2021年云南漾濞M_S6.4地震是云南地区继2014年鲁甸6.5级地震及景谷6.6级地震后发生的又一次强震。此次地震发生在川滇菱形块体西南边界的维西—乔后断裂附近,该区域位于青藏高原东南部横断山脉的三江地区,也是川滇菱形块体西边界金沙江—红河断裂带的北段区域,该区域地质活动相对活跃,1996年曾发生过丽江7.0级地震。研究认为漾濞M_S6.4地震的发生是青藏高原东缘物质持续南向挤出的结果(王光明等,2021; 龙锋等,2021),结合陆地时变重力数据分析还发现震中处于重力变化的高梯度带区域,且在震中附近重力场变化呈四象限特征分布特征(刘东等,2021; 黄江培等,2022)。

时变重力场反映物质迁移的基本物理场,直接反映地球内部构造运动和地表质量迁移过程。地震孕育过程中的地壳变形和震源区介质性质变化会引起震区周围重力场的变化。学者们结合历史震例研究发现大震前后重力场呈现出区域性持续变化,在震前一段时间内,可能因为膨胀现象而引起重力的变化,震后会出现质量重分布,这些深部场源物质密度的不均衡变化与地震孕育过程密切相关(Chen et al,2016; Yang et al,2021; Wang et al,2023; 赵云峰等,2023)。地表定点重复观测获取的流动重力数据能较好地捕捉到震间过程中与深部地壳介质属性变化相关的前兆信息。区域流动重力场观测对划分强震危险区,以及未来强震的中、长期预测,尤其是在发震地点的判定具有优势(胡敏章等,2019; 祝意青等,2020,2022; 文翔等,2022)。因此,通过定期对地表固定点进行流动重力重复观测,获得高精度微重力变化信号,就可能捕捉到与震源变化有关的重力前兆信息(Xing et al,2021),这对于认识孕震区和断裂带周边的构造活动意义重大。

以往分析陆地重力场时变信号时,研究人员大多采用平差软件获取点值变化,通过插值得到不同时空尺度的重力场变化特征。而实际由于地表重力观测受多种因素影响,且测点为非均匀离散分布,因此进行插值后往往会引入一些虚假信号,尤其对于变化量级较小的地震重力变化,其信噪比较低。等值线表示方法也不能在对重力场变化作可视化的同时叠加测点的误差信息。因此,以往研究人员采用点值变化进行分析,本文基于一种新的可视化方法,并结合重力段差变化指标量G值和C值对漾濞M_S6.4地震前后的区域重力场变化进行定量分析。该方法采用段差进行可视化分析,段差是野外流动重力测量中获取的直接观测量,更能突出发生变化测点位置、误差及其显著性程度,为研究与地震孕育发生过程有关的重力场变化提供可靠的技术保证(李晓一等,2017; 王同庆等,2018; 李静等,2023)。在此基础上,基于2016—2021年云南地区流动重力重复观测资料,并利用优化的欧拉反褶积方法实现了在先验信息较少的情况下研究区场源特征的等效源反演及解释,开展研究地区重力变化及场源特征的定性和定量研究,为研究地震孕育过程的介质变化与构造运动等问题提供技术参考。

漾濞M_S6.4地震发生在青藏高原东南缘川滇菱形块体的西边界带(图1a),该边界带北接构造活动较强烈且挤压明显的金沙江断裂; 中部为具有强烈构造拉张特征的滇西北断陷地区,发育了斜切金沙江断裂的德钦—中甸—大具断裂、NNW向的维西—乔后断裂、NE向程海断裂及龙蟠—乔后断裂(赵小艳,付虹,2014; 李见等,2022)。该地区新构造运动强烈,主要表现为强烈的升降运动和断块运动(谢富仁等,1994),近年来中强震频发; 该边界带南接深大的NW向红河断裂带,作为印度板块向欧亚板块碰撞过程中形成的重要深大断裂带,在晚更新世以来,其主断裂中、南段地震活动性较低(向宏发等,2004),而地震多发于断裂北段的滇西大理周围及南段与红河断裂带走向近乎一致的石屏—建水断裂和通海—曲江断裂附近。

随着流动重力观测工作的进一步加强以及重力测网的优化改造,云南已形成包括云南全境及周边地区的245个测点、260余测段及8个绝对点(蒙自、思茅、耿马、瑞丽、下关、昆明、乡城、丽江)控制的流动重力测网(图1b),绝对点点值精度优于5×10^-8 m/s²(黄江培等,2023)。测网测点整体呈北密南疏分布,覆盖测区主要活动断裂,能有效监测云南地区及其邻区的主要构造带活动,识别测区内5级以上地震引起的相关重力变化(王青华等,2019)。漾濞地震震中区域的测点分布较为密集,平均点间距约20 km。为去除季节性降雨变化的影响,获取区域重力场变化与地壳运动和深部物质分布的关系,云南省地震局信息中心每年上、下半年定期开展两期观测,采用高精度CG-5型重力仪进行观测,平差的处理采用中国地震局实用化攻关推广的应用软件LGADJ,利用经典网平差方法进行平差处理,并重新估计了仪器的一次项系数,获取的观测资料的平均点值精度均达到或接近10×10^-8 m/s²。

图1 云南地区地质构造图(a)及流动重力测网分布(b)
Fig.1 Geological structures(a)and the mobile gravity survey network(b)in Yunnan

结合云南地区复杂的地质构造背景,分别在上地壳、中地壳和下地壳设置3个直六面体模型,以模拟位于不同深度位置的场源体。设置地表测网点间距为 5 km,测网长度均为180 km,模型1位于上地壳:X(80,110)、 Y(110,115)、中心埋深5.5 km; 模型2位于中地壳:X(50,60)、 Y(70,80),中心埋深11.5 km; 模型3位于下地壳:X(80,110)、 Y(60,90),中心埋深22.5 km,异常体的密度差为3×10^-3 g/cm³,模型在地表产生的重力异常为0～120×10^-8 m/s²。

通过多次试验优选构造指数为1.2,滑动窗口为8,并基于2016—2021年云南地区第二期年尺度差分重力数据进行场源反演,获取了场源三维空间分布特征,圈定了场源可能的位置和深度。且针对欧拉反演解存在发散的问题,采用水平梯度滤波法来消除发散解,提高解的收敛性(范美宁,孙运生,2005; 郑秋月等,2021)。图6中蓝色圆圈表示反演的场源位置,圆圈大小表示不同反演解的深度。如果将地表的局部影响和测量数据的不确定性看做一种随机过程,那么不同时间尺度的重力场变化相互对比,在地壳深部场源的重力变化特征应该具有一致性和相似性,而通过对不同时段内的反演结果进行相似性分析,认为那些一致性较好的区域,是较可靠的异常源位置(高倩,陈石,2015)。

多期反演结果显示欧拉解分布在研究区内主要活动断裂附近,位于中下地壳,反演解深度主要集中在(25±10)km,其中汇聚度较高的区域主要集中在红河断裂北段至滇西北一带及滇南至滇西南的局部区域,而该区域是近年中强地震较为活跃的区域,说明反演场源位置与区域内的多次中强地震活动相关。从时间尺度上看,2021年漾濞M_S6.4地震前,在震中以北丽江至乡城一带场源解呈现逐年的累积叠加,而该区域受青藏高原物质东南向挤出的影响,同时又受到兰坪—思茅地块的阻挡,导致该区域产生NNW至SN向的构造应力场(龙锋等,2021; 王光明等,2021)。在发震前两年这种解的汇聚逐渐呈现南向推移,主要集中在大理至红河断裂带中北段区域,且表现出与维西—乔后断裂及红河断裂带走向较为一致的NW向分布特征,与震源区活动断裂紧密联系,可能存在着较为强烈的深部物质运移。震后一年反演解汇聚在震中以北大理—丽江区域及震中西南部红河断裂带北段沿线上,这可能与震后物质的调整相关。

图6 2016—2021年云南地区重力场变化反演的场源特征空间分布
Fig.6 Distribution of the field source characteristics inverted based on the gravity variation in Yunnan from 2016 to 2021

本文利用2016—2021年云南地区的流动重力观测资料,在深入分析重力场变化特征的基础上,基于重力段差值的重力场可视化方法和显著性指标量,开展了2021年漾濞M_S6.4地震前研究区重力变化及场源特征的定性和定量研究,并讨论了研究区近期重力场的时空动态演化特征及可能的构造动力学含义,得到如下结论:

(1)2021年漾濞M_S6.4地震前,重力场表现为区域性重力变化—局部重力场变化—四象限分布特征—大范围的区域性正变化—重力反向变化的演化过程,对应段差变化箭头较为明显的区域主要集中在震中附近滇西至滇西北的大理—丽江一带及近期中强震频发的滇南至滇西南一带重力场变化。与地震活动密切相关,且震前一年重力段差较为明显的区域呈东南向指向,可能反映了震前与漾濞地震相关的震源区深部物质迁移的动力学过程。

(2)2021年漾濞M_S6.4地震前段差变化及重力变化指标量G和C值均出现明显增加,震后又迅速回落,重力段差变化显著性的指标量G值和C值可用于评价区域重力场变化的显著性程度,且指标量变化趋势与同期中强地震事件发生频率相吻合,揭示了重力场变化的显著性异常程度与地震活动密切相关。

(3)反演得到场源解主要集中在红河断裂北段至滇西北一带及滇南至滇西南的局部地区,深度主要集中在(25±10)km。漾濞M_S6.4地震前在震中以北丽江至乡城一带出现多期场源解的累积叠加,而该区域受青藏高原物质东南向挤出的影响,可能存在着较为强烈的深部物质运移,且表现出与维西—乔后及红河断裂带走向较为一致的分布特征,与震源区活动构造密切相关。