類烏齊-玉樹-瑪多剖面重力異常研究*

楊光亮 申重陽 孫少安 談洪波 玄松柏 黎哲君

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)地殼運(yùn)動(dòng)與地球觀測實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071 3)中國科學(xué)院研究生院地球科學(xué)學(xué)院地球動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，北京100039)

類烏齊-玉樹-瑪多剖面重力異常研究*

楊光亮1，2，3)申重陽1，2)孫少安1，2)談洪波1，2)玄松柏1，2)黎哲君1，2)

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)地殼運(yùn)動(dòng)與地球觀測實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071 3)中國科學(xué)院研究生院地球科學(xué)學(xué)院地球動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，北京100039)

青海玉樹Ms7.1地震發(fā)生在巴彥喀拉塊體的甘孜-玉樹斷裂帶上。對(duì)跨斷裂帶的重力剖面測線進(jìn)行了相對(duì)重力聯(lián)測，對(duì)觀測結(jié)果作了大氣改正、極移改正、漂移改正，經(jīng)平差計(jì)算后，獲取了該剖面的自由空氣異常;結(jié)合該區(qū)1″×1″的ASTER GDEM(2009)地形數(shù)字模型，對(duì)自由空氣異常作了曲率改正、平板改正及高精度的地形改正，得到該探測剖面的完全布格重力異常。分析結(jié)果表明：從布格異常的陡變區(qū)可初步推斷出與地質(zhì)研究結(jié)果一致的斷裂構(gòu)造的位置;在玉樹附近沿剖面往東北向出現(xiàn)地殼基底抬升現(xiàn)象，并在清水河附近幅度達(dá)到最大，初步推斷為印度地殼的俯沖下插對(duì)青藏高原東緣的抬升作用的結(jié)果。

玉樹;數(shù)字地形模型;布格重力異常;地形改正;斷裂帶

1 引言

青藏高原地處巨型特提斯——喜馬拉雅構(gòu)造域的東段，是古生代以來的地質(zhì)活動(dòng)區(qū)。2010年4月14日玉樹Ms7.1地震所在的巴顏喀拉塊體是青藏高原內(nèi)部極為重要的地質(zhì)構(gòu)造單元，具有多類型的沉積構(gòu)造、頻繁的巖漿活動(dòng)和變質(zhì)作用，以及復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造格局。在其北、東和南邊界上先后發(fā)生了2001年昆侖山口西8.1級(jí)地震、2008年汶川8.0級(jí)地震和2010年玉樹7.1級(jí)地震，地震發(fā)震頻次逐漸增強(qiáng)，預(yù)示著該區(qū)地殼物質(zhì)運(yùn)移逐漸活躍。

玉樹Ms7.1地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體所在的甘孜-玉樹斷裂帶上，處于該斷裂的中段，是青藏高原沿甘孜-玉樹斷裂向東擠出運(yùn)動(dòng)的結(jié)果［1］。甘孜-玉樹斷裂位于金沙江臺(tái)緣帶內(nèi)，是青藏高原內(nèi)部的一條大型走滑斷裂帶，走向?yàn)楸蔽魑?北西，傾向以北東為主，傾角近直立，是青藏高原川滇菱形塊體向東擠出的北部邊界，也是廣義的鮮水河斷裂向西北延伸的部分［2-5］。該斷裂帶起于四川甘孜石門坎附近，延伸至青海玉樹，經(jīng)冬布勒山北麓勒瑪曲第四紀(jì)盆地，向西消失于西金烏蘭湖，向東南與鮮水河斷裂呈雁列分布［4］，其形成于早華力西期，在印支期有過強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)，后以推覆活動(dòng)為主，是一條長期活動(dòng)的斷裂，第四紀(jì)以來有明顯的活動(dòng)特征［2］。

為獲得巴顏喀拉地塊深淺構(gòu)造孕震環(huán)境的特點(diǎn)及孕震動(dòng)力、形成機(jī)理，中國地震局科技發(fā)展司組織了在青海玉樹地區(qū)地震、地質(zhì)、重力、電磁等多學(xué)科綜合剖面科學(xué)考察。其中重力剖面探測設(shè)置了類烏齊-玉樹-瑪多-花石峽觀測剖面，該剖面基本沿214國道自南向北橫跨玉樹地區(qū)主要斷層構(gòu)造，通過對(duì)該剖面的流動(dòng)重力及絕對(duì)控制點(diǎn)的觀測可以獲取該區(qū)高精度重力觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建沿剖面的反映主要構(gòu)造單元差異的地殼二維密度細(xì)化結(jié)構(gòu)，為探測區(qū)域三維密度分布模型的建立及為地震前兆機(jī)理解釋具有重要意義。

2 重力剖面觀測

重力剖面基本以玉樹為中心，跨越巴顏喀拉塊體，沿國道G214(類烏齊-囊謙-玉樹-稱多-瑪多一線)布設(shè)，測點(diǎn)平均點(diǎn)距約3 km，相對(duì)重力測點(diǎn)總數(shù)219個(gè)，跨斷層方向直線距離約500 km(圖1)。該剖面西南段(類烏齊至玉樹)，地形較為陡峭，高差起伏比較大;北段(玉樹至瑪多、清水河)，地形稍平緩，平均海拔在4 500米以上(圖3)。

中國地震局地震研究所在該區(qū)布設(shè)有中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、青藏高原東緣重力場變化加密監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及數(shù)字地震網(wǎng)絡(luò)等區(qū)域流動(dòng)重力網(wǎng)絡(luò)，因此，本次剖面重力觀測以已有重力觀測網(wǎng)絡(luò)的重力點(diǎn)作為基本控制點(diǎn)，選取以剖面沿線的6個(gè)中國大陸流動(dòng)重力網(wǎng)基本點(diǎn)：花石峽、瑪多、清水河、玉樹、囊謙、類烏齊等作為相對(duì)重力聯(lián)測基點(diǎn)(其中玉樹為絕對(duì)點(diǎn)、其他點(diǎn)均已聯(lián)測)。

考慮到地形對(duì)重力觀測的影響，觀測點(diǎn)一般選擇在地表平坦、開闊的地方，并且土層或巖石盡量堅(jiān)硬，盡可能避開公路、巖石開挖、崩塌、新的建筑或構(gòu)筑物等地形、地貌發(fā)生變化的地方以及小溪、水庫、池塘等存在密度異常的區(qū)域，同時(shí)我們收集了高精度的數(shù)字地形資料來盡可能減小地形對(duì)觀測結(jié)果的影響。

圖1 重力剖面測點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of measuring points along gravity profile

3 重力異常計(jì)算

采用CG-5型相對(duì)重力儀觀測，共獲取了219個(gè)測點(diǎn)的重力觀測值。對(duì)其分別進(jìn)行儀器漂移、潮汐、極移、改正后，進(jìn)行平差計(jì)算，得到各測點(diǎn)空間重力異常值。計(jì)算得到的重力點(diǎn)值精度達(dá)到33×10-8ms-2。在此基礎(chǔ)上，對(duì)各測點(diǎn)的重力觀測值依次進(jìn)行正常重力改正、大氣改正、高度改正，獲得自由空氣異常和完全布格改正，得到各測點(diǎn)的自由空氣異常和布格重力異常。

其中正常重力改正(緯度改正)采用赫爾墨特(Helmert)公式：

高程改正采用：

其中Δg表示自由空間異常改正量，單位為10-5ms-2;H表示高程，單位為米。

自由空氣異常計(jì)算公式為

中間層改正公式：

完全布格重力異常計(jì)算公式：

其中G表示萬有引力常數(shù)，各剖面改正中取6.67× 10-8cm3/gs2;μ為平面布格板密度，選取為2.67g/ cm3;H表示高程;Δgcc為地球曲率改正，Δgcc計(jì)算公式：

其中 H為測點(diǎn)高程，A=1.464 139×10-3，B= 3.533 047×10-7，C=1.002 709×10-13，D= 3.002 407×10-18。

地形對(duì)重力觀測值的影響由近到遠(yuǎn)快速衰減，為了減少計(jì)算量，地形改正采用有限單元法，以測點(diǎn)為中心按照一定距離劃分近、中、遠(yuǎn)3個(gè)區(qū)域分別計(jì)算，然后累加。其中近區(qū)一般以測點(diǎn)為中心的2 km范圍內(nèi)，中區(qū)為2～20 km，遠(yuǎn)區(qū)為20～166.735 km，其重力效應(yīng)的計(jì)算公式表示為：

Δg中計(jì)算時(shí)將地下介質(zhì)劃分為2～8個(gè)單元體，每個(gè)單元體的計(jì)算公式表示為［7］：

其中G為萬有引力常數(shù)，ρT為地形密度，r為質(zhì)量單元到測點(diǎn)的距離，X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2分別表示每個(gè)單元體的空間位置。

Δg外表示為［6］：

其中G為萬有引力常數(shù)，ρT為地形密度，A為介質(zhì)單元長度，R1、R2分別為內(nèi)外區(qū)域的半徑。

對(duì)觀測資料的地形改正，我們采用數(shù)字地形模型ASTER GDEM 2009進(jìn)行計(jì)算。該數(shù)字地形模型是2009年美國航天局(NASA)與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(METI)利用NASA的新一代對(duì)地觀測衛(wèi)星TERRA觀測的結(jié)果，共同制作的星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型，即ASTER G-DEM地形模型。ASTER G-DEM數(shù)據(jù)采樣精度達(dá)到了30 m，海拔精度為7～14 m，是目前公開的最為精確的全球地形模型。

近區(qū)(2 km內(nèi))地形我們采用了ASTER GDEM的最高精度，即1″×1″地形數(shù)據(jù)，中區(qū)(2～20 km)地形采用插值后得到的5″×5″地形數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)區(qū)(20～166.735 km)地形則采用插值后得到的10″×10″地形數(shù)據(jù)。

通過上述公式分別計(jì)算剖面各點(diǎn)的地形改正量，對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行地形改正，最終獲得了剖面完全布格重力異常值。

從圖3的計(jì)算結(jié)果可看出，布格異常變化范圍為-(467～521)×10-8ms-2。布格重力場的基本特征為東北高西南低，西南段類烏齊-囊謙-玉樹段重力變化梯度較大，東北段重力變化相對(duì)較為平緩。

圖2 玉樹地區(qū)地形圖(ASTER G-DEM 2009)Fig.2 Topographic map of Yushu area

圖3 重力剖面(類烏齊-玉樹-花石峽)測點(diǎn)高程、自由空氣異常與布格重力異常Fig.3 Elevations，free air anomalies and Bouguer gravity anomalies at measuring points along gravity profile(Riwoqe-Yushu-Huashixia)

從圖3中的布格重力異常分布可初步分辨出大型地質(zhì)構(gòu)造帶的位置，如在剖面南段的囊謙附近，存在一個(gè)大型的重力梯級(jí)過渡帶，地質(zhì)研究［8］表明此處存在4個(gè)斷裂構(gòu)造，分別是瀾滄江斷裂帶、扎那曲-著曉斷裂帶、雜多-上拉秀斷裂帶和寧嘎寺-德欽斷裂。在玉樹附近也存在一個(gè)布格重力的陡變帶，此處正好為甘孜-玉樹-風(fēng)火山與雜多-上拉秀帶的交匯處。

4 地震地質(zhì)構(gòu)造分析

為便于分析布格重力異常特征，圖4對(duì)類烏齊-玉樹-瑪多剖面作了分段繪制。理論上類烏齊-玉樹-瑪多剖面的實(shí)際平均海拔是西南低，東北高，相應(yīng)的，布格重力異常應(yīng)為從西南至東北逐漸降低，但是實(shí)際上，僅圖4(a)和圖4(b)中表示的玉樹以南符合這種規(guī)律，玉樹以北則出現(xiàn)海拔和布格異常同時(shí)增加的情況，特別是在清水河?xùn)|北向布格重力異常增加尤為明顯，這種現(xiàn)象表明在玉樹附近存在一個(gè)較大斷裂，其左右兩盤存在錯(cuò)動(dòng)，且東北面基底高于西南面基底，特別是在清水河附近基底地層錯(cuò)動(dòng)量達(dá)到最大。這與該區(qū)人工測深結(jié)果一致［9］。王有學(xué)等［9］根據(jù)人工地震反演獲得了巴顏喀拉塊體的地殼結(jié)構(gòu)示意圖(圖5)，該結(jié)果與上述論述結(jié)論基本一致。

圖4 重力剖面各段測點(diǎn)高程、自由空氣異常與布格重力異常Fig.4 Elevations，free air anomalies and Bouguer gravity anomalies at measuring points along each segments of gravity profile

圖5 地殼結(jié)構(gòu)特征示意圖Fig.5 Sketch of crustal structure

地震地質(zhì)研究表明，甘孜-玉樹斷裂根據(jù)其活動(dòng)性的差異可分為3段：玉樹-甘孜段，活動(dòng)程度最強(qiáng);結(jié)隆西北-玉樹段，以強(qiáng)烈走滑運(yùn)動(dòng)為主;結(jié)隆西北至拉目段，地震活動(dòng)分散，且活動(dòng)性較弱［4，5］。2010年4月14日玉樹Ms7.1地震發(fā)生在該斷裂的中部(結(jié)隆西北-玉樹段)，屬左旋走滑地震(圖5)，在其所屬的巴顏喀拉塊體周圍邊界已先后在2001年、2008年發(fā)生8級(jí)強(qiáng)震，預(yù)示著該塊體逐漸進(jìn)入活躍期。

5 討論與結(jié)論

綜上所述，從流動(dòng)重力剖面解算獲得的布格重力異常分析可知，從布格異常的陡變區(qū)可初步推斷出斷裂構(gòu)造的位置，并與實(shí)際吻合;在玉樹附近沿剖面往東北向出現(xiàn)地殼基底開始抬升現(xiàn)象，并在清水河附近幅度達(dá)到最大。這是俯沖下插的印度地殼對(duì)青藏高原東緣的抬升作用的結(jié)果，研究表明羌塘、巴顏喀拉塊體是青藏物質(zhì)東流通道-印支通道的一部分［10，11］。

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2 聞學(xué)澤.甘孜-玉樹斷裂帶的新構(gòu)造特征與地震危險(xiǎn)估計(jì)［J］.地震地質(zhì)，1985，7(3)：23-32.(Wen xueze，et al.Neotectonic features of the Ganzi-Yushu fault zone and assessment of its earthquake risk［J］.Seismology and Geology，1985，7(3)：23-32)

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STUDY ON GRAVITY ANOMALY OF PROFILE RIWOQE-YUSHU-MADUO

Yang Guangliang1，2，3)，Shen Chongyang1，2)，Sun Shaoan1，2)，Tan Hongbo1，2)，Xuan Songbai1，2)and Li Zhejun1，2)

(1)Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071 2)Crustal Movement Laboratory，Wuhan 430071 3)Geodynamics Laboratory，College of Earth Sciences，Graduate University of CAS，Beijing100039)

Yushu Ms7.1 earthquake occurred in the Bayan Har block，exactly the Ganzi-Yushu fault zone.We set up a relative gravity survey lines cross the fault zone and conducted the gravity survey.We processed the raw data，such as atmospheric correction，polar motion correction，drift correction，adjustment calculation，and then obtained the free air anomaly of the profile.After the curvature correction，flat-panel and high-precision terrain correction by using the ASTER GDEM(2009)Digital terrain model(1″×1″)，we obtained a complete profile of the probe Bouguer gravity anomaly.The results show that the location of faults which consistents with the geological results as their is a sudden change zone in the Bouguer anomaly curve;the basement begins to uplift from the place near Yushu to its northeast along the profile，and the maximum rate is at Qingshuihe town.We have concluded that it is resulted from the Indian crust subducting and inserting，making the eastern edge of Qinghai-Tibet Plateau uplifting.

Yushu;GDEM;Bouguer gravity anomaly;terrain correction;fault zone

1671-5942(2011)05-0001-05

2011-03-09

中國地震局地震研究所所長重點(diǎn)基金(IS200916004)

楊光亮，1980年生，博士，主要從事重力場變化與地球動(dòng)力學(xué)研究.E-mail：ygl@eqhb.gov.cn

P315.72+6

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