2018年云南墨江M5.9地震前的重力變化*

王青華，趙云峰，陳兆輝，劉 芳，祝意青

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，陜西 西安 710054；3.中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180)

0 引言

繼2014年10月7日在川滇菱形塊體與密支那—西盟塊體或滇西南塊體交界附近紅河斷裂西側(cè)無(wú)量山區(qū)發(fā)生右旋走滑的景谷M6.6地震后(徐錫偉等，2014)，2018年9月8日云南省普洱市墨江縣發(fā)生M5.9地震，震中位于紅河斷裂帶中段和無(wú)量山斷裂東支(磨黑斷裂)之間。

21世紀(jì)初以來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)地震系統(tǒng)相對(duì)重力觀測(cè)的實(shí)施和發(fā)展，研究人員在多次地震前發(fā)現(xiàn)了有意義的重力前兆變化(祝意青等，1999，2005，2009，2013，2017；王青華等，2019)。云南地區(qū)地震發(fā)生前也發(fā)現(xiàn)同樣的變化(祝意青等，2010；張永志等，1999)，陳兆輝等(2018)利用2014—2017年南北地震帶南段重力數(shù)據(jù)，著重探討了云南地區(qū)重力場(chǎng)變化與地震間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)研究時(shí)段內(nèi)4.5級(jí)以上地震多發(fā)生在重力場(chǎng)變化的正負(fù)異常過(guò)渡帶和高梯度帶附近。

在對(duì)近幾年南北地震帶上相對(duì)重力測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，尤其將多家單位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體平差計(jì)算后，筆者發(fā)現(xiàn)利用從2015年下半年開(kāi)始的墨江附近的區(qū)域重力場(chǎng)變化可以較好地解釋墨江M5.9地震孕震過(guò)程中的物質(zhì)遷移。因此，本文利用2015年9月至2018年9月4年的多期相對(duì)重力觀測(cè)資料，系統(tǒng)分析了區(qū)域重力場(chǎng)變化及其與墨江M5.9地震的關(guān)系。

1 重力觀測(cè)資料選取及處理

中國(guó)地震局在2014年地震重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)改造完成后，即開(kāi)展了每年2期的相對(duì)重力觀測(cè)。2015—2017年，云南地區(qū)地震重力觀測(cè)由云南省地震局和中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心使用CG-5相對(duì)重力儀完成。在對(duì)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行改造后，從2018年開(kāi)始云南省內(nèi)絕大部分相對(duì)重力觀測(cè)由云南省地震局完成，但在2018年前獲得持續(xù)觀測(cè)的個(gè)別測(cè)點(diǎn)被舍棄，而新建測(cè)點(diǎn)并無(wú)觀測(cè)資料，因此造成了2018年區(qū)域內(nèi)可利用的重力變化數(shù)據(jù)減少，但總體上不影響本文的結(jié)果。本文使用資料不僅僅局限于墨江附近地區(qū)的相對(duì)重力測(cè)量數(shù)據(jù)，而是將川滇及附近區(qū)域采集到的相對(duì)重力數(shù)據(jù)利用公共測(cè)點(diǎn)拼接成一張觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(圖1)，對(duì)大范圍的重力數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算后進(jìn)行分析。

圖1 南北地震帶南段2017年重力測(cè)網(wǎng)圖及研究區(qū)

對(duì)數(shù)據(jù)的平差計(jì)算：墨江M5.9地震震中附近存在思茅、蒙自、昆明、瑞麗等多個(gè)絕對(duì)重力測(cè)點(diǎn)，近幾年進(jìn)行了多次絕對(duì)重力測(cè)量。但由于絕對(duì)重力觀測(cè)和區(qū)域相對(duì)重力觀測(cè)不同步，有時(shí)兩者觀測(cè)時(shí)間相距較長(zhǎng)，因此在經(jīng)典平差計(jì)算中嘗試先不使用思茅、蒙自、瑞麗3個(gè)絕對(duì)重力測(cè)點(diǎn)上的絕對(duì)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，再與使用這些絕對(duì)重力數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者重力場(chǎng)變化基本一致。因此，本文得到的重力場(chǎng)變化為使用距墨江M5.9地震震中較遠(yuǎn)的絕對(duì)重力數(shù)據(jù)(昆明、麗江、鄉(xiāng)城、瀘州、仁和)控制下得到的經(jīng)典平差后的結(jié)果(各期平差結(jié)果點(diǎn)位精度均優(yōu)于10×10-8m/s2)。本文主要對(duì)墨江M5.9地震震中附近26°N以南的重力場(chǎng)變化進(jìn)行分析。繪制重力場(chǎng)變化圖前對(duì)網(wǎng)格化插值后的區(qū)域重力場(chǎng)變化進(jìn)行了空間范圍約為80 km的余弦濾波。

2 墨江地震前的區(qū)域重力場(chǎng)變化

2.1 重力場(chǎng)半年變化

研究區(qū)相鄰兩期區(qū)域重力場(chǎng)的半年變化圖像如圖2所示。

(1)2015年9月—2016年4月(圖2a)，震區(qū)周邊總體重力變化不明顯：在無(wú)量山斷裂、紅河斷裂東北的玉溪、峨山、建水附近出現(xiàn)30×10-8m/s2以上的重力變化，在瀾滄江斷裂西側(cè)的臨滄、瀾滄、耿馬附近出現(xiàn)-20×10-8m/s2的重力變化。

(2)2016年4月—2016年9月(圖2b)，震區(qū)西南的臨滄、瀾滄一帶重力變化為正；墨江東北部的玉溪附近重力基本無(wú)變化。

(3)2016年9月—2017年4月(圖2c)，震區(qū)附近無(wú)明顯重力變化，在曲靖、彌勒、興義一帶為重力負(fù)變化，最大變化低于-40×10-8m/s2。

(4)2017年4月—2017年9月(圖2d)，震區(qū)附近出現(xiàn)較為明顯的重力變化：大致以思茅為中心呈現(xiàn)四象限分布的特征，墨江、孟連重力正變化超過(guò)30×10-8m/s2，云縣附近重力負(fù)變化低于-20×10-8m/s2。四象限分布形態(tài)受無(wú)量山斷裂、瀾滄江斷裂控制，而曲靖附近重力變化與上一期反向，顯示正變化為40×10-8m/s2，但正變化中心相對(duì)于2017年4月—2017年9月北移，僅僅小范圍集中分布于曲靖附近。

(5)2017年9月—2018年4月(圖2e)，震區(qū)附近重力場(chǎng)變化再次呈現(xiàn)與上一期反向的準(zhǔn)“四象限”分布：勐臘、云縣為正變化，孟連、建水為負(fù)變化，正變化幅度大于負(fù)變化；曲靖附近小范圍重力變化再次與上一期反向，顯示重力場(chǎng)負(fù)變化為-40×10-8m/s2。

(6)2018年4月—2018年9月(圖2f)，臨震前震區(qū)附近幾乎不存在明顯的重力變化，顯示出區(qū)域重力場(chǎng)時(shí)空變化中的局部“硬化”現(xiàn)象。

圖2 墨江地震前震區(qū)附近重力場(chǎng)半年變化圖

2.2 重力場(chǎng)年變化

研究區(qū)相鄰兩期區(qū)域重力場(chǎng)的年變化圖像如圖3所示。

(1)2015年9月—2016年9月(圖3a)，震區(qū)附近重力場(chǎng)以正變化為主，玉溪、建水附近的重力正變化大于30×10-8m/s2。

(2)2016年9月—2017年9月(圖3b)，震區(qū)附近重力變化呈現(xiàn)非常明顯的四象限分布，勐臘、云縣附近為重力負(fù)變化，墨江、玉溪附近為重力正變化，但重力變化不大，正負(fù)變化均未超過(guò)40×10-8m/s2，四象限的中心距墨江地震震中約100 km。

(3)2017年9月—2018年9月(圖3c)，震區(qū)附近重力變化呈準(zhǔn)四象限分布，但與上上一年變化完全反向，變化量值也相近。

(4)2015年9月—2017年9月(圖3d)，2年時(shí)間的重力場(chǎng)累積變化顯示，墨江地震前區(qū)域重力場(chǎng)四象限變化特征比上一年的變化(圖3c)更加顯著，除勐臘附近的重力負(fù)變化有所弱化外，玉溪、孟連附近的正變化及云縣附近的負(fù)變化均有所強(qiáng)化，但最大變化仍未超過(guò)50×10-8m/s2，無(wú)量山斷裂兩側(cè)重力場(chǎng)差異變化約70×10-8m/s2。

圖3 墨江地震前重力場(chǎng)年變化圖

3 重力變化與墨江M5.9地震

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，墨江M5.9地震前的重力變化在時(shí)間上呈階段性、空間上呈擴(kuò)展性，具體表現(xiàn)為：2015年9月—2016年4月，震區(qū)附近重力變化較微弱；2016年4月—2016年9月，瀾滄江斷裂西南側(cè)的臨滄、瀾滄附近出現(xiàn)大于30×10-8m/s2的重力正變化；2016年9月—2017年4月，震區(qū)附近基本不存在可識(shí)別的重力變化，即該時(shí)間段內(nèi)重力場(chǎng)零變化，可視為重力場(chǎng)變化的“平靜期”；2017年4月—2017年9月，墨江M5.9地震前重力場(chǎng)變化主要特征為重力變化呈現(xiàn)準(zhǔn)四象限分布；2017年9月—2018年4月，重力場(chǎng)變化與上一期反向，也呈準(zhǔn)四象限分布形態(tài)；2018年4月—2018年9月，臨震前再次出現(xiàn)重力場(chǎng)零變化的“平靜期”。

該區(qū)域流動(dòng)重力觀測(cè)完成于2018年9月7日，觀測(cè)完的第二天，即9月8日發(fā)生墨江M5.9地震。由此可以看出，在地震前3年內(nèi)，在震區(qū)附近無(wú)量山斷裂、紅河斷裂、瀾滄江斷裂構(gòu)造活動(dòng)控制下，區(qū)域重力場(chǎng)變化呈現(xiàn)重力正變化→重力正變化擴(kuò)展→重力零變化的平靜期→重力變化呈四象限分布→重力場(chǎng)反向變化→臨震前重力零變化的平靜期的演化過(guò)程。在2015年9月—2017年9月2年的重力場(chǎng)變化中，墨江M5.9地震震中靠近四象限正負(fù)異常區(qū)中心。

已有震例研究表明(祝意青等，2013，2015，2017)，重力異常變化的持續(xù)時(shí)間、幅值和空間范圍與地震震級(jí)密切相關(guān)。重力觀測(cè)資料積累的時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于判斷發(fā)震震級(jí)，重力異常幅值越大、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的震級(jí)越大。重力長(zhǎng)期累積變化和短期變化對(duì)地震異常同樣重要。5級(jí)地震相鄰2期或1年尺度的重力變化明顯，累積變化不明顯；6級(jí)強(qiáng)震相鄰2期重力變化顯著，2年累積變化更為顯著(祝意青等，2013，2017)。墨江M5.9地震前1年尺度的重力變化明顯，2年的累積變化更為顯著。

4 結(jié)論與討論

本文通過(guò)對(duì)2018年云南墨江M5.9地震前區(qū)域重力場(chǎng)變化分析，得到以下結(jié)論：

(1)2018年墨江M5.9地震前3年至震前1年，云南地區(qū)的重力場(chǎng)資料較好地顯示了該地震的前兆變化。地震前重力場(chǎng)變化呈現(xiàn)較為明顯的四象限分布，且震中靠近四象限中心處，四象限的分布特點(diǎn)明顯受區(qū)域內(nèi)大的活動(dòng)斷裂控制。

(2)2015年9月—2016年4月，玉溪、建水附近出現(xiàn)高于20×10-8m/s2的重力異常變化，2016年4月—2016年9月，明顯的重力變化轉(zhuǎn)至臨滄、瀾滄附近，重力異常變化大于20×10-8m/s2；2016年9月—2017年4月，震區(qū)附近重力場(chǎng)未見(jiàn)明顯的變化；2017年4月—2017年9月，震區(qū)附近重力場(chǎng)出現(xiàn)明顯的四象限變化特征，顯示出在斷裂控制下的重力場(chǎng)變化特征由出現(xiàn)單個(gè)異常區(qū)向多個(gè)異常區(qū)同時(shí)顯現(xiàn)的特征，反映出斷層帶活動(dòng)由單個(gè)斷層孤立活動(dòng)轉(zhuǎn)向多個(gè)斷層協(xié)同活動(dòng)的發(fā)展過(guò)程。墨江M5.9地震前的重力變化與發(fā)震斷裂的失穩(wěn)變化過(guò)程有較好的一致性(馬瑾，郭彥雙，2014；宋春燕等，2018；徐曉楓等，2017；徐立等，2019)。

2008年8月30日和2009年7月9日，墨江M5.9地震震中西北的攀枝花、姚安附近分別發(fā)生M6.1，M6.0地震，祝意青等(2010)對(duì)這2次地震前重力場(chǎng)變化進(jìn)行了分析。此后，申重陽(yáng)等(2011)使用更大空間范圍的數(shù)據(jù)對(duì)姚安M6.0地震前的重力場(chǎng)變化進(jìn)行了計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)在姚安地震前半年(2008年10月—2009年2月)區(qū)域重力場(chǎng)呈四象限變化，且其四象限變化形態(tài)與震源機(jī)制顯示的壓縮區(qū)和拉張區(qū)一致。墨江M5.9地震前的四象限重力場(chǎng)變化特征與該次地震震源機(jī)制所顯示的壓縮區(qū)和拉張區(qū)也一致，表明震前震區(qū)附近構(gòu)造應(yīng)力作用下的物質(zhì)遷移可能是區(qū)域重力場(chǎng)變化的成因。

由本文分析可知，墨江M5.9地震前觀測(cè)到的重力場(chǎng)變化最大值未超過(guò)50×10-8m/s2，但2015年9月—2017年9月這2年的累積重力變化正負(fù)差異達(dá)70 μgal，顯示了較明顯的震前重力場(chǎng)變化特征，且研究區(qū)域已有的震例研究表明，相當(dāng)震級(jí)的地震發(fā)生前重力場(chǎng)變化與墨江M5.9地震前重力變化量也相當(dāng)(祝意青等，2005)。