青藏高原東北緣重力變化機理研究*

祝意青 梁偉鋒 陳 石 趙云峰

(1)中國地震局第二監測中心，西安 710054 2)中國地震局地球物理研究所，北京100081)

青藏高原東北緣重力變化機理研究*

祝意青1)梁偉鋒1)陳 石2)趙云峰1)

(1)中國地震局第二監測中心，西安 710054 2)中國地震局地球物理研究所，北京100081)

通過對青藏高原東北緣重力觀測資料進行整體平差計算，系統分析了該區1993—2003年的重力場變化特征;發現其與活動斷裂構造密切相關。同時，利用重力與水準資料計算研究了青藏高原東北緣同期單層密度時變圖像特征，得出區內地震活動與地殼密度變化的局部異常、高梯度帶和等值線的拐彎有關;再利用青藏高原東北緣的區域布格重力異常及人工地震剖面信息，反演了Moho面分布特征，及在此基礎上研究了地殼密度變形和位移對地表重力變化的影響，并對青藏高原東北緣區域微重力長期變化與布格重力異常空間相關性作出解釋。

青藏高原東北緣;重力;水準;密度變化;布格重力;莫霍面

1 引言

地震孕育過程中的地殼變形和震源介質性質變化將會引起震區周圍重力場的變化，因此，通過定點重力連續觀測或定期流動重力重復觀測，有可能捕捉到與震源變化有關的重力前兆信息。

青藏高原東北緣是中國大陸地殼運動和強震活動最強烈的地區之一。有關該地區的大陸變形及強震孕育動力學背景問題，前人已從活斷層與新構造運動、區域地殼應力場空間變化特征、區域殼-幔結構綜合地球物理探測等方面做了大量的研究工［1-4］。為監測青藏高原東北緣地區地殼運動變化、發現可能的地震中短期前兆，中國地震局第二監測中心從20世紀70年代開始陸續在該區建立了以區域水準、區域GPS和跨斷層形變監測為主的流動形變監測網絡，取得了一批重要的地殼形變監測研究成果［5-7］。除此之外，為發揮流動重力觀測的快速有效性，20世紀80年代開始，中國地震局第二監測中心、甘肅省地震局、寧夏地震局等單位還先后在該區域建立了三個流動重力監測網，1992年起，中國地震局第二監測中心對甘肅和寧夏地震局的測點進行了聯測，使上述三個獨立的重力監測網構成青藏高原東北緣整體重力監測網，這有利于系統分析研究青藏高原東北緣重力場時空動態變化。已有的研究結果表明［8，9］，青藏高原東北緣區域重力場變化具有與垂直地殼運動相類似的波動變化特征，且中強地震多發生在重力變化比較劇烈的時間段和重力高梯度帶內;利用小波多尺度分解技術對該地區重力變化所作的研究結果還表明［10，11］，反映較深部物質密度變化的長波長重力變化在區域重力變化中比較突出，可能與深部物質運動過程有關。本文主要利用青藏高原東北緣的重力與形變資料，分析區域重力場變化及密度時變特征，研究揭示青藏塊體東北緣區域地表微重力場長趨勢變化與莫霍面變形的內在物理機制。

2 重力場變化

收集整理了1993和2003年青藏高原東北緣的重力資料，對青藏高原東北緣重力觀測資料進行統一起算基準的整體平差和計算分析，得到每期的重力測量結果及1993—2003年十年尺度的重力變化［8，9］，用抗差最小二乘配置對重力觀測數據進行擬合推估和濾波，進一步消除粗差和淺表因素的影響，突出顯示構造因素的重力效應，并獲取青藏高原東北緣重力場變化圖像(圖1)。

圖1 青藏高原東北緣1993—2003年重力時變(單位: 10-8ms-2)Fig.1 Time variations of gravity field in the northeastern edge of Qinghai-Tibet block from 1993 to 2003(unit:10-8ms-2)

在深入分析重力變化圖后，我們可以得出這樣一些認識:

1)區域重力場總體趨勢是自西向東由負向正的區域性趨勢性變化，重力變化在(-80～+80)× 10-8ms-2之間;

2)重力變化主要表現為零值線以西的青藏高原地區重力負值變化，零值線以東及以北的鄂爾多斯地塊西緣和阿拉善地塊南緣重力正值變化;

3)重力變化零值線及其附近形成的重力變化梯度帶總體走向是張掖-武威-景泰NWW向、海原-隆德NNW向，重力變化等值線的走向與祁連山-海原-六盤山斷裂帶基本一致;

4)重力變化等值線分別在張掖、民樂地區及武威、永登、景泰地區附近發生彎曲并產生局部重力異常，反映這兩個地區在1993—2003年期間存在一定的深部構造活動。

由于地表重力變化與地表變形運動有關，為檢驗地表重力場的微動態變化是否是由地殼垂直運動(高程變化)引起的，我們收集整理了該地區1989、1995、2000和2006年的垂直形變資料，通過動態擬穩平差處理并進行歸算，獲得了1993—2003年的垂直形變圖(圖2)。在考慮地表垂直變形產生的重力效應時，把垂直形變與重力變化的關系近似于自由空間梯度，即:

圖3是消除垂直變形效應后的重力變化。對比分析圖1及圖3可以看出，消除垂直變形效應前后的重力變化，在少數局部地區只是量值稍有差別，如張掖由30×10-8ms-2變為40×10-8ms-2，岷縣由-40×10-8ms-2變為-50×10-8ms-2;重力變化總體趨勢及幅值變化范圍基本沒變，這說明青藏高原東北緣的重力變化主要不是由高程變化引起的，它可能與該地區的地殼密度變化和深部物質運移關系更為密切。

圖2 青藏高原東北緣1993—2003年垂直形變變化(單位:mm)Fig.2 Vertical deformation changes in the northeastern edge of Qinghai-Tibet block from 1993 to 2003(unit:mm)

圖3 消除垂直變形效應后的重力時變(單位:10-8 ms-2)Fig.3 Time variations of gravity field after eliminating vertical deformation effect(unit:10-8ms-2)

3 密度時變特征

地殼形變和密度變化是地殼運動的兩種最基本的形式。從實際地殼運動來說，地殼及其內部一定地質構造體，如板塊、活動塊體、活動斷層、褶皺等，如同地球一樣，不是封閉系統，不論是其內部還是其與周圍其他地質體隨時存在相互作用，進行能量交換和物質交換，前者表現為應力應變的改變，引起地質體內部及邊緣各種變形，后者表現在地體內部和邊緣的密度變化，兩者是地殼運動過程(包括地震孕育過程)中不可分割的兩個方面，其互為耦合，互為反映。即:在地殼外部動力和物質交換的不斷作用下，地殼內部產生變形，促使地殼內部物質發生調整和改變(密度變化)，同時地殼內部密度的變化又促使地殼內部形變的調整和改變，兩者相互耦合，相互作用，使地殼處于不斷變化的過程中。密度時變是一種基本的地球物理現象，它是各種構造運動的直接結果，在強烈而復雜的構造運動中，巖石層或發生整體位移或隨內部應力的積累而發生密度變化［12，13］。

基于單層位理論，利用動態大地測量基本方程，同時將地面重復重力觀測數據和重復水準觀測數據等解析延拓至Bjerhammar球面S(半徑為R)上，可求解得到地殼內部密度時間變化。本文利用中國地震局地震研究所申重陽研究員提供的軟件，地心向徑取6 369 km，參考球面半徑R=6 360 km，計算獲得青藏高原東北緣地殼密度時變(1993—2003)如圖4所示，顯然地殼密度時變具有重力場時變和垂直形變變化的綜合特征。圖4主要顯示自西南向北東地殼密度時變的趨勢性增加，反映青藏高原深部物質向北東運移，受鄂爾多斯地塊的阻隔，青藏高原東北緣地殼密度出現大空間尺度的趨勢性顯著增強的密度變化;永登、天祝至景泰以西存在地殼密度時變異常相對低，地殼密度變化的高梯度帶和等值線的拐彎，該地區曾發生1995年永登5.8級、1996年天祝5.4級和2000年景泰5.9級地震［14，15］;民樂也是地殼密度變化高梯度帶和等值線拐彎的地區，該地區曾發生2003年民樂6.1級地震［9］。研究表明，青藏高原東北緣地區的地震活動與地殼密度變化的局部異常、高梯度帶和等值線的拐彎有關，說明地殼內部物質遷移(密度變化)誘發了相關的地震活動，為地震能量的積蓄和震源的形成提供了條件［12］。

4 重力變化分析

觀測大地震前后的重力變化，對于了解地殼深部環境的變異及研究地震的成因機理等方面都是有意義的。進行重力異常識別，判斷重力場變化的正常態與異常態時，不僅要看到重力變化圖像反映的非均勻程度，還要分析重力變化的演變過程與變化趨勢，注意到重力場變化與背景場的關系。我們曾提到用區域布格重力異常作為背景場來判斷重力變化趨向［8-10］，為了更好地了解青藏高原東北緣區域重力背景場信息，我們利用文獻［16］的數據，計算得到了青藏高原東北緣地區的布格重力異常場(圖5)。

圖4 青藏高原東北緣1993—2003單層密度時變(單位:kg/m3)Fig.4 Time variations of crustal density in the northeastern edge of Qinghai-Tibet block from 1993 to 2003(unit:kg/m3)

圖5 布格重力異常等值線(單位:10-5ms-2)Fig.5 Isolines of Bouger gravity anomalies(unit:10-5 ms-2)

從圖5中的區域布格重力異常上看，布格重力表現為明顯的趨勢性變化特征。異常總體形態是自西向東逐漸增加的區域性趨勢性變化，異常形態與北西向分布的斷裂帶走向較為一致。對比分析圖3及圖5可以發現，區域重力場異常變化形態與其布格重力異常的空間分布具有很大程度的相關性:1)布格重力異常自西向東逐漸增加，由青海西寧以西的-400×10-5ms-2急劇上升至寧夏銀川的-170× 10-5ms-2［10］;重力變化也表現為自西向東逐漸增加，由青海西寧以西的-80×10-8ms-2上升至寧夏銀川的70×10-8ms-2;2)沿祁連山-海原-六盤山大斷裂帶所形成的布格重力梯度帶，其形態與1993—2003年的重力變化梯度帶基本一致;3)布格重力等值線在張掖、天祝及蘭州附近發生的彎曲形態與1993—2003年的重力變化等值線的形態基本一致。

有關地表重力微動態變化與布格異常空間相關性的問題，早在20世紀80年代就引起了日本學者的注意，荻原幸男［17］等據此提出了“布格異常是地殼運動的化石”的觀點。既然區域水準與重力觀測結果已初步揭示，地表高程變化因素不是青藏塊體東北緣地表重力變化的主要原因，那么，青藏高原東北緣近10年重力場監測資料所反映出的微重力——布格異常空間相關性現象啟發我們，區域布格重力異常可能在很大程度上是區域微重力變化長期積累的產物。我們知道布格異常是經過自由空氣、中間層和地形改正的重力異常，它是現今地殼物質構造運動的產物。布格重力異常能突出地反映地殼淺層和深層物質分布的橫向不均勻性的重力效應，它與地殼物質橫向密度區域的密度異常有關。重力場的變化，則能較好地反映地殼厚度的差異、地殼密度的變化和深部物質遷移等構造活動信息，重力場隨時間變化與地震的形成和發展有著內在聯系。青藏高原東北緣地區重力異常變化的幾何形態與布格重力空間分布如此密切相關，進一步證實了青藏高原東北緣存在深部殼、幔物質運移深層次的物質與能量的交換和動力作用［18］，即深部殼、幔邊界與上地幔物質和能量尚在進行強烈交換，引起活動斷層物質變遷和構造變形，在地表產生相應的重力變化。

區域微重力變化可能又與區域應力場作用下的莫霍面位移和變形密切相關［19-21］。因此，我們采用文獻［16］的數據，采用低通濾波計算得到了青藏高原東北緣地區莫霍面(圖6)，與文獻［16］的結果相比，莫霍面深度與地殼厚度等深線的輪廓基本一致，但趨勢性變化更明顯，更好地突出了區域性變化。從圖6中的莫霍面等深線上看，青藏高原東北緣地區莫霍面整體由鄂爾多斯地塊和阿拉善地塊向西南方向傾斜，并沿祁連山-海原-六盤山斷裂帶形成莫霍面梯度帶。對比分析圖3及圖6可以發現，區域重力場異常變化形態與其莫霍面的空間分布具有很大程度的相關性:1)莫霍面深度變化是自西向東逐漸減薄，由青海西寧以西的60 km急劇減少至寧夏銀川的43 km，重力變化表現為自西向東逐漸增加，由青海西寧以西的-80×10-8ms-2上升至寧夏銀川的70×10-8ms-2，呈負相關變化特征;2)沿祁連山-海原-六盤山大斷裂帶所形成的莫霍面梯度帶，其形態與1993—2003年的重力變化梯度帶基本一致;3)莫霍面等深線在張掖、天祝及蘭州附近發生的彎曲形態與1993—2003年的重力變化等值線的形態基本一致。

圖6 Moho面深度分布(單位:km)Fig.6 Distribution of depth of Moho surface(unit:km)

進一步分析圖5及圖6可以發現，區域布格重力異常與莫霍面的空間相關性很好，較長尺度的區域布格重力異常主要反映的是地殼莫霍面的形態和深度分布，因此，青藏高原東北緣區域地表重力場微動態變化與布格重力異常的空間相關性，很可能主要反映的是莫霍面的變形或空間位移變化。這說明，青藏高原東北緣地表重力場的長期微動態變化以及區域長尺度的布格重力異常場，較好地反映了地殼深部的構造運動和變形。目前流動重力場測量的變化量在10-8ms-2級，而布格重力背景場異常大小在10-5ms-2級，相差3個量級，即流動重力觀察到的重力場隨時間變化量相比布格異常背景變化是十分微小的。也就是說，現階段能獲得的重力場變化僅為十年尺度，布格異常作用的時間過程相當漫長至少為萬年尺度以上。

5 討論與結論

重力場變化主要是伴隨活動斷層的物質變遷和構造變形引起的重力效應，它包含了大量的構造活動信息，既有區域應力場作用下深大斷裂活動，也有震源應力場作用下局部斷裂活動的結果。重力資料選取的時間跨度愈長，其結果就愈趨近于布格重力異常、莫霍面的實際輪廓。本文主要從地殼形變與密度變化的角度，分析研究青藏高原東北緣區域地表微重力場長趨勢變化與莫霍面變形的內在物理機制聯系。

1)青藏高原東北緣1993—2003年的重力場變化主要表現為青藏高原地區重力負值變化，鄂爾多斯地塊西緣和阿拉善地塊南緣重力正值變化，重力場變化與活動斷裂構造密切相關，重力變化較顯著的梯度帶走向與構造活躍斷裂帶走向基本一致。

2)青藏高原東北緣地區重力變化不是由高程變化引起的，而與該地區的地殼密度的變化和深部物質運移關系更為密切。

3)青藏高原東北緣地殼密度時變與活動斷裂帶存在一定相關性，區內地震活動與地殼密度變化的局部異常、高梯度帶和等值線的拐彎有關，說明地殼內部物質遷移(密度變化)是誘發地震活動的重要條件。

4)青藏高原東北緣地區重力異常變化的幾何形態與布格重力空間分布及地殼莫霍面的形態密切相關，說明青藏高原東北緣存在深部殼、幔物質運移深層次的物質與能量的交換和動力作用，青藏高原東北緣地表重力場的長期微動態變化以及區域長尺度的布格重力異常場，較好地反映了該地區的地殼深部物質變遷和構造變形。

致謝 申重陽研究員提供了地殼密度時變計算軟件、吳立新高工提供了Moho深度數據，在此深表感謝!

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STUDY ON MECHANISM OF GRAVITY FIELD CHANGE IN NORTHEASTERN MARGIN OF QINGHAI-TIBET PEATEAU

Zhu Yiqing1)，Liang Weifeng1)，Chen Shi2)and Zhao Yunfeng1)

(1)Second Crust Monitoring and Application Center，CEA，Xi’an 710054 2)Institute of Geophysics，CEA，Beijing100081)

Through whole adjustment calculation of the gravity observations of the northeastern edge of Qinghai-Tibet plateau，the gravity field variation characteristics in 1993-2003 are analyzed systematically.It is found that significant gravity changes appeared to be concentrated in regions with active faults.By using the calculated results of gravity and leveling data，the characteristics of single layer density time-varying image during 1993-2003 of the northeast edge of Qinghai-Tibet plateau are studied and it can be recognized that the seismic activity is related with the partial anomaly and high gradient of the variations of crustal density and the bending of its isoline.On the basis of the regional Bouguer gravity anomalies of northeastern edge of Qinghai-Tibet plateau and artificial seismic profile information，the distribution characteristics of Moho surface are inversed.Further more，the density deformation of crust and the influence of the displacement on the gravity change of the earth surface is studied as well.The spatial correlation between regional microgravity long-term change and Bouguer gravity anomalies of the northeastern edge of Qinghai-Tibet plateau are explained.

the northeastern edge of Qinghai-Tibet peateau;gravity;leveling;density change;Bouguer gravity;Moho surface

1671-5942(2012)03-0001-06

2012-01-29

國家自然科學基金(40874035);國家科技支撐計劃課題(2012BAK19B01)

祝意青，男，1962年生，研究員，主要從事地球重力學與地殼運動觀測及地震預報研究工作.E-mail:zhuyiqing@163.com

P315.72+6

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