基金项目:国家自然科学基金(42374104,41874092); 陕西省自然基金(2024JC-YBMS-203); 云南省地震局地震科技专项(20242X03).
第一作者简介:王 斌(1990-),工程师,主要从事重力测量、地球重力场变化研究.E-mail:278802849@qq.com.
通信作者简介:黄江培(1984-),高级工程师,主要从事利用重力数据采集及资料分析应用工作.E-mail:164909307@qq.com.[TS)]
(1.中国地震局第二监测中心,陕西 西安 710054; 2.云南省地震局,云南 昆明 650224)
(1.Second Crust Monitoring and Application Center,China Earthquake Administration,Xi'an 710054,Shaanxi,China)(2.Yunnan Earthquake Agency,Kunming 650224,Yunnan,China)
the West Yunnan Earthquake Test Site; the Lijiang MS7.0 earthquake; gravity field; time-varing characteristics
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0063
1996年2月3日19时14分,云南省丽江市(27°18'N,100°13'E)发生MS7.0地震,地震波及范围大,灾害严重,是1976年宁蒗地震之后滇西北地区发生的最强烈的一次地震,引起了国内外学者的高度关注。丽江地震震源机制解显示该地震是正断型(王绍晋等,1997),其震区处在龙蟠—乔后断裂、大具断裂和玉龙雪山东麓断裂围限的三角形断块内。地震发生后,研究者通过地表破裂带及余震分布等,确定此次地震的发震断裂为玉龙雪山山前断裂,断裂总体走向0~10°,长约50 km,其南北分别与小金河断裂和中甸—大具断裂相接(王运生等,2000)。
对于地震孕育与重力变化的关系,学者们也开展一些的研究工作,如申重阳等(2003)利用1990—1997年滇西地震预报实验场流动重力观测资料,结合断层运动模型,反演了鹤庆—洱源断裂、龙蟠—乔后断裂和红河断裂等主要活动断裂滑动的时序变化,进一步分析了丽江地震重力前兆模式; 祝意青等(2018)、胡敏章等(2019)、李树鹏等(2024)研究认为7级以上大震发震前可观测到的重力前兆信息一般可持续3~5年或更长,异常范围超过400 km; 孙和平(2004)、祝意青等(2022)和王勇等(2004)的研究表明,地震的孕育发生与地下构造活动、物质迁移、地壳形变等过程密切相关,这些过程可以引起地表重力场非潮汐变化,可被流动重力观测到。近年来,祝意青等(2013,2016,2017,2022)基于震前不同尺度的重力场变化,对多次大震进行的中期预报结果与实际发震地震、震级和时间对应较好,发现时变重力场是与地震孕育发生相关的可靠性地震前兆之一。
鉴于重力场时变特征与地震孕育的相关性,本文利用1989—1996年丽江MS7.0地震前后重力观测资料,分析丽江地震前后滇西地震预报实验场内部重力场时空动态演化特征与规律,探讨其与丽江地震及与红河断裂带在时空上的对应关系,以期为对在流动重力测网分布不足(特别是西部地区)情况下分析重力场演化与地震时空对应关系提供借鉴。
1996年丽江MS7.0地震发生在青藏高原东南缘的川滇菱形块体内部。青藏高原在印度板块向北的持续推挤作用下,其内部物质向东逃逸,在东部受到四川盆地的阻挡后转向东南向。川滇菱形地块作为其物质运移的通道,处于松潘—甘孜地块、扬子地块和兰坪—思茅地块的交界部位,地质构造复杂、活动强烈、地震频发(吴中海等,2015; 杨雄等,2023),是我国强震活动重点监视区之一。为监测该构造活动区的重力场非潮汐时空变化特征与地震活动关系,自20世纪80年代开始,中国地震局在滇西地震预报实验场陆续建立了包括绝对重力网、相对重力网、微重力网和重力垂直梯度测线在内的综合高精度重力监测网(贾民育等,1995)。重力监测测网范围为(24°~27° N,99°~103°E),包含测点130余个,主要分布于滇西块体和川滇菱形地块内部(图1)。自1985年开始,中国地震局地震研究所和云南省地震局等单位采用LCR-G型重力仪每年定点重复观测2期,为研究该区域的重力场时变特征与地震孕育关系积累了丰富的资料。
1996年丽江MS7.0地震发生时,中国重力监测网布设正处于初期,滇西地震预报实验场重力测网未能覆盖丽江地震的震中区域,仅在其南部有测点分布,全网包含下关和昆明2个绝对重力点(图1中蓝色五角星)。重力监测网中所有测点与震中距离均未超过400 km,视为都在孕震影响区域,不作测点删选。将测网内2个绝对重力观测点(王勇等,2004)作为起算基准,采用经典平差方法进行计算,获取绝对基准下的重力场变化。平差前,对相对重力数据做固体潮、气压、一次项、周期误差等改正,消除干扰源影响; 平差中,先对相对重力资料进行整体分析,初步了解各台仪器的观测精度,合理分配各仪器的先验方差,再进行计算,然后根据平差计算结果不断调整权系数,直至解算出各区域测点的最佳重力变化(祝意青等,2012)。最终得出各期的点值平均精度在10×10-8 m/s2以内,满足异常特征分析需求。正常情况下,云南每年5—10月为雨季,11月至来年4月为旱季,雨季和旱季降雨量差距明显,地下水蓄量会有差距,影响重力变化(黄江培等,2022)。由于丽江地震发生于旱季,所以本文采用数据均为上半年旱季期间观测数据,以减少地下水的影响。
对1989—1996年滇西地震预测实验场相对重力观测资料按照前述方法处理后,获得绝对基准控制下的重力值,使其具有时空域上的可比性。为了分析滇西地震预报实试验场重力场在丽江MS7.0地震前后的演化过程,进一步研究重力场演化特征与地震孕育关系,本文使用逐年差分的方式获取研究区1 a尺度的重力变化特征(图2),并以1995年4月测期重力数据为基准,分别计算其与1993年以前测期的累计累积变化,获取2、3、4和5 a不同时间尺度下的重力场累积演化特征(图3)。
从丽江MS7.0地震前后滇西地震预报实验场1 a尺度的重力场差分变化(图2)可看出:
图2 丽江MS7.0地震前后滇西地震预报实验场1 a尺度重力场差分变化
Fig.2 Differential variation of gravity field in one-year scale in the West Yunnan EarthquakeTest Site area before and after the Lijiang MS7.0 earthquake
(1)1989年4月—1990年3月,研究区内重力场变化较小,均在±10×10-8 m/s2以内。根据平差点值平均精度,这个量级的重力场变化不能作为异常参考,可认为本年度重力场无变化(图2a)。
(2)1990年3月—1991年3月,研究区内重力场变化量值较上一期稍有增强,在空间分布上出现趋势性变化,在洱源、宾川、弥渡一带出现NS走向的零值线,总体呈现出西正东负的变化趋势,其东、西两侧出现±20×10-8 m/s2的局部重力异常(图2b)。
(3)1991年3月—1992年4月,研究区重力场变化与上一期大致相反,出现NE-SW向由正向负的趋势性变化特征,变化量值与上一期大致相当; 零值线由NS走向转为NW-SE走向(图2c)。
(4)1992年4月—1993年4月,永胜—永仁—宾川围绕的局部区域内出现重力变化最大值为-30×10-8 m/s2的负变化,零值线被向南挤压,呈EW走向。攀枝花附近正变化继续增强,其余区域无明显变化(图2d)。
(5)1993年4月—1994年4月,研究区北部丽江到永胜之间负变化稍微增强; 东侧永仁、元谋一带出现微弱正变化趋势; 西部永平、云龙区域与上一期相比,变为负异常,但量值相当; 以剑川、洱源、永胜、丽江为中心,呈现出弱四象限分布特征,零值线分布无规则,正负交界总体呈NE-SW走向(图2e)。
(6)1994年4月—1995年4月,重力变化明显加剧,以永胜、宾川为中心的整个东北区域呈现负变化,最大值为-50×10-8 m/s2; 西南侧以保山、永平为中心为正变化区域,最大值为50×10-8 m/s2,在大理、弥渡、楚雄沿线形成与红河断裂走向一致的正负变化高梯度带,零值线呈NW-SE走向(图2f)。
(7)1995年4月—1996年2月,重力空间分布特征较上一期总体呈现反向变化,在永胜、宾川一带转为局部正变化,最大值约为70× 10-8 m/s2; 保山、永平地区转为负变化,最大值约为50×10-8 m/s2; 零值线总体为NS走向,与红河断裂走向基本一致(图2g)。
总体上,连续1 a尺度重力场差分变化在1992年以前趋势平稳,之后变化趋势逐年加强,1994—1995年变化最为剧烈,当零值线与红河断裂带走向一致后,很快发生丽江地震,重力变化于震后迅速恢复。由于1 a尺度重力场差分无法看出1992年以前的重力变化是否受到丽江MS7.0地震孕震的影响,所以将1995年观测值作为基准,与1993年以前观测值作差,研究其变化的延续性。
从不同时间尺度下的重力场累积演化特征(图3)可看出:研究区内重力变化主要发生于1994—1995年,以1995-04测期作为基准,累积变化都较为明显。从量值上分析,2 a尺度(图3a)与6 a尺度(图3e)的累积正负变化差异从110×10-8 m/s2增加到140×10-8 m/s2,负变化于3 a尺度达到极值,随着累积时长增加,主要表现为重力负异常区的扩大; 正变化量值逐步增大,但范围逐步减少。从变化趋势分析,正负变化从南正北负逐渐转为东北负西南正的趋势,零值线从WE向逐渐向与构造走向高度一致的NW-SE向转变。从分布范围分析,2~4 a尺度(图3a~c)的负变化区域以永胜为中心逐渐向南扩散至永胜—宾川—永仁一带,变化范围逐渐扩大。正变化区域主要集中于保山—弥渡,并向东延伸至楚雄—双柏一带; 5~6 a尺度(图3d~e)的负变化区域的东南侧进一步向南扩展至楚雄—双柏之间,正变化区域收缩集中于保山—弥渡一带,但量值有明显增加。
从图3可以看出,随着累积时间增加,重力场变化趋势也逐渐增强。虽然1 a尺度变化趋势的前3 a(图2a~c)重力变化较平稳,但累积变化呈现出趋势增强的现象,所以认为后期的剧烈变化是这3年重力累积变化的继承性变化。
现有研究表明,MS≥7.0大震发震前可观测到的重力前兆信息一般为3~5 a或更长(祝意青等,2018; 李树鹏等,2024),所以本文选择丽江MS7.0地震前7 a的1989年的观测值作为重力场变化起始点,进行差值分析。从1 a尺度重力差分变化(图2)及多年尺度重力累积变化(图3)的分析结果可以看出,虽然丽江MS7.0地震发生于重力观测网之外,但在1989—1996年,滇西地震预报实验场重力场的演变过程与丽江MS7.0地震在时空上应该具有高度关联性:
图3 丽江MS≥7.0地震前后不同时段的重力场累积变化图像
Fig.3 Cumulative variation of the gravity field in the periods before and after the Lijiang MS7.0 earthquake
(1)时间演变特征。1989—1992年,1 a尺度的区域重力场变化平缓,于1993年以后变化加剧。多年累积变化,后期发生剧烈变化延续了前3 a重力场累积变化,所以认为与该地震有关的中期前兆信息超过5 a。1995—1996年同震重力场变化与震前1989—1995年累积重力场变化完全反向,量值基本与震前6 a累积变化相当,因此丽江MS7.0地震是多年能量积累的一次突然释放,并且能量释放较为彻底。
(2)空间分布特征。1 a尺度重力场变化是按时间顺序差分得出,重力场演变从震前的与研究区构造杂乱无关分布,向临震前围绕红河断裂带两侧重力变化梯度带呈显著分布转变; 而多年尺度重力场累积变化以1995年测期为基准倒序累加得出,随着累积年限增加,重力变化等值线趋势由NWW-SEE向变为向NW-SE向旋转,旋转中心大致位于红河断裂带。当正负交界面的零值线走势与构造一致后,很快发生丽江地震,震后重力场反向变化的高梯度带依然与红河断裂走向一致,笔者认为这是红河断裂带两侧块体物质快速交换的结果,该现象可能是断裂带两侧应力积累通过地震快速释放的一种调节作用。
总体而言,1 a尺度重力场变化经历了弱变化—剧烈变化—快速反向恢复的时空演化过程。由于1996年开展重力观测时,地震已经发生,无法判断“快速反向恢复”过程发生于震前还是震后,所以认为1996年丽江地震发生在重力反向变化的过程中,该过程与青藏高原及周边地区的典型大地震震前重力场演化特征一致(祝意青等,2016,2022)。由于重力场时间演化和空间分布特征与丽江MS7.0地震高度吻合,所以认为在该时段内滇西地震预报实验场的重力场变化,可能是由丽江MS7.0地震孕育过程中构造运动或深层物质运移引起的。
在强震孕育过程中,区域重力场变化与地壳内部构造运动密切相关,重力等值线在活动构造地块的边界容易出现密集和转折,形成重力梯度带(顾功叙等,1997; 祝意青等,2009)。丽江MS7.0地震发生在青藏高原东南缘的川滇菱形块体内部,在构造作用下,该区域发生强烈变形,并在块体内部形成近南北向的构造应力场(苏生瑞等,2004; 王绍晋等,1997; 王运生等,2000)。多年尺度的累积重力变化显示,川滇块体与滇西块体交界处的永胜—宾川一带负异常变化显著,红河断裂带西侧滇西块体呈正重力变化,这反映了川滇块体深部物质在构造应力场作用下向南运移,并在块体边界产生重力变化梯度带,显示出2个块体间物质交换强烈。玄松柏等(2010)对丽江地震前后地壳密度反演结果显示,川滇块体内部为负密度变化,物质处于亏损状态,说明该区域的负异常变化主要来自地壳深部的物质运移作用。申重阳等(2003)对震区内的断裂活动研究发现,1993年开始断层运动幅值加大,揭示局部地壳运动加速,应力应变积累; 1995年达到峰值,年底开始减弱,地震应力应变积累到临界状态。本文研究区的年尺度重力场变化特征为:1993年以前重力变化较弱; 1993—1994年重力变化增强; 1994—1995年重力变化剧烈; 1995—1996年重力出现快速反向变化,这一规律与申重阳等(2003)的研究结果高度一致,说明重力场变化与区域构造活动关系密切。
丽江MS7.0地震发生时,滇西地震预报实验场重力监测网尚未包含震中区域,仅在震中南侧有测点,但重力场时空演变特征依然完整地反映了丽江地震的孕震过程,且与红河断裂带高度相关。
本文利用1989—1996年滇西地震预报实验场的流动重力观测资料获得了1996年丽江MS7.0地震前后研究区内不同尺度的重力场变化,分析了重力场演化时空特征与丽江地震的关系,主要获得以下结论:
(1)1989—1996年重力场演化特征,与丽江MS7.0地震的孕震过程有高度的时空对应关系,本时段内重力场变化可能为丽江MS7.0地震的孕震表征。
(2)研究区内差分及累积重力场动态演化过程中,在川滇菱形块体与滇西块体边界产生重力变化梯度带,表明2个块体构造活动剧烈,构造活动块体边界是物质能量交换强烈的场所,易于积累应力应变,从而诱发地震。
(3)研究区1 a尺度的重力场分布经历了与构造无明显规律,逐渐演化为临震前与区域构造(红河断裂)走向呈显著变化的特征,反映出区域重力场变化受区域主要活动构造控制,是地下深部壳幔物质运移的表现。