GRACE揭示的現(xiàn)階段青藏高原及鄰域重力變化趨勢(shì)

姜永濤 王麗美 高春春 楊九元

摘要：利用2003和2013年的GRACE月重力場(chǎng)模型，求算2003～2013年青藏高原及鄰域的現(xiàn)今重力變化圖像，利用該趨勢(shì)圖像中若干特征點(diǎn)上的月重力變化數(shù)據(jù)，由最小二乘擬合其長(zhǎng)期重力變化，驗(yàn)證重力變化圖像的可靠性，最后簡(jiǎn)要探討青藏高原重力變化的原因。結(jié)果顯示，現(xiàn)今青藏高原及鄰域未呈現(xiàn)整體尺度的重力變化趨勢(shì)；近年來(lái)青藏高原強(qiáng)震主要發(fā)生在重力變化呈現(xiàn)明顯四象限分布特征的大型斷裂帶上；相對(duì)于地殼均衡效應(yīng)不明顯的青藏高原東緣地區(qū)，高原腹地的地殼均衡效應(yīng)更加顯著。

關(guān)鍵詞：青藏高原及鄰域；GRACE；重力場(chǎng)；地殼均衡效應(yīng)

中圖分類號(hào)：P315.726 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2016）04-0574-05

0 引言

青藏高原的形成源于印度板塊和歐亞板塊的碰撞（Harrison et al，1992；許志琴等，1999），由于強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)今歐亞大陸90%以上的強(qiáng)震都發(fā)生在青藏高原及其邊緣地區(qū)。地球重力場(chǎng)及其變化圖像一直是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究的基本信息源。祝意青等（2003）利用地殼重力網(wǎng)1998～2000年間的兩期絕對(duì)重力和相對(duì)重力觀測(cè)資料，初步分析了2001年11月14日昆侖口西8.1級(jí)強(qiáng)震與震前青藏高原重力變化特征的關(guān)系；申重陽(yáng)等（2010）研究了2008年于田MS7.3地震前重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化特征，發(fā)現(xiàn)此次地震孕育過(guò)程中的相關(guān)重力變化呈“增大—加速增大—減速增大”特征。不僅大震同震過(guò)程會(huì)引起地表大的重力變化，在大震孕育過(guò)程中，斷層附近地殼應(yīng)力和質(zhì)量的變化也會(huì)產(chǎn)生重力場(chǎng)變化信號(hào)（Li等，1997）。因此，通過(guò)定點(diǎn)重力連續(xù)觀測(cè)或定期流動(dòng)重力網(wǎng)重復(fù)觀測(cè)，有可能會(huì)捕捉到與震源變化有關(guān)的重力前兆信息。祝意青等（2008a，b）研究認(rèn)為，地面重力觀測(cè)資料可對(duì)汶川MS8.0地震發(fā)震三要素（地點(diǎn)、時(shí)間和震級(jí)）進(jìn)行較好的中期預(yù)測(cè)，該中期預(yù)測(cè)方法同樣適用于新疆于田MS7.3大震。

青藏高原及鄰域的絕對(duì)重力觀測(cè)點(diǎn)較少，拉薩、大理和昆明絕對(duì)重力觀測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)今重力變化呈下降趨勢(shì)。Sun等（2009）利用這些測(cè)點(diǎn)上的絕對(duì)重力和GPS資料，研究認(rèn)為這些點(diǎn)的負(fù)重力變化部分是由于Moho面起伏變化造成的，但在Sun的研究中僅利用青藏高原中南部和東南部邊緣地帶的三個(gè)絕對(duì)重力點(diǎn)觀測(cè)資料，很難真實(shí)地反映出高原整體的重力變化趨勢(shì)。因此，本文利用重力觀測(cè)衛(wèi)星GRACE從2003年和2013年的月重力場(chǎng)模型，求算2003～2013年青藏高原的現(xiàn)今重力變化趨勢(shì)，并通過(guò)該趨勢(shì)圖上若干特征點(diǎn)的月重力變化，通過(guò)最小二乘擬合得到其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，驗(yàn)證了重力變化圖像的可靠性，最后本文探討了青藏高原重力變化的可能成因。

由圖1可以看出，2003～2013年，青藏高原并非呈現(xiàn)整體特征的重力變化趨勢(shì)。GRACE重力結(jié)果顯示，現(xiàn)今高原內(nèi)陸呈正重力變化趨勢(shì)，最大可達(dá)1.2 μGal/a；青藏高原南部，如東構(gòu)造結(jié)、喜馬拉雅造山帶和印度東北部區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)重力變化，并在（78°E，30°N）和（94°E，30°N）形成了兩個(gè)負(fù)重力變化高值區(qū)，變化率最大可達(dá)-1.5 μGal/a；青藏高原西北部的帕米爾高原區(qū)域呈正重力變化，量值約0.3 μGal/a；甘孜—玉樹斷裂帶和鮮水河斷裂帶東北部的阿壩次級(jí)塊體和四川盆地為青藏高原東緣的兩個(gè)正重力變化高值區(qū)，而龍門山次級(jí)塊體為相對(duì)較低的正重力變化區(qū)域；川滇塊體南部區(qū)域呈現(xiàn)弱的負(fù)重力變化。

圖1顯示，2003～2013年，拉薩、大理和昆明地區(qū)的GRACE衛(wèi)星重力變化率分別為-0.6、-0.2和-0.4 μGal/a，與地面絕對(duì)重力變化結(jié)果（Sun et al，2009）較為一致，量值上的差別，可能是GRACE衛(wèi)星恢復(fù)重力場(chǎng)階數(shù)有限（本文重力場(chǎng)模型為90階）的緣故。

結(jié)合青藏高原大型走滑斷裂分布可以發(fā)現(xiàn)，高原腹地重力變化梯度帶與大型斷裂帶走向呈現(xiàn)近似正交的特征，且近年發(fā)生的幾次走滑型強(qiáng)震，如昆侖山口西MS8.1地震、玉樹MW7.1地震、新疆于田MS7.3地震均位于重力變化梯度帶的零值區(qū)附近；同樣，青藏高原東緣的走滑型強(qiáng)震，如魯?shù)镸6.5地震和普洱M6.6地震也發(fā)生在正負(fù)重力梯度帶的零值區(qū)附近。青藏高原東緣的逆沖型地震，如汶川MW7.9地震和蘆山MS7.0地震發(fā)生在兩個(gè)重力變化高值區(qū)的鞍部地區(qū)，也處于重力變化梯度帶上。通過(guò)2000年以來(lái)的大震震中和重力變化圖像的位置關(guān)系可以看出，強(qiáng)震往往發(fā)生在大型斷裂帶上，且重力變化呈現(xiàn)出明顯四象限分布特征的區(qū)域，這可能說(shuō)明現(xiàn)今重力場(chǎng)變化模式對(duì)斷層面上積累的應(yīng)力有一定的觸發(fā)作用，可視為強(qiáng)震的重力中短期前兆。

為進(jìn)一步驗(yàn)證區(qū)域重力變化圖像的可靠性，本文利用GRACE衛(wèi)星2003～2013年的所有月重力場(chǎng)模型，計(jì)算了圖1中8個(gè)特征點(diǎn)位置上的長(zhǎng)期重力變化曲線，并對(duì)其進(jìn)行了最小二乘擬合，結(jié)果如圖2和表1所示。

3 青藏高原及鄰域現(xiàn)今Moho起伏特征

衛(wèi)星重力結(jié)果是一種空間重力異常，對(duì)地表高程變化不敏感，忽略青藏高原地區(qū)冰后回彈效應(yīng)、剝蝕效應(yīng)和季節(jié)性重力效應(yīng)（Sun et al，2009），現(xiàn)今青藏高原衛(wèi)星重力變化主要反映了高原地殼物質(zhì)垂向遷移變化，即Moho面起伏的變化。

根據(jù)地殼均衡原理，Moho面下降區(qū)域的地表應(yīng)呈現(xiàn)隆升特征，Moho面上升的區(qū)域地表則呈現(xiàn)下降特征，Liang等（2013）的GPS觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了在青藏高原中部（87°E，34°N）附近區(qū)域的地表呈現(xiàn)下降特征，高原其余區(qū)域呈現(xiàn)地殼抬升態(tài)勢(shì)。青藏東緣的Moho面年變化率為抬升，而水準(zhǔn)觀測(cè)資料（Hao et al，2014）顯示該區(qū)域?yàn)檎w隆升（伴隨個(gè)別拉張盆地的下降），這看似矛盾的特征表明青藏高原腹地的地殼均衡效應(yīng)明顯，而高原東緣地區(qū)的地殼均衡效應(yīng)不明顯。

由以上討論可知，在印度板塊和歐亞板塊的碰撞作用下，高原腹地處于高溫高壓條件下的深部地殼在其上覆巖石的重力載荷下已作韌性流動(dòng)（Ji，2008），因此地殼均衡效應(yīng)顯著，在受到深部地殼物質(zhì)差應(yīng)力和高原北部塔里木克拉通的阻擋作用，高原物質(zhì)離開青藏高原腹地轉(zhuǎn)向壓力低的東側(cè)逃逸。東側(cè)逃逸的高原物質(zhì)受青藏高原東緣巖石圈構(gòu)造環(huán)境控制，呈現(xiàn)出地殼不均衡狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文獲取了2003～2013年青藏高原及鄰域的長(zhǎng)期衛(wèi)星重力變化圖像，討論了青藏高原及鄰域的地殼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得出了以下結(jié)論：（1）現(xiàn)今青藏高原及鄰域并非呈現(xiàn)整體特征的重力變化趨勢(shì)；（2）2000年以來(lái)，青藏高原區(qū)域的強(qiáng)震主要發(fā)生在大型斷裂帶上，且衛(wèi)星長(zhǎng)期重力變化呈明顯四象限分布的區(qū)域，這可能說(shuō)明青藏高原的現(xiàn)今重力場(chǎng)變化模式對(duì)斷層面上積累的應(yīng)力有觸發(fā)作用；（3）根據(jù)高原增厚一維模型獲取的青藏高原及鄰域moho面年變化率差異性較大，結(jié)合近年GPS和水準(zhǔn)資料研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，青藏高原腹地地殼均衡效應(yīng)顯著，而青藏高原東緣地區(qū)的地殼均衡效應(yīng)不明顯。

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