地震学报  2013, Vol. 32 Issue (6): 633-640
汶川MS8.0地震前后的重力场动态变化
祝意青1,2 , 梁伟锋1, 徐云马1, 郭树松1, 刘芳1    
1. 中国地震局第二监测中心 中国科学院动力大地测量学重点实验室, 西安, 710054;
2. 中国地震局第二监测中心, 西安, 710054
摘要:利用国家重大科学工程"中国地壳运动观测网络"1998--2008年绝对重力和相对重力的观测资料,获得了南北地震带地区的重力场及其动态变化,从动态的观点研究了2008年5月12日汶川8.0级地震前后区域重力场演化特征及其与地震活动的关系.重力场变化既具有时-空分布的不均匀性,同时又具有与活动断裂构造密切相关和与地震孕育发展有着内在联系.重力场动态变化图象较清晰地反映了汶川大地震孕育、发生过程中出现的重力前兆信息
关键词汶川地震     重力变化     动态过程     地震前兆     地震预测    
Dynamic variation of gravity field before and after Wenchuan MS8.0 earthquake
Zhu Yiqing1,2 , Liang Weifeng1, Xu Yunma1, Guo Shusong1, Liu Fang1    
Second Monitoring Center, China Earthquake Administration, Xi'an, 710054
Abstract: Based on the data of absolute and relative gravity observations of the national major scientific project China Crustal Movement Observation Network from 1998 to 2008, gravity field in the North--South seismic belt region and its dynamic variations are obtained. The evolution characteristics of regional gravity field and its relationship with the seismic activity before and after the 12 May 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake are studied in the sight of dynamics. The dynamic variation image of gravity field reflect the portentous information of the development and occurrence of Wenchuan MS8.0 earthquake more clearly. The variations of gravity field show spatial and temporal inhomogeneity, at the same time, however, they reveal certain relation associated with the development and occurrence of the earthquake, and associated also with regional tectonic activity
Key words: Wenchuan earthquake     gravity change     dynamic process     precursor     prediction    
引言

地震,特别是强烈地震给人类经济和社会的发展造成了极大的损失. 为此,地震预测和抗震减灾已成为当今国家和各级政府部门与广大地球物理工作者深切关注的科学问题. 地震孕育过程中的地壳变形和震源介质性质变化会引起震区周围重力场的变化,因此,通过定期流动重力重复观测,有可能捕捉到与震源变化有关的重力前兆信息(Chen et al,1979; 顾功叙等,1997许厚泽,2003孙和平,2004Imanishi et al,2004). 汶川地震前,中国地壳运动观测网络曾在南北地震带进行过多期流动重力测量,观测到震中附近明显的重力异常变化,并进行了较为准确的中期预测,尤其是地点的预测(祝意青等,2008). 因此,研究汶川MS8.0地震前的重力场时-空变化特征,对认识大震的孕育发生规律,捕捉地震前兆,进行地震预测,具有重要的意义. 汶川地震后,中国地壳运动观测网络又在南北地震带进行过流动重力复测,这为研究汶川MS8.0地震前后的重力场时-空动态变化奠定了基础.

1 重力资料及数据处理

“中国地壳运动观测网络基本网”(以下简称网络工程重力网)于1998,2000,2002,2005年和2008年在中国大陆地区进行了5期流动重力观测. 绝对重力测量工作由中国科学院测量与地球物理研究所和中国地震局地震研究所采用FG-5绝对重力仪观测,每个基准站上绝对重力测定精度优于5×10-8 m/s2(张为民等,2008邢乐林等,2008).

本研究区域为南北地震带: 99°E—110°E,25°N—39°N. 相关流动重力观测网线布局如图 1所示. 相对重力联测工作由中国地震局地震研究所和中国地震局第二地形变监测中心各组建1—2个作业小组联合完成. 每个作业小组用3台LCR-G型重力仪作业,联测了南北地震带地区的9个绝对重力站(盐池、 西宁、 兰州、 西安、 成都、 泸州、 玉树、 下关、 昆明)和100多个区域重力站,共完成120个测点. 重力段差联测精度优于10×10-8 m/s2. 为了确保相对重力联测精度,减少仪器误差影响,仪器格值测前在国家长基线上均进行了统一的标定,观测资料在3天内闭合.

图 1 南北地震带重力联测路线图 Fig. 1 A gravity monitoring network covering the North- -South seismic belt in China

数据处理的关键是将绝对重力观测资料与同期的相对重力观测相结合,其中绝对重力点构成高精度控制网,相对重力观测视为与该网的定期联测,形成南北地震带动态监测网. 这种资料处理方案的优点在于可有效地保持整个南北地震带重力场起算基准统一,又可在此基础上严密、 可靠地解算出各区域站的重力变化,从而获得区域重力场的动态变化. 绝对重力资料处理中作了地球潮汐、 光速、 局部气压、 极移、 垂直梯度等改正,相对重力资料处理中作了固体潮、 气压、 一次项、 仪器高、 周期误差等改正(祝意青等,2007).

利用绝对重力控制解算的重力平差计算结果较好, 1998,2000,2002年及2005年的点值平均精度均在11×10-8 m/s2—15×10-8 m/s2. 2008年是汶川地震后观测,由于余震不断,重力点值平均精度为20.3×10-8 m/s2. 2 重力场演化特征

用《LGADJ》程序对任意两期资料进行了重力变化计算, 1998,2000,2002年和2005年任意两期资料平差后点重力变化精度约为20×10-8 m/s2; 与2008年有关的点重力变化精度约为25×10-8 m/s2. 因此,观察重力变化图时,我们把前4期的重力变化≥40×10-8 m/s2作为重力异常判别标准,把2005—2008年及1998—2008年的重力变化≥50×10-8 m/s2作为重力异常判别标准. 这对判断某些部位的重力变化十分重要.

南北地震带地区的复测时间相对固定在7—11月份进行,每次观测的时间约2个月. 为了便于分析我们把每期观测时间计算到月的中间值(即均值月).

2.1 相邻两期的重力变化

1)1998年10月—2000年9月,整个测区重力变化不大,重力变化在-60×10-8 m/s2 —+20×10-8 m/s2之间(图 2a). 重力变化最显著的是测区南部的滇西地区,呈现局部重力负值异常(指重力值减小变化量显著),达-60×10-8 m/s2,滇西地区2000年1月姚安MS6.5(25.5°N,101.1°E)和11月永胜MS6.0(26.2°N,100.6°E)地震均发生在滇西地区负值变化与西北部正值变化之间的梯度带附近; 测区中南部的四川地区表现为以龙门山断裂为界,将测区分为东西两部分,西部川西高原重力负值变化,东部四川盆地重力正值变化(指重力值增加其变化量为正值); 测区北部的陕甘宁地区重力变化平缓.

图 2 不同时间段重力场变化等值线图(单位: 10-8 m/s2) Fig. 2 Isoline maps showing gravity changes in deferent time interval(unit: 10-8 m/s2)

2)2000年9月—2002年8月,整个测区重力变化剧烈(图 2b). 重力场总体以正值变化为主,滇西地区重力变化由上期负值异常转为正值异常(指重力值增加变化量显著),大姚2003年7月MS6.2(26.0°N,101.2°E)和10月MS6.1(26.0°N,101.3°E)两次地震均发生在重力场变化剧烈的滇西地区和重力变化发生转折的时段; 四川地区重力变化较上期更为剧烈,但重力变化趋势与上期反向,表现为西部川西高原重力正值变化,东部四川盆地重力负值变化,并形成重力变化高梯度带,梯度带走向呈北东向,与龙门山断裂带走向基本一致,龙门山断裂两侧的重力差异变化量达100×10-8 m/s2多.

3)2002年8月—2005年8月,重力变化出现新的态势(图 2c),川滇菱形块体内部呈重力正值变化,环川滇菱形块体周围出现显著的重力负值变化,川西高原重力负值变化最显著,达-60×10-8 m/s2多,并在乾宁—马尔康—汶川—成都一带形成重力变化梯度带. 乾宁—马尔康重力变化梯度带北东走向与龙门山断裂带走向基本一致,马尔康—汶川—成都重力变化梯度带发生转折,与龙门山断裂带相交并垂直. 2008年5月汶川8.0级地震发生在重力变化梯度带零值线与龙门山断裂带交汇附近地区.

4)2005年8月—2008年8月,整个测区重力变化非常剧烈(图 2d). 重力场总体以负值变化为主,川滇菱形块体由上期的正值变化转为剧烈负值变化; 四川地区重力变化更为剧烈,表现为成都以西的川西高原重力急剧负值变化,成都以东的四川盆地重力正值变化较为平缓,重力差异运动达150×10-8m/s-2多,重力总的变化趋势与2000—2002年及2002—2005年的变化趋势相反,表现强烈的震后反向变化.

2.2 较长时期的重力变化

为了分析较长趋势的重力变化,我们以1998年首期观测资料为时间基准,分别绘制了1998—2005年汶川地震前的重力变化背景场图象(图 3a)和1998—2008年汶川地震发生前后的重力场变化图象(图 3b).

图 3 较长时段重力场变化等值线图(单位: 10-8 m/s2) Fig. 3 Contours of the long period trend gravity variation(unit: 10-8 m/s2)

1)1998年10月—2005年8月,较长时期的重力变化显示,汶川地震前区域重力场变化表现出一种空间大尺度范围内的有序性变化,重力变化总体趋势自南向北逐渐减小,由 滇西的+60×10-8 m/s2逐渐过渡到川北的-70×10-8 m/s2. 川滇菱形块体内部呈现大范围和量级的重力正值变化异常区,川滇菱形块体的北部出现大范围的重力负值异常区(图 3a). 尤其是龙门山断裂带两端重力异常显著,断裂带南端泸定、 乾宁附近出现+60×10-8 m/s2的重力异常区,断裂带北端青川、 广元附近出现-70×10-8 m/s2的重力异常区,两异常区的差异变化达130×10-8 m/s2多,并在汶川—成都一带形成重力变化高梯度带.

2)1998年10月—2008年8月,10年尺度的重力变化显示,重力场总体以负值变化为主. 重力变化总体趋势自西向东逐渐增加,由川西高原的-100×10-8 m/s2逐渐过渡到贵阳地区的30×10-8 m/s2. 重力场变化图象的形态有增加、 减少、 反转、 扭曲等多种复杂现象(图 3b). 龙门山断裂带附近重力变化等值线总体走向为北东向,与龙门山断裂带走向基本一致. 但在龙门山断裂带的南端泸定附近发生近似于垂直角度的反转,在龙门山断裂带的北端青川附近发生扭曲,较好地体现出该区域构造活动的强烈性与复杂性.

3 重力变化与汶川8.0级地震

分析区域重力场的时-空动态演化可以发现,1998—2000年区域重力场变化较为平缓,2000—2002年区域重力场主要表现为自西向东由川西高原重力正值变化逐渐过渡到四川盆地重力负值变化的有序性变化. 重力变化较显著的梯度带走向为北东向,与龙门山断裂带走向基本一致. 这可能是2001年昆仑山口西8.1级地震后巴颜喀拉地块东部向东的运动增强引起的大空间尺度的趋势性变化(江在森等,2009). 2002—2005年,出现环川滇菱形块体的较大空间范围的重力变化异常区,以及乾宁—马尔康—汶川—成都一带的重力变化高梯度带,这可能是地壳深部质量迁移与断层蠕动同时引起的重力场变化(张永仙等,2000滕吉文等,2008祝意青等,2009). 重力场变化由大空间尺度的趋势性变化发展为空间上的相对集中性,反映了大震前的区域构造活动增强和局部应力集中. 1998—2005年的重力变化背景场则更好地显示出,汶川地震前区域重力场的一种空间大尺度范围内的有序性变化和相对集中性,地震发生在汶川—成都的重力变化高梯度带上. 震中位于重力变化高梯度带零值线与龙门山断裂交汇附近地区. 沿龙门山断裂带的空间分布变化表现为,泸定—汶川震中重力正值变化,汶川震中—北川重力负值变化梯度带. 汶川地震的野外考察表明,这次地震是龙门山断裂带内映秀—北川断裂活动的结果,沿映秀(震中)—北川断裂产生地表破裂带(张培震等,2008). 地表破裂带主要位于龙门山断裂带的重力负值变化区,这与昆仑山口西8.1级地震的地表破裂带位于重力负值变化区基本一致(祝意青等,2003).

1998—2008年区域重力场异常变化形态与其布格重力异常的空间分布(楼海等,2008张季生等,2009)具有很大程度的相关性. 布格重力异常自西向东逐渐增加,由马尔康的-375×10-5 m/s2急剧上升至盆地内的-125×10-5 m/s2; 重力变化也表现为自西向东逐渐增加,由马尔康的-90×10-8 m/s2上升至盆地内的-10×10-8 m/s2. 龙门山断裂带所在的北东向布格重力梯度带,其形态与1998—2008年的重力变化梯度带基本一致. 布格重力异常急剧变化是龙门山地区最显著的地球物理场特征. 布格重力异常空间变化特征与地壳深部构造和地震的分布规律有着内在的联系,重力场时-空变化特征则与区域构造活动和地震活动有着密切关系. 龙门山地区重力异常变化的几何形态与布格重力空间分布如此密切相关,反映了2008年汶川8.0级地震前后该地区地壳构造运动强烈,并以继承性运动为主.

上述分析表明,1998—2000年,震前整个构造块体的应力水平还不很高,没有出现显著的重力异常变化; 2000—2002年,昆仑山口西8.1级地震发生后巴颜喀拉地块东部向东的运动增强(江在森等,2009),区域重力场出现大空间尺度的趋势性显著重力变化; 2002—2005年,震中附近出现较大空间范围的局部重力变化异常区及重力变化高梯度带; 2005—2008年,随着构造块体整体孕震过程的结束,出现了震后恢复变化. 1998—2005年的重力变化背景场则显示出,汶川地震前区域重力场的一种空间大尺度范围内的有序性变化和相对集中性; 1998—2008年,10年尺度的重力变化反映了汶川8.0级地震前后该地区地壳构造运动强烈. 1998—2008年间的重力场动态演化图象,较清晰地反映了2008年5月汶川8.0级强震孕育发生过程中区域重力场的整体空间分布,由“准均匀→非均匀→发震→震后恢复” 的系统演化过程(祝意青等,2004).

4 讨论与结论

地震大都发生在活动板块的边界或活动断裂带上,2008年5月12日汶川MS8.0强烈地震发生在龙门山断裂带上. 构造活动断裂带由于其差异运动强烈而构造变形非连续性最强,最有利于应力的高度积累而孕育强震. 已有研究结果表明(顾功叙等,1997Kuo et al,1999刘克人等,1998郑金涵等,2003),与地震发生有关的重力场变化是分布在地壳所有深度上的地下流体变化的响应. 由于流动重力观测主要反映的是深部地下流体运移与变迁的信息,因此干扰较少,资料信度较高. 本文主要从重力场动态变化的角度,分析研究了汶川地震前后的重力场动态变化特征:

1)网络工程重力网资料对汶川8.0级地震有较好的重力前兆反映. 重力变化与汶川地震孕育发展过程的阶段性有关,先是出现较大范围的趋势性显著重力变化(图 2b),到临近发震前显示出相对集中的现象(图 2c),且围绕震中区周围出现较大空间范围的局部重力变化异常区(有利于能量的积累)及其伴生的重力变化高梯度带(有利于地震剪切破裂的发生),在时间上出现有序性.

2)根据重力场在时-空上的演变特征,并结合当地的地震构造背景,可以对大震前重力变化进行跟踪,以便圈定重力变化较显著的地区作为今后要发生地震的可能地点. 强震易发生在重力变化正、 负异常区过渡带上的零值线附近,并考虑地震构造活动情况(大震易发生在活动块体边界活动构造带内). 这是由于重力正负异常变化梯度带的零值线附近,是物质密度增加与减少的过渡地带,该处产生的物质增减差异运动剧烈,易产生剪应力而首先破裂,从而诱发地震. 汶川8.0级大震发生在重力变化高梯度带零值线与龙门山断裂带交汇附近地区.

3)虽然地震预报是世界公认的科学难题,地震机理非常复杂,但并不是完全不可知的. 地震是地球构造活动的一种形式,地震的孕育和发生必然引起震源区和外围地区一定范围地球物理场的变化,尤其是地球重力场的变化. 重力资料对2008年5月12日汶川地震进行了一定程度的中期预测就是一个例证(祝意青等,2008). 虽然预测震级只有6—7级,与8级大震相差1级,但地点预测在映秀与北川两个极震区之间,在主破裂带上,离汶川地震震中相距不到75 km.

通过对汶川8.0级地震前后的重力变化分析,说明重力场动态变化对强震的地点预测具有重要指示作用,可为未来7级以上大震的中期预测提供震例经验和参考. 根据重力变化异常区的范围和幅度、 重力异常变化梯度的大小及其特征,可以研究地震的趋向及其未来强震可能分布的地点和震级. 需要说明的是,由于网络工程重力网的点距较大(100—200 km),观测时间间隔较长(2—3年),所得到的信息难以全面反映出汶川地震孕育、 发生的过程,不能捕捉到孕震过程中出现的完整前兆信息. 应在中国大陆强震多发区,加强重力观测(缩短点距和观测周期),加密重力变化显著地区的跟踪观测,进一步获得时-空高分辩率的重力场观测信息(贾民育,詹洁辉,2000),可为中短期甚至短临期地震预测提供重要依据.

向冒着生命危险在震区开展重力科考工作和参与重大科学工程“中国地壳运动观测网络” 的野外重力作业人员致以崇高敬意.

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