地区地下物质运移较活跃。
从阿克苏—乌什—阿合奇—喀什—乌恰测线的重力变化剖面图(图5c)中可以看到,2015年4月和8月的重力变化曲线基本一致,喀什、乌恰和乌什地区重力场变化接近于零。到2016年4月该测线以阿合奇为界,阿克苏—阿合奇为负值变化,阿合奇—乌恰为正值变化。从整个剖面曲线来看,阿合奇地区是重力变化正负值变化的过渡带。2016年4月乌什—乌恰地区出现了30×10-8 m·s-2的正值变化。
从喀什—英吉沙—泽普—叶城—皮山—和田重力变化剖面图(图5d)中可以看到,该测线整体重力变化不是很大,泽普、叶城等地区重力变化较小,在泽普地区重力场正负交替出现。另外,英吉沙和皮山重力变化比较明显,重力最大变化量到达30×10-8 m·s-2。
图5 南天山—帕米尔地区塔什库尔干—布伦口—乌恰(a)、喀什—托帕—巴音库鲁提(b)、阿克苏—乌什—阿合奇—喀什—乌恰(c)及喀什—英吉沙—泽普—叶城—皮山—和田(d)重力剖面变化图
Fig.5 Gravity profile changes of Taxkorgan-Bulunkou-Wuqia(a),Kashgar-Tuopa-Bayinkuluti(b),Akesu-Wushi-Aheqi-Kashgar(c),Kashgar-Yecheng-Zepu-Yecheng-Pishan-Hetian(d)area
本文在地震多发的皮山和阿图什地区中选择2个观测点(图4),进行了重力变化与震例的对比分析。其中皮山以2013年9月观测的重力值为基准,阿图什以2008年4月的观测值为基准,分别画出了重力变化时间序列图(图6),图6中菱形点为对应时间的重力变化值,误差线代表观测值的精度。
皮山测点KJ66为“地壳运动观测网络”一期工程流动GNSS观测墩子,阿图什测点KJ28位于南天山西段的山前地带,埋在基岩上的水泥墩子。这2个测点自建点以来周围环境没有变化,其重力观测值比较可靠。其中,皮山测点与2015年皮山地震震中直线距离在10 km以内,从图6a可以看出,2015年7月3日皮山MS6.5地震发生前,该点位重力值呈现上升趋势。阿图什地区从2008年以来发生了5次MS≥5地震,阿图什测点和这5次地震在同一个构造带上,其中2011年8月11日阿图什MS5.8和2013年3月11日MS5.2以及2015年1月10日MS5.0地震发生前,阿图什测点重力值呈现上升-下降-上升趋势,地震发生在第二次上升过程中,其余2次地震发生在重力值下降过程中。
图6 皮山(a)和阿图什(b)测点重力变化时序图
Fig.6 Time series changes of gravity of Pishan(a) and Atushi(b)measuring points
区域构造运动以及应力状态的变化是导致地震发生原因之一,地震孕育和发生跟地壳深部构造有密切的关系。地壳内部物质运移会改变地壳密度,从而引起地表重力场的变化,这种变化在一定程度上可以反映地壳内部能量积累以及应力变化情况,而对这种地壳内部物质运移、密度变化、能量和应力状态的变化等对于判断震情具有重要意义(陈石等,2011; 王杰,2014)。通过分析南天山—帕米尔地区重力场变化特征和MS≥5地震关系,发现在中强地震前后,部分震源区及附近重力场出现不同程度的异常变化。2014年7月9日麦盖提MS5.1地震前,在震区及其附近出现重力正值高梯度带,并伴随有零线出现,而震后,该区域重力场出现负值,但梯度带依然存在,零线有向北收缩的现象,但零线和梯度带的存在在某种程度上说明该地区应力没得到充分释放,存在发生地震的可能。2015年1月10 日在零线附近的重力场正值变化区发生了阿图什MS5.0地震。2015年7月3日皮山地震发生前,震区出现了小范围的重力变化集中区,零线在和田、皮山之间穿过,其两边均出现重力变化梯度带,皮山一带为正值变化,和田一带为负值区。2015年8月的观测结果显示(图2c、图3b),乌恰至塔什库尔干一带出现重力变化高梯度带,梯度带最高值达到80×10-8 m·s-2,乌恰地区位于南天山、西昆仑以及塔里木盆地3个构造单元的交汇处,构造运动强烈并比较复杂,出现如此大量级的重力异常说明该区域应力状态发生了较大变化,笔者认为,乌恰至塔什库尔干测线出现的重力异常与2015年10月26日阿富汗兴都库什MS7.8(36.5°N,70.8°E)和2015年12月7日塔吉克斯坦MS7.4地址(38.2°N,72.9°E)有关。这2次地震都发生在帕米尔俯冲带上,其中阿富汗兴都库什MS7.8地震震中离重力异常区约400 km,塔吉克斯坦MS7.4地震震中离塔什库尔干和乌恰之间出现的重力异常区约170 km。虽然异常区附近发生了几次地震,但2016年4月的观测结果显示,乌恰地区还存在40×10-8 m·s-2的异常区,随后于2016年6月在异常区附近的吉尔吉斯斯坦境内发生了2次MS≥5地震。说明乌恰地区的重力变化对地震孕育的反映是比较明显的。
通过分析南天山—帕米尔地区近几年重力场变化过程和震例可以发现,该地区地震孕育发生与重力场变化有一定的关系,在地震孕育过程中,随着区域构造应力状态的变化,重力场图像也随之出现时空变化。发震前,在震中附近区域出现重力变化高梯度带,并伴随有零线出现,地震多发生在零线附近的高梯度带上。此结果与其它研究人员对地震前后重力场变化特征的研究结果基本一致(申重阳等,2009; 祝意青等,1996,2009)。从重力值随时间的变化情况来看,大部分地震发生前,在孕震区会出现重力值上升的趋势。在地震孕育或发震前,震源区及其周边地区应力失衡继续增加,震源区中应力积累最大或剪切作用最明显地区首先发生错动或破裂,从而引起地震,重力变化上升和下降的过渡带,既重力变化零线附近地带,易于应力积累和剪切作用的产生。因此,重力场变化异常对于中强地震的预测分析有着重要的意义。
本文利用2014―2016年南天山—帕米尔地区流动重力观测资料,以区域重力场、测线剖面、测点时间序列变化等不同方式对研究区进行了重力变化特征分析,结合区域内发生的历史地震,探讨了地震孕育发生与重力变化之间的关系,研究结果表明:
(1)南天山—帕米尔地区以构造运动十分活跃、地震频发等特征已成为了诸多研究人员关注的地区之一,半年和一年尺度重力场变化图像显示,南天山—帕米尔地区除了部分地区出现局部重力异常之外,整体区域在半年时间重力变化量在(10～20)×10-8 m·s-2,而一年尺度重力变化量在(20～30)×10-8 m·s-2。
(2)南天山—帕米尔地区重力场变化有一定的分区特征,即南天山褶皱带、塔里木盆地、帕米尔高原3个构造区在重力变化图像上显示出不同的变化特征,塔里木盆地较多出现重力正值变化,南天山和帕米尔地区正负值交替出现,这种变化特征说明了塔里木刚性块体下沉所导致地壳密度不断增加趋势,虽然南天山和帕米尔地区受到印度板块和欧亚板块的挤压,地壳形变以隆升为主,但该地区活动断裂数量多、规模大,而断裂运动会引起断裂带及周围的形变和物质变迁,说明断层运动对南天山和帕米尔地区重力场
(3)重力场变化、重力剖面变化及震例显示,南天山—帕米尔地区重力场分布对地震孕育过程有较好的反映,一般来说,地震多发生在重力变化梯度带,尤其是正值变化梯度带的零线附近。重力变化零线是重力正负重力变化的过渡带,是物质增减差异剧烈的地区,能量易于积累,从而容易发生地震。从重力值随时间的变化情况来看,大部分地震发生前孕震区重力变化值出现上升的趋势。
感谢野外工作人员辛苦工作得到的观测数据,感谢评审老师以及编辑老师给予的宝贵意见和细心审阅!
