滇西重力場動態(tài)趨勢變化與斷層運動*

談洪波 申重陽 郝洪濤 玄松柏 楊光亮 汪 健

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071

2)地殼運動與地球觀測實驗室，武漢430071)

滇西重力場動態(tài)趨勢變化與斷層運動*

談洪波1，2)申重陽1，2)郝洪濤1，2)玄松柏1，2)楊光亮1，2)汪 健1，2)

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071

2)地殼運動與地球觀測實驗室，武漢430071)

以絕對重力做控制，對滇西網(wǎng)1985—2010年流動重力資料進行統(tǒng)一平差處理，平均點值精度為12× 10-8ms-2/a;單點重力時變曲線主要呈現(xiàn)出季節(jié)性的上下波動和長期性的上升或下降趨勢運動，部分點重力動態(tài)變化與麗江7.0級地震孕育過程相吻合;基于長期觀測的重力場年變化率反映了重力場在一段時期內(nèi)的趨勢性變化：1985—1995年和1996—2003年年變化率圖像可能反映麗江7.0級地震前后能量的累積、釋放和調(diào)整，2003年以后劍川斷裂、鶴慶-洱源斷裂和紅河斷裂北段附近重力值上升速度均超過10×10-8ms-2/a;基于初始斷裂運動模型正演模擬的滇西重力場年變化率圖像與實測圖像非常相似，說明斷裂運動對重力場趨勢性變化有重要貢獻;基于長期觀測的重力場年變化率反演的滇西主要活動斷裂年錯動量與地質(zhì)上給出的結(jié)果相仿，基本上反映了各斷裂的活動性質(zhì)。

重力場;流動重力;動態(tài)趨勢變化;斷層運動;反演

1 引言

長期、連續(xù)的復(fù)測重力數(shù)據(jù)對了解重力場動態(tài)演化過程，以及蘊含其中并與地震孕育、發(fā)生密切相關(guān)的活斷層運動狀態(tài)，均具有重要的研究價值。

現(xiàn)今地殼形變研究結(jié)論和地質(zhì)學(xué)證據(jù)均表明活動斷裂存在穩(wěn)定的，準線性構(gòu)造運動，這種運動是引起斷裂帶或板塊邊界地震的主要因素［1］。而斷裂運動會引起周圍的形變和物質(zhì)變遷［2，3］，因此可以利用復(fù)測重力資料反演斷裂帶的運動參數(shù)，進而研究地震的孕震環(huán)境和過程。

在斷層運動研究方面，國內(nèi)外許多學(xué)者致力于利用地質(zhì)考察或大地測量資料(GPS、重力等)研究斷裂運動特征，在理論研究及實際應(yīng)用方面均取得重要進展［1，4-9］。但限于資料和方法的不同，各研究給出的結(jié)論在時間尺度和斷層錯動量級上均有不小的差異：地質(zhì)資料給出的是斷層在萬年至數(shù)十萬年的平均運動量，量級一般在0～30 mm/a;利用大地測量資料反演的斷層運動一般基于0.5～3年尺度，量級為分米～米級。而對于20～30年尺度的大地測量資料研究則鮮有報道。為此本文收集整理滇西實驗場高精度流動重力網(wǎng)1985—2010年共計55期數(shù)據(jù)資料，對滇西重力場的長期變化做深入的分析研究;通過重力場的動態(tài)趨勢變化反演研究斷層活動性，并與地質(zhì)上給出的斷層活動性相比較，以期達到大地測量反演結(jié)果與地質(zhì)考察結(jié)果的有效統(tǒng)一。

2 滇西重力場長期變化

2.1 數(shù)據(jù)處理

使用LGADJ軟件，以麗江、下關(guān)和昆明黑龍?zhí)?個基準臺的絕對重力測量結(jié)果做控制，對滇西實驗場流動重力網(wǎng)進行整體平差，每期點值精度平均值一般優(yōu)于15×10-8ms-2，1985—2010年共計55期資料的平均點值精度約為12×10-8ms-2。

2.2 單點重力動態(tài)變化

提取每個測點隨時間變化的重力值作圖，其中數(shù)據(jù)較為連續(xù)且在20期以上的測點有133個。整體來說單點重力變化主要呈現(xiàn)出季節(jié)性的上下波動和長期性的上升或下降趨勢運動，其變化幅值一般在80×10-8ms-2以內(nèi)，最大可達150×10-8ms-2。且多個圖像顯示出單點重力變化與麗江Ms7.0地震孕育的能量累積和釋放過程相吻合。由于測點較多，這里僅選取4個比較有代表性的點做進一步的說明。圖1給出了南華(點100)、太安(點8600)、海壩莊(點700)和黃金灣(點10700)4個點的位置與斷裂構(gòu)造分布。4個點均與斷層比較靠近，其中南華點在楚雄-通海斷裂西南，太安點在劍川斷裂東南，海壩莊點則位于紅河斷裂北段西南，黃金灣則在程海斷裂以東。

圖1 所選點位與斷裂構(gòu)造分布Fig.1 Distribution of selected points and fault structures

如圖2所示，南華點重力值在(372.748 2～372.838 8)×10-5ms-2之間波動。其中1985—1993年表現(xiàn)為上下波動且緩慢下降;1993—1995年快速上升，隨后持續(xù)高位震蕩，1999年達到最大值;2002年出現(xiàn)大幅度下降，并持續(xù)低位震蕩;2008年達到最低值后強勢反彈快速上升。以直線擬合各期數(shù)據(jù)，可以得到該點重力年變化率為 -1.5×10-8ms-2。太安重力值在(247.366 2～247.510 6)× 10-5ms-2波動，其中1985—2002年曲線波動比較平穩(wěn)，沒有明顯的升降趨勢;2003—2004年曲線快速下降，隨后快速上升;該點重力年變化率為-2.4× 10-8ms-2。海壩莊重力值在 (386.814 2 ～386.913 4)×10-5ms-2波動，1985—1991年重力值持續(xù)波動上升，隨后回落;1993—1995年重力值又快速上升至最大值，再次回落的過程中發(fā)生麗江Ms7.0地震;震后重力值迅速走低，2005年達到最低值后快速向上;2007—2008年初出現(xiàn)小幅回落，汶川地震后又出現(xiàn)快速上升勢頭;該點重力年變化率為-1.1×10-8ms-2。黃金灣重力值1994年以前表現(xiàn)為平穩(wěn)緩慢上升，1994—1995年出現(xiàn)迅速上升，2005年底達到最大值，隨后發(fā)生麗江Ms7.0地震，震后重力值持下降，2007年下半年以后又出現(xiàn)上升趨勢(該點重力年變化率為0.3×10-8ms-2)。

單點重力變化曲線可一定程度上解釋麗江Ms7.0地震震前孕震過程(如海壩莊和黃金灣點)，這與申重陽［10］給出的加速-加速到峰值-再減速-再加速-再減速到一定程度發(fā)震的麗江Ms7.0地震重力前兆模式相符。

2.3 基于長期觀測的重力場年變化率

對單點重力值的各期數(shù)據(jù)以直線擬合，參照其斜率可得各點的重力值年變化率。通過對單點重力長期變化曲線分析發(fā)現(xiàn)：單點重力除表現(xiàn)為長期性的上升或下降趨勢運動外，在較長時間段內(nèi)(8～10年尺度)也有表現(xiàn)出與長期趨勢不完全一致的運動。如部分點重力值在1996年麗江地震之前表現(xiàn)出持續(xù)上升變化;隨后持續(xù)下降，至2004年左右到最低，之后快速上升。為此本文除給出整個測期內(nèi)的重力場年變化率外，還分別以1996和2004年為節(jié)點，給出其前后重力場年變化率(圖3)。

圖2 單點重力時變曲線Fig.2 Gravity variation curves at sigle point

圖3 重力場年變化率(單位：10-8ms-2)Fig.3 Annual change rate of gravity field(unit：10-8ms-2)

從滇西重力場1985—2010年年變化率來看(圖3(a))，主要呈現(xiàn)負變化，變化幅度為(-5～+7)× 10-8ms-2，其中正變化主要集中于永平-昌寧-大理、麗江-洱源-賓川和姚安-南華一帶，最大值出現(xiàn)在姚安和南華之間。青藏塊體與四川盆地碰撞后物質(zhì)向西南方向流動，對滇西重力場造成抬升效應(yīng)(重力值減小)和致密效應(yīng)(重力值增加)。負變化說明抬升效應(yīng)占主導(dǎo)，負變化一般在-3×10-8ms-2以內(nèi)，相當于上升0.9cm/a。重力值為正的區(qū)域，說明致密效應(yīng)強于抬升效應(yīng)。

麗江地震之前的1985—1995年年變化率則主要表現(xiàn)為正變化(圖3(b))，特別是麗江附近重力變化高達10×10-8ms-2/a，洱源附近以及大姚-姚安東南為負變化;麗江地震之后的1996—2003年重力場持續(xù)下降(負變化)，只有麗江、洱源、昆明附近維持正變化;2004年以后重力場則又轉(zhuǎn)為快速上升(圖3(d))，變化幅度達(-12～+16)×10-8ms-2，上升主要集中于劍川斷裂、鶴慶-洱源斷裂和紅河斷裂帶北段附近，大姚-昆明一線以及攀枝花以南維持負變化。

從圖3可看出，重力場年變化率圖像可能反映了麗江Ms7.0地震前后能量的累積、釋放和調(diào)整過程，而2004年以后的快速上升則可能預(yù)示著下一次強震能量的聚集，劍川斷裂、鶴慶-洱源斷裂和紅河斷裂北段能量的迅速聚集應(yīng)該引起注意，并進行進一步的研究。

3 基于年變化率的滇西主要斷裂運動反演

基于長期觀測的重力場年變化率可在一定程度上剔除觀測數(shù)據(jù)中季節(jié)性因素等非斷層運動信息影響，因而可有效對斷裂運動進行反演。

3.1 介質(zhì)分層模型和初始斷層模型

研究區(qū)地殼上地幔分層結(jié)構(gòu)模型主要利用已有地震波測深、地震層析成像和布格重力反演結(jié)果簡化確定［11-14］(表1)。表1中n為層數(shù)，h為深度，VP為介質(zhì)中的P波波速，VS為介質(zhì)中的S波波速，ρ為介質(zhì)密度，η為黏滯系數(shù)，α為介質(zhì)松弛比，α=1表示完全彈介質(zhì)，α=0表示Maxwell黏彈介質(zhì)。

表1 地殼-上地幔平均波速分層結(jié)構(gòu)模型Tab.1 Layered structure of the crust-upper mantle based on the average velocity

考慮到觀測數(shù)據(jù)點數(shù)及反演的實際要求，利用地質(zhì)和地球物理調(diào)查分析結(jié)果［4］，形成簡化的初始分段模型和初始運動參數(shù)(表2)，其中考慮到紅河斷裂帶深淺構(gòu)造差異性［15，16］，特將其分成深淺兩層處理(斷層編號5-1和6-1表示斷層淺部，5-2和6-2表示斷層深部)。

圖4 滇西活動斷裂模型與重力網(wǎng)點分布Fig.4 Active fault model and distribution gravity network in west Yunnan

3.2 斷層運動引起的滇西重力場年變化率模擬

基于以上介質(zhì)分層模型和初始斷層運動模型，利用PSGRN/PSCMP軟件包［17］，正演模擬計算斷層運動引起的滇西地區(qū)重力場年變化率。由圖5可見，重力場變化為-3～+6×10-8ms-2，且主要集中于斷層附近;永勝-洱源-祥云三角區(qū)域、瀾滄江斷裂以西，以及紅河斷裂帶中段以東均為正變化;紅河斷裂與瀾滄江斷裂間為負變化集中區(qū)。與實測滇西重力場年變化率圖像相比(圖3(a))，其基本輪廓相似，變化量級相當，正負變化區(qū)域和位置也近似。

申重陽等［18］認為重力場動態(tài)變化是介質(zhì)密度變化和變形運動兩者耦合運動的綜合反映，對于局部而言，變形運動主要表現(xiàn)為斷層運動。由圖5與圖3(a)的相似性可推知：斷層運動對區(qū)域重力場年變化率起主要貢獻;基于長期觀測的重力場年變化率可有效剔除主要的非斷層運動信息，這是對斷層運動進行有效反演的保障。

3.3 滇西主要斷裂的平均年錯動量反演

基于長期觀測的滇西重力場年變化率(圖3 (a))，利用遺傳算法反演軟件，對滇西地區(qū)主要斷裂運動進行反演，其反演結(jié)果見表3。根據(jù)滇西主要活動斷裂的展布與測網(wǎng)點位分布(圖4)，主要對劍川斷裂(1)、鶴慶-洱源斷裂(2)、程海斷裂(3)、維西-喬后斷裂(4)和紅河斷裂北段(5)等重力觀測可較好控制的斷裂做相關(guān)討論，而對6～15等控制較差斷裂不予討論。

表2 主要活動斷裂初始模型參數(shù)(斷層編號與圖4中斷層位置相對應(yīng);U1為走滑運動，U2為傾滑運動，U3為張裂運動)Tab.2 Initial model parameters of the main active faults in west Yunnan(the fault numbers are corresponding to the Fig.4; U1denotes strike slip，U2denotes dip slip and U3denotes tensile slip)

圖5 由初始斷裂模型正演的地表重力場年變化率(單位：10-8ms-2)Fig.5 Annual surface gravity change rates forward inversed with initial fault model(unit：10-8ms-2)

由表3可以看出：滇西主要活動斷裂從1985—2010年平均年錯動量反演值與地質(zhì)上給出的結(jié)果相當，較好地反映了斷層活動性質(zhì);與地質(zhì)上給出的歷史活動性相比，劍川斷裂走向活動有所減弱，傾向活動性增強;鶴慶-洱源斷裂走向活動有所增強，傾向活動減弱;程海斷裂傾向和走向活動性基本不變;維西-喬后斷裂傾向和走向活動性均有增強;紅河斷裂北段淺部活動性減弱，并表現(xiàn)出一定的正斷性質(zhì)，深部活動性與歷史活動性基本一致。

表3 斷裂平均年錯動初始值與反演值比較(單位：mm)Tab.3 Comparison between initial and inversed annual dislocation values of the main faults in west Yunnan(unit：mm)

4 討論與結(jié)論

1)單點重力的動態(tài)變化過程一般表現(xiàn)為季節(jié)性的上下波動和長期性的上升或下降運動。其中一些點可在一定程度上解釋麗江Ms7.0地震孕震過程(如海壩莊點和黃金灣點)，這與申重陽［10］給出的加速-加速到峰值-再減速-再加速-再減速到一定程度發(fā)震的麗江Ms7.0地震重力前兆模式相符。

2)基于長期觀測的重力場年變化率反映了重力場在一段時間內(nèi)的趨勢性變化，可一定程度上剔除季節(jié)性變化等非斷層運動信息的影響，從而可更客觀地反映斷層運動和密度變化的重力效應(yīng)。

3)分段重力場年變化率圖像可以反映出麗江Ms7.0地震前后能量的累積、釋放和調(diào)整過程，而2004年以后的重力場快速上升可能與斷層活動性增強和強震能量聚集有關(guān)，特別是劍川斷裂、鶴慶-洱源斷裂和紅河斷裂北段附近重力值增加很快，值得進一步深入研究。

4)利用地震層析成像、地質(zhì)和地球物理調(diào)查結(jié)果給出的滇西主要活動斷裂模型和區(qū)域介質(zhì)分層模型，正演模擬斷層運動引起的地表重力變化，該結(jié)果圖像與利用實測流動重力得到的年變化率圖像非常相似，說明斷層運動對區(qū)域重力場年變化率起主要作用。

5)對于重力控制較好的斷裂，反演結(jié)果較好地反映了斷裂的活動性質(zhì)。

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DYNAMIC GRAVITY CHANGES AND FAULT MOVEMENT IN WEST YUNNAN PROVINCE

Tan Hongbo1，2)，Shen Chongyang1，2)，Hao Hongtao1，2)，Xuan Songbai1，2)，Yang Guangliang1，2)and Wang Jian1，2)

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)Crustal Movement Laboratory，Wuhan430071)

Controlled by absolute gravity data，mobile gravity data of western Yunnan network from 1985 to 2010 are processed with adjustment of average accuracy of 12×10-8ms-2.The characteristics of single point gravity variation curve are with seasonal fluctuation and trend movement(up or down)in long-term.The gravity dynamic variation of some points is consistent with preparation process of Lijiang Ms7.0 earthquake.The annual change rate of gravity from long-term observation can reflect the trend variation of gravity field in a time period.The annual change rates of gravity in 1985-1995 and 1996-2003 might reflect the energy accumulation and release before and after the Lijiang Ms7.0 earthquake.Since 2003，the rising velocities of gravity are over 10×10-8ms-2/a along the Jianchuan fault，Heqing-Eryuan fault and the northern segment of Red River Fault Zone.On the basis of the initial fault movement model，the forward simulant annual changing rates of gravity are similar with the measured values.It indicates that fault movement has great contribution to the gravity field change.The annual fault movements inversed by annual change rate of gravity are consistent with the geological results，and basically reflect its active characteristics.

gravity field;mobile gravity;dynamic trend change;fault movement;inversion

1671-5942(2011)06-0043-06

2011-07-18

國家自然科學(xué)基金(40574012);中國地震局青年震情跟蹤課題(2010020802)

談洪波，男，1983年生，碩士，主要從事斷層位錯運動與重力反演研究.E-mail：thbhong@163.com

P315.72+5

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