2017年九寨溝地震前重力場(chǎng)異常特征提取

劉芳 祝意青 趙云峰 劉濤

1）中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安市西影路316號(hào) 710054

2）陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，西安 710075

0 引言

2017年8月8日四川省阿壩州九寨溝縣（33.20°N，103.82°E）發(fā)生7.0級(jí)地震，震源深度約20km，震源機(jī)制顯示，該地震為走滑型（易桂喜等，2017），同震位錯(cuò)以左旋走滑為主（季靈運(yùn)等，2017）。地震震中位于巴顏喀拉塊體東緣岷江斷裂、塔藏?cái)嗔押突⒀罃嗔迅浇ㄐ戾a偉等，2017）。九寨溝地震是繼昆侖山口西8.1級(jí)地震、汶川8.0級(jí)地震和玉樹7.1級(jí)地震后，在巴顏喀拉塊體周緣發(fā)生的又一次大地震。

九寨溝地震前，中國(guó)地震局在南北地震帶開展了多期流動(dòng)重力觀測(cè)，觀測(cè)到震中附近明顯的重力異常變化；祝意青等（2017）研究認(rèn)為，甘青川地區(qū)重力變化劇烈及具有四象限分布特征，重力差異達(dá) 100×10－8ms－2以上，甘肅迭部、瑪曲、夏河，青海河南、瑪沁、同德，四川若爾蓋、九寨溝一帶有發(fā)生6～7級(jí)地震的可能。近年來(lái)，已有的研究結(jié)果表明，地震孕育過(guò)程中的地殼變形和震源介質(zhì)性質(zhì)的變化將會(huì)引起震區(qū)周圍重力場(chǎng)的變化，而重力場(chǎng)異常是可靠的前兆物理參數(shù)之一（顧功敘等，1997；祝意青等，2010；Li et al，2011；陳石，2016）。而布格重力異常是研究巖石圈和地質(zhì)構(gòu)造的重要地球物理資料之一，布格重力異常能突出地反映地殼淺層、深層物質(zhì)分布的橫向不均勻性的重力效應(yīng)，它與地殼物質(zhì)橫向密度區(qū)域的密度異常有關(guān)。進(jìn)行重力異常識(shí)別以判斷重力場(chǎng)變化的正常態(tài)與異常態(tài)時(shí)，不僅要看到重力變化圖像所反映的非均勻程度，還要分析重力變化的演變過(guò)程與變化趨勢(shì)，以及要注意到重力場(chǎng)變化與布格重力異常背景場(chǎng)間的關(guān)系（申重陽(yáng)等，2007；祝意青等，2012）。因此，系統(tǒng)深入地分析南北地震帶布格重力異常和時(shí)變重力場(chǎng)資料，研究九寨溝地震前的重力變化，對(duì)于了解地殼深部環(huán)境的變異及研究地震的成因機(jī)理等具有科學(xué)意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

重力異常是地殼質(zhì)量分布不均所引起的重力值偏離正常重力值的異常響應(yīng)，它能夠直觀地反映地質(zhì)體的分布、地殼深部結(jié)構(gòu)以及斷裂構(gòu)造展布等信息。然而，重力場(chǎng)是疊加場(chǎng)，包含巖石圈不同層次的場(chǎng)源信息，如區(qū)域場(chǎng)與局部場(chǎng)信號(hào)疊加在一起，深部場(chǎng)與淺部場(chǎng)信號(hào)疊加在一起，因此，在利用重力數(shù)據(jù)研究深部構(gòu)造時(shí)，場(chǎng)源信息的有效分離至關(guān)重要（曾華霖，2005）。已有研究表明，快速發(fā)展的小波變換方法已成為重力異常分解的重要技術(shù)手段，該方法可以將重力場(chǎng)異常劃分成幾何意義下的不同成分，從而提取出研究對(duì)象中不同尺度的局部異常信息，達(dá)到位場(chǎng)分離的目的。Mallat（1989）首先提出了小波多尺度分析的塔式算法；侯遵澤等（1997）闡述了小波變換及多尺度分析原理，并應(yīng)用于中國(guó)大陸布格重力異常的研究；楊文采等（2001）詳細(xì)討論了離散小波變換與重力異常的多重分解時(shí)應(yīng)注意的問題。此外，還有諸多研究者利用小波變換方法在重力場(chǎng)的地質(zhì)構(gòu)造研究中取得一些結(jié)果（高德章等，2000；方盛明等，2001；姜文亮等，2010；李大虎等，2014；談洪波等，2017）。因此，在利用重力數(shù)據(jù)研究構(gòu)造特征時(shí)，需要采用合適有效的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行重力場(chǎng)異常信息的分離，以提取出與研究對(duì)象相關(guān)的信息部分，進(jìn)而對(duì)場(chǎng)源所引起的局部場(chǎng)異常進(jìn)行分析研究。

根據(jù)小波多尺度分解原理，重力異?？煞纸鉃椋钗牟傻龋?001）

其中，Ai為重力異常的i階（i為不小于2的整數(shù)）近似，即重力異常的低頻成分；Di（i=1，2，…i）為經(jīng)i次分解后得到的各階小波細(xì)節(jié)，即重力異常的高頻成分。為了將深層異常體產(chǎn)生的重力異常從總異常中有效分離，在Matlab下選用二維重力異常分解的雙正交小波基函數(shù)“bior3.5”（刁博等，2007）對(duì)布格重力異常及時(shí)變重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化異常進(jìn)行小波4階尺度分解。

2 區(qū)域布格重力異常特征研究

2.1 區(qū)域布格重力異常特征

布格重力異常是地殼內(nèi)部不同密度巖性體所表現(xiàn)的重力異常，它能直觀地反映出地下深部構(gòu)造特征及斷裂構(gòu)造的展布等信息。EGM2008是現(xiàn)今精度、空間分辨率最高的全球重力場(chǎng)模型，可提供高達(dá)2160階的重力異常場(chǎng)球諧系數(shù)（Pavlis et al，2008、2012），數(shù)據(jù)可從世界重力圖網(wǎng)站（WGM，http：//bgi.omp.obs-mip.fr）下載，該網(wǎng)站提供了自由空氣重力異常數(shù)據(jù)及布格重力異常數(shù)據(jù)。EGM2008模型空間異常在我國(guó)大陸的總體精度為10.5mGal（章傳銀等，2009），在自由空氣重力異常的基礎(chǔ)上進(jìn)行層間改正、曲率改正、地形改正可得到2.5′×2.5′區(qū)域布格重力異常（圖1）。由圖1可見，區(qū)域布格重力異常整體呈現(xiàn)為負(fù)值異常，西北區(qū)域布格重力異常低，東南區(qū)域相對(duì)較高，自西向東逐漸增加，為－560～－80mGal，其中，川西高原布格重力異常為－560～－280mGal，龍門山斷裂帶附近為－200～－120mGal，四川盆地約為－80 mGal，可見沿著龍門山斷裂帶附近形成布格重力異常高梯度帶，表明川西高原和四川盆地密度差異明顯。大震經(jīng)常發(fā)生在重力異常突變帶與活動(dòng)斷裂帶交匯處（周志鵬等，2014），此次九寨溝地震即發(fā)生在巴顏喀拉塊體向四川盆地的過(guò)渡地帶，處于塔藏?cái)嗔褞c岷江斷裂帶交匯處附近的重力異常變化突變帶內(nèi)。

圖1 研究區(qū)布格重力異常及主要斷裂分布

2.2 布格重力異常的多尺度小波分解

布格重力異常包含了從地表到深部所有密度不均勻引起的重力效應(yīng)，為了從不同尺度和深度上分析九寨溝7.0級(jí)地震的深部地殼結(jié)構(gòu)特征，本文利用小波多尺度分解方法對(duì)布格重力異常進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)4階小波逼近具有平滑的區(qū)域場(chǎng)特征，故選擇 4階小波多尺度分解進(jìn)行場(chǎng)分離。圖2為布格重力異常1～4階小波細(xì)節(jié)圖。由圖2（a）的1階小波細(xì)節(jié)可見，變化量不大，在±10×10－8m·s－2以內(nèi)，且變化無(wú)明顯規(guī)律，等值線圈閉總體范圍較小，為小尺度重力變化，主要反映了淺層地表密度不均勻體的分布情況。在九寨溝東南側(cè)的塔藏?cái)嗔褍蓚?cè)有明顯的重力正負(fù)差異異常，同時(shí)在鮮水河斷裂帶也有重力局部異常。由圖2（b）的2階小波細(xì)節(jié)可見，整個(gè)研究區(qū)域范圍內(nèi)變化量仍然在±10×10－8m·s－2左右，在馬爾康斷裂帶兩側(cè)，以小金地區(qū)為中心呈現(xiàn)出重力變化四象限；在虎牙斷裂的西南側(cè)形成重力變化高梯度帶，同時(shí)在汶川地區(qū)，近乎垂直于龍門山斷裂帶中段也形成重力變化高梯度帶。由圖2（c）的3階小波細(xì)節(jié)可見，等值線圈閉總體范圍變大，突出了深層物質(zhì)密度變化的局部性，許多弱小細(xì)節(jié)連成較大的異常，在九寨溝附近，沿著岷江斷裂帶形成重力變化高梯度帶；汶川-成都之間形成明顯的重力變化正負(fù)四象限特征；沿著鮮水河斷裂帶兩側(cè)也有明顯的密度差異變化。由圖2（d）的4階小波細(xì)節(jié)可見，以松潘地區(qū)為中心、直徑范圍200km內(nèi)形成重力負(fù)異常區(qū)，這與地震層析成像結(jié)果一致（王偉峰等，2015），王偉峰等（2015）發(fā)現(xiàn)松潘-甘孜地塊東南部中下地殼存在大面積分布的S波低速區(qū)，表明其為易變形地區(qū)，沿迭部-白龍江斷裂帶及塔藏?cái)嗔研纬闪酥亓ψ兓咛荻葞?，而九寨溝地震即發(fā)生在此高梯度帶的拐彎地帶，故四川盆地呈現(xiàn)出重力異常正值變化。

圖2 布格重力異常1～4階小波細(xì)節(jié)

3 流動(dòng)重力測(cè)量重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化特征

2010年中國(guó)地震局啟動(dòng)了地震行業(yè)科研重點(diǎn)專項(xiàng)“中國(guó)綜合地球物理場(chǎng)觀測(cè)——青藏高原東緣地區(qū)”重力場(chǎng)變化加密監(jiān)測(cè)網(wǎng)，該網(wǎng)以全國(guó)重力基本網(wǎng)為總體構(gòu)架，對(duì)南北地震帶地區(qū)已有的地震流動(dòng)重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行成場(chǎng)、成網(wǎng)優(yōu)化改造，把云南、四川、甘肅、寧夏、河西和陜西等6個(gè)區(qū)域重力網(wǎng)連接在一起，形成點(diǎn)距為60～80km的高分辨率監(jiān)測(cè)網(wǎng)（Liang et al，2013）。對(duì)于早期的資料及2014年以后的資料，有關(guān)文獻(xiàn)已作過(guò)研究（Zhu et al，2010；祝意青等，2017），本文主要分析2010～2013年間高精度的重力觀測(cè)資料，觀測(cè)資料利用絕對(duì)重力控制解算的重力平差計(jì)算結(jié)果較好，點(diǎn)值平均精度小于10×10－8m·s－2，反映重力觀測(cè)資料質(zhì)量可靠。圖3是2010～2013年3年尺度累積重力變化圖。

圖3 2010～2013年3年尺度累積重力變化

3.1 區(qū)域重力場(chǎng)變化特征

從2010～2013年3年尺度的累積重力變化來(lái)看，總體變化趨勢(shì)為自西向東、由負(fù)向正的趨勢(shì)性變化，其與布格重力空間分布大體相似，都是自西向東、由負(fù)向正的趨勢(shì)性變化，反映出重力變化受此區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用和深大斷裂活動(dòng)的控制，沿同仁-碌曲-瑪曲-若爾蓋-馬爾康一線出現(xiàn)一個(gè)大尺度的重力變化高梯度帶。同時(shí)，以松潘為中心，重力變化出現(xiàn)四象限變化特征，重力差異變化大于100μGal，九寨溝地震即發(fā)生在重力變化四象限中心附近沿碌曲-九寨溝-武都的重力變化高梯度帶的轉(zhuǎn)彎部位，這較好地反映了強(qiáng)震危險(xiǎn)地點(diǎn)與區(qū)域重力場(chǎng)的四象限分布、高梯度帶及其拐彎、交匯部位等有關(guān)（li et al，2011；祝意青等，2015；Chen et al，2016）。

3.2 區(qū)域重力場(chǎng)變化的多尺度小波分解

對(duì)3年尺度的累積重力變化作了1～4階小波多尺度分解。圖4（a）為布格重力異常4階小波逼近圖，圖4（b）為累積重力變化4階小波逼近圖。4階小波逼近主要反映的是下地殼至上地幔物質(zhì)引起的重力效應(yīng)。由圖4可見，異常分區(qū)特征十分明顯，在此區(qū)域自西向東異常逐漸增大，四川盆地均為重力異常高值區(qū)，松潘-甘孜地塊均為重力異常低值區(qū)，高低分界線走向也大致一致，區(qū)域重力場(chǎng)異常變化的幾何形態(tài)與布格重力異常空間分布間的如此密切相關(guān)，進(jìn)一步證實(shí)了川西高原及其附近存在深部殼、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（滕吉文等，2008），說(shuō)明巴顏喀拉塊體向東運(yùn)動(dòng)受到堅(jiān)硬的四川盆地阻擋，而九寨溝地震則發(fā)生在過(guò)渡帶內(nèi)，這可能與該地區(qū)地殼內(nèi)部物質(zhì)遷移相關(guān)。

圖4 4階小波逼近圖

4 結(jié)論與討論

本文基于小波多尺度分解的方法，對(duì)重力靜態(tài)場(chǎng)（布格重力異常）和動(dòng)態(tài)場(chǎng)（流動(dòng)重力）變化分別進(jìn)行了分離，進(jìn)而對(duì)2017年8月8日九寨溝7.0級(jí)地震前區(qū)域深部地殼介質(zhì)密度變化進(jìn)行了分析，得到以下認(rèn)識(shí)。

（1）九寨溝地震處于巴顏喀拉塊體向四川盆地的過(guò)渡帶內(nèi)，可能與該地區(qū)地殼內(nèi)部物質(zhì)遷移相關(guān)。

（2）應(yīng)用小波多尺度方法對(duì)布格重力異常及累計(jì)重力變化進(jìn)行異常分離，從1～4階小波細(xì)節(jié)可以看出，隨著小波細(xì)節(jié)階數(shù)的增加，分布規(guī)律逐漸增強(qiáng)，4階小波逼近反映了該區(qū)域的區(qū)域異常。因此認(rèn)為，小波多尺度分析方法可用于重力場(chǎng)的研究。

（3）重力場(chǎng)靜態(tài)異常、動(dòng)態(tài)異常變化可為研究深地殼結(jié)構(gòu)性質(zhì)提供重要的物理場(chǎng)信息，研究發(fā)現(xiàn)，九寨溝地震發(fā)生在區(qū)域重力場(chǎng)的四象限分布中心位置，已有震例表明，地震發(fā)生在出現(xiàn)顯著四象限分布特征的重力異常變化中（祝意青等，2014）。而重力構(gòu)造學(xué)認(rèn)為，地球重力是地球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力，重力場(chǎng)蘊(yùn)含著構(gòu)造力信息，分析其變化特征可為研究區(qū)域地殼動(dòng)力學(xué)與地震環(huán)境提供一定的依據(jù)，對(duì)于深入了解潛在的地震危險(xiǎn)性具有一定的科學(xué)意義。

致謝：感謝參與重力測(cè)量的全體工作人員，感謝匿名評(píng)審專家對(duì)本文給出了有益的建設(shè)性意見。