類烏齊-玉樹-瑪多剖面重力異常研究*

楊光亮 申重陽 孫少安 談洪波 玄松柏 黎哲君

(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 3)中國科學院研究生院地球科學學院地球動力學實驗室，北京100039)

類烏齊-玉樹-瑪多剖面重力異常研究*

楊光亮1，2，3)申重陽1，2)孫少安1，2)談洪波1，2)玄松柏1，2)黎哲君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 3)中國科學院研究生院地球科學學院地球動力學實驗室，北京100039)

青海玉樹Ms7.1地震發生在巴彥喀拉塊體的甘孜-玉樹斷裂帶上。對跨斷裂帶的重力剖面測線進行了相對重力聯測，對觀測結果作了大氣改正、極移改正、漂移改正，經平差計算后，獲取了該剖面的自由空氣異常;結合該區1″×1″的ASTER GDEM(2009)地形數字模型，對自由空氣異常作了曲率改正、平板改正及高精度的地形改正，得到該探測剖面的完全布格重力異常。分析結果表明：從布格異常的陡變區可初步推斷出與地質研究結果一致的斷裂構造的位置;在玉樹附近沿剖面往東北向出現地殼基底抬升現象，并在清水河附近幅度達到最大，初步推斷為印度地殼的俯沖下插對青藏高原東緣的抬升作用的結果。

玉樹;數字地形模型;布格重力異常;地形改正;斷裂帶

1 引言

青藏高原地處巨型特提斯——喜馬拉雅構造域的東段，是古生代以來的地質活動區。2010年4月14日玉樹Ms7.1地震所在的巴顏喀拉塊體是青藏高原內部極為重要的地質構造單元，具有多類型的沉積構造、頻繁的巖漿活動和變質作用，以及復雜的地質構造格局。在其北、東和南邊界上先后發生了2001年昆侖山口西8.1級地震、2008年汶川8.0級地震和2010年玉樹7.1級地震，地震發震頻次逐漸增強，預示著該區地殼物質運移逐漸活躍。

玉樹Ms7.1地震發生在巴顏喀拉塊體所在的甘孜-玉樹斷裂帶上，處于該斷裂的中段，是青藏高原沿甘孜-玉樹斷裂向東擠出運動的結果［1］。甘孜-玉樹斷裂位于金沙江臺緣帶內，是青藏高原內部的一條大型走滑斷裂帶，走向為北西西-北西，傾向以北東為主，傾角近直立，是青藏高原川滇菱形塊體向東擠出的北部邊界，也是廣義的鮮水河斷裂向西北延伸的部分［2-5］。該斷裂帶起于四川甘孜石門坎附近，延伸至青海玉樹，經冬布勒山北麓勒瑪曲第四紀盆地，向西消失于西金烏蘭湖，向東南與鮮水河斷裂呈雁列分布［4］，其形成于早華力西期，在印支期有過強烈運動，后以推覆活動為主，是一條長期活動的斷裂，第四紀以來有明顯的活動特征［2］。

為獲得巴顏喀拉地塊深淺構造孕震環境的特點及孕震動力、形成機理，中國地震局科技發展司組織了在青海玉樹地區地震、地質、重力、電磁等多學科綜合剖面科學考察。其中重力剖面探測設置了類烏齊-玉樹-瑪多-花石峽觀測剖面，該剖面基本沿214國道自南向北橫跨玉樹地區主要斷層構造，通過對該剖面的流動重力及絕對控制點的觀測可以獲取該區高精度重力觀測數據，構建沿剖面的反映主要構造單元差異的地殼二維密度細化結構，為探測區域三維密度分布模型的建立及為地震前兆機理解釋具有重要意義。

2 重力剖面觀測

重力剖面基本以玉樹為中心，跨越巴顏喀拉塊體，沿國道G214(類烏齊-囊謙-玉樹-稱多-瑪多一線)布設，測點平均點距約3 km，相對重力測點總數219個，跨斷層方向直線距離約500 km(圖1)。該剖面西南段(類烏齊至玉樹)，地形較為陡峭，高差起伏比較大;北段(玉樹至瑪多、清水河)，地形稍平緩，平均海拔在4 500米以上(圖3)。

中國地震局地震研究所在該區布設有中國大陸構造環境監測網絡、青藏高原東緣重力場變化加密監測網絡及數字地震網絡等區域流動重力網絡，因此，本次剖面重力觀測以已有重力觀測網絡的重力點作為基本控制點，選取以剖面沿線的6個中國大陸流動重力網基本點：花石峽、瑪多、清水河、玉樹、囊謙、類烏齊等作為相對重力聯測基點(其中玉樹為絕對點、其他點均已聯測)。

考慮到地形對重力觀測的影響，觀測點一般選擇在地表平坦、開闊的地方，并且土層或巖石盡量堅硬，盡可能避開公路、巖石開挖、崩塌、新的建筑或構筑物等地形、地貌發生變化的地方以及小溪、水庫、池塘等存在密度異常的區域，同時我們收集了高精度的數字地形資料來盡可能減小地形對觀測結果的影響。

圖1 重力剖面測點分布Fig.1 Distribution of measuring points along gravity profile

3 重力異常計算

采用CG-5型相對重力儀觀測，共獲取了219個測點的重力觀測值。對其分別進行儀器漂移、潮汐、極移、改正后，進行平差計算，得到各測點空間重力異常值。計算得到的重力點值精度達到33×10-8ms-2。在此基礎上，對各測點的重力觀測值依次進行正常重力改正、大氣改正、高度改正，獲得自由空氣異常和完全布格改正，得到各測點的自由空氣異常和布格重力異常。

其中正常重力改正(緯度改正)采用赫爾墨特(Helmert)公式：

高程改正采用：

其中Δg表示自由空間異常改正量，單位為10-5ms-2;H表示高程，單位為米。

自由空氣異常計算公式為

中間層改正公式：

完全布格重力異常計算公式：

其中G表示萬有引力常數，各剖面改正中取6.67× 10-8cm3/gs2;μ為平面布格板密度，選取為2.67g/ cm3;H表示高程;Δgcc為地球曲率改正，Δgcc計算公式：

其中 H為測點高程，A=1.464 139×10-3，B= 3.533 047×10-7，C=1.002 709×10-13，D= 3.002 407×10-18。

地形對重力觀測值的影響由近到遠快速衰減，為了減少計算量，地形改正采用有限單元法，以測點為中心按照一定距離劃分近、中、遠3個區域分別計算，然后累加。其中近區一般以測點為中心的2 km范圍內，中區為2～20 km，遠區為20～166.735 km，其重力效應的計算公式表示為：

Δg中計算時將地下介質劃分為2～8個單元體，每個單元體的計算公式表示為［7］：

其中G為萬有引力常數，ρT為地形密度，r為質量單元到測點的距離，X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2分別表示每個單元體的空間位置。

Δg外表示為［6］：

其中G為萬有引力常數，ρT為地形密度，A為介質單元長度，R1、R2分別為內外區域的半徑。

對觀測資料的地形改正，我們采用數字地形模型ASTER GDEM 2009進行計算。該數字地形模型是2009年美國航天局(NASA)與日本經濟產業省(METI)利用NASA的新一代對地觀測衛星TERRA觀測的結果，共同制作的星載熱發射和反射輻射儀全球數字高程模型，即ASTER G-DEM地形模型。ASTER G-DEM數據采樣精度達到了30 m，海拔精度為7～14 m，是目前公開的最為精確的全球地形模型。

近區(2 km內)地形我們采用了ASTER GDEM的最高精度，即1″×1″地形數據，中區(2～20 km)地形采用插值后得到的5″×5″地形數據，遠區(20～166.735 km)地形則采用插值后得到的10″×10″地形數據。

通過上述公式分別計算剖面各點的地形改正量，對上述結果進行地形改正，最終獲得了剖面完全布格重力異常值。

從圖3的計算結果可看出，布格異常變化范圍為-(467～521)×10-8ms-2。布格重力場的基本特征為東北高西南低，西南段類烏齊-囊謙-玉樹段重力變化梯度較大，東北段重力變化相對較為平緩。

圖2 玉樹地區地形圖(ASTER G-DEM 2009)Fig.2 Topographic map of Yushu area

圖3 重力剖面(類烏齊-玉樹-花石峽)測點高程、自由空氣異常與布格重力異常Fig.3 Elevations，free air anomalies and Bouguer gravity anomalies at measuring points along gravity profile(Riwoqe-Yushu-Huashixia)

從圖3中的布格重力異常分布可初步分辨出大型地質構造帶的位置，如在剖面南段的囊謙附近，存在一個大型的重力梯級過渡帶，地質研究［8］表明此處存在4個斷裂構造，分別是瀾滄江斷裂帶、扎那曲-著曉斷裂帶、雜多-上拉秀斷裂帶和寧嘎寺-德欽斷裂。在玉樹附近也存在一個布格重力的陡變帶，此處正好為甘孜-玉樹-風火山與雜多-上拉秀帶的交匯處。

4 地震地質構造分析

為便于分析布格重力異常特征，圖4對類烏齊-玉樹-瑪多剖面作了分段繪制。理論上類烏齊-玉樹-瑪多剖面的實際平均海拔是西南低，東北高，相應的，布格重力異常應為從西南至東北逐漸降低，但是實際上，僅圖4(a)和圖4(b)中表示的玉樹以南符合這種規律，玉樹以北則出現海拔和布格異常同時增加的情況，特別是在清水河東北向布格重力異常增加尤為明顯，這種現象表明在玉樹附近存在一個較大斷裂，其左右兩盤存在錯動，且東北面基底高于西南面基底，特別是在清水河附近基底地層錯動量達到最大。這與該區人工測深結果一致［9］。王有學等［9］根據人工地震反演獲得了巴顏喀拉塊體的地殼結構示意圖(圖5)，該結果與上述論述結論基本一致。

圖4 重力剖面各段測點高程、自由空氣異常與布格重力異常Fig.4 Elevations，free air anomalies and Bouguer gravity anomalies at measuring points along each segments of gravity profile

圖5 地殼結構特征示意圖Fig.5 Sketch of crustal structure

地震地質研究表明，甘孜-玉樹斷裂根據其活動性的差異可分為3段：玉樹-甘孜段，活動程度最強;結隆西北-玉樹段，以強烈走滑運動為主;結隆西北至拉目段，地震活動分散，且活動性較弱［4，5］。2010年4月14日玉樹Ms7.1地震發生在該斷裂的中部(結隆西北-玉樹段)，屬左旋走滑地震(圖5)，在其所屬的巴顏喀拉塊體周圍邊界已先后在2001年、2008年發生8級強震，預示著該塊體逐漸進入活躍期。

5 討論與結論

綜上所述，從流動重力剖面解算獲得的布格重力異常分析可知，從布格異常的陡變區可初步推斷出斷裂構造的位置，并與實際吻合;在玉樹附近沿剖面往東北向出現地殼基底開始抬升現象，并在清水河附近幅度達到最大。這是俯沖下插的印度地殼對青藏高原東緣的抬升作用的結果，研究表明羌塘、巴顏喀拉塊體是青藏物質東流通道-印支通道的一部分［10，11］。

1 陳立春，等.玉樹Ms7.1級地震地表破裂與歷史大地震［J］.科學通報，2010，55(13)：1 200-1 205.(Chen Lichun，et al.The Ms7.1 Yushu earthquake surface rupture and large historical earthquakes on the Garze-Yushu fault［J］.Chinese Science Bulletin，2010，55(13)：1 200-1 205)

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3 周榮軍，等.甘孜-玉樹斷裂帶的近代地震與未來地震趨勢估計［J］.地震地質，1997，19(2)：l15-124.(Zhou Rongjun，et al.Recent earthquakes and assessment of seismic tendency on the Ganzi-Yushu fault zone［J］.Seismology and Geology，1997，19(2)：l15-124)

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11 王剛，等.青藏高原腹地中新世從造山階段向造高原階段的轉變及動力學機制［J］.地球物理學報，2010，53 (6)：1 384-1 398.(Wang Gang，et al.The deformation transfer from orogen stage to plateau stage in the central part of Tibetan Plateau during Miocene time and it’s tectonic mechanism［J］.Chinese Journal of Geophysics，2010，53(6)：1 384-1 398)

STUDY ON GRAVITY ANOMALY OF PROFILE RIWOQE-YUSHU-MADUO

Yang Guangliang1，2，3)，Shen Chongyang1，2)，Sun Shaoan1，2)，Tan Hongbo1，2)，Xuan Songbai1，2)and Li Zhejun1，2)

(1)Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071 2)Crustal Movement Laboratory，Wuhan 430071 3)Geodynamics Laboratory，College of Earth Sciences，Graduate University of CAS，Beijing100039)

Yushu Ms7.1 earthquake occurred in the Bayan Har block，exactly the Ganzi-Yushu fault zone.We set up a relative gravity survey lines cross the fault zone and conducted the gravity survey.We processed the raw data，such as atmospheric correction，polar motion correction，drift correction，adjustment calculation，and then obtained the free air anomaly of the profile.After the curvature correction，flat-panel and high-precision terrain correction by using the ASTER GDEM(2009)Digital terrain model(1″×1″)，we obtained a complete profile of the probe Bouguer gravity anomaly.The results show that the location of faults which consistents with the geological results as their is a sudden change zone in the Bouguer anomaly curve;the basement begins to uplift from the place near Yushu to its northeast along the profile，and the maximum rate is at Qingshuihe town.We have concluded that it is resulted from the Indian crust subducting and inserting，making the eastern edge of Qinghai-Tibet Plateau uplifting.

Yushu;GDEM;Bouguer gravity anomaly;terrain correction;fault zone

1671-5942(2011)05-0001-05

2011-03-09

中國地震局地震研究所所長重點基金(IS200916004)

楊光亮，1980年生，博士，主要從事重力場變化與地球動力學研究.E-mail：ygl@eqhb.gov.cn

P315.72+6

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