小波多尺度分解是近年来发展起来的一种位场分离技术,可以将重力信号分解到不同的尺度空间中,其本质是一种窗口可变的傅立叶变换,利用小波变换对重力异常信号进行提取,可以获得不同深度下的重力异常信号,尺度大小决定了重力信号所反映的地质体埋深。小波多尺度分解凭借其明显优势已经在重力场分离研究中得到了广泛应用(姜文亮等,2010; 陈兆辉等,2019)。

目前,基于Mallat(1989)提出的塔式算法是重力位场分离中最常用的算法,可以将重力异常信号分解为不同尺度的小波细节和小波逼近信号(刁博等,2007; 刘芳等,2017):

Δg(x,y)=A_i+D_i+D_i-1+…+ D₁　　(1)

式中:A_i为重力异常的i阶近似(i为不小于2的整数),即重力异常的低频信号,主要反映深部大尺度密度异常信息; D_i(i=1,2,…,i)为经i次分解后得到的各阶小波细节,即重力异常的高频信号,主要反映地壳浅部密度异常信息。

本文利用全球重力场模型grav.img.23.1(Sandwell et al,2014)和全球DEM模型topo_18.1.imghttp://topex.ucsd.edu.,在自由空气重力异常基础上进行布格改正、曲率改正、地形改正,计算得到川西地区2'×2'的布格重力异常(图2)。

由图2可见,区域布格重力异常整体呈负异常现象,重力值为-550～-50 mGal; 区域重力异常表现为自西北向东南逐渐增大的趋势,且具有明显的分区特征,在川西高原与四川盆地交会区的龙门山断裂带形成一条明显的重力异常梯度带,该梯度带自三岔口向南到石棉,转向西南沿着锦屏山断裂、丽江—小金河断裂经木里到丽江,整条梯度带将整个区域划分为西北和东南2个部分。西北部的川西高原为重力低值区,反映了青藏高原地块的强烈隆升和莫霍面的明显下沉; 东南部的四川盆地为重力高值区,反映了四川盆地与相邻的青藏高原块体的地壳结构与密度分布存在明显差异。川滇地区是青藏高原中下地壳软弱物质向东南运移、转换的主要地区(Clark,Royden,2000; Wang et al,2001; Royden et al,2008),青藏高原中下地壳物质东向运移过程中受四川盆地阻挡,地壳发生挤压增厚,导致龙门山断裂带附近出现显著的莫霍面陡变现象,东部的四川盆地莫霍面深度在36～40 km,西部的川西高原莫霍面最深达70 km,龙门山断裂带两侧的莫霍面深度差异最大可达30 km(滕吉文,曾融生,2002; Shin et al,2007)。南部的川滇交界地区重力异常值介于两者之间,沿锦屏山断裂和丽江—小金河断裂的重力异常梯度带也相对较缓,这可能是由于受四川盆地阻挡影响,青藏高原中下地壳物质东向运移过程中转向东南进入川滇地块,该区中下地壳分布着大范围的低速、低阻、高导的软弱物质(Bai et al,2010; Bao et al,2015; Yang et al,2020),中下地壳物质流转向以后向南扩展的阻力减小,地壳增厚速率相比青藏高原地块明显减缓,且由北向南增厚速率逐渐减弱,导致川滇块体莫霍面深度由西北向东南逐渐变浅。

图2 川西地区布格重力异常
Fig.2 The Bouguer gravity anomaly in West Sichuan

布格重力异常包含地表到深部所有密度异常体的重力信号,为分析不同深度场源的重力异常信息,本文选用双正交小波基函数bior3.5对布格重力异常信号进行小波4阶分解,并以1～4阶小波细节相加作为小波多尺度分解后的局部重力异常场,分别绘制布格重力异常的小波分解2～4阶小波细节图和局部重力异常图(图3)。1阶小波细节主要反映地表沉积层物质的重力效应,其图像无明显规律,故在此不做讨论。

图3a为2阶小波细节图,主要呈现正负异常交替的条带状分布特征,反映了上地壳物质密度分布不均匀的重力效应。正负相间的重力异常梯度带主要分布在龙门山断裂带、鲜水河断裂带、大凉山断裂带以及川滇菱形块体内部等构造运动剧烈的区域,显示了区域上地壳密度横向不均匀特征; 沿安宁河断裂带呈现较大的正重力异常,可能是由于该断裂切穿莫霍面,存在地幔高密度物质上涌现象; 相比之下,东部的四川盆地内部重力异常变化整体较平缓,反映出盆地内部上地壳结构比较稳定。泸定M_S6.8地震震中附近的三岔口—石棉一带重力异常值接近零,并且周边被几个高密度体包围,导致该地区容易形成应力积累,且最易发生破裂。

图3b为3阶小波细节图,主要反映了中下地壳物质密度分布不均匀的重力效应。与2阶小波细节图相比,其重力异常图像更加清晰、规律。研究区大部分呈正重力异常,反映了青藏高原中下地壳物质向东南运移过程中,其运动速度不断减小导致中下地壳物质逐渐积累,沿安宁河断裂带较大的正重力异常可能是地幔高密度物质上涌所致(Xu et al,2004); 而九龙、石棉以及香格里拉、木里一带的负重力异常可能是由于该地区中下地壳物质存在部分熔融有关; 四川盆地内部重力异常整体比较平缓,显示了刚性块体的稳定特征。

图3c为4阶小波细节图,主要反映了下地壳底部到上地幔顶部的物质密度分布不均匀的重力效应。重力异常图像整体较简单,局部重力异常消失,表现为大尺度的低频重力异常。四川盆地内部以及川滇交界西部的木里、攀枝花一带呈正重力异常,而川滇交界东部以及藏东的理塘、康定一带则表现为显著的负重力异常,沿着安宁河断裂带形成重力异常梯度带,并且在磨西—石棉—冕宁一带形成明显的重力异常四象限分布特征,泸定M_S6.8地震就发生在该四象限中心附近。

图3 川西地区小波多尺度分解结果
Fig.3 The wavelet multi-scale decomposition of the Bouguer gravity anomaly in West Sichuan

图3d为局部重力异常图,主要反映了研究区地壳物质密度分布不均匀引起的重力效应。在川滇交界西部正负异常交替分布现象明显,反映了地壳物质的横向不均匀特征; 相比之下,四川盆地整体表现为正重力异常,反映了四川盆地地壳整体密度较高; 另外,研究区内存在一条明显的NW-SE向的负重力异常条带,它与四川盆地以及木里、攀枝花一带的正重力异常一道形成了明显的四象限分布特征,四象限中心在石棉、冕宁一带,反映了该地区是地壳密度结构强烈变化区域,容易导致应力积累,泸定M_S6.8地震就发生在该四象限中心北侧的磨西镇。

川滇地区地处青藏高原东南部,受青藏高原物质向东南运移影响,区内构造变形与地震活动强烈,一直是国内外学者重点关注的地区之一。为监测该地区地壳运动以及发现可能的地震前兆,自20世纪80 年代起,四川省地震局和云南省地震局分别在该地区建立川西和滇西地区地震重力监测网; 2008年汶川8.0级地震以后,中国地震局对川滇地区重力监测网进行了多次优化改造,形成了现今川滇地区整体重力监测网络(图4)。测网覆盖了龙门山断裂带、鲜水河断裂带、安宁河断裂带、小江断裂带、大凉山断裂带、金沙江断裂带、丽江—小金河断裂等川滇地区主要的活动断裂带,测点的空间分辨率大约为35 km×35 km,具备监测监视区内M_S≥5.0地震的能力(祝意青等,2014,2015)。测网每年开展2期观测,可以获取高精度、高密度的重力场时空变化信息,为研究重力变化与地壳运动及强震活动的关系提供重要的基础数据。

2022年9月5日泸定M_S6.8 地震发生在川滇地区地震重力监测网区域内,该监测网由12个绝对重力观测点和306个相对重力联测点组成(图4),绝对重力观测点分布均匀且覆盖整个重力监测网络,可以为研究区域的重力网平差提供可靠的基准控制(邢乐林等,2016)。绝对重力测量主要由湖北省地震局和中国地震局第二监测中心分别采用FG5型高精度绝对重力仪和A10型便携式绝对重力仪观测完成; 相对重力联测由中国地震局第二监测中心、四川省地震局、中国地震局第一监测中心和云南省地震局采用Burris、LCR-G和CG-5型相对重力仪完成。每期观测资料均采用经典平差方法进行整体平差,以绝对重力观测点作为重力网平差的起算基准,计算测网内每个测点的重力值,再利用多期资料的平差结果进行差分获得不同时空尺度的重力场变化特征。每期观测资料的数据解算情况见表1,自2017年以来每期资料测点重力值的平均精度均优于10×10^-8 m/s²,显示各期流动重力资料质量可靠,数据处理精度较高。

图4 川西地区流动重力监测网络
Fig.4 The mobile gravity observation networkin West Sichuan

流动重力观测资料可以反映地震孕震过程中的重力异常变化,受地面重力测点分辨率的影响,对于6级以上的强震反映效果更好。祝意青(2018)总结了重力变化异常与地震活动的关系,其中6级地震对应的重力变化异常时间为1～3年,异常量级大于80×10^-8 m/s²。因此,本文主要分析2017 年以来川西地区的重力场变化。为消除季节性效应的影响,以每年9月的观测资料作为研究对象,并分别绘制泸定M_S6.8地震前区域重力场年尺度变化图像与累积重力变化图像(图5),分析地震前重力场时空动态演化特征及规律。

表1 川西地区重力网观测资料
Tab.1 Data of gravity observation in West Sichuan

图5 川西地区年尺度重力场变化(a)和累积重力变化(b)
Fig.5 The annual variation of the gravity field(a)and the cumulative variationof the gravity(b)in West Sichuan

川滇地区地处青藏高原东南缘,受印度—欧亚板块碰撞影响,区内构造活动强烈,被认为是青藏高原物质东流的重要通道。青藏高原物质向东迁移过程中遇到龙门山断裂阻挡,青藏高原东缘地壳挤压变形、增厚,导致高原东缘莫霍面不断加深,与相邻的四川盆地刚性地块的莫霍面深度形成显著差异,从而沿龙门山断裂带形成布格重力异常陡变带,区域布格重力异常图清晰地反映了不同构造单元的地壳结构与密度差异。

四川盆地在各个深度上都展现出其刚性块体的稳定性,并且在中下地壳表现出明显的高密度特征。而川滇菱形块体内部密度分布不均匀,在川滇交界西部及川西高原呈现明显的低密度特征,可能是高原中下地壳物质转向南运移过程中,遇到软的中下地壳物质逐渐沉积下来导致地壳增厚; 而木里、西昌、攀枝花一带呈现明显的高密度特征,这可能是由安宁河断裂带地幔高密度物质上涌(滕吉文,魏斯禹,1987; Ganino et al,2013)以及攀枝花地区莫霍面上隆所致(Chen et al,2015; 徐涛等,2015)。泸定M_S6.8地震震中附近的三岔口—石棉一带重力异常值接近零(图3c),处于中下地壳密度异常高梯度带的零值线附近和四象限分布的中心,容易形成应力积累,具备发生强震的深部场源特征。

研究区整体上地壳密度展现出明显的横向不均匀性(图3a),受区内主要的活动断裂带控制,在高原持续向东逆冲挤压的构造背景下,受多条断裂的逆冲走滑运动影响,形成了高、低密度体相间分布的格局。泸定M_S6.8地震震源区附近的三岔口—石棉一带重力异常值接近零,其周边被几个高密度的坚硬地质体包围,使得三岔口地区成为该地区最易发生脆性破裂的区域,震源区也具备发生强震的孕震背景。

1966年邢台7.2级地震以后,我国开始在一些活动地区开展流动重力测量工作以及重力场变化与地震关系的研究。陈运泰等(1980)根据1975年海城7.3级地震和1976年唐山7.6级地震的区域重力场变化结果,发现地表高程变化无法解释震前的重力变化情况,并提出了“地下物质迁移”的理论,认为可能是深部质量迁移主导了震前的重力变化(Chen et al,1979)。

从重力场的时空动态演化来看,泸定M_S6.8地震前的重力场变化表现为区域性重力异常—反向变化、四象限分布特征性异常—局部变化变缓的亚失稳状态的系统演化过程。2017年9月—2019年9月的2年尺度重力变化(图5b-1)显示震中处于重力变化高梯度带的零值线上,而且三岔口南北两侧均显示出区域性的负重力变化; 2019年9月—2021年9月的2年尺度重力变化图(图5b-2)显示重力变化发生反向,但雅安一带的负重力变化仍然持续,因此在三岔口地区形成显著的重力变化四象限分布特征; 2021年9月—2022年9月的震前1年尺度重力变化图(图5a-3)显示三岔口北部的小金一带的正重力变化有所减弱,但是南部的九龙、冕宁一带的正重力变化持续增强,该地区的正重力变化异常可能直接或间接导致了此次地震的发生。依据Kuo等(1999)提出的解释地震重力变化机理的联合膨胀模型(Kuo,Sun,1993)以及震质源和震质中模型(Kuo,Sun,1993; 郑金涵等,2003; 陈石等,2015),本文认为,引起三岔口南侧的九龙、冕宁一带强烈正重力变化的深部场源可能是此次泸定M_S6.8地震的孕震体,其质量变化中心即为震质源,它在地面的投影即为震质中,距离震中约100 km。参照膨胀扩容模型,震前的区域重力场时空演化显示:

(1)自2017年开始(图5b-1),孕震体下地壳介质在高压状态下发生膨胀,孕震体体积增大,导致地表重力减小。

(2)2019—2021年(图5b-2),随着压力持续增大,孕震体产生微破裂,深部高密度流体持续侵入,导致地表重力增大; 孕震体相对的小金、汶川、马尔康一带也呈显著的正重力变化,震中则处于2个正重力变化区域相交的位置,类似于跷跷板的“支点”位置,局部应力持续积累。

(3)2021—2022年(图5a-3),随着高密度流体的持续侵入,孕震体膨胀形成的孔隙已基本被深部高密度流体填满,深部流体迁移速度明显减弱; 受2022年6月10日马尔康M_S6.0地震影响,汶川、马尔康一带应力得到释放,随着压力变化,原来深部的受压流体向周边迁移,导致地表重力变化减小; 震中附近的三岔口地区重力变化相对较缓,意味着震区地壳介质可能进入亚稳态阶段,震中周边已经积累了巨大的应力,发震紧迫性增强。