尼泊爾Ms8.1地震前我國西藏及周邊區(qū)域的重力長期變化

康開軒 李 輝 劉少明 郝洪濤 鄒正波

1 中國地震局地震研究所（地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢市洪山側(cè)路40號，430071

2 中國地震局地殼應(yīng)力研究所科技創(chuàng)新基地，武漢市洪山側(cè)路40號，430071

地震前后重力變化過程具有明顯的上升－下降－恢復(fù)特征，而強(qiáng)震的孕育具有10a或更長時(shí)間尺度的應(yīng)力積累［1］。2015－04－25尼泊爾地震屬于印度板塊俯沖、碰撞歐亞大陸的動力作用結(jié)果，其孕震尺度的空間范圍必然涉及印度板塊與青藏高原的較大區(qū)域。本文搜集了尼泊爾Ms8.1地震前15a間我國西藏及周邊地區(qū)的8期流動重力觀測資料（圖1），獲取該區(qū)域長期重力變化分布特征，并初步探討此次尼泊爾Ms8.1地震孕育的重力場較長期或背景性效應(yīng)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造及重力測點(diǎn)分布Fig.1 Location of the relative and absolute gravity stations and faults geometry

1 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

本文綜合使用地殼重力網(wǎng)5期、數(shù)字地震重力網(wǎng)1期和陸態(tài)重力網(wǎng)2期的觀測資料，獲取西藏及周邊地區(qū)1998～2013每1～2a的相對重力變化。首先，為綜合使用不同觀測網(wǎng)絡(luò)的資料，對歷史數(shù)據(jù)的測點(diǎn)編號依據(jù)現(xiàn)行統(tǒng)一的編碼規(guī)范進(jìn)行清理；其次，利用WDD99 固體潮模型、基于Ferrell格林函數(shù)的海潮負(fù)荷模型及基于導(dǎo)納原理的氣壓和溫度改正模型，去除原始觀測中的主要重力潮汐信號及由環(huán)境因素引起的區(qū)域重力非潮汐效應(yīng)；最后，每期資料采用絕對重力基準(zhǔn)控制下的相對重力聯(lián)測的經(jīng)典間接平差原理，建立基于重力段差觀測值的平差函數(shù)模型和隨機(jī)模型，利用最小二乘約束獲得測網(wǎng)中各測點(diǎn)的平差最優(yōu)解。相對重力聯(lián)測網(wǎng)平差誤差方程為：

式中，vij為Δgij＝gi－gj的誤差，gi為i測點(diǎn)上讀數(shù)的預(yù)處理重力值，為測點(diǎn)i的平差值，D為儀器的漂移改正數(shù)，ti為測點(diǎn)i的觀測時(shí)刻。

絕對重力觀測結(jié)果以5μGal精度定權(quán)，相對重力聯(lián)測觀測值的權(quán)重則按儀器型號的不同，在解算過程中迭代計(jì)算確定。相對重力儀彈簧零漂改正在網(wǎng)平差計(jì)算中作為未知參數(shù)通過整體平差解算，以獲取合理的儀器漂移系數(shù)及漂移改正量。重力儀格值系數(shù)先作為未知參數(shù)在相關(guān)期的絕對重力測量控制下整體解算，獲取合適的格值系數(shù)改正值，再對原始數(shù)據(jù)作相應(yīng)的格值系數(shù)改正［2］。

測區(qū)中各相對聯(lián)測點(diǎn)的相對重力變化由每期平差結(jié)果減去多期結(jié)果平均值獲得，重力年變率由多期平差結(jié)果加權(quán)最小二乘回歸擬合獲得，權(quán)重采用各期數(shù)據(jù)平差后的測點(diǎn)重力值精度，年變率的精度由1－σ的標(biāo)準(zhǔn)差估算，相當(dāng)于67%的置信度。解算結(jié)果表明，測區(qū)內(nèi)重力年變率分布于－17～20μGal／a，平均年變率約為3.7μGal／a；年變率精度優(yōu)于10μGal／a，分布于0.4～9.8μGal／a，大部分集中在3μGal／a附近，少數(shù)復(fù)測次數(shù)較少的測點(diǎn)年變率精度較低。拉薩絕對重力點(diǎn)年變率為－2.66±0.75μGal／a，與文獻(xiàn)［3－5］的結(jié)果在給定誤差范圍內(nèi)是一致的。圖2給出了精度優(yōu)于5μGal／a的重力年變率分布，可以看出，青藏高原西南邊緣喜馬拉雅地區(qū)及北部可可西里山－阿爾金山地區(qū)呈現(xiàn)明顯的正重力變化特征，最大重力變化約11.21μGal／a。圖3給出了獅泉河、于田等典型測點(diǎn)的時(shí)間序列，可以看出，這些測點(diǎn)的時(shí)間序列均表現(xiàn)出明顯的線性變化特征，表明測點(diǎn)附近區(qū)域的長期重力變化在15a時(shí)間尺度上以線性上升趨勢為主，反映了該區(qū)域逐年累積增加的重力背景效應(yīng)。

圖2 1998～2013我國西藏及周邊區(qū)域的重力變化率Fig.2 The gravity annual rate in Tibet and its vicinity in the period of 1998－2013

圖3 典型測點(diǎn)的時(shí)間序列Fig.3 The time series at typical gravity stations

2 討論與分析

2.1 陸地水儲量變化引起的區(qū)域重力效應(yīng)

2.1.1 冰川儲量變化

近50a來中國西部82.2%的冰川處于退縮和消融狀態(tài)，冰川面積減少了4.5%，但退縮的幅度和比例不同，存在明顯的區(qū)域差異：冰川末端退縮、物質(zhì)平衡變化和面積變化的幅度在青藏高原邊緣和周邊地區(qū)要大于高原內(nèi)部［6］。由圖1 可見，我國西藏及周邊區(qū)域的流動重力測點(diǎn)大多集中在高原內(nèi)部，只有少數(shù)測點(diǎn)離冰川分布區(qū)較近。孫文科［4］認(rèn)為，就長期重力變化而言，由冰川融化和高原降水引起的重力變化率應(yīng)該是較小的，并且這些參數(shù)中的季節(jié)性變化可以通過長期觀測取平均消除，它們對重力變化率的貢獻(xiàn)同全球水平衡有關(guān)，應(yīng)是一個(gè)微小的量。

2.1.2 高原湖泊水量變化

青藏高原高山地區(qū)冰川補(bǔ)給占主導(dǎo)的湖泊集中分布于藏南喜馬拉雅地區(qū)和藏東南地區(qū)，這些冰湖近40a來面積和水位總體上呈迅速增加態(tài)勢［7］。Zhang［8］對青藏高原111個(gè)湖泊2003～2009的高程變化研究表明，湖泊亞區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及整個(gè)青藏高原的湖泊水位變化速率分別為0.12、0.26、0.19、－0.11和0.2m／a（圖4）。近30a來我國喜馬拉雅山區(qū)冰湖總面積增大了29%，區(qū)域性的水量變化與湖泊面積變化相對應(yīng)，藏北的湖泊水量以增加為主，高山地區(qū)冰川補(bǔ)給占主導(dǎo)的湖泊水位上升非常迅速［8－9］。湖泊水量的逐年增加是區(qū)域重力場變化的主要因素之一。比較圖2、圖4可知，研究區(qū)內(nèi)重力變化率為正值的測點(diǎn)大多分布在湖泊水位上升的區(qū)域，這表明地面重力觀測的重力變化信號中包含了測點(diǎn)周圍湖泊水量逐年增加引起的重力變化。為研究與地震相關(guān)的地殼構(gòu)造運(yùn)動及深部物質(zhì)運(yùn)移的重力信號，必須扣除陸地水儲量變化引起的重力效應(yīng)。精細(xì)扣除這部分水負(fù)荷效應(yīng)需要測點(diǎn)附近河流、湖泊、地下水和常年降水量等水文氣象資料，由于目前缺乏上述資料，本研究將利用Zhang［8］給出的青藏高原主要湖泊區(qū)水位變化率，基于地表負(fù)荷響應(yīng)的理論計(jì)算測區(qū)內(nèi)湖泊水量變化引起的重力效應(yīng)，并估算測區(qū)內(nèi)各重力測點(diǎn)的水負(fù)荷重力效應(yīng)改正量。

圖4 青藏高原74個(gè)湖泊水位變化［8］Fig.4 Water level change of 74lakes of the Tibetan plateau［8］

陸地水儲量變化對重力場觀測的影響可分為3部分：1）陸地水質(zhì)量變化引起的直接牛頓引力效應(yīng)；2）陸地水質(zhì)量負(fù)荷作用下的彈性地球形變效應(yīng)；3）由于地球形變使地球內(nèi)部質(zhì)量重新分布產(chǎn)生的附加效應(yīng)［10］。根據(jù)地表負(fù)荷響應(yīng)的理論計(jì)算方法，P點(diǎn)t時(shí)刻的重力變化δg可由下列公式表示［11］：

其中，gN為直接牛頓引力效應(yīng)；gE與格林函數(shù)相關(guān)，代表地球彈性變化引起的重力響應(yīng)；地表質(zhì)量負(fù)荷變化δg（P，t）與湖泊水位變化l（p，t）及水密度ρw＝1 000kg／m3直接相關(guān)，即δg（P，t）＝ρwl（p，t）；me為地球質(zhì)量；g為地表平均絕對重力值；Pn（cosθ）為n階勒讓德多項(xiàng)式；hn、kn為負(fù)荷Love數(shù)；θ為觀測點(diǎn)P與負(fù)荷單元p之間的角距離。

圖5 扣除高原湖泊水負(fù)荷重力效應(yīng)后的重力年變率分布Fig.5 The gravity annual rate with the hydrological loading effect removed

圖5為扣除湖泊水負(fù)荷重力效應(yīng)的各測點(diǎn)重力年變率分布。比較圖2、圖5可以看出，經(jīng)湖泊水負(fù)荷改正后的重力年變率變化較大的測點(diǎn)均為靠近高原湖泊的測點(diǎn)。

2.2 尼泊爾地震震前我國西藏及周邊區(qū)域的重力長期變化

巨大地震的孕育和發(fā)生過程中在震源區(qū)附近會產(chǎn)生物質(zhì)遷移和質(zhì)量再分布，重力場也會隨之發(fā)生變化。青藏高原巖石圈活動的重力效應(yīng)主要表現(xiàn)為兩種機(jī)制：地表隆升和地下深部物質(zhì)運(yùn)移［3，5，12］?；谄骄蛐蔚厍蚰Ｐ偷拇怪敝亓μ荻燃s－3.08μGal／cm，結(jié)合近期多位學(xué)者［13－14］給出的青藏高原地區(qū)現(xiàn)今地殼垂直運(yùn)動結(jié)果，用自由空氣改正估算由地表垂直位移引起的重力變化約為－0.6～－1.5μGal／a。同地面觀測到的重力變化率（圖5）相比可知，由地殼垂直位移引起的重力變化量級很小。由此可以推斷，在扣除陸地水負(fù)荷重力效應(yīng)后，本文基于地面重力觀測得到的西藏及周邊地區(qū)的重力變化主要反映了該地區(qū)深部殼幔物質(zhì)遷移和質(zhì)量再分布。

圖6為利用陸地水負(fù)荷改正后各測點(diǎn)的重力年變率經(jīng)50km 平滑半徑的高斯濾波后的重力長期變化空間分布。圖6表明，我國西藏及周邊區(qū)域的重力長期變化在空間分布上具有顯著的不均勻性和重力變化分區(qū)現(xiàn)象，這與青藏高原復(fù)雜的變形構(gòu)造和動力學(xué)系統(tǒng)密切相關(guān)。徐紀(jì)人［15］關(guān)于青藏高原構(gòu)造運(yùn)動特征與地震震源斷層活動類型的研究表明，在青藏高原周緣海拔較低的地區(qū)，地震主要以逆斷層型或者走滑斷層型活動發(fā)生，顯示出在印度板塊向歐亞大陸擠壓碰撞的作用下青藏高原不斷隆升的構(gòu)造運(yùn)動特征；而在青藏高原中部高海拔地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動趨勢相反，促使不斷隆升的青藏高原基本保持著重力均衡狀態(tài)。圖6給出的15a時(shí)間尺度長期重力變化分布表明，青藏高原周緣地區(qū)，尤其是青藏高原南段的喜馬拉雅活動構(gòu)造帶和北段的阿爾金－昆侖斷裂帶呈明顯的正重力變化趨勢，變化范圍約為2～12 μGal／a；高原中部的藏北地塊及青南地塊為大范圍的負(fù)重力變化區(qū)，變化率集中分布在－2～－8 μGal／a。地面重力觀測給出的青藏高原周緣地區(qū)和高原中部地區(qū)截然相反的重力長期背景變化趨勢，可能與徐紀(jì)人［15］指出的青藏高原周緣與中部地區(qū)相反趨勢的構(gòu)造運(yùn)動有關(guān)。占偉等［16］的研究表明，喜馬拉雅主邊界斷裂存在大范圍擠壓應(yīng)變積累，尼泊爾地震震源區(qū)處于近南北向擠壓應(yīng)變累積高值區(qū)的過渡區(qū)域。一般來說，區(qū)域物質(zhì)運(yùn)動質(zhì)量的總體增加，其所攜帶的能量亦增加，有利于地震孕育積累。地震源于地殼深處，是介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變能量積累到一定程度而造成的剪切破裂。大震的孕育往往伴隨著能量的積累，比如地殼內(nèi)部物質(zhì)不斷積聚變形運(yùn)動，地表重力變化上升或正重力變化應(yīng)是有利于能量積累的可能標(biāo)志之一［17］。圖6給出的喜馬拉雅活動構(gòu)造帶顯著的正重力變化趨勢，反映了尼泊爾Ms8.1地震孕育的中長期時(shí)間尺度（15a）信息。大范圍的正重力變化趨勢可能和印度板塊與歐亞板塊存在的持續(xù)擠壓變形引起地下物質(zhì)重新分布與調(diào)整有關(guān)，反映了大震孕育過程中地殼變形和介質(zhì)變化引起的震區(qū)周圍應(yīng)力與能量的累積。

圖6 1998～2013我國西藏及周邊區(qū)域的重力長期變化空間分布Fig.6 The spatial distribution of the gravity annual rate in Tibet and its vicinity in the period of 1998－2013

3 結(jié) 語

流動重力典型測點(diǎn)的時(shí)間序列表現(xiàn)出明顯的線性變化特征，表明測點(diǎn)附近區(qū)域的長期重力變化在15a時(shí)間尺度上以線性趨勢為主，反映了區(qū)域重力逐年累積增加的背景效應(yīng)。我國西藏及周邊區(qū)域的重力長期變化在空間分布上具有顯著的不均勻性和重力變化分區(qū)現(xiàn)象，這與青藏高原復(fù)雜的變形構(gòu)造和動力學(xué)系統(tǒng)密切相關(guān)。喜馬拉雅活動構(gòu)造帶在15a時(shí)間尺度上呈明顯的正重力變化趨勢，可能與印度板塊與歐亞板塊存在的持續(xù)擠壓變形引起的地下物質(zhì)重新分布與調(diào)整有關(guān)，反映了大震孕育過程中地殼變形和介質(zhì)變化引起的震區(qū)周圍應(yīng)力與能量的累積。

本文中陸地水儲量變化只考慮了冰川消融和高原湖泊水位變化引起的重力效應(yīng)，更為嚴(yán)密的陸地水模型仍需考慮高原凍土、土壤含水層、地下水儲量和年季降水變化等因素。除此之外，青藏高原冰后期回彈效應(yīng)和地表剝蝕等因素也會引起重力場的變化，在后續(xù)研究中應(yīng)予以詳細(xì)探討。

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