四川地區(qū)流動重力觀測及其在地震預(yù)測中的應(yīng)用

王偉力 鄭 兵 郝洪濤 溫軍軍 劉宏偉 馬伶俐 廖明輝

1 四川省地震局地殼形變觀測中心,四川省雅安市上壩路139號,625000 2 中國地震局地震大地測量重點實驗室,武漢市洪山側(cè)路40號,430071 3 湖北省地震局,武漢市洪山側(cè)路48號,430071

四川地處青藏高原東南緣南北地震帶中段,境內(nèi)以鮮水河斷裂、龍門山斷裂、安寧河-則木河斷裂帶為主的活動構(gòu)造帶呈“Y”字型分布。由于地理位置特殊、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,四川一直是中國大陸地震活動最為強烈的地區(qū)之一,歷史上曾發(fā)生1536年西昌7.5級地震、1786年康定-瀘定磨西7.8級地震、1933年疊溪7.5級地震、1973年爐霍7.6級地震、1976年松潘-平武7.2級地震等數(shù)次破壞性大地震。近年來,又先后發(fā)生2008年汶川8.0級地震、2013年蘆山7.0級地震、2017年九寨溝7.0級地震等3次7級以上地震,以及2014年康定6.3級地震、2019年長寧6.0級地震、2022年瀘定6.8級地震等6級以上地震,造成極其嚴(yán)重的生命和財產(chǎn)損失。因此,四川地區(qū)的地震活動及其孕震規(guī)律一直是近期研究的重點。

時變重力場含有豐富的地殼變動信息。近年來,學(xué)者們根據(jù)重力場變化特征進行了多次準(zhǔn)確的中短期預(yù)測,流動重力觀測已成為地震監(jiān)測研究的重要手段之一。部分學(xué)者提出擴容模式[1]、閉鎖剪力模式[2]等多種解釋強震前重力場變化的特征模式,但地震物理過程極其復(fù)雜,這些模式尚不能完整解釋震前重力場變化的具體機理,地震預(yù)測預(yù)報水平有待提高。本文從測網(wǎng)變遷、觀測儀器情況、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量、映震效能、地震預(yù)測應(yīng)用等多個方面,對四川流動重力觀測及其地震預(yù)測應(yīng)用案例進行系統(tǒng)梳理,借以闡述時變重力監(jiān)測在地震趨勢研判中的重要作用,以期為四川流動重力觀測和發(fā)展應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 四川重力測網(wǎng)

1.1 四川重力測網(wǎng)概況

四川流動重力測網(wǎng)是服務(wù)于地震監(jiān)測預(yù)測的專用重力測量網(wǎng)。中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)(1998～2007年)、數(shù)字地震網(wǎng)絡(luò)(2006～2007年)、中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(2010年)等項目也在四川建立了服務(wù)于地震監(jiān)測預(yù)測的國家重力測網(wǎng),但該網(wǎng)與四川重力測網(wǎng)彼此獨立運行。

四川流動重力測網(wǎng)發(fā)展和變遷可分為3個階段:1)1976～1986年為建立建設(shè)階段。1976年松潘-平武7.2級地震后,四川省地震局開始在龍門山和西昌-渡口地區(qū)開展重力測量;1976～1982年在鮮水河、安寧河-則木河、龍門山地震帶及川滇藏結(jié)合部位布設(shè)405座重力標(biāo)石,建立多個重力重復(fù)測量環(huán)(線)和4個跨斷層短重力場地。2)1987～2009年為逐漸發(fā)展階段。1987年起采用LCR-G儀器測量,四川測網(wǎng)由鮮水河斷裂3個環(huán)(通稱甘孜環(huán))、西昌-會理1個環(huán)(西昌環(huán))和成都地區(qū)1個環(huán)(成都環(huán))以及若干支線構(gòu)成,重力點沿斷裂帶密集分布。成都地區(qū)觀測于1989年起中斷,1996年重新增加覆蓋龍門山斷裂中部的獨立測網(wǎng)。3)2010～2022年為發(fā)展完備階段。汶川地震后,對測網(wǎng)進行全面優(yōu)化改造,并逐漸與國家重力網(wǎng)拼接和整合,于2010-08形成完備的四川測網(wǎng)雛形。2014年依托“中國綜合地球物理場觀測”等項目,測網(wǎng)范圍進一步擴大。2017年將爐霍-理塘聯(lián)測成環(huán),稻城-木里-鹽源測線進一步延伸。2019～2020年對川西地區(qū)測點布局進行調(diào)整,測網(wǎng)范圍擴大至川東北地區(qū),至此形成范圍廣、絕對重力控制、相對重力聯(lián)測的四川重力測網(wǎng)。四川重力測網(wǎng)歷經(jīng)數(shù)10 a的變遷,截至2022年由261個重力測點組成,其中81個為重力墩、水準(zhǔn)重力墩、GNSS并置的測點,其余為建筑物點。四川地區(qū)重力測點大部分穩(wěn)定,有35個重力墩或GNSS并置點已使用10 a以上,是較好的平差起算基準(zhǔn)。已有研究表明,川滇地區(qū)流動重力測網(wǎng)可達(dá)到0.75°×0.75°的場源分辨率[3],具備監(jiān)測5.0級以上地震的能力[4]。

1.2 使用儀器及觀測概況

重力儀的一次項系數(shù)是重力計算的重要參數(shù)之一,其會隨時間變化而變化[5],需要定期進行校正。1977年四川省地震局引進建立雅安格值標(biāo)定場地,1979年又在成都龍泉驛建立長10 km的標(biāo)定場地進行儀器標(biāo)定。1987～2017年,一次項格值系數(shù)采用中國地震局管理組(下文簡稱管理組)定期標(biāo)定結(jié)果。2018年起,除管理組定期標(biāo)定外,每年作業(yè)前以郫縣-姑咱絕對重力點為基線標(biāo)定一次項系數(shù)。四川地區(qū)流動重力使用儀器和觀測情況見表1。1976～1981年,使用ZSM-3型石英彈簧重力儀采用三程觀測法每年觀測1期;1982～1986年,使用美國沃爾登重力儀采用三程觀測法每年觀測1期。早期使用的ZSM-3型重力儀受氣壓、溫度等因素影響較大,觀測段差含有40 μGal的綜合干擾。1987年起使用中國地震局提供的公用LCR-G型重力儀,執(zhí)行重力測量規(guī)范及補充規(guī)定,段差均值中誤差執(zhí)行規(guī)范要求的±10 μGal。1987～2009年,采用長測線往返閉合方式進行觀測,每年觀測1～2期。

表1 使用儀器和觀測概況

1.3 觀測成果

1976～1988年觀測手簿存儲于四川省地震局檔案室,1989～2022年觀測資料以電子和紙質(zhì)檔案形式存儲于四川省地震局地殼形變觀測中心檔案室。野外觀測數(shù)據(jù)由2臺儀器野外同步觀測后記錄。1987～2008年,采用手工方式記錄,使用管理組提供的PC-1500程序及自研的LZCL程序進行固體潮改正、零漂改正等預(yù)處理。1991年起采用管理組提供的LGADJ程序分測網(wǎng)進行平差。2009年后野外資料記錄和預(yù)處理采用管理組提供的Gravitation Measure程序,使用更新后的LGADJ程序進行整網(wǎng)平差。1991～2010年多采用擬穩(wěn)方式平差,平差基準(zhǔn)選擇對結(jié)果影響較大。2010年以后,四川重力測網(wǎng)成型,平差時引入絕對重力點作為基準(zhǔn),嚴(yán)密解算各測點重力觀測值。2012年對歷史流動重力資料進行整理[6],糾正歷史資料中經(jīng)緯度和異常點錯誤,規(guī)范測點編號。自上一次整理以來,四川重力測網(wǎng)和測點又經(jīng)歷多次變動,因此整理2013～2022年流動重力數(shù)據(jù)以實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的整體拼接。

2 區(qū)域重力變化與前兆特征

2.1 與強震有關(guān)的重力變化特征

四川境內(nèi)地震頻發(fā),1977年以來先后發(fā)生1981年道孚6.9級地震、1989年小金6.6級地震、1989年巴塘6.7級地震及3次余震、2001年雅江6.0級地震、2008年汶川8.0級地震及8次6.0級以上余震、2021年瀘縣6.0地震等,僅2022年就發(fā)生3次6.0級以上強震。受重力測網(wǎng)觀測時空范圍限制,道孚、巴塘、小金地震不在有效監(jiān)測范圍內(nèi),瀘縣地震和長寧地震發(fā)生在測網(wǎng)邊緣的川東南工業(yè)活動區(qū),因此選擇四川測網(wǎng)觀測時空范圍內(nèi)發(fā)生的汶川地震、蘆山地震、康定地震、九寨溝地震、瀘定地震為典型震例,重點闡述其震前的典型重力變化特征。

2.1.1 2008年汶川8.0地震

2008年汶川8.0級地震發(fā)生在成都測網(wǎng)監(jiān)視范圍內(nèi),獲得震前1996～2008年相對重力觀測資料。祝意青等[7]根據(jù)較大空間范圍的區(qū)域性重力異常及伴生的重力變化高梯度帶進行中期預(yù)測,同時發(fā)現(xiàn)重力變化與龍門山斷裂構(gòu)造活動存在密切聯(lián)系,地震前川西高原重力變化顯著,映秀和北川兩個極震區(qū)附近的重力測點隨時間呈劇烈波動上升變化。申重陽等[8]研究汶川8.0級地震區(qū)域重力場動態(tài)變化演化和孕震機理,結(jié)果表明,重力場動態(tài)演化可大體反映青藏高原物質(zhì)東流的動態(tài)效應(yīng)和汶川地震孕育的中長期(2～10 a)信息,8 a累積重力變化幅差最大約200 μGal,汶川大震孕育的顯著重力標(biāo)志為震中西南持續(xù)多年的正重力變化和出現(xiàn)較大規(guī)模的重力變化梯度帶。

2.1.2 2013年蘆山7.0地震

祝意青等[9]利用川西地區(qū)2010～2012年流動重力觀測資料,研究震前區(qū)域重力場異常變化,發(fā)現(xiàn)測區(qū)內(nèi)出現(xiàn)較大空間范圍的區(qū)域性重力異常,沿龍門山斷裂帶南段形成重力變化高梯度帶,四川寶興-天全-康定-瀘定-石棉一帶重力差異變化達(dá)100 μGal以上。鄭兵等[10]研究認(rèn)為,蘆山地震前3 a區(qū)域重力變化呈上升-加速上升-減速上升-加速下降-減速下降特征。郝洪濤等[11]結(jié)合蘆山地震科學(xué)考察資料分析認(rèn)為,蘆山地震發(fā)生前龍門山斷裂帶兩側(cè)表現(xiàn)出顯著的正、負(fù)高值異常,同時形成與活動斷裂相關(guān)的大范圍重力變化梯度帶,與汶川地震前重力變化前兆特征一致。王林海等[12]利用貝葉斯平差方法處理川西地區(qū)流動重力觀測資料,結(jié)果顯示,蘆山地震發(fā)生在重力變化梯度帶零值線與龍門山斷裂帶交會部位附近。

2.1.3 2014年康定6.3級地震

鄭兵等[13]利用流動重力資料研究分析2014年康定6.3級地震前后的重力變化特征,結(jié)果表明,地震前震區(qū)重力變化等值線出現(xiàn)類似于四象限的區(qū)域分布特征,發(fā)震位置在重力變化零值線轉(zhuǎn)折、畸變附近區(qū)域,在重力變化減小后再增加的過程中發(fā)震。郝洪濤等[14]研究發(fā)現(xiàn),康定地震典型前兆異常為震中附近的正重力變化以及震中出現(xiàn)重力變化高梯度帶,震中區(qū)無明顯異常,康定6.3級地震發(fā)生在梯度帶的伸展彎曲部位。

2.1.4 2017年九寨溝7.0地震

劉芳等[15]利用布格重力異常數(shù)據(jù)及實測流動重力數(shù)據(jù)進行小波多尺度分解,得到不同深度場源特征的地殼介質(zhì)橫向不均勻性,結(jié)果表明,九寨溝地震發(fā)生在區(qū)域重力場的四象限分布中心位置。祝意青等[16]利用南北地震帶2014～2017年流動重力觀測資料系統(tǒng)分析區(qū)域重力場變化,結(jié)果表明,九寨溝地震前,測區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大規(guī)模的區(qū)域性重力異常,沿塔藏斷裂帶形成重力變化高梯度帶,其中,甘肅瑪曲及迭部、青海河南蒙古族自治縣、四川若爾蓋及九寨溝一帶重力差異變化達(dá)100 μGal以上。九寨溝地震震中位于重力差異劇烈的等值線鞍部附近,在與斷裂走向基本一致的重力變化高梯度帶零值線上。上述分析佐證了重力場動態(tài)變化圖像反映的前兆特征對強震地點預(yù)測的重要意義。

2.1.5 2022年瀘定6.8地震

2022年四川蘆山6.1級、馬爾康6.0級地震發(fā)生后,鄭兵[17]分析認(rèn)為,康定地區(qū)重力異常區(qū)數(shù)值較大,重力變化梯度帶密集且零值線走向不規(guī)則,“三岔口”地區(qū)積累的構(gòu)造應(yīng)力仍未完全釋放。利用四川2019～2022年4期流動重力觀測資料獲取地震前重力場動態(tài)變化圖像,結(jié)果見圖1。

2021-09～2022-04,半年尺度重力場變化劇烈,且具有以鮮水河-則木河一線為邊界的分區(qū)分布特征,西南川滇藏交界及丹巴-雅安-都江堰為主要的正值變化異常區(qū)域,道孚至四川盆地以負(fù)值變化為主。2021-02～2022-04,1 a尺度的重力變化具有與上期大致相同的分布態(tài)勢,重力正值變化范圍擴大,主要集中在丹巴-雅安-都江堰、雅江-石棉-西昌-寧南區(qū)域。該期出現(xiàn)較大面積的北西向負(fù)值變化帶,負(fù)值變化極值出現(xiàn)在宜賓地區(qū),該區(qū)域發(fā)生2021年瀘縣地震。2018-03～2022-04,4 a尺度的累積重力變化格局大致相同,但正變化明顯增強。正負(fù)變化區(qū)域沿控震斷裂分區(qū)分布,鮮水河斷裂南段呈現(xiàn)顯著的重力變化梯度帶,石棉-瀘定-康定一帶重力差異變化達(dá)140 μGal,并在康定-石棉-雅安形成大規(guī)模的四象限對稱中心。區(qū)域重力變化與汶川地震、蘆山地震前的區(qū)域重力場變化特征基本一致。

2.2 典型重力前兆信息

以上震例分析表明,流動重力觀測到如高梯度帶、四象限分布、零值線拐彎等強震前顯著的重力異常變化信息,雖然重力異常變化的表現(xiàn)形式不完全一致,但地震的發(fā)生與重力變化形態(tài)、量級及持續(xù)時間之間均存在相關(guān)關(guān)系。四川地區(qū)強、大地震震前重力場變化具有以下特征:

1)震前數(shù)年,控震斷裂一側(cè)出現(xiàn)大規(guī)模重力正異常變化,之后正變化范圍和量級逐漸減小,甚至出現(xiàn)負(fù)變化,局部重力場呈加速增大-反向變化-發(fā)震特征,但出現(xiàn)反向變化后至發(fā)震時長難以預(yù)測。

2)震級大小與重力異常變化持續(xù)時間和異常覆蓋范圍正相關(guān),汶川8.0地震孕震期達(dá)10 a以上,蘆山7.0地震、九寨溝7.0地震及瀘定6.8地震孕震期約為3～4 a。

3)震中區(qū)附近重力場變化出現(xiàn)正值變化高值異常,且具群體性分布特征,特別是較長時期的累積變化等值線圖顯示出震中附近出現(xiàn)正值變化高梯度帶,強震發(fā)生于重力變化等值線局部異常、高梯度帶及其拐彎處附近,臨震前震中等值線則相對稀疏。

強震受區(qū)域應(yīng)力場及主要活動斷裂帶控制,通常孕育并發(fā)生在活動斷裂帶應(yīng)力高度積累部位,這些部位及其附近在孕震階段存在顯著的差異性構(gòu)造運動,通常伴有明顯的重力場變化[18]。從地震發(fā)生的能量累積和剪切破裂條件分析認(rèn)為,地表重力變化,特別是正值持續(xù)變化,指示地殼內(nèi)部物質(zhì)聚集運動過程,有利于孕震階段能量積累。四象限中心和高梯度帶零值線拐彎處是地下物質(zhì)膨脹和收縮的過渡地帶,在優(yōu)勢剪應(yīng)力作用下更容易發(fā)震。流動重力觀測信號是由表及里的“場”兆信息,具有綜合反映震源區(qū)及外圍地區(qū)的深部構(gòu)造運動及地表干擾信號的能力。重力場動態(tài)變化圖像能夠清晰地反映四川地區(qū)強震孕育和發(fā)生的動態(tài)變化過程,根據(jù)異常范圍和量級、異常形態(tài)等重力異常特征,可為強震的中期預(yù)測提供潛在可能性。

3 地震預(yù)測效能

四川流動重力測網(wǎng)自2008年逐步完善以來,測網(wǎng)范圍內(nèi)共發(fā)生6.0級以上地震10次。利用四川地區(qū)的流動重力觀測資料,對其中6次地震進行了準(zhǔn)確的中期預(yù)測[19-22],詳見表2。

從預(yù)測結(jié)果看,對發(fā)生在川滇菱形塊體內(nèi)部及邊界帶的汶川、蘆山、康定、九寨溝、瀘定等地震的中期預(yù)測較為成功,這些地震均發(fā)生在預(yù)測時間內(nèi),預(yù)測地點判定準(zhǔn)確,預(yù)測準(zhǔn)確達(dá)60%。2008年汶川8.0地震和2013年蘆山7.0地震均發(fā)生在預(yù)測的龍門山斷裂,汶川地震預(yù)測震中與宏觀震中較一致,蘆山地震預(yù)測震中與實際震中相距77 km;蘇琴等[23]利用流動重力觀測結(jié)合形變資料較準(zhǔn)確地判定蘆山地震三要素,同時提交短臨預(yù)報卡;2014年康定地震發(fā)生在國家重力臺網(wǎng)中心根據(jù)重力異常判定的道孚-石棉危險區(qū)內(nèi),發(fā)震地點、震級判定基本準(zhǔn)確;對于2017年九寨溝地震,根據(jù)重力資料預(yù)測的震級、時間、地點基本準(zhǔn)確,發(fā)震地點上預(yù)測意見已明確提及四川若爾蓋、九寨溝一帶;2022年蘆山6.1級地震、瀘定6.8級地震發(fā)生在管理組判定的年度地震危險區(qū)內(nèi),馬爾康6.3級地震發(fā)生在危險區(qū)邊緣,預(yù)測三要素基本準(zhǔn)確。雖然觀測到一些相關(guān)的重力異常變化信息,但漏報了2010年攀枝花6.1級地震、2019年長寧6.0級震群和2021年瀘縣6.0級地震,長寧地震、瀘縣地震發(fā)生在工業(yè)活動頻繁、監(jiān)測能力薄弱的四川測網(wǎng)邊緣。以上預(yù)測事例表明,四川流動重力觀測可為強震中長期預(yù)測提供重要依據(jù),對發(fā)生在構(gòu)造運動強烈的川滇菱形塊體邊界及內(nèi)部的強震預(yù)測效果較好,取得了一定的減災(zāi)實效。

4 結(jié) 語

四川地區(qū)流動重力觀測經(jīng)歷50余年發(fā)展,由局部分散的測網(wǎng)觀測逐步形成覆蓋范圍廣、絕對重力控制、相對重力聯(lián)測的完善監(jiān)測體系,具備監(jiān)測5.0級以上地震的能力。對近年來發(fā)生的強震回溯研究表明,強震前區(qū)域重力場變化具有四象限分布、高梯度帶、零值線拐彎等典型重力變化現(xiàn)象,這些重力現(xiàn)象是與強震孕育與發(fā)生相關(guān)的前兆異常,對地震預(yù)測指標(biāo)體系建設(shè)具有重要參考意義。部分學(xué)者根據(jù)流動重力反映的異常范圍、量級及持續(xù)時間等信息,結(jié)合區(qū)域地震構(gòu)造背景,由“場”及“源”較好地判定了川滇菱形塊體邊界及內(nèi)部發(fā)生的強、大震潛在的發(fā)震地點,并多次提出準(zhǔn)確的預(yù)測意見,中期預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)60%。利用流動重力觀測資料融合區(qū)域地殼形變資料開展短臨預(yù)測的成功案例,為地震預(yù)測實踐提供了新思路。