2021年云南漾濞MS6.4地震前重力變化

劉 東 郝洪濤 王青華 鄭秋月 黃江培

1)武漢大學測繪學院， 武漢 430079 2)云南省地震局， 昆明 650224 3)中國地震局地震研究所， 中國地震局大地測量重點實驗室， 武漢 430070

0 引言

云南地區是青藏高原物質E向運動并發生SE向旋轉的前緣區域， 地殼運動活躍， 破壞性地震多發。地質證據表明， 紅河斷裂帶的活動強度以其中段的大理及其附近地區最強烈， 整個斷裂帶自新生代以來的活動時序也從南、 北兩端逐漸向中段的大理地區變新， 可與斷裂帶中段的現代中強震相對應(李祥根等， 1986； 邢全友等， 1986； 樊倬等， 2020)。

為監測和研究云南地區的地震活動， 中國地震局地震研究所、 云南省地震局等自20世紀80年代以來， 從滇西地震預報實驗場開始逐步建立了覆蓋云南全省及周邊的地震重力監測網(王青華等， 2019)。

研究表明， 云南及周邊地區流動重力監測網可識別5級以上與地震相關的重力變化(王青華等， 2020)， 重力場變化與該地區的中強震前兆變化關系密切， 云南地區中強震多發生在重力場變化的正、 負異常過渡帶和高梯度帶附近(申重陽等， 2011； 祝意青等， 2015， 2017， 2018)。此外， 一些研究者還對2009年7月姚安MS6.0 、 2014年10月景谷MS6.6 強震進行了較好的中長期預測(申重陽等， 2011； 孫少安等， 2015)。

云南漾濞地區于2021年5月18—19日發生了多次地震， 最大震級為MS4.4 ， 震中位于南澗-巍山斷裂帶左側9km處； 21日晚再次發生若干地震， 最大震級為MS6.4 ， 震中(25.67°N， 99.87°E)位于南澗-巍山斷裂帶左側12km處， 即具有右旋走滑運動特征的維西-喬后斷裂帶南端(常祖峰等， 2014， 2016； Changetal.， 2018)， 屬右旋走滑型地震。本文處理了云南地區多期流動重力觀測數據， 分析了區域重力場變化圖像， 研究漾濞MS6.4 地震前的重力場變化特征， 并結合區域構造背景和震源機制分析其孕震機理， 獲取了地震前重力場的時空動態演化特征和前兆表現， 為今后的地震分析預報工作提供了有益參考。

1 流動重力測網和觀測概況

目前， 云南省及周邊地區共有重力測點249個， 其中包括9個絕對重力點， 測段數為274段， 測點及測線分布情況如圖 1 所示。云南省地震局每年開展2期流動重力觀測， 以獲取重力場變化資料， 并應用于地震中長期趨勢分析和地球科學研究。本文的研究區域范圍為(21°～29°N， 97°～106°E)， 主要包括云南地區。分析2015年以來云南地區的重力場累積變化特征， 并結合2019年以來的重力場短期變化特征， 共同研究云南漾濞MS6.4 地震前重力場的時空動態變化與孕震過程之間的對應關系。

圖 1 云南省重力測點、 聯測路線及斷層分布略圖Fig. 1 Outline map of gravity survey points， survey routes and faults in Yunnan Province.

由圖 1 可知， 重力觀測點在全省分布的情況稀疏有別： 中部及大理麗江地區的點位分布較密集， 測點平均間距約為30km； 南部及怒江傈僳族自治州、 文山壯族苗族自治州等地的測點分布稀疏， 平均間距約為55km。根據平差計算后的結果得到了具有一定空間分辨率的格網數據， 并基于多年數據累積差值獲得了重力場變化圖像。

2 數據處理

野外數據采集儀器為CG-5相對重力儀， 該儀器段差測量精度優于10.0×10-8m·s-2， 讀數分辨率為1.0×10-8m·s-2， 殘差長期零漂率通過軟件實時改正后優于5.0×10-8(m·s-2)/d， 具有自動觀測讀數功能， 可選擇潮汐、 傾斜、 溫度、 濾波等修正項進行自動重力改正(汪健等， 2016； 黃江培等， 2020)。絕對測量工作由中國地震局地震研究所采用FG-5絕對重力儀觀測， 絕對測定精度優于5.0×10-8m·s-2(邢樂林等， 2016)。

對2015年3月—2021年3月的重力資料進行平差計算時， 首先對觀測資料進行自由網平差， 初步了解各臺儀器的觀測精度， 合理分配各臺儀器的先驗方差； 然后利用絕對重力控制， 對預處理后的結果進行經典平差(馮建林等， 2020)， 平差計算的精度如表1 所示； 之后使用GMT繪圖軟件中surface模塊進行連續曲面網格插值， 在此過程中考慮了地形差異， 設置不同的拉張力數值(取值為0～1)， 鑒于云南地區地形的復雜程度， 將該值設置為0.5～0.75； 最后獲取數據累積差值并繪制重力場變化圖像。

表1 2015年3月—2021年3月的重力數據處理結果精度表Table1 Accuracy of gravity data processing results from September 2015 to March 2021

2015年3月—2021年3月共13期的數據點值精度均值為(6.9～10.5)×10-8m·s-2， 后驗中誤差和先驗中誤差的差值較小， 反映重力觀測資料質量可靠， 可依據此數據真實反映區域重力場的時空動態演化過程。

完成數據處理后對漾濞地震震中漾濞測點及周邊永勝、 下關臺(絕對點)、 騰沖及景東5個測點2018年3月—2021年3月的7期重力值變化進行分析， 以2018年3月各自的重力值為基準， 得到如圖 2 所示的結果。

圖 2 2018—2021年震中及周邊5個重力測點的點值變化圖Fig. 2 The values of five gravity measurement points at the epicenter and surrounding areas of the earthquake from 2018 to 2021.

圖 2 表明， 2018年3月—2021年3月的7期觀測結果中， 震中測點(漾濞)的變化量≤10×10-8m·s-2； 距離震中較近的下關臺測點的變化量≤10×10-8m·s-2； 震中北部測點(永勝)、 西部測點(騰沖)、 南部測點(景東)的變化量均較大， 最大量值>60×10-8m·s-2。

3 震前區域重力場變化

3.1 年際重力場動態變化

對2015年以來的多期重力資料進行準同期觀測的年際重力場動態變化分析(圖 3)， 以研究云南地區年際重力場的動態變化特征。

圖 3 震前重力場1a期差分動態變化圖Fig. 3 Regional gravity field change during a one-year period before the Yangbi earthquake.a 2015年3月—2016年3月； b 2016年3月—2017年3月； c 2017年3月—2018年3月； d 2018年3月—2019年3月； e 2019年3月—2020年3月； f 2020年3月—2021年3月

(1)2015年3月—2016年3月期間(圖3a)， 測區東部的巧家地區出現>40×10-8m·s-2的重力變化， 并且沿小江斷裂帶呈現出明顯的重力高梯度帶， 重力變化零值線和小江斷裂帶的交會處——尋甸—嵩明地區在2015年3月9日發生MS4.5 地震(震中位于(25.3°N， 103.1°E))， 較好地反映了重力變化受區域應力場作用和斷裂活動的控制； 以下關地區為中心， 重力變化較為微弱， 麗江、 劍川、 姚安等地區位于重力變化零值線附近。

(2)2016年3月—2017年3月期間(圖3b)， 測區東部的巧家—魯甸地區的重力由正變化40×10-8m·s-2轉變為負變化-10×10-8m·s-2； 2017年2月8日昭通市魯甸縣發生MS4.9 地震(震中位于(27.1°N， 103.4°E))， 臨震前震中的地質構造活動加強， 在孕震過程中， 重力場在震中及附近區域出現轉折變化； 下關地區的重力變化由正變化轉為負變化， 并且漾濞地區的重力變化仍然較為微弱， 變化量值 <10×10-8m·s-2； 保山—景東地區的重力由正變化20×10-8m·s-2轉為負變化-10×10-8m·s-2。

(3)2017年3月—2018年3月期間(圖3c)， 測區北部麗江地區的重力變化由正變化轉為負變化； 測區東南部沿紅河斷裂帶以南地區的重力由負變化轉為正變化； 漾濞地區的重力變化較為微弱， 約為-5×10-8m·s-2， 且位于重力變化的零值線、 高梯度帶和重力變化等值線的拐彎處。同時， 周圍地區的重力變化出現正、 負轉變， 2017年3月27日漾濞地區發生MS5.1 地震， 震中(25.9°N， 99.8°E)靠近重力零值線。

(4)2018年3月—2019年3月期間(圖3d)， 沿維西-喬后斷裂帶、 紅河斷裂帶北段， 在永勝地區負變化幅值>40×10-8m·s-2， 紅河斷裂帶西側的保山—昌寧地區的重力正變化約為 10×10-8m·s-2； 漾濞—下關地區重力變化不明顯， 變化量<10×10-8m·s-2； 整個區域沿紅河斷裂帶分為東側的負變化區域和西側的正變化區域， 震中位置處在零值線上。

(5)2019年3月—2020年3月期間(圖3e)， 紅河斷裂帶北段麗江—下關—耿馬地區由上一時段的重力正異常區轉變為重力負異常區； 麗江—下關地區由重力負異常區轉變為重力正異常區； 測區大部分范圍與上一時段相比重力變化劇烈； 漾濞—下關地區的重力變化較為微弱， 約為-6×10-8m·s-2， 該區處于重力變化零值線附近且為正、 負異常高梯度帶區域， 漾濞地震的震中位于重力變化的拐彎處。

(6)2020年3月—2021年3月期間(圖3f)， 麗江—下關地區由重力正異常區轉為負異常區； 騰沖—保山地區負異常量增加； 維西-喬后斷裂帶南端南澗地區的重力異常由正異常 10×10-8m·s-2轉為負異常-20×10-8m·s-2； 漾濞地區的重力變化較微弱， 約為-5×10-8m·s-2， 漾濞地震的震中位置處于重力變化四象限靠近零值線的區域， 四象限所在區域范圍內的重力場與2018年3月—2019年3月相比， 正、 負異常區出現了轉變， 重力變化顯著。

3.2 累積重力場動態變化

利用2016年3月—2021年3月的重力數據分別繪制了2a尺度區域重力場累積變化(圖4a—d)和4a尺度的區域重力場累積變化(圖4e， f)， 以分析不同時段的區域重力場累積變化特征。

圖 4 震前區域重力場累積變化圖Fig. 4 Cumulative changes of the gravity field before the earthquake.a 2016年3月—2018年3月； b 2017年3月—2019年3月； c 2018年3月—2020年3月； d 2019年3月—2021年3月； e 2016年3月—2020年3月； f 2017年3月—2021年3月

(1)2016年3月—2018年3月期間(圖4a)， 測區重力場自北向南出現由負向正的趨勢變化， 小江斷裂帶南端的通?！恋貐^重力變化>50×10-8m·s-2， 這與2018年8月13日、 14日在通海發生的2次MS5.0 地震(震中位于(25.3°N， 103.1°E))有一定的對應關系； 以下關—漾濞地區為中心， 重力變化微弱， 2a期的變化量約為(-10～15)×10-8m·s-2。

(2)2017年3月—2019年3月期間(圖4b)， 測區重力場負變化區域范圍減小， 在漾濞—保山—騰沖地區， 重力場呈正變化， 變化量為10×10-8m·s-2。零值線大致以維西-喬后斷裂帶和紅河斷裂帶北段交會處為中心(漾濞—下關地區)， 由圖4a 中的近似NW向斜切轉變為SN向橫切， 東端至巧家附近區域。通海地震后， 該區域的重力場變化趨近于0， 表明重力場處于震后恢復階段。漾濞—下關地區的重力變化微弱， 2a期的變化量約為(0～10)×10-8m·s-2。

(3)2018年3月—2020年3月期間(圖4c)， 測區大部分地區的重力異常為負變化， 重力變化值為(-30～10)×10-8m·s-2； 漾濞—下關地區的重力變化微弱， 2a期的變化量約為(0～-10)×10-8m·s-2。

(4)2019年3月—2021年3月期間(圖4d)， 測區大部分地區的重力異常為正變化， 麗江—永勝、 保山—景東之間的重力正變化較大， 量值>20×10-8m·s-2， 且在漾濞—下關地區出現較為明顯的重力異常四象限特征。

(5)2016年3月—2020年3月期間(圖4e)， 測區重力場自北向南出現由負向正的趨勢變化， 沿零值線出現了2處重力異常高梯度帶， 分別是漾濞—保山負變化區域和昆明—通海正變化區域， 變化值分別為-20～0×10-8m·s-2和0～20×10-8m·s-2。

(6)2017年3月—2021年3月期間(圖4f)， 測區重力場負異常區域范圍減小， 正異常區域范圍增大， 在騰沖—保山、 保山—景東地區正異常量值較大， 最大值>40×10-8m·s-2。沿零值線， 漾濞地區為重力異常高梯度帶， 且處于高梯度帶的拐彎處； 漾濞—下關地區位于重力變化零值線附近， 且以該區域為中心， 重力變化四象限特征明顯。

3.3 震前重力場短期變化

震區相鄰2期重力場2019年3月—2021年3月0.5a期變化如圖 5 所示。

圖 5 漾濞 MS6.4 地震前重力場0.5a期差分動態變化圖Fig. 5 Half-year changes of the gravity field near the earthquake zone before the MS6.4 Yangbi earthquake.a 2019年3月—2019年9月； b 2019年9月—2020年3月； c 2020年3月—2020年9月； d 2020年9月—2021年3月

(1)2019年3月—2019年9月期間(圖5a)， 震中重力變化量值為-7×10-8m·s-2， 0.5a期變化量較??； 沿紅河斷裂帶中北段， 麗江—永勝地區重力負變化減小， 變化量值約為(0～-5)×10-8m·s-2； 騰沖—瑞麗地區重力負變化量值變大， 負變化幅值>20×10-8m·s-2； 以下關地區為中心， 重力場變化四象限特征明顯。

(2)2019年9月—2020年3月期間(圖5b)， 震中重力變化量值為(0～-5)×10-8m·s-2， 0.5a期變化量不明顯； 瑞麗地區的重力負變化量轉為正變化， 變化值>10×10-8m·s-2； 紅河斷裂帶北段以麗江為中心， 重力變化轉為負變化， 變化極值約為-15×10-8m·s-2； 紅河斷裂帶中南段負變化區域集中在下關、 耿馬、 思茅等地區之間， 變化極值約為-15×10-8m·s-2； 以漾濞—下關地區為中心， 重力場變化四象限特征明顯。

(3)2020年3月—2020年9月期間(圖5c)， 震中處于正、 負高梯度帶的零值線位置， 兩側正、 負重力變幅在(30～-20)×10-8m·s-2之間， 震中東側永勝地區的重力正變化量為 30×10-8m·s-2， 西側保山等地的變化量為-20×10-8m·s-2。

(4)2020年9月—2021年3月期間(圖5d)， 震中測點的重力變化值為-2×10-8m·s-2， 附近區域變化明顯， 東、 西兩側與前一期(圖5c)相比， 重力正、 負變化轉折， 兩側正、 負重力變幅在(-25～0)×10-8m·s-2之間， 其中東側永勝等地的重力變化為-25×10-8m·s-2， 西側保山等地的變化為0m·s-2， 綜合2020年3月—2020年9月期間的重力場變化情況(圖5c)可知， 震中東、 西兩側臨震2期的轉折變化量為(-55～20)×10-8m·s-2， 震中東、 西兩側2期的最大轉折變化量的正、 負差為75×10-8m·s-2； 該圖中漾濞地震震中距重力顯著正變化的保山、 景東測點的距離均值約為130km， 即為實際重力變化時變距。

綜合以上分析得知， 漾濞地震發震前， 重力場變化主要有以下3個特征： 1)2018—2021年震中位置重力變化微弱， 2018年3月—2019年3月、 2019年3月—2020年3月、 2020年3月—2021年3月， 變化量分別為0、 -6×10-8m·s-2、 -5×10-8m·s-2， 在2020年9月—2021年3月臨震階段， 0.5a期間震中測點的重力變化仍較為微弱(-2×10-8m·s-2)； 2)震中位置處于重力場變化的高梯度帶地區， 且震前相鄰2期的重力變化顯著； 3)以漾濞—下關為中心， 在短期、 1a期、 多年期重力場變化中存在重力變化四象限特征。

4 討論

重力場變化與活動斷裂構造關系密切， 伴隨著構造斷裂活動， 重力場在中強震的孕育發生過程中重力異常等值線轉折且密集， 重力場梯度帶和正、 負變化的空間分布將發生相應變化(祝意青等， 2017； 吳昊昱等， 2018； Chenetal.， 2019； Xuanetal.， 2019)。震前重力場累積變化四象限顯著， 并在震中附近區域等值線密集， 形成重力變化的高梯度帶， 1a期和短期以震中為中心， 東、 西兩側重力變化劇烈， 震中東側為重力正變化區域， 西側為重力負變化區域， 高梯度帶和四象限特征多次以震中區域為中心出現。

與2017年四川九寨溝地震前區域重力場變化基本一致， 震前斷層活動引起地表重力場變化， 地震發生在重力變化正、 負異常區過渡的高梯度帶上及重力變化等值線的拐彎部位(陳兆輝等， 2019)。但漾濞地震震中區域的重力場多年變化具有弱變化的特征， 2018年3月—2021年3月多年的重力場變化弱， 變化量<10×10-8m·s-2， 即漾濞地區為中心， 中心位置重力場變化弱， 周圍地區重力場正、 負變化較為劇烈。

利用重力變化異常指標公式(胡敏章等， 2019)， 由漾濞地震實際發震震級計算得到理論時變距為127.4km； 根據0.5a及1a期的重力異常變化情況， 得到重力異常變化量級G約為75×10-8m·s-2， 利用重力變化量級G和震級MS計算得到理論震級為MS6.2 ， 公式為

(1)

式中，S為重力變化異常時變距， 單位為km；MS為震級；G為重力變化異常量， 量級和單位為1×10-8m·s-2。

已有研究資料表明，MS6 和MS7 地震的重力變化異常范圍參考指標分別為220km和350km， 重力變化異常量級的參考指標分別為70×10-8m·s-2和90×10-8m·s-2。與參考指標對比可知： 漾濞地震造成的重力變化異常范圍為260km(約為實際重力變化時變距的2倍)， 介于參考指標220～350km之間， 且實際重力變化時變距130km與重力變化異常指標計算公式(式(1))得到的結果127.4km幾乎一致； 漾濞地震MS6.4的震級稍大于重力異常指標(式(1))的計算結果MS6.2 。根據重力異常2項指標的計算結果和漾濞地區震后伴隨發生的42次MS>3.0 地震， 可判斷漾濞地區地下活動的能量已完全釋放，MS6.4 為該次地震主震， 震后短期內無更大地震發生的可能。

5 結論

分析漾濞地震前的重力場變化情況， 可得到如下結論： 1)震中位置的重力變化較為緩慢， 但圍繞震中附近區域短期重力變化較為明顯， 1a期重力變化顯著， 多年期重力變化呈四象限特征分布； 2)震中處于重力變化的高梯度帶區域， 附近重力場變化區域多呈四象限特征分布； 3)通過震區異常范圍內的重力變化異常量和重力變化異常時變距指標， 可對震區內可能發生地震的最大震級做出判斷， 并可為震后研判工作提供幫助； 4)根據震區重力場累積差分變化， 可獲得發震斷層兩側重力場的變化情況， 并據此分析斷層兩側地下物質的遷移運動情況， 可為研究發震機理提供幫助。