川滇地區2010～2013年重力變化及重力網的地震監測能力

胡敏章 李 輝 劉子維 郝洪濤 王青華 鄭 兵

1 中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢市洪山側路40號，430079

2 云南省地震局形變測量中心，昆明市知春街249號，650000

3 四川省地震局測繪工程院，雅安市上壩路139號，625000

地震孕育和發生與地球內部的形變及物質遷移密切相關，地表觀測的重力變化能在一定程度上反映地球內部形變和物質遷移現象。國內外學者對地震前后的重力變化進行研究［1－6］，并且有過成功的中期預測［7－8］。為更好地分析地震前后重力變化的區域特征，需要對離散的觀測數據進行格網化。文獻［5］以滇西地震試驗場為例，研究反距離加權法、多面函數擬合法等在重力變化數據格網化中的應用。文獻［9－10］根據重力網的分形特征確定適合的格網化參數，并分析中國地震重力監測體系的結構和能力。

本文研究川滇地區（99°～108°E，21°～32°N）最新建成的重力網分形特征，探討其地震監測能力，并結合試驗確定最佳格網化參數。根據2010～2013年流動重力觀測數據，構建重力變化圖像，并結合2010年以來的地震事件，分析重力變化特征及其與地震活動的關系。

1 研究區概況

本文研究區（圖1藍色方框內）地處我國南北地震帶的南段。區域內遍布斷裂帶（圖1紅色實線），是我國地殼運動最劇烈、地震活動最頻繁的地區之一。圖1中紅色圓點為2010～2014－04發生的Ms5.0以上地震震中，藍色方塊為Ms4.0～4.9地震震中。

為有效監測川滇地區地殼運動，自20 世紀70年代末，相關單位陸續在該地區建立了流動重力監測網。自1984年，中國地震局地震研究所與云南省地震局及德國漢諾威大學等單位合作，也在滇西建立了包括區域相對重力網、絕對重力網、微重力網和重力垂直梯度測線在內的綜合高精度重復重力測網。此后，川滇地區重力網經過陸續改造、更新，形成圖1所示覆蓋范圍較大、點位分布較均勻的測網（灰色小圓點為相對重力測點，黑色五角星為絕對重力測點）。中國地震局下屬各單位在研究區域內，平均每年進行兩期流動重力觀測，包括絕對重力測量和相對重力聯測。

圖1 研究區斷裂帶、重力測點及地震分布概況（○為2014－08云南魯甸Ms6.5地震和2014－10景谷Ms6.6地震震中位置）Fig.1 Distribution of fracture zone，gravimetric points and earthquakes over the studied region（The symbols“○”indicate the epicenters of Jinggu Ms6.6and Ludian Ms6.5earthquakes in Yunnan province）

2 數據處理

2.1 重力網平差

本文計算了川滇地區2010～2013年下半年（通常是9月左右）以及2013年蘆山Ms7.0地震科考的流動重力觀測數據。聯合相對重力觀測和同步絕對重力觀測，進行經典平差計算，各期數據點值平均精度最小為11.5μGal，最大為17.65 μGal，平均值為13.38μGal。

2.2 重力變化分形特征及格網化

重力網經平差后獲得各觀測點的重力值，以某期觀測結果為參考，通過作差可獲得相應重力變化。由于觀測數據是離散點值，需將離散數據進行格網化。可以通過研究重力網的分形特征來確定格網化時的格網尺寸，即格網距［9］。對于分形點集，分形維Df定義為：

本文采用經典方盒法對研究區分形維進行估算，計算格網距。方盒法把點集存在的區間依次劃分為邊長為r1，r2，r3，… 的若干小方塊，統計各系列含有數據點的方塊個數，記為n（r）。此時，在r的一定區間內，log（n（r））～log（r）呈直線狀態。該直線段斜率的負值即為分形維Df，同時在曲線拐彎處確定相應格網距，如圖2所示。研究區內重力網點集的分形維數為1.43～1.62，對應格網距為30～60km，數據點覆蓋范圍達1 000km以上（圖1）。該重力網具備監測Ms5.0級以上地震的能力［10］。

圖2 川滇地區重力網的分形維數與格網距Fig.2 The fractal dimension and grid space of the gravimetric network over Sichuan－Yunnan region

本文采用張力樣條法進行數據格網化［11］。以2010～2011的重力變化為例，通過試算確定張力參數為0.3，格網距為20′（約37km），格網化結果如圖3（a）所示，格網化結果未改變重力變化基本趨勢（圖3（b））。以未參與格網化的64個測點值為檢核參考，根據格網化結果內插計算檢核點數據，并與觀測值作差，70%以上點值差在±30 μGal以內，標準差為15.84μGal，如圖3（c）所示。選用上述格網化參數時，格網化結果與檢核點之差的標準差最小，且保持了數據本身的變化趨勢，說明本文數據格網化策略的有效性。

圖3 重力網離散點數據的格網化結果（a）、實測值（b）以及檢核點上格網化值與實測值之差（c）Fig.3 TGirding of the scatter data points in the gravimetric network（a），the observed data（b），and the differences between gridded and observed data on the checking points

3 研究區近年重力變化及其與地震活動的關系

根據中國地震臺網統一地震目錄，研究區內2010年至今Ms5.0 以上地震活動統計見表1。為盡量避免水儲量變化等影響，本文僅采用下半年觀測數據，作年際重力變化圖（圖4）。數據格網化方法和參數采用本文§2結果。

1）2011～2010年，重力變化受斷裂帶活動強烈控制，等值線總體呈南北走向，但局部細節非常豐富。沿紅河斷裂帶自西向東，重力變化由正轉負，并形成重力變化高梯度帶；鮮水河斷裂帶上重力變化等值線走向垂直于斷裂帶，在爐霍附近形成幅度較小的正變化，自西北至東南，重力變化呈正－負－正交替變化趨勢；龍門山斷裂帶重力變化等值線與斷裂帶走向平行，形成自西向東、重力變化由負到正的高梯度帶，最大可達－90μGal～60 μGal，并一直往南發展，延伸至云南巧家附近，形成正、負交替變化形態和高梯度帶；在龍門山－安寧河斷裂帶以東，也形成幅度較小的正、負交替變化和梯度帶，可能與這一地區的Ms4.0～4.9地震活動有關。2011年至今發生的所有Ms5.0以上地震主要位于重力變化高梯度帶上。

圖4 川滇地區重力變化Fig.4 The gravity change over Sichuan－Yunnan region

表1 研究區2010年至今Ms5.0級以上地震活動Tab.1 Earthquakes withamplitude larger than Ms5.0 since 2010in the studied region

2）2012～2011年，重力變化總體上西部為負、東部為正。除研究區西北部外，其他變化幅度不大。值得注意的是，與2011～2010年相比，重力變化符號發生反轉。在四川白玉以北，重力變化由負轉正；在云南香格里拉周邊，重力變化由正轉負，且覆蓋范圍有所擴大；在研究區西南角以及東部地區，重力變化符號均發生反轉。尤其值得注意的是，龍門山斷裂帶南段，即蘆山及周邊地區，重力變化打破了上期與斷裂帶平行的走勢，負變化區跨越整個斷裂帶，并形成局部高－低相間的變化態勢，成為2013－04－20蘆山Ms7.0地震前重力場演化的明顯信號。

3）2013～2012年重力變化的突出特點是龍門山－鮮水河斷裂帶交匯處以北的正變化，幅度達90μGal以上。它疊加了蘆山地震震前重力演化最后階段、同震變化以及震后調整等影響。南部地區重力變化較為散亂，分布著一些小范圍、小幅度的正－負重力變化閉圈，顯示蘆山地震之后南部地區可能發生了一定的構造調整。

4）從2012～2010 累積的重力變化看（圖4（d）），2013年發生的Ms5.0 以上地震均位于重力變化正－負轉換的高梯度帶上，且主要位于研究區北部。在巧家及以南地區，雖形成重力變化高梯度帶，但近幾年都未發生過Ms5.0以上地震，未來1～2a應予重點關注。

從2013～2011 兩年累積重力變化看（圖4（e）），研究區內有3個地點重力變化較明顯，應予以關注：鮮水河斷裂帶東南端及其與龍門山斷裂帶的交匯地區，重力變化等值線總體走勢與鮮水河斷裂帶平行，但仔細觀察可以看到，其走向發生曲折變化，在道孚地區走向垂直于斷裂帶，2010－04－28發生過四川道孚Ms5.0地震，未來再次發生Ms5.0以上地震的可能性較大；云南巧家及周邊地區形成重力變化高梯度帶，并在過去4a內發生多次Ms4.0～4.9地震；研究區的西南部，形成了小范圍、自西向東由負到正的重力變化高梯度帶。

5）從2013～2010年累積重力變化看（圖4（f）），重力變化最劇烈的地區依然是鮮水河及龍門斷裂帶的交匯地區。沿鮮水河斷裂帶，重力變化等值線垂直于斷裂帶走向，自西北至東南方向，重力變化依次為正－負－正；在安寧河斷裂帶以東地區，形成重力變化“四象限”形態，并于2014－04－05發生云南永善地震，東部重力變化高梯度帶中期發生Ms5.0以上地震的可能性依然存在；云南巧家周邊重力變化高梯度帶等值線自西部的近東－西向發生近90°轉向，變成南－北走向；研究區域西南部紅河斷裂帶南段也存在重力變化梯度帶，但重力變化幅度和覆蓋范圍都較小。

蘆山Ms7.0地震對重力場演化產生了重要影響。圖5（a）是震后科考數據與2012年下半年觀測數據作差，稱為準同震變化，它包括2012年下半年至震前的重力變化和蘆山地震同震變化信息。圖5（b）是2013年下半年觀測數據與科考數據作差，蘊含了震后調整信息。

圖5 蘆山Ms7.0級地震的準同震重力變化（a）及震后調整（b）Fig.5 The quasi coseismic gravity chang（a）and the adjustment after the Lushan Ms7.0earthquake（b）

如圖5（a），龍門山斷裂帶兩側重力變化與圖4（d）較為一致，自西北向東南方向由負變正，只是斷裂帶東南部正變化范圍有所擴大，而西北部負變化范圍和量級縮小。由于圖5（a）同時包含了震前重力演化和同震重力變化信息，因此不能給出同震重力變化的準確數值。但結合位錯模型模擬結果［12］或許可以推斷，除震中鄰近地區外，蘆山地震并未產生顯著的同震重力變化。

圖5（b）是蘆山地震震后調整圖像。震前龍門山斷裂帶兩側重力變化態勢為西部負變化、東部正變化（圖4（d））。震后斷層上累積的應力應變得到一定程度的釋放，重力變化呈現反向調整特性，即斷裂帶西部變為正變化、東部變為負變化，重力變化等值線走向平行于斷裂帶，且量級與圖4（d）相近。綜合震前累積變化和震后調整，3a累積重力變化的量級和范圍均縮小了（圖4（f）），但在四川道孚周邊以及鮮水河、安寧河和龍門山斷裂帶交匯地帶依然形成了明顯的重力變化高梯度帶，并且與圖4（d）相較，道孚附近重力變化梯度加強了。

4 結 語

1）川滇地區重力網分形維數約為1.43～1.62，對應格網間距約30～60km，測點覆蓋范圍在南北和東西兩個方向上均超過1 000km，具備監測研究區內Ms5.0以上地震的能力。

2）本文認為，采用張力樣條插值方法進行重力變化數據格網化時，格網間距取20′（約37 km）、張力參數取0.3比較合適。

3）斷裂帶對研究區重力變化特征有很強的控制能力，2011年以來Ms5.0 以上地震主要發生在重力變化正－負轉換的高梯度帶上。

4）地震前后蘆山及周邊地區均有較為劇烈的重力變化。根據研究區域2a和3a尺度累積重力變化特征，認為鮮水河斷裂帶東南段、安寧河斷裂帶北段以及研究區西南部重力變化依然較強，對這些地區的震情應加強監測。

后記：在本文送審之際，研究區內于2014－08－03和10－07分別發生云南魯甸Ms6.5和景谷Ms6.6級地震。從圖4 的重力變化圖看，2a尺度的震前重力累積變化對上述兩個地震均有較強的反映。魯甸地震前，2010～2012年（圖4（d））云南巧家地區重力變化等值線走向呈南北向，并形成自西南向東北向、由小增大的重力變化梯度帶；2011～2013年（圖4（e））重力變化等值線走向發生變化，在震區南部形成近東西向等值線，并形成“負中心”。景谷地震前，2010～2012年（圖4（d））震區正重力變化帶呈東西走向，并在南、北兩處均有負變化區域，形成“四象限”圖形；2011～2013年（圖4（e））重力變化等值線走向轉為南北向，自西向東重力變化由負轉正，且變化值較大。

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