云南地區(qū)及鄰域衛(wèi)星重力變化及其與區(qū)域大震的關(guān)系①

焦佳爽, 張永志, 張凱南, 姜永濤, 槐巖珂

(1.長安大學(xué)地質(zhì)與測繪工程學(xué)院,陜西 西安 710000; 2.南陽師范學(xué)院,河南 南陽 473061)

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云南地區(qū)及鄰域衛(wèi)星重力變化及其與區(qū)域大震的關(guān)系①

焦佳爽1, 張永志1, 張凱南1, 姜永濤2, 槐巖珂1

(1.長安大學(xué)地質(zhì)與測繪工程學(xué)院,陜西 西安 710000; 2.南陽師范學(xué)院,河南 南陽 473061)

摘要:利用GRACE衛(wèi)星重力場數(shù)據(jù),計算并分析云南地區(qū)及鄰域2003—2014年的衛(wèi)星重力場變化特征,獲得3個特征點上的月重力變化時間序列;結(jié)合該地區(qū)2003—2014年發(fā)生的MS5以上地震分布,探討區(qū)域衛(wèi)星重力變化與區(qū)域大震的關(guān)系。結(jié)果表明:云南地區(qū)及鄰域衛(wèi)星重力場變化對區(qū)域MS5以上地震有一定的反映,地震多發(fā)生在區(qū)域重力變化的高梯度帶上,地震發(fā)生前后,區(qū)域出現(xiàn)與地震相對應(yīng)的特征性衛(wèi)星重力變化,可能是對殼幔物質(zhì)調(diào)整的反映;區(qū)域大震前后,不同震區(qū)特征點的重力變化特征存在差異,說明分?jǐn)鄬?、分區(qū)域的重力場變化研究對地震預(yù)測有重大意義。

關(guān)鍵詞:云南地區(qū)及鄰域; GRACE; 衛(wèi)星重力變化; 地震; 斷裂帶

0引言

云南緊鄰印度板塊向歐亞板塊中國大陸的側(cè)向俯沖帶,且處于我國南北地震帶南段,已有研究表明,該區(qū)域地震活動與重力場變化特征密切相關(guān)[1-6]。

GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)雙星系統(tǒng)由美國宇航局NASA和德國空間飛行中心DLR聯(lián)合研制,其提供的時變重力場是探究地球內(nèi)部物質(zhì)遷移的重要依據(jù)。GRACE能探測到MS9.0以上剪切型地震和MS7.5以上張裂型地震產(chǎn)生的同震重力變化[7]。2006年研究人員利用GRACE數(shù)據(jù)首次探測到2004年蘇門答臘MS9.1地震的同震重力變化,其峰值達(dá)±15×10-8ms-2[8]。此后有部分學(xué)者利用GRACE時變重力場模型,研究了與地震相關(guān)的重力變化。周新等[9]對GRACE數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效處理,成功提取出2010年智利MW8.8地震的同震重力變化信號,表明GRACE具有檢測出M<9 地震量級的能力;段虎榮等[10]利用GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究了汶川地震前后的重力場變化,并用地殼膨脹模型理論解釋了同震衛(wèi)星重力的負(fù)變化現(xiàn)象;鄒正波等[11]計算了中國大陸及周緣地區(qū)在汶川地震前后兩年的GRACE衛(wèi)星重力變化,得出衛(wèi)星重力變化能揭示汶川地震對中國大陸的影響這一結(jié)論;徐海軍等[12]利用GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)對印度MS6.8地震區(qū)域重力場變化特征進(jìn)行研究,證實強(qiáng)震就發(fā)生在重力變化高梯度帶內(nèi);姜永濤等[13]計算了青藏高原東緣多個時間尺度衛(wèi)星重力場變化,分析了3次大于MS7大震與衛(wèi)星重力場變化特征的關(guān)系;對于日本MW9.0地震,幾位學(xué)者也分別利用GRACE數(shù)據(jù)做了不同方面的研究[14-17]。

本文利用GRACE衛(wèi)星最新重力場模型,計算并分析云南地區(qū)及鄰域長期的衛(wèi)星重力場變化特征,探討區(qū)域衛(wèi)星重力變化與區(qū)域大震的關(guān)系。

1區(qū)域概況

云南地區(qū)及鄰域處于印度板塊與歐亞板塊碰撞帶的東緣,地殼運動劇烈,地震活動水平高且與活動塊體關(guān)系密切[18]。該地區(qū)在20世紀(jì)共發(fā)生5級以上地震333次,其中7級以上大震13次,僅20世紀(jì)70年代以來發(fā)生的7級以上地震就多達(dá)8次,是研究地震活動性的理想場所[19-20]。云南區(qū)域現(xiàn)今的斷裂構(gòu)造格局由青藏高原的東向擠出環(huán)境所奠定,在這種地殼運動背景下[21-22]形成了云南地區(qū)特殊的地形地貌。

圖1為云南地區(qū)地形與現(xiàn)今活躍的主要斷裂帶示意圖[23]。圖1標(biāo)注了2003—2014年該地區(qū)發(fā)生的MS5以上地震(http://earthquake.usgs.gov/),這些地震主要發(fā)生在在三塊區(qū)域,即怒江斷裂南段與龍陵—瀾滄斷裂交匯處的西北面;麗江—小金河斷裂帶、紅河斷裂、則木河斷裂和小江斷裂所共同圍成的區(qū)域;大涼山斷裂帶東方向與馬邊斷裂西南方向的附近區(qū)域。

2重力場變化計算方法

2.1重力場變化計算原理

在橢球面上,利用GRACE重力場模型計算時變重力變化的表達(dá)式為:

(1)

圖1　云南地區(qū)地形(單位:m)Fig.1　Topography in Yunnan region and its adjacent areas (Unit:m)

2.2GRACE去相關(guān)性濾波

GRACE衛(wèi)星觀測的僅僅是地球的中長波重力變化,高頻信號的精確性非常低,重力場模型中的高頻噪音信號很多,在時變重力場圖像上表現(xiàn)為南北條帶異常,因此在使用GRACE重力場模型前,須對位系數(shù)進(jìn)行去相關(guān)和平滑處理。

本文所使用的是ICGEM(http://icgem.gfz-potsdam.de/ICGEM/ICGEM.html)提供的已經(jīng)過DDK5處理的GFZ Release 05數(shù)據(jù),其有效性已被證實[24]。DDK5是德國地學(xué)中心Kusche研究出的一個卷積矩陣較為簡單的去相關(guān)平滑方法[25]。該方法考慮在反演月重力場模型過程中,GRACE軌道數(shù)據(jù)和星間距離測量數(shù)據(jù)存在的信號協(xié)方差和誤差協(xié)方差矩陣,通過“懲罰加權(quán)”來建立月重力場模型的去相關(guān)濾波矩陣,但由于該矩陣的濾波系數(shù)太多,考慮去相關(guān)濾波矩陣系數(shù)的特點[26],最終簡化得出了一個“次卷積”去相關(guān)濾波核。

3重力場計算及其特征

3.1區(qū)域自由空氣重力異常

圖2為利用最新高階重力場模型EIGEN-6C4[27]計算得出的云南地區(qū)自由空氣重力異常。通過圖2和圖1的對比可以發(fā)現(xiàn),區(qū)域地形與自由空氣重力異常有很好的對應(yīng)關(guān)系,且在斷裂帶附近多會出現(xiàn)重力變化異常現(xiàn)象,其中瀾滄江斷裂、怒江斷裂、紅河斷裂、安寧河斷裂、大涼山斷裂和馬邊斷裂的負(fù)重力異?，F(xiàn)象尤為顯著。這種現(xiàn)象說明云南區(qū)域斷層多位于重力變化異常區(qū),其原因一方面可能是斷裂帶及其毗鄰區(qū)地面起伏對重力異常結(jié)果產(chǎn)生影響,另一方面,斷層的阻隔作用使得殼幔物質(zhì)運動受阻,斷裂帶成為一個地殼密度異常帶。

3.2區(qū)域年差分重力變化

為了盡量避免季節(jié)性因素對區(qū)域差分重力場的影響,本文以最大限度選取每年的共有月重力場。具體在計算2003—2014年的差分重力場變化時,采用每年2、4、5、7、11和12月份的GRACE平均重力場模型計算(其中2012年5月份的數(shù)據(jù)有缺失,用當(dāng)年6月份的數(shù)據(jù)代替;2014年的數(shù)據(jù)只有7個月份的,選取1、3、4、5、8和9月份),GRACE月重力場模型經(jīng)過去相關(guān)濾波DDK5處理。由于GRACE雙星系統(tǒng)對位系數(shù)C20項不敏感,因此在計算中用人衛(wèi)激光測距得到的C20項作為替代。計算結(jié)果見圖3。

圖2　云南地區(qū)自由空氣重力異常(單位:10-5 ms-2)Fig.2　Free air gravity anomalies in Yunnan region and its adjacent areas (Unit:10-5 ms-2)

圖3　區(qū)域年度差分時變重力場(單位:10-8 ms-2)Fig.3　Regional annual differentiated temporal gravity field (Unit:10-8 ms-2 )

4.3區(qū)域大震與重力變化關(guān)系

從圖3可以看出,保山次級塊體在2003—2004年呈重力正值變化,且形成了垂直于大盈江斷裂的重力變化梯度帶;2006年重力變化梯度帶由垂直變?yōu)槠叫杏诖笥瓟嗔?并以大盈江斷裂為中心形成了重力正負(fù)變化的高梯度帶,說明此期間西北部殼幔物質(zhì)加速南移,使保山次級塊體南部的騰沖次級塊體在2007年出現(xiàn)重力正值變化的高值區(qū),2008年8月21日發(fā)生的盈江縣MS5.9地震可能是由這種物質(zhì)高速流動而誘發(fā)的斷層破裂。2009—2011年南北殼幔物質(zhì)呈強(qiáng)烈交替運動,在重力變化高梯度帶上發(fā)生了2011年3月10日盈江縣MS5.8地震。2013年保山次級塊體向東擠壓,保山次級塊體與滇中次級塊體交界處形成的重力變化高梯度上發(fā)生了2次震源錯動方式為正斷層類型的MS5以上地震(2013年3月3日洱源縣MS5.4地震和2013年8月31日德欽縣、得榮縣交界處MS5.6地震)。

2003—2004年滇中次級塊體呈重力正值變化,而2005—2006年重力負(fù)值變化劇烈,2007年又呈重力正值變化,2008—2009年呈連續(xù)的重力負(fù)值變化。這種地殼間反復(fù)的擠壓與松弛運動,最終觸發(fā)了處在重力變化高梯度帶南華—楚雄—建水?dāng)嗔焉系囊Π部h2009年7月9日MS5.7地震。

云南地區(qū)的東部位于滇東塊體的西緣,2004年滇東塊體向西擠壓,在重力正負(fù)變化的高梯度帶上發(fā)生了2004年8月10日魯?shù)镸S5.6地震。重力負(fù)值變化區(qū)在震后向西擴(kuò)張,這可能是地震使原本的阻隔作用減少,殼幔物質(zhì)加速西移,在這一過程中發(fā)生了2005年8月5日會澤MS5.0地震。2009—2011年滇中次級塊體與滇東次級塊體交界處的重力變化梯度帶一直垂直于小江斷裂的走向,2012年重力變化梯度帶由垂直變?yōu)槠叫?該重力變化的高梯度帶上發(fā)生了2012年9月7日昭通MS5.6地震。此區(qū)域的重力變化梯度帶于2014年再次平行于小江斷裂走向,2014年8月3日在小江斷裂帶上發(fā)生了魯?shù)镸S6.2大震,這種現(xiàn)象可能說明臨震前形成的平行于斷裂帶的重力變化梯度帶有利于地震破裂的發(fā)生[28],2014年4月4日發(fā)生的邵通MS5.4地震也有類似的重力變化現(xiàn)象。

4三個特征點的月重力變化序列

為精確了解云南地區(qū)地震高發(fā)區(qū)域的重力場變化情況,本文在這3個區(qū)域(怒江斷裂南段與龍陵—瀾滄斷裂交匯處的西北面;麗江—小金河斷裂帶、紅河斷裂、則木河斷裂和小江斷裂所共同圍成的區(qū)域;大涼山斷裂帶東方向與馬邊斷裂西南方向的附近區(qū)域)內(nèi)各選擇一個特征點,如圖1中A、B、C所示。每個特征點的經(jīng)度和緯度分別為其所屬區(qū)域內(nèi)2003—2014年所發(fā)生的MS5以上地震震中位置的平均值,即A(97.9°E,24.8°N)、B(101.5°E,25.8°N)和C(103.8°E,27.6°N)(圖1)。

本文利用ICGEM發(fā)布的2003—2014年共131個月的GRACE月重力場模型,通過計算獲取3個特征點位跨度為12年的月重力變化時間序列,并將3個地震高發(fā)區(qū)2003—2014年發(fā)生的大于MS5地震標(biāo)在對應(yīng)的圖上(圖4)。分析發(fā)現(xiàn)3個特征點的重力異常變化存在一定差異。

(1) 特征點A(97.9°E,24.8°N)位于怒江斷裂南段與龍陵—瀾滄斷裂交匯處的西北面。該區(qū)域的盈江縣先后發(fā)生了2008年8月21日MS6.0地震、2011年3月10日MS5.5地震、2014年5月23日MS5.8地震和2014年5月30日MS5.9地震。觀察這4次地震發(fā)生月份A點的重力異常變化值,發(fā)現(xiàn)這些變化值都很小,趨近于0。其中2008年8月21盈江縣MS6.0地震發(fā)生前期重力變化速率較大,在地震前一個月重力變化達(dá)到增量約11×10-8ms-2,形成了一個小的峰值,并于地震后的幾個月又恢復(fù)相對穩(wěn)定的波動,這說明地震使震前地殼運動所積累的能量得到了釋放,同時也印證了地震發(fā)生后的位場恢復(fù)理論[29],這與圖3中結(jié)果相對應(yīng)。

(2) 特征點B(101.5°E,25.8°N)位于麗江—小金河斷裂帶、紅河斷裂、則木河斷裂和小江斷裂所共同圍成的區(qū)域。該區(qū)域發(fā)生了2003年7月21日大姚MS6.0地震、2003年10月16日大姚MS5.6地震、2008年8月30日川滇交匯處會理縣MS5.9級地震、2008年8月31日會理縣MS5.5地震和2009年7月9日會理縣MS5.7地震。該地區(qū)發(fā)震月份的重力異常變化具有統(tǒng)一性,即發(fā)震月份的重力異常變化都為正且重力變化量都約為5×10-8ms-2,每一個月份都處在波峰的位置。其中2003年10月16日大姚MS5.6地震發(fā)生后的一個月負(fù)重力變化量較大,達(dá)到-9.3×10-8ms-2,這可能是震后其區(qū)域地殼松弛造成的。

(3) 特征點C(103.8°E,27.6°N)位于大涼山斷裂帶東方向與馬邊斷裂西南方向的附近區(qū)域。該區(qū)域發(fā)生了2004年8月10日昭通MS5.1地震、2012年9月7日彝良縣MS5.6與MS5.3地震、2014年4月4日永善縣MS5.4地震和2014年8月3日魯?shù)榭hMS6.2地震。該區(qū)域重力變化無明顯特征,原因可能是它緊挨川滇菱形塊體東側(cè),川滇菱形塊體東邊界是對于菱形塊體活動最為敏感的條帶,重力場變化極為復(fù)雜,難以從一個點位分析出其特征。但是可以發(fā)現(xiàn)彝良縣MS5.6與MS5.3地震發(fā)生前一個月的重力場變化與2008年8月21盈江縣MS6.0地震發(fā)震前的重力變化相似。

圖4　三個特征點2003—2014年的月重力變化時間序列(單位:10-8 ms-2)Fig.4　Time series of monthly gravity changes at three points from 2003 to 2014 (Unit:10-8 ms-2 )

5結(jié)論

本文利用GRACE月重力場模型,計算并分析云南地區(qū)的衛(wèi)星重力場動態(tài)演化過程,最后分析了衛(wèi)星重力變化與區(qū)域大震的關(guān)系,得出主要結(jié)論如下:

(1) 云南地區(qū)的區(qū)域地形與自由空氣重力異常有很好的對應(yīng)關(guān)系,且斷裂帶附近多出現(xiàn)負(fù)重力異?，F(xiàn)象,其中瀾滄江斷裂、怒江斷裂、紅河斷裂、安寧河斷裂、大涼山斷裂和馬邊斷裂的負(fù)重力異?，F(xiàn)象尤為顯著。

(2) 從云南地區(qū)2003—2014年的逐年差分時變重力場變化圖像發(fā)現(xiàn),地震多發(fā)生在區(qū)域重力變化的高梯度帶上,且出現(xiàn)了與地震相對應(yīng)的特征性衛(wèi)星重力變化,反映了與地震相關(guān)的殼幔物質(zhì)的擠壓與松弛運動。

(3) 3個地震高發(fā)區(qū)特征點上的重力變化特征與地震的對應(yīng)關(guān)系各不相同。A點的重力變化值在地震發(fā)生月份都處于低值;B點發(fā)震月份的重力異常變化特征具有統(tǒng)一性,即發(fā)震月份都為重力正變化且量值約為5×10-8ms-2,同時每一個發(fā)震月份都處在重力變化波峰位置;C點的重力變化無明顯特征,原因可能是這一區(qū)域緊挨塊體活動最復(fù)雜的川滇菱形塊體東邊界,重力變化極為復(fù)雜,難以從一個點分析出其變化特征。

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Satellite Gravity Changes in Yunnan and Adjacent Regions and Its Relation with Regional Strong Earthquakes

JIAO Jia-shuang1, ZHANG Yong-zhi1, ZHANG Kai-nan1, JIANG Yong-tao2, HUAI Yan-ke1

(1.SchoolofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an710000,Shaanxi,China;2.NanyangNormalUniversity,Nanyang473061,Henan,China)

Abstract:Yunnan is one of the main seismic activity areas in China.It lies close to the subduction zone where the Indian plate moves towards the Eurasian plate and belongs to the southern section of the north-south seismic belt in China.Historical earthquake activity in this area shows that earthquakes of high frequency and large magnitude occur.The Yunnan region and its adjacent areas are ideal locations for the study of seismicity.Existing research shows that regional seismic activity is closely related to gravity field changes that are mainly caused by geological activities such as crustal deformation and fault material change.Such changes reflect crustal movement and the associated processes involved in large earthquakes.Therefore,gravity changes can be used to predict earthquakes.The GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) binary star system,jointly developed by NASA and the DLR,provides a time-varying gravity field and thus important information for the exploration of Earth's interior materials.GRACE satellite observations clearly reflect the motion of the Earth’s plates and expand the scope of gravity anomaly seismic observations that can be used for long-term forecasts of earthquakes.In this paper,we use gravity field data from GRACE satellites to calculate and analyze the satellite gravity field variation characteristics from 2003 to 2014 in the Yunnan region and its adjacent areas.We also obtained the monthly gravity change sequence of three feature points,and in this study we analyze their change characteristics by combining the distribution of M≥5 earthquakes from 2003 to 2014 in the study area.Results show that the MS≥5 earthquakes in the Yunnan region and adjacent areas are reflected in satellite images of gravity field changes,and that large earthquakes often occur on the high gradient zone of regional gravity changes.The earthquake zone often shows a corresponding change in satellite gravity characteristics both before and after large earthquakes,which may reflect crust-mantle material adjustment.The corresponding earthquake gravity change characteristics of the three points are different,which may indicate that research into the gravity field changes in various regions and faults is significant for earthquake prediction.

Key words:Yunnan region and its adjacent areas; GRACE; satellite gravity change; earthquake; fault

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0260

中圖分類號:P315.72+6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1000-0844(2016)02-0260-09

作者簡介:焦佳爽(1990-), 男,在讀碩士生,主要從事衛(wèi)星重力研究。E-mail:jiaojiashuang@foxmail.com。

基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(41374028,41274083,41304013);陜西省教育廳自然科學(xué)科研項目(12JK0798)

收稿日期:①2015-05-11