2018年云南墨江M5.9地震前的重力變化*

王青華，趙云峰，陳兆輝，劉 芳，祝意青

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西 西安 710054；3.中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180)

0 引言

繼2014年10月7日在川滇菱形塊體與密支那—西盟塊體或滇西南塊體交界附近紅河斷裂西側(cè)無量山區(qū)發(fā)生右旋走滑的景谷M6.6地震后(徐錫偉等，2014)，2018年9月8日云南省普洱市墨江縣發(fā)生M5.9地震，震中位于紅河斷裂帶中段和無量山斷裂東支(磨黑斷裂)之間。

21世紀初以來，隨著國內(nèi)地震系統(tǒng)相對重力觀測的實施和發(fā)展，研究人員在多次地震前發(fā)現(xiàn)了有意義的重力前兆變化(祝意青等，1999，2005，2009，2013，2017；王青華等，2019)。云南地區(qū)地震發(fā)生前也發(fā)現(xiàn)同樣的變化(祝意青等，2010；張永志等，1999)，陳兆輝等(2018)利用2014—2017年南北地震帶南段重力數(shù)據(jù)，著重探討了云南地區(qū)重力場變化與地震間的關系，發(fā)現(xiàn)研究時段內(nèi)4.5級以上地震多發(fā)生在重力場變化的正負異常過渡帶和高梯度帶附近。

在對近幾年南北地震帶上相對重力測量數(shù)據(jù)進行處理后，尤其將多家單位觀測數(shù)據(jù)進行整體平差計算后，筆者發(fā)現(xiàn)利用從2015年下半年開始的墨江附近的區(qū)域重力場變化可以較好地解釋墨江M5.9地震孕震過程中的物質(zhì)遷移。因此，本文利用2015年9月至2018年9月4年的多期相對重力觀測資料，系統(tǒng)分析了區(qū)域重力場變化及其與墨江M5.9地震的關系。

1 重力觀測資料選取及處理

中國地震局在2014年地震重力監(jiān)測網(wǎng)改造完成后，即開展了每年2期的相對重力觀測。2015—2017年，云南地區(qū)地震重力觀測由云南省地震局和中國地震局第一監(jiān)測中心使用CG-5相對重力儀完成。在對測網(wǎng)進行改造后，從2018年開始云南省內(nèi)絕大部分相對重力觀測由云南省地震局完成，但在2018年前獲得持續(xù)觀測的個別測點被舍棄，而新建測點并無觀測資料，因此造成了2018年區(qū)域內(nèi)可利用的重力變化數(shù)據(jù)減少，但總體上不影響本文的結果。本文使用資料不僅僅局限于墨江附近地區(qū)的相對重力測量數(shù)據(jù)，而是將川滇及附近區(qū)域采集到的相對重力數(shù)據(jù)利用公共測點拼接成一張觀測網(wǎng)絡(圖1)，對大范圍的重力數(shù)據(jù)進行平差計算后進行分析。

圖1 南北地震帶南段2017年重力測網(wǎng)圖及研究區(qū)

對數(shù)據(jù)的平差計算：墨江M5.9地震震中附近存在思茅、蒙自、昆明、瑞麗等多個絕對重力測點，近幾年進行了多次絕對重力測量。但由于絕對重力觀測和區(qū)域相對重力觀測不同步，有時兩者觀測時間相距較長，因此在經(jīng)典平差計算中嘗試先不使用思茅、蒙自、瑞麗3個絕對重力測點上的絕對重力數(shù)據(jù)進行計算，再與使用這些絕對重力數(shù)據(jù)的計算結果進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者重力場變化基本一致。因此，本文得到的重力場變化為使用距墨江M5.9地震震中較遠的絕對重力數(shù)據(jù)(昆明、麗江、鄉(xiāng)城、瀘州、仁和)控制下得到的經(jīng)典平差后的結果(各期平差結果點位精度均優(yōu)于10×10-8m/s2)。本文主要對墨江M5.9地震震中附近26°N以南的重力場變化進行分析。繪制重力場變化圖前對網(wǎng)格化插值后的區(qū)域重力場變化進行了空間范圍約為80 km的余弦濾波。

2 墨江地震前的區(qū)域重力場變化

2.1 重力場半年變化

研究區(qū)相鄰兩期區(qū)域重力場的半年變化圖像如圖2所示。

(1)2015年9月—2016年4月(圖2a)，震區(qū)周邊總體重力變化不明顯：在無量山斷裂、紅河斷裂東北的玉溪、峨山、建水附近出現(xiàn)30×10-8m/s2以上的重力變化，在瀾滄江斷裂西側(cè)的臨滄、瀾滄、耿馬附近出現(xiàn)-20×10-8m/s2的重力變化。

(2)2016年4月—2016年9月(圖2b)，震區(qū)西南的臨滄、瀾滄一帶重力變化為正；墨江東北部的玉溪附近重力基本無變化。

(3)2016年9月—2017年4月(圖2c)，震區(qū)附近無明顯重力變化，在曲靖、彌勒、興義一帶為重力負變化，最大變化低于-40×10-8m/s2。

(4)2017年4月—2017年9月(圖2d)，震區(qū)附近出現(xiàn)較為明顯的重力變化：大致以思茅為中心呈現(xiàn)四象限分布的特征，墨江、孟連重力正變化超過30×10-8m/s2，云縣附近重力負變化低于-20×10-8m/s2。四象限分布形態(tài)受無量山斷裂、瀾滄江斷裂控制，而曲靖附近重力變化與上一期反向，顯示正變化為40×10-8m/s2，但正變化中心相對于2017年4月—2017年9月北移，僅僅小范圍集中分布于曲靖附近。

(5)2017年9月—2018年4月(圖2e)，震區(qū)附近重力場變化再次呈現(xiàn)與上一期反向的準“四象限”分布：勐臘、云縣為正變化，孟連、建水為負變化，正變化幅度大于負變化；曲靖附近小范圍重力變化再次與上一期反向，顯示重力場負變化為-40×10-8m/s2。

(6)2018年4月—2018年9月(圖2f)，臨震前震區(qū)附近幾乎不存在明顯的重力變化，顯示出區(qū)域重力場時空變化中的局部“硬化”現(xiàn)象。

圖2 墨江地震前震區(qū)附近重力場半年變化圖

2.2 重力場年變化

研究區(qū)相鄰兩期區(qū)域重力場的年變化圖像如圖3所示。

(1)2015年9月—2016年9月(圖3a)，震區(qū)附近重力場以正變化為主，玉溪、建水附近的重力正變化大于30×10-8m/s2。

(2)2016年9月—2017年9月(圖3b)，震區(qū)附近重力變化呈現(xiàn)非常明顯的四象限分布，勐臘、云縣附近為重力負變化，墨江、玉溪附近為重力正變化，但重力變化不大，正負變化均未超過40×10-8m/s2，四象限的中心距墨江地震震中約100 km。

(3)2017年9月—2018年9月(圖3c)，震區(qū)附近重力變化呈準四象限分布，但與上上一年變化完全反向，變化量值也相近。

(4)2015年9月—2017年9月(圖3d)，2年時間的重力場累積變化顯示，墨江地震前區(qū)域重力場四象限變化特征比上一年的變化(圖3c)更加顯著，除勐臘附近的重力負變化有所弱化外，玉溪、孟連附近的正變化及云縣附近的負變化均有所強化，但最大變化仍未超過50×10-8m/s2，無量山斷裂兩側(cè)重力場差異變化約70×10-8m/s2。

圖3 墨江地震前重力場年變化圖

3 重力變化與墨江M5.9地震

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，墨江M5.9地震前的重力變化在時間上呈階段性、空間上呈擴展性，具體表現(xiàn)為：2015年9月—2016年4月，震區(qū)附近重力變化較微弱；2016年4月—2016年9月，瀾滄江斷裂西南側(cè)的臨滄、瀾滄附近出現(xiàn)大于30×10-8m/s2的重力正變化；2016年9月—2017年4月，震區(qū)附近基本不存在可識別的重力變化，即該時間段內(nèi)重力場零變化，可視為重力場變化的“平靜期”；2017年4月—2017年9月，墨江M5.9地震前重力場變化主要特征為重力變化呈現(xiàn)準四象限分布；2017年9月—2018年4月，重力場變化與上一期反向，也呈準四象限分布形態(tài)；2018年4月—2018年9月，臨震前再次出現(xiàn)重力場零變化的“平靜期”。

該區(qū)域流動重力觀測完成于2018年9月7日，觀測完的第二天，即9月8日發(fā)生墨江M5.9地震。由此可以看出，在地震前3年內(nèi)，在震區(qū)附近無量山斷裂、紅河斷裂、瀾滄江斷裂構造活動控制下，區(qū)域重力場變化呈現(xiàn)重力正變化→重力正變化擴展→重力零變化的平靜期→重力變化呈四象限分布→重力場反向變化→臨震前重力零變化的平靜期的演化過程。在2015年9月—2017年9月2年的重力場變化中，墨江M5.9地震震中靠近四象限正負異常區(qū)中心。

已有震例研究表明(祝意青等，2013，2015，2017)，重力異常變化的持續(xù)時間、幅值和空間范圍與地震震級密切相關。重力觀測資料積累的時間越長，越有利于判斷發(fā)震震級，重力異常幅值越大、持續(xù)時間越長，對應的震級越大。重力長期累積變化和短期變化對地震異常同樣重要。5級地震相鄰2期或1年尺度的重力變化明顯，累積變化不明顯；6級強震相鄰2期重力變化顯著，2年累積變化更為顯著(祝意青等，2013，2017)。墨江M5.9地震前1年尺度的重力變化明顯，2年的累積變化更為顯著。

4 結論與討論

本文通過對2018年云南墨江M5.9地震前區(qū)域重力場變化分析，得到以下結論：

(1)2018年墨江M5.9地震前3年至震前1年，云南地區(qū)的重力場資料較好地顯示了該地震的前兆變化。地震前重力場變化呈現(xiàn)較為明顯的四象限分布，且震中靠近四象限中心處，四象限的分布特點明顯受區(qū)域內(nèi)大的活動斷裂控制。

(2)2015年9月—2016年4月，玉溪、建水附近出現(xiàn)高于20×10-8m/s2的重力異常變化，2016年4月—2016年9月，明顯的重力變化轉(zhuǎn)至臨滄、瀾滄附近，重力異常變化大于20×10-8m/s2；2016年9月—2017年4月，震區(qū)附近重力場未見明顯的變化；2017年4月—2017年9月，震區(qū)附近重力場出現(xiàn)明顯的四象限變化特征，顯示出在斷裂控制下的重力場變化特征由出現(xiàn)單個異常區(qū)向多個異常區(qū)同時顯現(xiàn)的特征，反映出斷層帶活動由單個斷層孤立活動轉(zhuǎn)向多個斷層協(xié)同活動的發(fā)展過程。墨江M5.9地震前的重力變化與發(fā)震斷裂的失穩(wěn)變化過程有較好的一致性(馬瑾，郭彥雙，2014；宋春燕等，2018；徐曉楓等，2017；徐立等，2019)。

2008年8月30日和2009年7月9日，墨江M5.9地震震中西北的攀枝花、姚安附近分別發(fā)生M6.1，M6.0地震，祝意青等(2010)對這2次地震前重力場變化進行了分析。此后，申重陽等(2011)使用更大空間范圍的數(shù)據(jù)對姚安M6.0地震前的重力場變化進行了計算分析，發(fā)現(xiàn)在姚安地震前半年(2008年10月—2009年2月)區(qū)域重力場呈四象限變化，且其四象限變化形態(tài)與震源機制顯示的壓縮區(qū)和拉張區(qū)一致。墨江M5.9地震前的四象限重力場變化特征與該次地震震源機制所顯示的壓縮區(qū)和拉張區(qū)也一致，表明震前震區(qū)附近構造應力作用下的物質(zhì)遷移可能是區(qū)域重力場變化的成因。

由本文分析可知，墨江M5.9地震前觀測到的重力場變化最大值未超過50×10-8m/s2，但2015年9月—2017年9月這2年的累積重力變化正負差異達70 μgal，顯示了較明顯的震前重力場變化特征，且研究區(qū)域已有的震例研究表明，相當震級的地震發(fā)生前重力場變化與墨江M5.9地震前重力變化量也相當(祝意青等，2005)。