2016年青海門源MS6.4地震前重力變化

祝意青， 李鐵明， 郝明， 梁偉鋒， 趙云峰， 徐云馬， 郝慶花

1 中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心， 西安　710054 2 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所， 北京　100029

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2016年青海門源MS6.4地震前重力變化

祝意青1， 李鐵明2*， 郝明1， 梁偉鋒1， 趙云峰1， 徐云馬1， 郝慶花1

1 中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心， 西安710054 2 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所， 北京100029

利用青藏高原東北緣2011—2015年期間的流動(dòng)重力觀測(cè)資料，系統(tǒng)分析了區(qū)域重力場(chǎng)變化及其與2016年1月21日青海門源MS6.4地震發(fā)生的關(guān)系，結(jié)合GNSS、水準(zhǔn)觀測(cè)成果和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造動(dòng)力環(huán)境，進(jìn)一步研究了區(qū)域重力場(chǎng)變化的時(shí)空分布特征及其機(jī)理.結(jié)果表明：(1) 測(cè)區(qū)內(nèi)重力場(chǎng)異常變化與祁連山斷裂帶在空間上關(guān)系密切，反映沿祁連山斷裂帶(段)在2011—2015年期間發(fā)生了引起地表重力變化效應(yīng)的構(gòu)造活動(dòng)或變形. (2) 門源MS6.4地震前，測(cè)區(qū)內(nèi)先出現(xiàn)了較大空間范圍的區(qū)域性重力異常，到臨近發(fā)震前顯示出相對(duì)閉鎖的現(xiàn)象，且圍繞震中區(qū)周圍出現(xiàn)四象限分布特征的局部重力變化，地震發(fā)生在重力反向變化過(guò)程中,并出現(xiàn)顯著的四象限分布特征的重力異常變化，其中，青海門源與甘肅天祝一帶重力差異變化達(dá)100×10-8m·s-2以上. (3) 區(qū)域重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化大體反映了青藏高原東北緣物質(zhì)北東流的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，門源震中附近區(qū)域地殼受擠壓變形顯著、面壓縮率和重力劇烈變化的特征最為顯著. (4) 重力場(chǎng)的空間分布及其隨時(shí)間變化與地殼垂直與水平運(yùn)動(dòng)及地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)等觀測(cè)結(jié)果有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)震易發(fā)生在重力變化四象限分布中心地帶或正、負(fù)異常區(qū)過(guò)渡的高梯度帶上.

青藏高原東北緣; 門源地震; 重力場(chǎng)變化; 構(gòu)造活動(dòng); 中期前兆

The results show that in the space domain, the gravity field variation is closely linked with the Qilianshan fault. The relation shows that tectonic activity or deformation caused surface gravity changes along the Qilianshan fault during 2011 and 2015. During the early period beforeMS6.4 Menyuan earthquake, regional gravity anomalies in a large area appeared in the measurement region. Gravity changes showed relative locking before the impending earthquake, and gravity field variation distributed in a four-quadrant form. The earthquake happened in the process of gravity reverse changes and the anomaly variations near Menyuan and Tianzhu were over 100×10-8m·s-2. Dynamic evolution characteristics of the gravity field generally reflect the dynamic effects of the moving material of the northeastern margin of Tibetan plateau which spread toward east, and the Menyuan epicenter zone by the earth′s compression deformation, where compression ratio and gravity change are most significant. The spatial distribution of the gravity field and its changes over time and vertical and horizontal crustal movement and tectonic activity observations have certain corresponding relationships.

To study the relation between regional gravity changes and seismic activity is a meaningful method that is developed in recent years. Gravity dynamic variation has important implications for location prediction, which can provide experience and reference for medium-term forecast. Great earthquakes tend to occur at the center of four quadrant distribution of gravity changes or the gradient/transit belts from positive to negative anomalies. TheMS6.4 Menyuan earthquake occurred nearby the zero contour close to the center of four quadrant distribution of gravity changes.KeywordsNortheastern margin of Tibetan plateau； Menyuan earthquake； Gravity field change； Tectonic activity； Medium-term precursor

1　引言

2016年1月21日，青海門源發(fā)生MS6.4地震，震中位于祁連山中東段的冷龍嶺斷裂附近，冷龍嶺斷裂是全新世的左旋走滑兼逆沖的斷裂,斷裂的走向近北西向(袁道陽(yáng)等，2004).這次地震發(fā)生在我國(guó)地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)的青藏高原東北緣地區(qū),該地區(qū)自2009年以來(lái)，每年開(kāi)展2期流動(dòng)重力觀測(cè)，2013年7月甘肅岷縣漳縣MS6.6地震后觀測(cè)到祁連山中東段地區(qū)存在重力異常變化,祝意青等(2014)曾指出，祁連山中東段的甘青交界地區(qū)重力場(chǎng)在時(shí)間演化上變化強(qiáng)烈，空間上差異變化劇烈，因此，存在中-長(zhǎng)期強(qiáng)震的危險(xiǎn)背景；在中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心2016年地震趨勢(shì)研究報(bào)告“中國(guó)大陸及重點(diǎn)區(qū)域重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化綜合分析”一節(jié)中進(jìn)一步指出，門源、天祝、武威地區(qū)出現(xiàn)了重力劇烈變化及四象限分布特征，重力升、降差異達(dá)100×10-8m·s-2以上，祁連山中東段(震中位置在37.5°N, 102.2°E附近)有6級(jí)左右地震發(fā)生的可能.可以看出，基于流動(dòng)重力觀測(cè)分析做出的中期預(yù)測(cè)，與2016年1月21日青海門源發(fā)生的MS6.4地震(37.68°N，101.62°E)對(duì)應(yīng)較好，尤其是在地點(diǎn)的預(yù)測(cè)上，預(yù)測(cè)的危險(xiǎn)區(qū)中心位置距離中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的門源MS6.4地震震中相距只有55 km.在此之前的相關(guān)研究也表明，基于流動(dòng)重力觀測(cè)資料曾對(duì)2008年四川汶川MS8.0、2013年四川蘆山MS7.0地震和2013年甘肅岷縣漳縣MS6.6地震做出了一定程度的中期預(yù)測(cè)(祝意青等，2008，2013，2014).這表明，依據(jù)區(qū)域重力場(chǎng)時(shí)-空變化的分析，可以開(kāi)展強(qiáng)震中期預(yù)測(cè)的探索，尤其是強(qiáng)震可能發(fā)生地點(diǎn)的判定，這在地震三要素預(yù)測(cè)中尤為重要.因此，系統(tǒng)深入分析青藏高原東北緣重力觀測(cè)資料，進(jìn)而對(duì)2016年青海門源MS6.4地震前重力場(chǎng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征與規(guī)律、地震孕育發(fā)生過(guò)程中的前兆表現(xiàn)有一個(gè)較為客觀的認(rèn)識(shí)，這無(wú)論是從地震預(yù)報(bào)角度來(lái)看，還是從地球動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，都是有實(shí)際意義的.

2　重力觀測(cè)與資料處理

青藏高原東北緣是青藏高原向大陸內(nèi)部擴(kuò)展的前緣部位，該地區(qū)構(gòu)造變形與地震活動(dòng)顯著,一直受到國(guó)內(nèi)外地學(xué)家高度重視.為了監(jiān)測(cè)青藏高原東北緣地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)變化、發(fā)現(xiàn)可能的地震中短期前兆，中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心、甘肅地震局和寧夏地震局3個(gè)單位自20世紀(jì)80年代分別在該地區(qū)建立了地震重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)，通過(guò)不斷的優(yōu)化與整合，形成了目前的青藏高原東北緣整體重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)(圖1)，這有利于系統(tǒng)分析研究青藏高原東北緣重力場(chǎng)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，探討地面重力變化與地殼運(yùn)動(dòng)及構(gòu)造活動(dòng)和強(qiáng)震活動(dòng)的關(guān)系(祝意青等，2004,2014).2016年門源MS6.4地震發(fā)生在青藏高原東北緣重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)區(qū)域內(nèi).本文主要分析2011年以來(lái)青藏高原東北緣地區(qū)的重力場(chǎng)變化.

圖1　青藏高原東北緣重力測(cè)量路線及活動(dòng)斷裂略圖Fig.1　Map showing gravity survey routes and major active faults of the northeastern margin of Tibetan plateau

對(duì)資料的處理：①采用LGADJ程序進(jìn)行擬穩(wěn)平差，以獲得統(tǒng)一起算基準(zhǔn)下的重力變化(祝意青等，2004).②平差計(jì)算時(shí)，先對(duì)多期重力觀測(cè)資料計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整體分析，初步了解各臺(tái)儀器的觀測(cè)精度后，合理確定各臺(tái)儀器的先驗(yàn)方差，再重新平差計(jì)算，以得到最佳合理解算結(jié)果(祝意青等，2014).③對(duì)平差結(jié)果中極個(gè)別周圍環(huán)境改變或不重合的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了刪除.④用Kriging對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合推估，以便突出顯示構(gòu)造因素的重力效應(yīng).各期的觀測(cè)資料及整體平差計(jì)算后重力點(diǎn)值精度統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1.各測(cè)點(diǎn)重力測(cè)值的平均精度均優(yōu)于12×10-8m·s-2，反映觀測(cè)資料質(zhì)量可靠.

3　青藏高原東北緣區(qū)域重力場(chǎng)變化特征

3.12014年前1—3年尺度的區(qū)域重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化圖像

對(duì)2011年以來(lái)青藏高原東北緣地區(qū)獲得的多

期重力觀測(cè)資料，進(jìn)行年際及累積重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化分析(圖2中小圓點(diǎn)表示重力測(cè)點(diǎn)位置):

(1) 2011年5月—2012年5月期間(圖2a)，重力變化總體趨勢(shì)是自西南向東北出現(xiàn)由負(fù)向正逐漸增加，重力差異變化達(dá)80×10-8m·s-2以上，重力變化等值線走向總體與祁連—海原大斷裂帶的走向基本一致，并沿?cái)嗔褬?gòu)造線出現(xiàn)重力變化高梯度帶，反映重力變化受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用和深大斷裂活動(dòng)的控制.重力變化在自南向北由負(fù)向正的變化過(guò)程中于門源、天祝地區(qū)及其附近出現(xiàn)局部重力異常區(qū)及等值線的拐彎，異常區(qū)中心位于莊浪河斷裂與毛毛山斷裂、金強(qiáng)河斷裂及冷龍嶺斷裂交匯區(qū)附近.

(2) 2012年5月—2013年5月期間(圖2b)，重力變化比較復(fù)雜，仔細(xì)分析具有以下3個(gè)特征：其一，甘東南地區(qū)重力出現(xiàn)顯著差異變化，臨夏重力正值變化，岷縣、天水重力負(fù)值變化，重力差異變化達(dá)150×10-8m·s-2，并沿岷縣—隆德形成重力變化高梯度帶，2013年7月22日甘肅岷縣MS6.6地震發(fā)生在重力變化高梯度帶上(祝意青等，2014)；其二，寧夏地區(qū)自南向北出現(xiàn)由負(fù)向正的趨勢(shì)性變化，在海原、隆德出現(xiàn)與2011年5月—2012年5月(圖2a)反向變化的重力局部異常；其三，河西走廊地區(qū)在門源—天祝和祁連—民樂(lè)出現(xiàn)兩個(gè)局部重力異常區(qū)， 2013年9月20日門源MS5.1地震發(fā)生在這兩個(gè)局部重力異常區(qū)的過(guò)渡地帶.

(3) 2013年5月—2014年5月期間(圖2c)，重力變化表現(xiàn)為一個(gè)新的態(tài)勢(shì)，仔細(xì)分析具有以下3個(gè)特征：其一，甘東南地區(qū)重力出現(xiàn)差異變化較大，岷縣重力負(fù)值變化、天水地區(qū)重力正值變化，重力差異變化達(dá)90×10-8m·s-2，并沿岷縣—隆德形成重力變化高梯度帶，但重力變化與2012年5月—2013年5月(圖2b)反向，岷縣MS6.6地震發(fā)生在重力變化反向恢復(fù)過(guò)程中；其二，寧夏地區(qū)自南向北出現(xiàn)由負(fù)向正的趨勢(shì)性變化，但重力變化平緩；其三，河西走廊地區(qū)在武威—張掖及西寧地區(qū)出現(xiàn)兩個(gè)局部重力正變化異常區(qū)，祁連及門源—天祝出現(xiàn)兩個(gè)局部重力負(fù)變化異常區(qū)，門源附近形成重力變化四象限分布特征，2013年9月20日青海門源5.1級(jí)地震發(fā)生在重力變化四象限中心附近.

表1　青藏高原東北緣重力測(cè)量情況及精度統(tǒng)計(jì)Table 1　Information of gravity survey in northeastern margin of Tibetan plateau

圖2　青藏高原東北緣重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化圖像(單位：10-8m·s-2)(a) 2011-05—2012-05；(b) 2012-05—2013-05； (c) 2013-05—2014-05；(d) 2011-05—2014-05.Fig.2　Maps of gravity changes in northeastern margin of Tibetan plateau (contour unit: 10-8m·s-2)

(4) 2011年5月—2014年5月期間(圖2d)，3年尺度的累積重力變化總體表現(xiàn)為自南向北由負(fù)向正的趨勢(shì)性變化，重力差異變化達(dá)100×10-8m·s-2以上，重力變化與布格重力變化背景場(chǎng)一致(祝意青等，2012).重力變化具有以下3個(gè)特征：其一，2013年岷縣MS6.6地震發(fā)生在重力變化異常區(qū)及其伴生的重力變化高梯度帶上；其二，河西走廊地區(qū)沿祁連山斷裂帶出現(xiàn)重力變化高梯度帶，并在門源、天祝發(fā)生轉(zhuǎn)折彎曲，2016年門源MS6.4地震發(fā)生在與北西向冷龍嶺斷裂走向基本一致的重力變化高梯度帶零值線及梯度帶的拐彎部位.其三，寧夏北部重力變化相對(duì)平緩.

上述分析中提到2012年5月—2013年5月期間重力差異變化達(dá)150×10-8m·s-2，2011年5月—2014年5月期間重力差異變化達(dá)100×10-8m·s-2，后者時(shí)間長(zhǎng)于前者，但量級(jí)更小.這是由于2012年5月—2013年5月期間出現(xiàn)顯著變化的重力測(cè)點(diǎn)位于甘東南地區(qū)，主要反映2013年7月岷縣MS6.6地震前震中附近的重力變化前兆信息(祝意青等,2014)，2013年5月—2014年5月期間岷縣MS6.6震中附近重力變化仍劇烈，但重力變化與2012年5月—2013年5月(圖2b)反向，岷縣MS6.6地震發(fā)生在重力變化反向恢復(fù)過(guò)程中.由于2011年5月—2014年5月期間的重力變化包含了岷縣MS6.6震后的反向變化，因此，甘東南地區(qū)的重力變化量級(jí)小于岷縣MS6.6地震前的短期變化,但祁連山中東段的累積重力變化明顯高于2012年5月—2013年5月期間,較好地反映了門源MS6.4地震前的重力累積變化特征.這說(shuō)明研究區(qū)域重力場(chǎng)變化應(yīng)動(dòng)態(tài)跟蹤，不同時(shí)段的重力場(chǎng)變化速率是不一致的.

3.2門源MS6.4地震前的區(qū)域重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化圖像

為了研究門源MS6.4地震前區(qū)域重力場(chǎng)的短期前兆變化特征，我們繪制了地震前1年尺度和半年尺度的區(qū)域重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化圖像(圖3).分析圖3表明：

(1) 2014年5月—2015年5月期間(圖3a)，重力變化具有以下3個(gè)特征：其一，甘東南地區(qū)重力變化平緩，重力變化在-10×10-8～+30×10-8m·s-2之間，主要表現(xiàn)為2013年7月22日甘肅岷縣MS6.6地震后新的準(zhǔn)均勻態(tài)重力變化；其二，寧夏地區(qū)自南向北出現(xiàn)由正向負(fù)的趨勢(shì)性變化，表現(xiàn)為與2013年5月—2014年5月期間反向的重力變化；其三，河西走廊地區(qū)在門源—天祝一帶出現(xiàn)新的局部重力異常，門源、天祝、武威地區(qū)出現(xiàn)了重力劇烈變化及四象限分布特征，重力差異變化達(dá)100×10-8m·s-2以上；2016年1月21日門源MS6.4地震發(fā)生在重力差異變化劇烈的四象限中心附近，與斷裂走向基本一致的重力變化高梯度帶零值線上.

(2) 2015年5月—2015年9月期間(圖3b)，區(qū)域重力場(chǎng)變化比較劇烈，河西走廊地區(qū)在門源—天祝一帶重力變化表現(xiàn)為與上期(圖3a)反向的變化特征，沿北西向的冷龍嶺斷裂及北北西向的武威—天祝斷裂出現(xiàn)重力變化高梯度帶，門源MS6.4地震發(fā)生在與北西向的冷龍嶺斷裂走向基本一致的重力變化高梯度的拐彎部位.

4　重力變化與門源MS6.4地震

4.1重力場(chǎng)時(shí)變與門源MS6.4地震活動(dòng)關(guān)系

分析1年尺度的區(qū)域重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)圖像可以發(fā)現(xiàn)，2011年5月—2012年5月(圖2a)自西南向東北出現(xiàn)由負(fù)向正逐漸增加的急劇重力變化及沿祁連山主構(gòu)造斷裂出現(xiàn)重力變化高梯度，而且區(qū)域重力場(chǎng)異常變化形態(tài)與其布格重力異常的空間分布具有很大程度的相關(guān)性，這可能是區(qū)域應(yīng)力增強(qiáng)引起的大空間尺度的趨勢(shì)性變化(祝意青等，2012；Chen et al.,2016)；2012年5月—2013年5月(圖2b)祁連山中東段在門源—天祝和祁連—民樂(lè)出現(xiàn)兩個(gè)局部重力異常區(qū)， 2013年9月門源MS5.1地震發(fā)生在這兩個(gè)局部重力異常區(qū)的過(guò)渡地帶，甘東南出現(xiàn)的劇烈重力異常變化，較好地突出了岷縣MS6.6地震前的重力變化前兆信息(祝意青等,2014)；2013年5月—2014年5月(圖2c)重力變化在門源附近出現(xiàn)四象限的分布特征，它雖較好地對(duì)應(yīng)了2013年9月門源MS5.1地震，但該地區(qū)重力異常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、重力變化幅度大，重力差異變化達(dá)100×10-8m·s-2以上，根據(jù)以往的震例研究(顧功敘等，1997；申重陽(yáng)等，2009；Zhu et al.,2010)，該地區(qū)應(yīng)具有更強(qiáng)地震發(fā)生的可能；2014年5月—2015年5月(圖3a)門源、天祝、武威地區(qū)出現(xiàn)了與2013年5月—2014年5月反向的重力劇烈變化及四象限分布特征，2016年1月門源MS6.4地震發(fā)生在重力差異變化劇烈的四象限中心附近，與斷裂走向基本一致的重力變化高梯度帶零值線上.年際尺度的重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)圖像較好地反映了門源MS6.4地震前震中附近的重力變化，是一個(gè)由“區(qū)域性重力異?！植恐亓Ξ惓！南笙薹植继卣餍援惓！聪蜃兓l(fā)震”的系統(tǒng)演化過(guò)程(祝意青等，2004，2013).另外，區(qū)域重力場(chǎng)的變化對(duì)測(cè)區(qū)南部2013年發(fā)生的甘肅岷縣漳縣MS6.6地震也有較好的反映(祝意青等，2014).

圖3　門源MS6.4地震前重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化圖像(單位：10-8m·s-2)(a) 2014-05—2015-05；(b) 2015-05—2015-09.Fig.3　Maps of gravity changes before the Menyuan MS6.4 earthquake (contour unit:10-8m·s-2)

分析區(qū)域重力場(chǎng)累積動(dòng)態(tài)圖像(圖2d)可以看出，2011年5月—2014年5月期間的累積重力場(chǎng)的異常變化可分為三級(jí).一級(jí)變化為自西南向東北出現(xiàn)由負(fù)向正的趨勢(shì)性變化，主要反映門源MS6.4地震前區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)引起的大空間尺度重力場(chǎng)的有序性變化；二級(jí)變化表現(xiàn)為區(qū)域重力場(chǎng)趨勢(shì)變化中的大型突變，即研究區(qū)內(nèi)沿祁連—海源大斷裂出現(xiàn)的延伸長(zhǎng)、變幅大的重力變化梯度帶.三級(jí)異常變化為沿祁連—海源大斷裂出現(xiàn)重力變化梯度帶(二級(jí)變化)外，還在斷裂帶附近出現(xiàn)門源和天祝2個(gè)局部的、不同值的重力負(fù)異常區(qū)(三級(jí)變化)，門源震中位于門源負(fù)重力異常區(qū)及與祁連—海源斷裂帶走向基本一致的重力變化高梯度帶上、重力變化等值線拐彎的地區(qū)，較好地反映了強(qiáng)震中期危險(xiǎn)地點(diǎn)與區(qū)域重力場(chǎng)的局部異常、高梯度帶及其拐彎、交匯部位有關(guān)(Zhu et al.,2015).

4.2重力變化分析

分析地表重力變化對(duì)深部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)信息的反映，應(yīng)分析地表變形運(yùn)動(dòng)對(duì)地表重力變化的影響.一般來(lái)講，地表重力變化直接受地表垂直運(yùn)動(dòng)的影響，每抬升(或下降)1 cm， 將引起測(cè)點(diǎn)1.9×10-8～2.0×10-8m·s-2的下降(或上升)重力變化.目前高精度垂直運(yùn)動(dòng)觀測(cè)主要通過(guò)水準(zhǔn)觀測(cè)來(lái)獲取，但因其觀測(cè)周期長(zhǎng)，與重力觀測(cè)不同步，故只能利用有關(guān)水準(zhǔn)測(cè)量成果粗略估算地表垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)重力變化的影響.1970—2011年期間垂直形變速度場(chǎng)圖(圖4)表明，相對(duì)于穩(wěn)定的華南地臺(tái)，青藏高原東北緣現(xiàn)今總體上呈現(xiàn)差異性的隆升運(yùn)動(dòng)(郝明，2012；王雙緒等，2103).其中：①西秦嶺—六盤山地區(qū)是該區(qū)域上升速率較快的地帶，西秦嶺北緣、六盤山斷裂帶附近的隆升速率達(dá)5～6 mm·a-1；②祁連山東段的天祝隆起區(qū)上升速率約為3～4 mm·a-1；③2016年門源MS6.4地震震中附近隆起速率為1 mm·a-1.總的來(lái)說(shuō)，青藏高原東北緣垂直形變年速率不超過(guò)6 mm·a-1，地表垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)年際重力變化的貢獻(xiàn)低于2×10-8m·s-2，對(duì)1至3年不同時(shí)間尺度的重力變化來(lái)說(shuō)，垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)其影響在觀測(cè)精度范圍內(nèi).進(jìn)一步對(duì)比2011—2014年重力變化與垂直形變速率(圖5)，可以看出：①垂直形變上升最劇烈的地區(qū)重力負(fù)值變化最為顯著，這可用膨脹擴(kuò)容和質(zhì)量遷移模式來(lái)解釋(Li and Fu，1983; Chen et al.,1979; Kuo et al.,1999),其主要觀點(diǎn)認(rèn)為區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的增強(qiáng)變化引起了地殼介質(zhì)的裂隙增大和貫通，并引起了深部地殼或上地幔熱物質(zhì)的上涌侵入，進(jìn)而引起地表重力場(chǎng)的異常變化；②震中區(qū)域的東西兩側(cè)垂直差異運(yùn)動(dòng)較為顯著，震中區(qū)域也是重力場(chǎng)變化最為劇烈的地方，這可用斷層位錯(cuò)和蠕動(dòng)模式(Okubo，1991；Sun，2004；Fu and Sun，2008)來(lái)解釋，其主要觀點(diǎn)認(rèn)為，斷層的震前蠕動(dòng)和同震錯(cuò)動(dòng)將引起地表變形與重力場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化.

GNSS測(cè)量顯示，在青藏地塊NE向運(yùn)動(dòng)的環(huán)境動(dòng)力作用下，青藏高原東北緣GNSS水平運(yùn)動(dòng)偏向北東(江在森等，2009；王雙緒等，2013).重力變化也表現(xiàn)為：在青藏高原東北緣呈現(xiàn)自西南向北東由負(fù)向正的重力變化(圖2d).即沿GNSS水平運(yùn)動(dòng)的方向重力增加，說(shuō)明重力變化受地下致密作用(密度增加)比地表隆升作用更占優(yōu)勢(shì)地位.由2011—2014年GNSS水平運(yùn)動(dòng)獲得的面膨脹率分布(圖6)進(jìn)一步反映出青藏高原東北緣地區(qū)呈現(xiàn)擠壓收縮的特征，在民樂(lè)、門源及武威一帶面收縮率達(dá)到峰值(-25×10-9a-1)，2016年門源地震震中位于面收縮率峰值附近，2013年7月岷縣MS6.6地震發(fā)生在武都及岷縣北的兩個(gè)面收縮率峰值之間的過(guò)渡地帶.

為便于對(duì)比分析青藏高原東北緣重力和GNSS觀測(cè)反映的面應(yīng)變情況，我們把2011—2014年期間GNSS水平運(yùn)動(dòng)獲得的面膨脹率與重力變化繪制在同一張圖上，將重力變化等值線標(biāo)示在面膨脹率彩色圖上，得到較為直觀的重力變化和面膨脹率變化圖像(圖7).分析對(duì)比圖7所示的青藏高原東北緣2011—2014年期間的重力變化與面膨脹率圖像可以看出，祁連山中東部重力上升變化強(qiáng)烈的地帶面收縮率也最為顯著，門源MS6.4地震發(fā)生在重力上升變化的高梯度帶與面收縮率峰值附近，門源震中附近的重力變化高梯度走向與面收縮率走向基本一致.

綜合上述分析認(rèn)為，青藏高原東北緣近期顯著的重力變化是該地區(qū)深部殼、幔物質(zhì)運(yùn)移作用(滕吉文等，2008；陳運(yùn)泰等，2013；李德威等，2013)下引起的地表重力變化效應(yīng).已有研究表明，強(qiáng)震易發(fā)生在與構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)聯(lián)的重力變化四象限中心地帶或正、負(fù)異常區(qū)過(guò)渡的高梯度帶上(Zhu et al.,2015)，也易發(fā)生在沿活動(dòng)性斷裂的斷塊垂直差異運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈或兼有強(qiáng)走滑運(yùn)動(dòng)的地方(江在森等，2009；郝明，2012).2016年門源MS6.4地震發(fā)生在祁連山地震帶的冷龍嶺斷裂附近，2011—2014年重力變化和GNSS及較長(zhǎng)時(shí)期的水準(zhǔn)觀測(cè)成果表明，門源震中附近是重力變化高梯度帶拐彎的地區(qū)，也是面膨脹率變化過(guò)渡帶和垂直形變高梯度帶的地區(qū)；臨震前震中附近區(qū)域重力場(chǎng)出現(xiàn)四象限變化特征(圖3).門源震中地區(qū)重力異常變化的幾何形態(tài)與面膨脹率空間分布如此密切相關(guān)，進(jìn)一步證實(shí)了青藏高原東北緣存在深部殼、幔物質(zhì)運(yùn)移深層次的物質(zhì)與能量的交換和動(dòng)力作用，即深部殼、幔邊界與上地幔物質(zhì)和能量尚在進(jìn)行強(qiáng)烈交換，引起活動(dòng)斷層物質(zhì)變遷和構(gòu)造變形，在地表產(chǎn)生相應(yīng)的重力變化.

圖4　青藏高原東北緣垂直形變速率(1970—2011)(單位：mm·a-1)Fig.4　Map of vertical deformation rates in northeastern margin of Tibetan plateau for the period 1970 to 2011 (contour unit: mm·a-1)

圖5　青藏高原東北緣重力變化(等值線表示,單位10-8m·s-2)與垂直形變速率(色標(biāo)表示)對(duì)照?qǐng)DFig.5　Comparison between gravity changes and vertical deformation rates in northeastern margin of Tibetan plateau

圖6　青藏高原東北緣面膨脹率分布(2011—2014)(單位：10-9a-1)Fig.6　Distribution of surface expansion rates in northeastern margin of Tibetan plateau for the period 2011 to 2014 (unit: 10-9a-1)

圖7　青藏高原東北緣重力變化(等值線表示,單位10-8m·s-2)與面膨脹率(色標(biāo)表示)對(duì)照?qǐng)DFig.7　Comparisons between gravity changes and surface expansion rates in northeastern margin of Tibetan plateau

5　結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)分析研究2016年青海門源MS6.4地震前青藏高原東北緣區(qū)域重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化特征，獲得的主要認(rèn)識(shí)有：

(1) 青藏高原東北緣重力網(wǎng)的流動(dòng)重力觀測(cè)資料顯示2016年門源MS6.4地震前出現(xiàn)了較好的中期前兆性變化圖像，即區(qū)域重力場(chǎng)變化先呈現(xiàn)大尺度空間范圍的有序性及與祁連—海原斷裂構(gòu)造帶走向基本一致的重力變化高梯度帶(圖2d)、后呈現(xiàn)震中附近特征性異常及與地震孕育發(fā)生有關(guān)的局部重力異常區(qū)(圖3a)，2008汶川地震、2013蘆山地震之前也出現(xiàn)了這種類似現(xiàn)象(祝意青等，2008，2013).

(2) 年際尺度的重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)圖像較好地反映了門源MS6.4地震前震中附近的重力變化，是一個(gè)由“區(qū)域性重力異?！植恐亓Ξ惓！南笙薹植继卣餍援惓！聪蜃兓l(fā)震”的系統(tǒng)演化過(guò)程.另外，區(qū)域重力場(chǎng)的變化對(duì)測(cè)區(qū)南部2013年7月發(fā)生的甘肅岷縣漳縣MS6.6地震也有較好的反映.

(3) 流動(dòng)重力資料對(duì)2016年門源MS6.4震中地點(diǎn)的判定，進(jìn)一步證實(shí)區(qū)域重力場(chǎng)觀測(cè)對(duì)未來(lái)強(qiáng)震震中位置的判定具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì).強(qiáng)震易發(fā)生在重力變化四象限分布中心附近或正、負(fù)異常區(qū)過(guò)渡的高梯度帶上，并須結(jié)合地震構(gòu)造活動(dòng)情況.門源MS6.4地震發(fā)生在重力差異變化劇烈的四象限中心附近，與斷裂走向基本一致的重力變化高梯度帶零值線上.

(4) 重力場(chǎng)的空間分布及其隨時(shí)間變化與地殼垂直與水平運(yùn)動(dòng)及地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)等觀測(cè)結(jié)果有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)震易發(fā)生在沿活動(dòng)性斷裂的斷塊垂直差異運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈或兼有強(qiáng)走滑運(yùn)動(dòng)的地方.2016年門源MS6.4地震發(fā)生在祁連山地震帶的冷龍嶺斷裂附近，門源震中附近是重力變化高梯度帶拐彎的地區(qū)，也是面收縮率最為顯著和垂直形變高梯度帶的地區(qū).

致謝感謝參與青藏高原東北緣重力與GNSS測(cè)量的全體工作人員，他們精心觀測(cè)，獲得了高質(zhì)量資料.感謝兩位匿名審稿專家的寶貴意見(jiàn).

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(本文編輯何燕)

Gravity changes before the Menyuan, Qinghai MS6.4 earthquake of 2016

ZHU Yi-Qing1， LI Tie-Ming2*, HAO Ming1, LIANG Wei-Feng1, ZHAO Yun-Feng1, XU Yun-Ma1, HAO Qing-Hua1

1SecondCrustMonitoringandApplicationCenter,ChinaEarthquakeAdministration,Xi′an710054,China2InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China

Using mobile gravity measurements from 2011 to 2015 in northeastern margin of Tibetan plateau, we have systematically analyzed the regional gravity field changes and their relation to theMS6.4 Menyuan earthquake on January 21, 2016. Combined with GNSS， leveling observations and regional geology, the time-space distribution of the gravity field and its mechanism were further studied.

10.6038/cjg20161019.

國(guó)家自然科學(xué)基金(41274083，41374026)、陜西省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014K13-04)和地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201308009、201508009)資助.

祝意青，男，研究員，主要從事重力測(cè)量、重力時(shí)變及其與強(qiáng)震關(guān)系的理論及應(yīng)用研究.E-mail:zhuyq201207@126.com

李鐵明，男，副研，主要從事重力與GNSS觀測(cè)技術(shù)及應(yīng)用研究.E-mail:dzsltm@163.com

10.6038/cjg20161019

P312，P315

2016-02-01，2016-04-06收修定稿

祝意青， 李鐵明， 郝明等. 2016. 2016年青海門源MS6.4地震前重力變化. 地球物理學(xué)報(bào)，59(10):3744-3752,

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