2017年精河MS 6.6地震前重力變化特征分析

艾力夏提·玉山 李瑞 劉代芹 王曉強(qiáng) 朱治國(guó)李杰 劉立人 蘇力坦·玉散 陳麗

新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市新市區(qū)科學(xué)二街338號(hào) 830011

0 引言

北京時(shí)間2017年8月9日7時(shí)27分，新疆維吾爾自治區(qū)博爾塔拉蒙古自治州精河縣發(fā)生MS6.6地震，震中 44.27°N、82.89°E，震源深度 11km。震中位于精河縣托里鎮(zhèn)，距精河縣城37km。初步分析認(rèn)為，此次地震發(fā)震構(gòu)造為庫松木契克山前斷裂，該斷裂是全新世活動(dòng)的右旋逆斷裂，西起賽里木湖西部阿克巴依塔勒，經(jīng)南岸松樹頭，順庫松木契克河南岸科古琴山北麓延伸至阿沙河左（西）岸，斷層長(zhǎng)度大于120km，總體走向280°，傾 SW或 NE，傾角50°～80°。該斷裂的最新活動(dòng)性在構(gòu)造微地貌上有強(qiáng)烈響應(yīng)，在賽里木湖東南隅，斷裂切割了早更新世至晚更新世巨大的山前沖洪積扇。而在庫松木契克河中下游，斷裂亦切割過同期的山前沖洪積扇群，1958、1962年在此發(fā)生2次6.5級(jí)地震（王秋亮等，2015）。由于地球內(nèi)部密度不均勻，地殼內(nèi)物質(zhì)受到的重力作用也不同，這必然引起地殼內(nèi)部能量積累的不平衡，同時(shí)，在應(yīng)力作用下的地殼內(nèi)物質(zhì)運(yùn)移受到阻擋后，形成擠壓、推覆、逆沖與走滑構(gòu)造，這為地震的孕育發(fā)生創(chuàng)造了條件（馬杏垣，1989；陳石等，2011）。區(qū)域重力場(chǎng)的非潮汐變化信息、地殼內(nèi)部的物質(zhì)遷移、地殼構(gòu)造和地震的形成過程等都可以在流動(dòng)重力復(fù)測(cè)結(jié)果中反映出來，地表重力場(chǎng)的變化則能較好地反映地殼厚度的差異、地殼密度的變化和深部物質(zhì)遷移等構(gòu)造活動(dòng)信息（賈民育等，2000；祝意青等，2001），因此，流動(dòng)重力測(cè)量是了解地震孕育與發(fā)生機(jī)理的有效手段之一。系統(tǒng)分析研究地震前后重力場(chǎng)時(shí)空變化特征，對(duì)認(rèn)識(shí)地震的孕育發(fā)生規(guī)律、捕捉地震前兆、開展中強(qiáng)地震預(yù)測(cè)的應(yīng)用研究等具有現(xiàn)實(shí)意義（祝意青等，2013）。本文利用2015～2017年的流動(dòng)重力觀測(cè)資料，分析測(cè)區(qū)重力場(chǎng)分布變化及其與2017年8月9日精河MS6.6地震間的關(guān)系。

1 重力觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理

20世紀(jì)90年代，新疆地震局在北天山地區(qū)以烏魯木齊、獨(dú)山子、呼圖壁、寧家河等為中心布設(shè)了幾條沿天山一帶的重力測(cè)線（劉代芹等，2012），2013年對(duì)北疆重力測(cè)線進(jìn)行全新改造，形成了由45個(gè)點(diǎn)組成的北疆重力網(wǎng)，至2015年北疆重力網(wǎng)通過2次優(yōu)化改造，觀測(cè)點(diǎn)數(shù)達(dá)到了97個(gè)，覆蓋范圍擴(kuò)展至天山中段、伊犁盆地等地區(qū)。從2015年重力網(wǎng)優(yōu)化改造以后，每年5月、9月對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行定期常規(guī)復(fù)測(cè)，觀測(cè)儀器均使用中國(guó)地震局地震研究所提供的2臺(tái)CG5型高精度重力儀。2017年8月9日精河地震發(fā)生前新疆地震局已完成對(duì)該地區(qū)的2017年度第1期流動(dòng)重力常規(guī)監(jiān)測(cè)（圖1），積累該地區(qū)共4期流動(dòng)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 北疆重力測(cè)網(wǎng)及近期地震分布

表1 北疆重力網(wǎng)測(cè)量資料情況

本文利用2015～2017年精河地震前觀測(cè)的共4期流動(dòng)重力觀測(cè)資料，研究該區(qū)域近2年以來的重力場(chǎng)變化以及精河地震發(fā)生前的重力變化特征（表1）。研究范圍包括精河地震震中附近的伊犁盆地地區(qū)以及北天山中西段等地區(qū)。所有測(cè)段觀測(cè)值均符合規(guī)范要求，即往返測(cè)自差小于25μGal，互差小于 30μGal。平差計(jì)算采用 LGADJ軟件。在平差計(jì)算時(shí)，選取測(cè)區(qū)中的庫車、庫爾勒、烏魯木齊等3個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)重力值進(jìn)行經(jīng)典平差計(jì)算。最終平差計(jì)算結(jié)果顯示，各期平差結(jié)果的點(diǎn)值精度為6～14μGal，解算精度均滿足重力場(chǎng)變化特征研究的需求。得到平差結(jié)果以后，對(duì)個(gè)別被破壞轉(zhuǎn)移的點(diǎn)以及周圍環(huán)境有較大變化的點(diǎn)進(jìn)行刪除（艾力夏提·玉山等，2017）。最后，分別計(jì)算研究區(qū)半年、1年尺度重力變化量，利用克里格插值法對(duì)重力變化量進(jìn)行內(nèi)插計(jì)算得到整個(gè)研究區(qū)重力變化等值線圖，并結(jié)合此次精河地震和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，分析研究區(qū)重力場(chǎng)變化特征及地震孕育與重力變化之間的關(guān)系。

2 重力場(chǎng)變化特征

利用2015年9月～2017年6月共4期的流動(dòng)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)，繪制了北天山測(cè)網(wǎng)近2年重力場(chǎng)變化以精河地震發(fā)生前測(cè)區(qū)內(nèi)重力變化圖像（圖2）。

2.1 半年尺度重力場(chǎng)變化

由2015年9月～2016年5月2期的重力變化（圖2（a））可見，南北天山地區(qū)出現(xiàn)明顯的分區(qū)特征，北天山西段地區(qū)出現(xiàn)重力負(fù)值變化，而北天山中段、南天山地區(qū)出現(xiàn)重力正值變化。位于北天山山前地帶的呼圖壁、獨(dú)山子、精河、伊寧等地區(qū)重力變化－40μGal左右，南天山地區(qū)的重力正值變化主要出現(xiàn)在和靜、庫爾勒、庫車以北地區(qū)，變化量＋20μGal左右，其中，呼圖壁以南、巴倫臺(tái)以北地區(qū)重力變化量達(dá)到＋40μGal。重力變化零值線從烏魯木齊開始沿著北天山往西延伸至獨(dú)山子以南地區(qū)后發(fā)生轉(zhuǎn)折，再沿鞏乃斯、庫車往西南方向分布。天山中段的烏魯木齊、呼圖壁地區(qū)出現(xiàn)走向與斷裂帶走向一致的重力變化高梯度帶，正負(fù)累積變化量達(dá)80μGal。整個(gè)測(cè)區(qū)最大重力變化出現(xiàn)在精河地區(qū)，呈現(xiàn)重力負(fù)值變化，變化量達(dá)60μGal。

2016年5月～9月的重力變化圖（圖2（b））顯示，與前期重力變化情況相比，北天山中段地區(qū)的重力變化有所增強(qiáng)，范圍也擴(kuò)大。此外，呼圖壁、鞏乃斯、新源等地區(qū)的重力變化轉(zhuǎn)為正值變化。從重力整體變化趨勢(shì)來看，重力正值變化往北、往西擴(kuò)展，精河、獨(dú)山子以及伊犁盆地的重力負(fù)變化逐步減弱或轉(zhuǎn)為正值變化。整個(gè)測(cè)區(qū)重力變化為－40～＋50μGal，最大正值變化出現(xiàn)在巴倫臺(tái)周圍地區(qū)，最大負(fù)值變化出現(xiàn)在精河以北地區(qū)。2016年12月9日在呼圖壁境內(nèi)發(fā)生的6.2級(jí)地震就發(fā)生在巴倫臺(tái)重力高值異常以北的零值線附近。精河地震孕育地區(qū)的重力變化從前期的－30μGal減弱為－10μGal，并在精河地震震中以南的新源地區(qū)出現(xiàn)重力正值變化。對(duì)比圖2（a）、2（b）可以發(fā)現(xiàn)，2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震發(fā)生前半年，在呼圖壁以南地區(qū)開始出現(xiàn)重力正負(fù)高梯度帶，至呼圖壁地震前3個(gè)月，呼圖壁以南的高梯度帶繼續(xù)擴(kuò)大，并正整體往西擴(kuò)展。

2017年6月的觀測(cè)資料（圖2（c））顯示，沿北天山地區(qū)的烏魯木齊、獨(dú)山子、精河、伊寧等地區(qū)出現(xiàn)重力負(fù)值變化，而南天山大部分地區(qū)出現(xiàn)重力正值變化，從變化量級(jí)上看，重力負(fù)值變化量級(jí)大于重力正值。重力最大變化出現(xiàn)在精河地區(qū)，變化量達(dá)－50μGal，新源、鞏乃斯以及庫車以東地區(qū)出現(xiàn)重力正值變化最大值，變化量30μGal左右。測(cè)區(qū)本期重力分布與上一期（2016年5～9月）的重力分布相比，受到呼圖壁地震的影響，呼圖壁及周邊地區(qū)的重力正值變化轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值變化，同時(shí)，在呼圖壁地震震中以南的巴倫臺(tái)地區(qū)出現(xiàn)的重力變化從50μGal減弱到20μGal。此外，精河及周圍的重力變化再次增強(qiáng)，達(dá)到了－50μGal，庫車以北地區(qū)也出現(xiàn)小范圍的重力高梯度帶，重力變化量為－40μGal左右。2017年9月16日庫車縣發(fā)生5.7級(jí)地震，震中位于重力正負(fù)變化中間的零值線附近。值得注意的是，2017年8月9日精河MS6.6地震發(fā)生前，震中附近地區(qū)出現(xiàn)重力正負(fù)值變化高值區(qū)，正負(fù)累積變化量達(dá)70μGal；2017年9月16日庫車MS5.7地震發(fā)生前，震中附近地區(qū)也同樣出現(xiàn)了正負(fù)高值區(qū)，2次地震都發(fā)生在重力變化負(fù)高值區(qū)內(nèi)。

圖2 北天山測(cè)區(qū)相鄰兩期重力場(chǎng)變化圖像

2.2 重力場(chǎng)1年尺度變化特征

考慮到季節(jié)性變化對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，選擇精河地震前同季節(jié)觀測(cè)（春季和秋季）的重力數(shù)據(jù)，分別繪制了1年尺度的重力變化圖（圖3）。由2015年9月～2016年9月1年尺度的重力變化圖（圖3（a））可見，整個(gè)測(cè)區(qū)重力變化有明顯分區(qū)特征，即天山中段烏魯木齊以西、巴倫臺(tái)、庫爾勒、庫車等地區(qū)出現(xiàn)重力正值變化，北天山北側(cè)、伊犁盆地等地區(qū)出現(xiàn)重力負(fù)值變化。最大重力變化出現(xiàn)在和靜縣巴倫臺(tái)鎮(zhèn)周圍地區(qū)，變化量達(dá)60μGal。巴倫臺(tái)高值異常區(qū)以北地區(qū)重力等值線比其它區(qū)域相對(duì)密集，正負(fù)累積變化量達(dá)100μGal，并分布有高梯度帶和零值線。2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震就發(fā)生在該異常區(qū)內(nèi)，震中落在重力正負(fù)高梯度帶附近的重力變化零值線上，在呼圖壁以南地區(qū)出現(xiàn)的重力高梯度帶很可能是呼圖壁地震前的前兆異常。在該時(shí)間段，精河地區(qū)重力變化以負(fù)值變化為主，雖然出現(xiàn)50μGal的重力負(fù)值變化，但沒有出現(xiàn)正負(fù)高梯度帶和零值線特征。

圖3 北天山測(cè)區(qū)重力場(chǎng)1年尺度變化圖像

由2017年6月獲取的1年尺度重力場(chǎng)變化圖像（圖3（b））可見，測(cè)區(qū)重力變化比較劇烈，變化范圍為－60～＋60μGal，分別在庫車以北、新源-鞏乃斯、石河子以南等地區(qū)出現(xiàn)重力變化高值，其中，新源、鞏乃斯地區(qū)為重力正值高梯度帶，庫車以北和石河子以南地區(qū)為重力負(fù)值高梯度帶。北天山地區(qū)的重力變化等值線基本保持EW向分布，與北天山大型斷裂帶的走向一致。與前期1年尺度重力變化圖（圖3（a））相比，巴倫臺(tái)地區(qū)的重力高值集中區(qū)有所減小，并在新源地區(qū)出現(xiàn)30μGal的重力正值變化區(qū)，精河地區(qū)的重力變化量為－50μGal左右。由圖3（b）可見，精河地震震中以南約60km處出現(xiàn)重力正負(fù)變化高梯度帶和零值線，重力高梯度帶累積正負(fù)變化量達(dá)80μGal，很有可能是精河地震的前兆異常。此外，2017年9月16日庫車縣發(fā)生的MS5.7地震也正好在重力正負(fù)變化高梯度帶附近的零值線附近。由圖3（b）還可見，精河地震、庫車地震前，在震源區(qū)及其附近出現(xiàn)明顯的重力異常。

3 重力場(chǎng)多尺度小波分解

地表重力場(chǎng)是不同深度、不同密度、不同規(guī)模、不同形狀的地下物體產(chǎn)生的疊加，因此，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，正確合理地進(jìn)行重力場(chǎng)的分離是研究區(qū)域重力變化的關(guān)鍵步驟。而小波分析方法已廣泛應(yīng)用于地球物理信號(hào)處理領(lǐng)域（刁博等，2007）。對(duì)于重力異常的處理，前人已做過很多有意義的探索，楊文采等（2001）將小波分析首先應(yīng)用于重力異常的分離和處理，為重力異常的分離提出了新的途徑。本文選擇最近一期重力觀測(cè)結(jié)果（2016年9月～2017年6月）進(jìn)行5階小波分解，因1階和2階細(xì)節(jié)圖主要以噪聲為主，故本文主要針對(duì)3～5階細(xì)節(jié)圖進(jìn)行分析。

圖4為北天山測(cè)區(qū)重力場(chǎng)小波分解細(xì)節(jié)圖，反映了分解后重力場(chǎng)分布信息，比較3～5階細(xì)節(jié)圖可發(fā)現(xiàn)，隨著階次的增大，重力場(chǎng)具有異常等值線圈閉加大、弱小異常消失、分布規(guī)律逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。重力變化小波細(xì)節(jié)圖主要反映了不同深度處局部地質(zhì)體密度橫向差異引起的重力異?，F(xiàn)象。本文利用功率譜方法計(jì)算了各階次細(xì)節(jié)圖所反映的重力變化深度，但該深度僅為統(tǒng)計(jì)意義上的估計(jì)，只能用來作為參考深度（姜文亮等，2011）。3階細(xì)節(jié)圖對(duì)應(yīng)深度5～7km，許多弱小細(xì)節(jié)連成較大的重力變化閉合線，重力變化量小于10μGal，分布較均勻，主要反映的是近地表沉積層的密度變化，因此，我們認(rèn)為重力變化除了與地殼淺層巖石密度不均勻有關(guān)外，還可能與重力觀測(cè)中的誤差有關(guān)。4階細(xì)節(jié)圖對(duì)應(yīng)深度約10km，重力異常主要分布在精河至庫車一帶，從北向南呈現(xiàn)負(fù)—正—負(fù)的重力變化特征。其中，精河地區(qū)出現(xiàn)－20μGal的重力變化，精河地區(qū)與庫車地區(qū)中間的新源地區(qū)出現(xiàn)＋30μGal的重力變化，而庫車地區(qū)出現(xiàn)－20μGal的重力變化。該地區(qū)的重力變化等值線走向與該地區(qū)的斷裂帶走向基本一致。原始重力變化圖中，在鞏乃斯同巴倫臺(tái)中間地區(qū)以及呼圖壁地區(qū)出現(xiàn)±40μGal的重力正值變化異常區(qū)，而通過小波分解后，這些地區(qū)的重力變化在4階細(xì)節(jié)圖上消失。5階細(xì)節(jié)圖對(duì)應(yīng)的場(chǎng)源深度約為15km，由圖4（d）可見，測(cè)區(qū)中重力場(chǎng)分布范圍較大，最大變化出現(xiàn)在庫車以北地區(qū)，變化量達(dá)－30μGal。其次，為布倫口以西和呼圖壁以北地區(qū)，變化量達(dá)20μGal。從重力場(chǎng)分布特征來看，5階細(xì)節(jié)圖上，在精河附近地區(qū)沒有出現(xiàn)明顯的重力異常，而在庫車以北地區(qū)出現(xiàn)了明顯的重力負(fù)值異常，說明不同場(chǎng)源深度重力異常對(duì)地震孕育發(fā)生有不同的反映能力。

4 討論與結(jié)論

從2015年9月開始的鄰近2期（半年尺度）重力變化情況來看，精河地區(qū)一直處于重力負(fù)值變化區(qū)域，并在天山中段出現(xiàn)重力正值變化逐步向孕震區(qū)遷移的趨勢(shì)。地震發(fā)生前2個(gè)月，精河以南距震中約60km處出現(xiàn)重力變化高梯度帶，說明該地區(qū)的地下物質(zhì)密度發(fā)生了明顯的變化。在精河以南地區(qū)出現(xiàn)重力變化高梯度帶以外，庫車以北地區(qū)也出現(xiàn)重力變化集中區(qū)，該地區(qū)出現(xiàn)的重力異常類似于精河地區(qū)的重力異常，但其范圍比精河地區(qū)的異常更集中一些，變化量級(jí)基本相等。通過3個(gè)震例（呼圖壁地震、精河地震、庫車地震）可以看到，地震發(fā)生前，在震源區(qū)及其附近地區(qū)都出現(xiàn)不同程度的重力正負(fù)高梯度帶異常。通過小波分解后，有效分離了不同深度的重力變化，3階小波分解后的細(xì)節(jié)圖反映了近地表和上地殼的重力變化，其重力變化沒有規(guī)律性，變化量較小，很有可能是由地表沉積層、地表、地下水以及觀測(cè)誤差等綜合效應(yīng)所致。而4階小波分解圖中重力變化等值線與構(gòu)造分布較一致，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)重力變化較大，能較好反映由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的重力變化，尤其是精河以南地區(qū)出現(xiàn)的重力異常反映了精河地震震源區(qū)及附近地區(qū)的物質(zhì)密度變化。4階細(xì)節(jié)圖中精河至新源地區(qū)出現(xiàn)重力正負(fù)變化高梯度帶，精河地震即發(fā)生在負(fù)值高梯度帶內(nèi)。在5階細(xì)節(jié)圖中，精河地區(qū)的重力異常消失，在庫車以北地區(qū)出現(xiàn)了重力高梯度帶，庫車地震也發(fā)生在該梯度帶內(nèi)。通過分析2015～2017年重力變化特征發(fā)現(xiàn)，北天山地區(qū)的重力變化比較劇烈，大部分情況下，在北天山地區(qū)的重力變化等值線呈EW向分布，這種變化特征與該地區(qū)的構(gòu)造分布比較一致。場(chǎng)源深度10km的小波分解4階細(xì)節(jié)圖中，在精河地區(qū)出現(xiàn)重力異常，而場(chǎng)源深度15km的小波分解5階細(xì)節(jié)圖中，庫車地區(qū)出現(xiàn)明顯的重力負(fù)值異常，能較好反映地震孕育過程。從精河地震發(fā)生前2年開始，震中地區(qū)出現(xiàn)重力負(fù)值變化，而震中周圍的重力正值變化高梯度帶逐步向震中地區(qū)遷移，地震發(fā)生前震中以南約60km處出現(xiàn)重力變化零值線，且零值線兩側(cè)出現(xiàn)重力正負(fù)集中值。小波分解結(jié)果顯示，震中周圍地區(qū)出現(xiàn)的

圖4 北天山測(cè)區(qū)重力場(chǎng)小波分解細(xì)節(jié)圖

重力異常場(chǎng)源深度為17～20km，重力異常呈現(xiàn)負(fù)—正—負(fù)高值集中區(qū)的SN向分布，該異常正好處于精河MS6.6地震震中與庫車MS5.7地震震中的中間區(qū)域，很可能是與精河、庫車地震的孕育發(fā)生有關(guān)的重力異常。因此，通過小波分解可以有效分離不同深度的重力異常，有助于消除部分噪聲信息，提取與地震孕育有關(guān)的重力異常。