紅河斷裂帶北、中段近期重力變化及深部變形

汪 健 申重陽 孫文科 談洪波 胡敏章

梁偉鋒3） 韓宇飛4） 張新林1） 吳桂桔1） 王青華5）

1）中國地震局地震研究所，地震大地測量重點實驗室，武漢 430071

2）中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049

3）中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054

4）中國地震臺網中心，北京 100045

5）云南省地震局，昆明 650041

0 引言

紅河斷裂帶地處印度大陸與歐亞大陸的碰撞邊界，構造變形強烈，是切割印支地塊與揚子－華南地塊的重要斷裂帶（Molnaretal．，1975；Leloupetal．，1995），在青藏高原東南緣大陸塊體的擠出、旋轉和逃逸過程中起到了關鍵作用（Tapponnieretal．，2001；向宏發(fā)等，2007）。紅河斷裂帶經歷了復雜的地質演化過程，在新生代時期發(fā)生左、右行構造轉換（虢順民等，2001；Roydenetal．，2008），斷裂兩側的殼幔結構迥異：地殼厚度西薄東厚、莫霍面斷距達5km，兩側速度結構差異較大，東側中地殼存在低速層，西側上地殼底部有低速層（胡鴻翔等，1986；丁志峰等，1999；王夫運等，2014）；哀牢山－紅河斷裂帶附近的上、中地殼為高速異常，下地殼和莫霍面附近則為低速異常，意味著殼－幔邊界仍然處于相對活動的狀態(tài)（胥頤等，2003）。

紅河斷裂帶在中國境內具有明顯的地質結構分段特征，以彌渡、元江作為分界點可劃分為3段（張建國，2009）。北段在大地構造上屬中新生代古特提斯洋和特提斯洋封閉形成的大陸碰撞帶，由于受印度板塊向N運動的側向擠壓以及青藏高原東緣物質的擠出作用，北段總體呈現EW 向的擠壓應力場特征，斷裂活動具有擠壓逆斷和局部拉張正斷性質（向宏發(fā)等，2007）；中段地處特提斯三江造山帶的東南緣，屬于板塊構造結合部，是青藏高原東南緣大陸塊體向SE擠出過程中重要的陸內變形帶；中南段地處川滇菱形塊體南端，構造活動主要受三江褶皺帶變形、川滇地塊運動的影響，作為東側川滇地塊、華南板塊與西側印支板塊之間的主體剪切帶，地震震源機制解（李亞敏等，2008）顯示出區(qū)域剪切應力場的特征，斷裂活動受小江斷裂帶、楚雄－建水斷裂、曲江斷裂等周邊斷裂疊加構造變形影響，以剪切活動為主。

紅河斷裂帶的地質構造活動與長期地殼變形存在顯著的分段特征。北段地震的頻度和強度均高于中段地區(qū)（圖1），1950—2020年北段發(fā)生6級以上地震10余次，其中包含2次7級以上強震；中段的地震活動較弱，可能表明該區(qū)域現階段處于閉鎖狀態(tài)，其兩側的瀾滄江斷裂和小江斷裂帶則活動較強，2014年景谷曾發(fā)生MS6.6地震。楊婷等（2014）對紅河斷裂帶的速度結構進行了研究，發(fā)現中地殼深度的低速異?？赡苁钦T發(fā)地震的重要因素，中段地震活動性較弱，可能表明該區(qū)段現階段處于閉鎖狀態(tài)；徐錫偉等（2003）認為紅河斷裂帶以西及以東的川滇菱形塊體均存在順時針轉動的現象，但順時針轉動的模式卻有明顯區(qū)別。紅河斷裂帶晚第四紀以來的右旋滑動速率為3～4mm／a（虢順民等，2001），近期垂直運動速率為（0.5±0.4）mm／a（郝明，2012）；北段斷裂活動最強烈、中段和南段斷裂活動較弱，沿楚雄－建水斷裂、紅河斷裂和瀾滄－耿馬斷裂均發(fā)生右旋走滑，形成一條寬達300km的右旋剪切帶（申重陽等，2002；汪一鵬等，2003；張培震等，2003）。

圖1 紅河斷裂帶的地震活動性（1950—2020年）及重力測點分布圖Fig．1 Map of seismic activity and gravity stations of the Red River fault zone．

地球重力場是反映地球物質分布與運動的基本物理場，重力場變化是探測地殼深部物質運移方式的有效方法之一。孫少安等（2009）研究了紅河斷裂帶北段近期斷裂活動的重力效應，通過分析跨紅河斷裂帶的多組重力段差時序變化，發(fā)現紅河斷裂活動具有強弱交替的周期性，且每個周期的加強和減弱過程呈現不同的擠壓力度和持續(xù)時間；李輝等（2009）、祝意青等（2012）分析了中國大陸重力場變化特征及其變化機制，發(fā)現區(qū)域重力場的空間變化與活動斷裂構造密切相關。通過高精度同址重力復測，從中分離各種效應影響，進而進行地殼形變、構造活動研究，可為強震孕育的動力學背景和大陸動力學研究提供重要的基礎信息。本文基于紅河斷裂帶北、中段近期的流動重力觀測資料，綜合地震測深、地質、地殼形變等資料，分析并去除地表水循環(huán)、垂直形變、剝蝕和冰川均衡調整效應等影響，提取地殼深部物質遷移引起的重力變化信息；結合前人獲得的地殼結構模型，解算莫霍面的變形方式，檢核并量化紅河斷裂帶北、中段近期的構造活動特征。本文的研究成果對青藏高原東南緣深部物質運移模式研究具有重要的科學意義，可為紅河斷裂帶地殼形變、構造活動及動力學背景研究提供重要參考和約束。

1 觀測數據及地表環(huán)境效應分析

1.1 重力觀測數據

研究區(qū)位于青藏高原東南緣，其北部為構造運動活躍的川滇菱形塊體，中部為地質結構相對穩(wěn)定的滇中地塊，東部以安寧河－則木河－小江斷裂帶為界與華南地塊相接。重力觀測資料包括紅河斷裂帶重力加密觀測網2013—2019年的10期相對重力聯測數據和昆明、下關測點2007—2020年14期絕對重力觀測資料。紅河斷裂帶重力加密觀測網建于2013年6月，初期新建橫跨紅河斷裂帶北段、中南段的賓川—永平和峨山—墨江2條剖面，剖面展布與紅河斷裂帶近垂直，以凸顯斷裂帶兩側重力場動態(tài)變化差異。每條剖面含8個流動重力、GPS同址觀測站及1個絕對重力測點（下關、昆明），點距約為17km。紅河斷裂帶中段以往屬流動重力觀測空白區(qū)，斷裂帶周邊測點稀疏、點距較大（≥150km），且多為觀測支線或斷裂帶外圍觀測環(huán)，測網時空分辨率不足，難以提取斷裂帶兩側精細的重力變化信息。2014年11月在紅河斷裂帶中段新增楚雄—景谷剖面，自楚雄大致沿N40°E經楚雄盆地、水塘至景谷盆地，剖面全長約220km，共布設7個測點，平均點距35km。

流動重力觀測周期一般為1年2期，上、下半年的觀測時間相對固定，為5月和11月，以減少氣象、水文等季節(jié)性變化影響；考慮到周邊環(huán)境對重力觀測的影響，重力測點一般布設在地表平坦開闊、地基堅硬的位置，并盡可能避開地形或地貌易發(fā)生變化的區(qū)域。為了提高觀測精度，對重力聯測方式做了如下改進：測前均對相對重力儀的一次項系數進行了區(qū)域適定性標定；為了減小不同型號或同型號不同編號相對重力儀間的系統偏差對觀測精度的影響，相對重力聯測均采用2臺及以上性能穩(wěn)定的CG－5型重力儀進行觀測，且相鄰2期盡量使用同編號儀器進行聯測；自2013年開始，觀測過程中先采用順序觀測方式（即A—B—C—D—E—D—C—B—A），然后增加交替觀測（即A—C—E—C—A），模擬大地四邊形聯測網形，增加檢校條件，因此多數測線為四程，少數為五程，提高了觀測網精度、減小了觀測不確定度；若觀測中儀器靜置超過2h，在靜置處進行靜態(tài)測量；在盡可能短的時間內完成每條測線的觀測，測段的閉合時間基本保持在12h以內，以減小漂移非線性對重力觀測的影響。

絕對重力觀測的周期同為1年2期，與相對重力的觀測時間基本保持準同步。絕對重力測量由中國地震局地震研究所采用FG－5型絕對重力儀進行觀測，觀測精度優(yōu)于5μGal，該類型儀器間的差異值為1～2μGal，無明顯系統偏差（Xingetal．，2009）。絕對重力觀測每1h觀測1組、每組下落100次，每點標準差優(yōu)于5.0μGal的有效組數≥25組，計算每次下落有效高度處的重力值，并進行固體潮、氣壓、光速有限、極移和垂直梯度等改正。垂直梯度觀測利用2臺CG－5型重力儀按低—高—低或高—低—高進行往返觀測，高、低點儀器的高度差設置為130cm，與FG－5型絕對重力儀落體倉的參考高度一致。每次往返測量經潮汐和零漂改正，計算1個重力差成果，觀測成果限差為4.0μGal，每個測點的獨立成果數≥5個。將絕對重力觀測值統一歸算至地面后，昆明、下關2007—2020年度的絕對重力結果（以第1期為基準）如圖2所示，其平均觀測精度分別為1.64μGal和1.63μGal；地表重力變化速率分別為（－0.51±0.39）μGal／a和（－1.17±0.45）μGal／a；重力變化最大幅值為14.82μGal和22.5μGal。昆明和下關測點的絕對重力觀測精度較高、觀測結果可靠，2個測點均呈重力負變化趨勢（平均為（－0.84±0.42）μGal／a），與Sun等（2009）利用1990—2008年度絕對重力觀測資料所得結果（（－0.92±0.32）μGal／a）較為一致，青藏高原東南緣近期的重力場呈低速負變化特征。

圖2 昆明、下關測點的絕對重力觀測結果Fig．2 Absolute gravity results observed at Kunming and Xiaguan stations．

處理相對重力聯測資料時將絕對重力測站視為相對穩(wěn)定的高精度控制點，利用相對重力測量對該點進行定期聯測，形成區(qū)域重力動態(tài)監(jiān)測網（祝意青等，2012），該方法的優(yōu)點在于可有效地保持區(qū)域重力場起算基準統一，穩(wěn)定、可靠地解算出各測點的重力變化。具體處理流程包括：1）將各重力剖面測線的獨立計算擴展為整體平差計算，優(yōu)化網型、增加觀測條件，使用國內先進的重力處理軟件LGADJ（劉冬至等，1991）對多期重力觀測資料進行統一處理，提高點值計算精度；2）統一重力基準，采用昆明、下關測點每期絕對重力實測值作為起算基準；3）對少數誤差較大的觀測段差實行粗差剔除和降權處理，評定各臺觀測儀器的觀測精度、合理確定各臺儀器的先驗方差后再進行整體平差計算；4）相對重力觀測資料處理中作了固體潮、漂移、氣壓、溫度、一次項、儀器高等改正。

平均點值精度與觀測資料質量、測網網型等密切相關，主要反映了各期觀測資料的精度情況。紅河斷裂帶重力加密網觀測時間及各期平均點值精度情況如表1所示，平均點值精度的分布區(qū)間為6～12.5μGal。相比重力測量中常采用的順序觀測方式，順序與交替相結合的觀測方式的平均點值精度獲得了一定程度的提升（平均約為14%）。交替觀測增加了段差多余觀測數，同時優(yōu)化了測網網性、增加了檢校條件，從而提高觀測資料精度。各期重力觀測資料平均點值精度相對集中于10μGal左右，表明觀測數據具有高精度和穩(wěn)定性。

表1 流動重力觀測時間及精度Table 1 The time and accuracy ofmobile gravity measurement

1.2 地表環(huán)境的重力效應

地表觀測到的重力變化主要由觀測點的位置變化、地表整體變形運動以及地下物質運移的綜合效應引起，影響重力變化的地表及地球外部因素主要包含地表垂直形變、地表水儲量、剝蝕和冰川均衡調整等，為了從中提取地下物質遷移引起的重力場變化信息，需聯合多手段的研究結果，對各種地表環(huán)境的重力效應進行壓制或剔除。

Gr代表深部物質運移引起的重力變化，Gobs代表地表觀測獲得的重力變化，Gv、Gw、Gd、Gg分別代表地殼垂直運動、地表水儲量變化、剝蝕、冰川均衡調整效應引起的重力變化。

1.2.1 地表垂直運動效應

紅河斷裂帶及其鄰區(qū)地處南北地震帶南段，構造變形強烈，本文基于GPS（Haoetal．，2016；Panetal．，2018）和水準（Haoetal．，2014）獲得的地殼垂直運動速率結果，應用反距離加權插值方法獲得了研究區(qū)的地表垂直運動速率圖（圖3），其中Hao等（2016）和Pan等（2018）的研究成果在27個陸態(tài)網絡GNSS基準站重合，本文依據各重合點精度，采用加權平均法擬合地表的垂直運動速率，根據誤差傳播定律求出相應結果的不確定度，GPS、水準觀測成果的不確定度均值分別為0.42mm／a和1.30mm／a。

圖3 紅河斷裂帶及鄰區(qū)的地表垂直運動速率圖（基于Hao et al．，2014，2016；Pan et al．，2018重繪）Fig．3 Vertical deformation rate of the Red River fault zone（after Hao et al．，2014，2016；Pan et al．，2018）．

由圖3可知，研究區(qū)地表近期整體以（0.92±1.17）mm／a的速率隆升，與青藏高原隆升的背景趨勢（Sunetal．，2011）相同。川滇菱形塊體及南汀河斷裂周邊呈顯著的隆升趨勢，怒江斷裂帶—瀾滄江斷裂和思茅盆地呈下沉趨勢。紅河斷裂帶北段、中南段地表的垂直運動速率等值線與斷裂走向平行，以斷裂帶為界，東側的運動速率高于西側，展現出紅河斷裂帶對地表垂直變形的控制作用；而中段元江—水塘段卻表現出相對較高的隆升速率（約2mm／a），等值線與斷裂走向近垂直，具有明顯的差異特征。

賓川—永平、楚雄—景谷和昆明—墨江剖面的地表垂直運動速率如圖4所示，其中紅河斷裂帶北段賓川—永平剖面的平均速率為（0.55±1.13）mm／a，抬升速率自東側約1mm／a逐漸降至西側的0.1mm／a；中段楚雄—景谷剖面的平均速率為（1.19±1.11）mm／a，紅河斷裂帶附近的垂直形變速率高于兩側，且東側（1.4mm／a）大于西側（0.9mm／a）的趨勢與前人的研究結果（Liangetal．，2013）基本一致，楚雄－建水斷裂和無量山斷裂帶兩側的地表垂直形變差異較大，表現出較強的斷裂活動性；中南段昆明—墨江剖面（除昆明）的平均速率為（0.88±1.11）mm／a，昆明GNSS站與周邊地區(qū)的垂向運動方式迥異，這與地下水開采導致的地表沉降有關（Panetal．，2018），玉溪—墨江區(qū)間自東向西的隆升速率逐漸減小，墨江盆地處于零值線附近。

圖4 賓川—永平、楚雄—景谷和昆明—墨江剖面的地表垂直運動速率圖Fig．4 Vertical deformation rate of the Binchuan Yongping，Chuxiong Jinggu，and Kunming Mojiang profiles．

地殼的垂向運動將引起重力觀測點隨地表整體變形，垂直運動引起的重力效應采用布格改正方法計算，布格重力梯度采用－1.9μGal／cm（Sunetal．，2011）。結合上述結果，地殼垂向運動引起的平均重力變化在紅河斷裂帶北段、中段、中南段分別為（－0.11±0.21）μGal／a、（0.22±0.21）μGal／a和（0.16±0.21）μGal／a。

1.2.2 地表水儲量變化效應

地表水儲量是陸地水儲量的主要組成部分，全球水儲量變化是引起地表重力非潮汐變化的重要因素，重力的季節(jié)性變化與全球水循環(huán)有著直接的聯系，其變化幅度可達10μGal量級（周江存等，2009）。地表水對地面重力的貢獻分為負荷和引力2部分：負荷部分與水儲量變化導致的地表形變有關；引力部分與水質量產生的萬有引力的垂直分量有關。本文的重力變化模擬利用格林函數和質量積分（Farrell，1972）進行計算，計算過程中考慮局部DEM 影響，DEM數據采用ETOP01模型，對測點周邊1°范圍內地表水變化引起的重力效應進行分析；水文模型采用全球陸地數據同化系統（GLDAS）提供的Noah＿0.25＿M 格網月數據（Rodelletal．，2004），其融合了來自地面和衛(wèi)星的觀察數據，提供了最優(yōu)化近實時的地表狀態(tài)變量。將GL DAS提供的0.25°×0.25°格網點處的積雪數據以及1～4層的土壤水分數據綜合起來得到了該處的總的水儲存含量，并扣除均值得到水儲量的變化值。

圖5為紅河斷裂帶北段、中段和中南段3個剖面2000—2020年地表水儲量變化引起的重力效應，重力變化幅值為－10～10μGal，地表水儲量對重力變化的影響不可忽略。重力變化值隨干、濕季降雨量差異呈季節(jié)性變化，每年11月—來年5月、6—9月分別為川滇地區(qū)的旱、雨季，其中全年70%的降水量集中在雨季，5月和9月為水儲量變化引起重力變化的極值區(qū)。2012—2017年重力變化極值逐年增大，此段時間地表水儲量亦有逐年增加的趨勢。賓川—永平和昆明—墨江剖面東、西兩側水循環(huán)引起的重力變化差值多為－2～2μGal，重力變化趨勢一致；楚雄—景谷剖面的重力變化差異比北段大，達－3～4μGal，斷裂帶東側水塘—雙柏段巖石裸露、干旱少雨，與西側鎮(zhèn)沅—景谷段局部降水量的差異較大。

圖5 賓川—永平、昆明—墨江、楚雄—景谷剖面地表水儲量變化引起的重力效應Fig．5 Gravity effect caused by surface water change in Binchuan Yongping，Chuxiong Jinggu and Kunming Mojiang profiles．

1.2.3 地表剝蝕效應

在強構造運動的青藏高原東南緣地區(qū)，歐亞板塊與印度板塊持續(xù)碰撞，殼幔介質伴隨產生構造變形，同時該區(qū)域降水充沛、河流密布、氣候變化差異大，在構造活動和氣候因素的雙重作用下，青藏高原東南緣地區(qū)地表剝蝕速率明顯高于青藏高原其他地區(qū)，因此地表剝蝕對重力動態(tài)變化的影響不容忽視。地表剝蝕卸荷一方面導致地貌變化，甚至在強烈擠壓條件下非均勻的剝蝕可引起山脈的加速隆起；另一方面將導致重力場的變化，由于重力均衡調整而引起構造作用將導致巖石圈再次負荷或卸荷。前期一些學者從地球化學、地質、地形地貌等研究領域對研究區(qū)剝蝕情況進行了大量研究：Westaway（1995）假設青藏高原物質流量守恒，從印度板塊擠入的物質體積為4.4km3／a，其中經過風化剝蝕的物質體積為1.7km3／a，因此還有大量物質在高原內被聚集，導致了高原隆升或地殼增厚；Métivier等（1999）給出了新生代亞洲的沉積厚度分布圖，認為從漸新世以來沉積盆地物質增加的速率呈指數增長，在第四紀達到最大，從青藏高原剝蝕的質量達1.5km3／a；王國芝等（1999）對滇西地區(qū)第四紀以來的剝蝕速率進行了計算，其平均剝蝕速率達到0.94mm／a；Lal等（2004）給出青藏高原東緣地表剝蝕速率為2mm／a；Sun等（2009）綜合前人研究結果，估算出青藏高原地表剝蝕速率為2.3mm／a。本文對Sun等（2009）、王國芝等（1999）和Lal等（2004）的地表剝蝕速率結果取均值（1.75mm／a），將剝蝕層看作布格層并加以改正，獲得地表剝蝕引起的重力變化為（－0.19±0.1）μGal／a。

1.2.4 冰川均衡調整效應影響

冰川均衡調整是黏彈地球對末次冰期地表冰和海水負荷改變的響應，對地殼運動、海平面變化、地球重力場變化、地球旋轉運動和應力狀態(tài)等都有著重要影響。冰川均衡調整模型計算本質上為黏彈性負荷問題，需基于相應的冰模型和地球模型開展。其中，冰模型包括隨時間變化的冰和海水負荷；地球模型包括地球流變學參數和密度結構。根據采用冰模型和地球模型的不同，針對冰川均衡調整效應對青藏高原重力場變化影響的研究結果也不一致：Kaufmann（2005）基于Kuhle、tibet4和tibet6冰川模型計算了冰川均衡調整對青藏高原地區(qū)重力場變化的影響為－0.3μGal／a；Wang（2001）和Sun等（2011）分別計算和討論了冰川均衡調整在拉薩、下關和 昆 明 測 站 引 起 的 重 力 變 化 速 率 為（－0.26±0.2）μGal／a、（－0.06±0.1）μGal／a和（－0.08±0.1）μGal／a。上述研究結果由于冰模型缺乏足夠的約束條件，且對地球模型也進行了簡化，因此結果具有較大的不確定性。汪漢勝等（2009）利用GPS觀測、驗潮站結合衛(wèi)星測高、GRACE重力、相對海面、地震剪切波層析模型等多種觀測約束，提出了新的冰川均衡調整模型（ICE－4G＋RF3L20（β＝0.4）），其給出的橫向非均勻的地幔黏滯度模型與實際地球更為接近；基于此模型，可知冰川均衡調整對東亞重力長期的變化影響在下關、昆明和楚雄測站分別為（－0.035±0.008）μGal／a、（－0.033±0.008）μGal／a和（－0.034±0.008）μGal／a（汪漢勝等，2010），本文引用該值作為賓川—永平、昆明—墨江和楚雄—景谷剖面冰川均衡調整引起的重力場長期變化速率。

2 趨勢性重力變化特征

趨勢性重力變化代表著區(qū)域重力場變化的背景信息，較大程度上反映出深部地質構造活動引起的質量重新分布，與斷裂構造活動密切相關。根據上述觀測數據處理與地表環(huán)境效應分析結果，下面主要闡述橫跨紅河斷裂帶北段、中段和中南段的3條剖面近期的趨勢性重力變化特征。

2.1 賓川—永平剖面結果

賓川—永平剖面橫跨紅河斷裂帶北段，自NE向SW 穿越賓川－永勝斷裂、紅河斷裂帶、維西－巍山斷裂和無量山斷裂。2013—2019年重力平均變化率（圖6）的分布區(qū)間為（－2.91～1.24）μGal／a、誤差的分布區(qū)間為±（0.43～2.65）μGal／a，重力變化自NE向SW 由負逐漸變正。北段兩側地塊以紅河斷裂帶為界差異顯著：1）NE側整體為重力負變化，自北向南重力變化率絕對值逐漸減小，至紅河斷裂帶下關測點附近達到極小值。2）SW 側整體為重力正變化，重力變化速率自紅河斷裂帶附近（下關為0.02μGal／a）向W 逐漸增加（永平為1.24μGal／a）。黃連鋪—永平測段為重力正變化區(qū)，其跨越的無量山斷裂傾向NE，存在超殼斷裂現象（李永華等，2014），持續(xù)的重力正變化可能是無量山斷裂近期構造運動物質累積的體現。感通寺—平坡測段的重力呈反向變化，表現出維西－巍山斷裂具有一定的活動性，該區(qū)域地表出露蒼山變質巖帶，地震層析成像結果同樣顯示沿變質巖帶的上中地殼為條帶狀高速異常、下地殼和上地幔為低速異常，早期左旋韌性剪切活動終止后的快速冷卻只影響到上中地殼，下地殼和殼幔邊界仍受現今深部物質活動影響（白志明等，2003）。近期重力負變化顯示的質量虧損可能與下地殼熱交換及青藏高原東南緣側向擠出使深部物質沿低速相對軟弱層遷移有關。3）近期北段兩側的重力變化存在顯著差異，SW 側相對NE側重力增加趨勢顯著，總體以（3.1±0.55）μGal／a·100km的重力變化率增加，SW 側的質量堆積更多。

圖6 賓川—永平剖面重力長期變化率Fig．6 Long term gravity change rate of Binchuan Yongping profile．

2.2 楚雄—景谷剖面結果

楚雄—景谷剖面橫跨紅河斷裂帶中段，自NE向SW 分別被楚雄－建水斷裂、紅河斷裂帶和無量山斷裂等一系列斷裂帶分割，2014—2019年的重力變化率（圖7）分布區(qū)間為－2～2μGal／a，誤差分布區(qū)間為±（0.72～2.45）μGal／a。中段重力變化率近期呈斷裂帶周邊平緩、兩側起伏較大的鞍狀分布特征。NE側的楚雄盆地屬滇中地塊，較低的重力變化率（0.47μGal／a）表現出滇中地塊較為穩(wěn)定、地殼介質相對剛性的性質，地震層析成像結果（白志明等，2003）也顯示其中下地殼波速為高速異常；楚雄—雙柏測段跨越楚雄－建水斷裂帶，兩側的重力變化速率存在較大差異，體現了楚雄－建水斷裂帶兩側深部構造活動差異性；SW 側景谷盆地與楚雄盆地類似，存在中生代較厚沉積層，近期重力負變化特征可能與景谷盆地所處的瀾滄江縫合帶與無量山斷裂間特殊的深部構造環(huán)境有關，該區(qū)域屬三江褶皺系，巖石圈結構橫向變化顯著，新生代以來構造活動強度及地表變形強烈。景谷—按板測段重力變化率逐漸增加，無量山斷裂橫穿西側正變化核心區(qū)，該區(qū)域近期處于地下物質致密逐漸加強的過程；紅河斷裂帶與兩側區(qū)域相比重力變化率顯著偏低，低速變化區(qū)的西邊界為哀牢山斷裂，喜馬拉雅期造山型金礦帶也沿此分布，喜馬拉雅期中期印度板塊發(fā)生順時針旋轉，哀牢山構造帶發(fā)生左行走滑，形成了各個礦區(qū)的斷裂構造系統，為深源流體上升提供了通道，發(fā)生了大規(guī)模的金成礦作用，條帶狀的金礦分布表明地殼深淺物質流動通道沿哀牢山構造帶成體系分布，新生代晚期左、右行構造運動轉換后，巖石圈深淺部能量交換、物質流動隨深部力源不斷演化，近期重力變化體現了紅河斷裂帶的深部邊界控制作用。

圖7 楚雄—景谷剖面重力長期變化率Fig．7 Long term gravity change rate of Chuxiong Jinggu profile．

2.3 昆明—墨江剖面結果

昆明—墨江剖面橫跨紅河斷裂帶中南段，自NE向SW 分別被曲江斷裂、楚雄－建水斷裂、紅河斷裂和哀牢山斷裂所分割。2013—2019年重力變化率（圖8）的分布區(qū)間為－1.87～3μGal／a，誤差分布區(qū)間為±（0.58～2.51）μGal／a，中南段近期整體呈重力低速正變化特征，NE側變化幅值大于SW 側。

圖8 昆明—墨江剖面重力長期變化率Fig．8 Long term gravity change rate of Kunming Mojiang profile．

NE側的昆明地處普渡河斷裂和小江斷裂西支夾持區(qū)，其所在的昆明－賓川地塊因東邊界斷裂的水平滑動速率遠大于西邊界呈順時針轉動，致使小江斷裂疊加擠壓應力，區(qū)域橫向重力變化圖像（陳兆輝等，2019）也顯示出自西向東由負變正的重力增加趨勢；峨山—雙江測段跨越曲江斷裂，兩側的重力變化率差異較大，近期重力正變化與地質研究結果（聞學澤等，2011）顯示的曲江斷裂東南段右旋走滑兼具顯著逆沖分量、具有走滑擠壓性質相一致，擠壓構造環(huán)境表征深部介質存在應力積累、地下致密從而導致質量累積；雙江—大開門測段橫跨楚雄－建水斷裂帶，兩側的重力變化反向彰顯了楚雄－建水斷裂帶近期復雜而差異化的運動特征；大開門—青龍場測段沿青揚斷裂展布，橫跨大開門河斷裂及其南側的魯奎山式沉積變質鐵礦床，自NE向SW 重力由負變化逐漸增至為正變化；青龍場—甘莊—元江測段跨越紅河斷裂，近期呈重力正變化率逐漸減小、跨越紅河斷裂后重力反向變化的趨勢，元江處于紅河斷裂帶地表彎曲部分，受青藏高原東移、紅河斷裂帶右旋走滑和小江斷裂帶左旋走滑運動的共同影響，紅河斷裂帶NE盤相對隆升，近期基于SBAS－InSAR的近場形變研究發(fā)現北盤隆升、南盤沉降，兩盤的運動速率差約為8mm／a（陸好健等，2018），該區(qū)域的中地殼底界面為P波高速異常區(qū)（胥頤等，2003），其重力低速負變化特征可能源于中下地殼的高速剛性異常體侵占了深部物質韌性流動空間，阻礙了區(qū)域間的熱交換、深部物質運移過程。

SW 側的重力變化較平緩，其中因遠鎮(zhèn)—墨江測段的重力場呈反向變化特征，該測段位于哀牢山淺變質巖帶、九甲－安定斷裂的東側，跨越元江—墨江鎳、金礦區(qū)，成礦物質主要來自地幔，深大斷裂是這些成礦物質上升的通道，礦區(qū)處于重力變化率零值線附近，同時也是巖石圈深淺部物質交換、能量傳遞的過渡地帶；墨江測點近期的重力場呈負變化特征（（－0.33±1.11）μGal／a），其上中地殼深度的P波波速顯示出低速異常（楊婷等，2014），隨著印支地塊與華南塊體間不斷的剪切運動，能量和深部物質易于在中地殼低密度體內通過物質韌性流動的形式遷移，從而導致重力場變化。

3 討論

3.1 紅河斷裂帶北段、中段和中南段近期的重力變化分段性成因分析

紅河斷裂帶北段經歷了自中始新世末以來的地殼整體隆升和地殼垂向差異升降的新構造運動，近期北段整體的重力負變化（平均為（－0.39±1.30）μGal／a）特征與此地質構造背景相關。SW 側相對NE側重力變化率增加（（3.1±0.55）μGal／a·100km））的特征顯示，在青藏高原東緣物質東流的大背景下，深部物質跨越紅河斷裂帶后受瀾滄江剛性塊體阻擋、質量不斷累積的特征，同時也彰顯出東側川滇塊體作為相對主動盤是青藏高原側向擠出作用的主要受力區(qū)，而西側印支塊體作為相對被動盤存在深部物質不斷聚集的過程，這與前人的地殼應力研究中（張建國，2009）NE側應力降較SW 側高、NE側為地殼深部運動動力來源的結論一致；北段以紅河斷裂帶為界，NE側呈重力正變化、SW 側呈重力負變化（差值為（1.57±1.60）μGal／a）的特征，顯示紅河斷裂帶北段具有一定的邊界控制作用。寬角地震反射、折射研究成果（白志明等，2003）顯示，其北段切穿地殼，上部W 傾、下部倒轉傾向至NE，總體E傾25°，在上地殼底部與維西－巍山斷裂歸并；地質研究結果（常祖峰等，2016）也表明維西－巍山斷裂自新生代以來具有與紅河斷裂和金沙江斷裂相似的運動學特征、相同的地質演化歷史和構造變形機制，是紅河活動斷裂的北延部分，紅河斷裂帶與維西－巍山斷裂間一致的重力負變化趨勢表明兩者同是塊體深部物質遷移的主要載體，共同承擔和吸收了川滇北側塊體傳遞而來的運動能量和應變。

紅河斷裂帶中南段近期的重力變化呈分化特征。NE側曲江斷裂－紅河斷裂帶整體表現為重力正變化，表明在青藏高原物質東移背景下的深部物質遷移并非只沿具有超殼斷裂性質的紅河斷裂帶發(fā)生，而是整體沿紅河斷裂帶—楚雄－建水斷裂帶—曲江斷裂展布。地表GPS觀測結果（Zhangetal．，2004）顯示，川滇塊體近期呈順時針旋轉運動，具有跨紅河斷裂帶連續(xù)變形的特征，有關學者提出青藏高原擠出的西南邊界可能由一組斷續(xù)、分散、滑動速率較低的右旋走滑斷裂共同組成，反映地殼深部物質分布的重力場變化同樣顯示紅河斷裂帶—楚雄－建水斷裂帶—曲江斷裂間的重力變化趨勢較為一致。地震層析成像及地震波反演結果（聞學澤等，2011）顯示，紅河斷裂帶、楚雄－建水斷裂帶和曲江斷裂三者在上地殼底層12km深處交會于一個基底滑脫面，形成“對沖”型構造格局，3條斷裂更像是紅河深大斷裂系統的地表分支。從幾何學特征來看，3條斷裂均發(fā)生向SSW 凸出的彎曲變形，表明它們之間的巖塊和次級斷裂共同承擔了川滇活動塊體向S的水平推擠作用。地殼淺層和深層連續(xù)變形特征表明，紅河斷裂帶中南段上、下地殼具有耦合變形性質，徐震等（2006）利用接收函數Ps轉換波研究了地殼的各向異性，發(fā)現殼內各向異性的快波方向與川滇地塊SE向擠出的特征一致，而地殼與地幔的各向異性快波方向相差90°，地殼與上地幔解耦。中南段SW 側相對于NE側以（－0.21±0.48）μGal／a·100km的重力變化率逐漸減小，東側深部的物質累積略多，較小的差異值表明兩側地殼介質“環(huán)境剛度”較接近，它與地殼的物質組成、活動斷裂發(fā)育、介質的破碎程度等因素相關，決定著活動塊體內部與活動塊體之間運動的動力傳遞機制和變形調節(jié)機制（張建國，2009）。徐鳴潔等（2005）利用接收函數研究了哀牢山－紅河斷裂帶地殼上地幔特征，發(fā)現紅河斷裂帶兩側殼幔邊界同具有殼－幔過渡帶特征。低速的下地殼為易于流動的韌性層，是地殼與殼下巖石圈解耦的有利部位，下地殼低速層在紅河斷裂帶NE側較厚，因此NE側深部的物質遷移、累積程度也略高于SW 側。

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紅河斷裂帶中段近期的重力變化率較北段和中南段低（平均為（0.16±1.57）μGal／a），重力場變化不顯著。其重力正變化低值區(qū)與密度擾動、地震P波速度擾動結果（王椿鏞等，2015）中20～30km深度的低密度、低速異常區(qū)較為一致，表明中段重力變化可能主要反映了中下地殼殼內介質的韌性流動；兩側重力正變化的速率相當，GPS觀測結果（Zhangetal．，2004）同樣顯示NE側的南華－楚雄－建水斷裂和SW 側的無量山斷裂帶分別具有（4.2±1.3）mm／a和（4.3±1.1）mm／a的右旋活動，上、中地殼運動具有整體性且連續(xù)變形的特征。中段重力變化率自NE向SW 以（－1.01±0.58）μGal／a·100km的速率逐漸減小，表明NE側質量累積更多。以往的地震測深結果（丁志峰等，1999）顯示，NE側的地殼厚度較SW 側深4～5km，中下地殼的低速異常區(qū)可能為韌性層，伴隨歐亞與印度板塊持續(xù)碰撞與擠壓，青藏高原深部物質向周邊軟弱地帶遷移，川滇菱形塊體地殼增厚并向SE側運動，其運動速率和位移量均大于華南塊體和紅河斷裂變形帶，導致紅河斷裂帶NE側的地殼增厚大于SW 側，近期NE側的重力變化率高于SW 側是紅河斷裂帶地殼厚度東厚西薄背景趨勢的繼承。

地殼內部形變與密度變化的耦合運動是地球運動的基本形式，在地殼外部動力和物質交換持續(xù)作用下，地殼內部產生變形，促使殼內物質重新分布（密度變化），同時密度的變化又促使殼內形變的調整和改變，兩者相互耦合、相互作用，使地殼處于不斷變化的過程中，形成構造運動（申重陽等，2007）。其在地表直接表現為地表變形和重力場的時空變化，重力場變化主要是伴隨活動斷層的物質變遷和構造變形引起的重力效應。紅河斷裂帶及鄰區(qū)近期的重力變化包含各種信號源（例如地表垂直運動、地表水循環(huán)、剝蝕等），這些信號源彼此耦合、共同影響地表重力變化，例如地表垂直運動可能產生新的張裂，或改變已有破裂規(guī)模，地表水或巖漿將流出或流進變化空間，使測點附近的介質質量發(fā)生變化，從而引起重力變化。本文對研究區(qū)的地表垂直運動、地表水循環(huán)、剝蝕、冰川均衡調整效應引起的重力變化進行了分析并扣除，主要從形變的角度討論了重力變化特征，而地表的重力變化實質是由地殼形變與密度變化耦合運動共同引起。綜合多種信號源及其耦合效應分析，將是今后獲取更精確地殼運動模型的有效途徑。

3.2 紅河斷裂帶近期的重力變化反映的莫霍面變形

區(qū)域重力場變化模型包括密度變化、膨脹擴容、質量遷移、質源體、莫霍面變形和斷層位錯等，其中陳運泰等（1980）、Sun等（2011）、邢樂林等（2017）等提出了物質運移－莫霍面變形模式解釋重力變化機理?？紤]到地震測深和層析成像結果顯示的地殼內高速體構成控制紅河斷裂兩側塊體內和塊體間低速體運移的三維構架，本文將地殼看作剛性塊體，巖石圈內物性差異、密度差異較大的莫霍面在應力積累和重力勢能作用下，密度界面及周邊介質易產生不規(guī)則運移和重新分布，從而導致重力場變化。

紅河斷裂帶及鄰區(qū)的莫霍面模型源自遠震接收函數（Wangetal．，2017）和重力反演結果（汪健等，2015），依據各自精度經加權平均得出（圖9a）。紅河斷裂帶及鄰區(qū)的莫霍面總體呈自SE（約36km）至NW 遞增（約50km）的特征，以紅河斷裂帶為界，東側深度普遍大于西側，斷裂帶兩側的地殼結構橫向差異顯著；紅河斷裂帶和小江斷裂帶北段之間的川滇菱形塊體內莫霍面深度較淺，存在幔隆現象，對應峨眉山大火成巖省內帶范圍；北段與中南段的莫霍面等深線與地表斷裂方向平行，中段近垂直。殼幔密度差由地震波速參考模型（王椿鏞等，2002）經速度－密度轉換公式獲得：地殼P波的平均波速為6.0km／s；莫霍面以下殼幔轉換帶平均波速為8.2km／s，密度差為0.58g／cm3。

基于紅河斷裂帶北段、中段重力觀測獲得的重力變化信息，以莫霍面分布和殼幔密度差作為初始參考模型，應用Parker－Oldenburg迭代算法（Parker，1973；Oldenburg，1974）反演莫霍面深部變形結果如圖9b所示（設定向上為正）。紅河斷裂帶的平均變形速率為0.54cm／a，與Jiao等（2019）和Rao等（2021）利用GRACE、GPS和水文模型等資料獲得的反演結果（分別為2.17cm／a和0.42cm／a）趨勢一致。反演結果間出現差異的主要原因在于數據源不同及研究區(qū)域不重合，其中Rao等（2021）的研究區(qū)域為整個青藏高原地區(qū)（海拔≥2 500m）、Jiao等（2019）則為青藏高原東緣地區(qū)，但上述結果均顯示處于青藏高原東南緣的紅河斷裂帶近期莫霍面呈持續(xù)隆升趨勢。相比于青藏高原中南部近期莫霍面的下沉趨勢（Jiaoetal．，2019；Raoet al．，2021），深地殼流動和對流巖石圈脫離可能是青藏高原東南緣莫霍面隆升的主要原因（Yiet al．，2016）。

圖9 a紅河斷裂帶及鄰區(qū)的莫霍面深度分布；b近期的莫霍面變形速率Fig．9 Depth of Moho（a）and recent Moho deformation rate（b）of the Red River fault zone．

紅河斷裂帶附近近期莫霍面的變形不均，北段、中段和中南段的莫霍面變形速率為－0.06cm／a、1.36cm／a和0.32cm／a。斷裂帶兩側莫霍面變形差異北段最大、中段次之、中南段最小。其中，北段賓川—永平剖面自NE至SW 莫霍面由下沉逐漸轉為隆升，斷裂帶處于過渡轉折區(qū)；中段楚雄—景谷剖面的莫霍面變形速率以紅河斷裂帶為界，NE側整體隆升而SW 側下沉，SW 側的變形差異大于NE側；中南段昆明—墨江剖面的莫霍面變形速率值較小，地殼深部變形不顯著；紅河斷裂帶區(qū)域莫霍面的變形速率均處于零值線附近，小于兩側地塊，體現了作為具有深部背景、超殼斷裂的紅河斷裂帶對地殼深部變形的邊界控制作用。

3.3 趨勢重力變化與地震活動的關系

紅河斷裂帶中段近期地震活動性較弱，2012—2019年共發(fā)生MS≥2.0地震14次，多為上中地殼淺源、走滑斷層型地震。有學者提出由于受川滇地塊運動和紅河斷裂帶北段活動的共同影響，紅河斷裂帶中段長期處于壓扭環(huán)境，形成寬厚的斷層泥帶，斷層長期運動可能以蠕滑的形式緩慢釋放，應變難以積累（李亞敏，2008）。中段地震主要發(fā)生在楚雄－建水斷裂與磨盤山－綠汁江斷裂交會處、無量山斷裂景東段和景谷盆地周緣，除2018年2月20日景東MS4.0地震距紅河斷裂帶較近（40km）外，其余地震距紅河斷裂帶均＞100km，與紅河斷裂帶的直接關聯度較小。鄰區(qū)近期最大地震為2014年景谷MS6.6地震，地震發(fā)生在無量山斷裂西支的NW 延長線上，主震及其余震位于上地殼低速異常區(qū)內，低速異?？赡芘c地殼高度破碎及斷層、微裂隙中存在流體有關，斷層帶存在超壓流體使得斷層強度降低，促使斷層進一步活動、破裂（李永華等，2014）；震前區(qū)域重力場的演變過程（孫少安等，2015）表明滇西南區(qū)域重力場變化速度快、升降轉換周期短，在復雜構造環(huán)境和反復增強的應力場條件下，地震能量快速積累和釋放的區(qū)域性特征。本研究的結果表明，中段近期的重力變化率較低，重力變化不顯著，地殼深部物質累積差異?。唤贕PS觀測到的地殼形變結果亦顯示中段的垂直斷層運動速率較小，以右旋走滑為主，閉鎖程度與滑動虧損速率高于北段和中南段（徐文等，2019）。較小的重力變化和水平形變速率，彰顯出紅河斷裂帶中段地殼“弱變形”特征。作為一條重要的塊體邊界斷裂帶，紅河斷裂帶中段具有發(fā)生高震級地震的構造條件，近期重力變化率較低，表明該區(qū)處于重力正、負變化過渡區(qū)，加之中段閉鎖程度強，易于積累應力而孕育地震。因此，紅河斷裂帶中段應是未來重點監(jiān)測區(qū)域之一。

中南段近期地震活動頻繁，2012—2019年共發(fā)生MS≥2.0地震26次，主要沿曲江斷裂、阿墨江斷裂和個舊斷裂分布，其中較大的2組地震為2018年9月8日墨江5.9級地震和8月13日通海5.0級地震，短短一個月內發(fā)生2組3次5級以上破壞性地震，表明中南段近期的地震活動似乎進入活躍階段，該區(qū)域中小地震頻發(fā)，應力積累和釋放周期較短，加之紅河斷裂帶附近變形區(qū)普遍基底反射較弱，地幔熱物質持續(xù)加熱殼幔過渡帶性質的下地殼，脆性的上地殼成為應力失衡突破點。地震層析成像結果顯示，紅河斷裂帶中南段地殼介質硬度整體東強西弱，兩側震群大多位于重力變化率零值線附近，處于物質膨脹（密度減少）和收縮（密度增加）的過渡部位，也是地下物質差異運動較大的區(qū)域，在周邊應力持續(xù)失衡的作用下易產生剪應力而首先破裂。兩側的地震活動性亦存在差異性，NE側楚雄－建水斷裂和曲江斷裂附近眾多中強地震多發(fā)生在斷裂交會處及中地殼低速層與上地殼高速塊體的接觸邊界上，而SW 側的地震頻次低于東側，且多發(fā)生在單一斷裂上地殼高、低速體過渡帶處。

4 結論

由于受川滇菱形塊體SSE向擠出、印支塊體SE向擠出、印緬塊體側向擠壓和向E俯沖等周邊塊體運動的影響，紅河斷裂帶及鄰區(qū)的地殼變形橫向差異顯著。重力變化是反映深部物質遷移的直接體現，區(qū)域重力變化既反映了現今地殼物質重新分布，同時也受到更廣域構造動力環(huán)境的制約和影響。本文基于紅河斷裂帶北段、中段、中南段2013—2019年的重力觀測資料，扣除地殼垂直運動、地表水儲量變化、剝蝕和冰川均衡調整等重力效應，提取了深部物質遷移引起的重力變化信息；基于近期重力變化和地殼結構模型，反演了紅河斷裂帶北段、中段、中南段的莫霍面變形特征。

（1）紅河斷裂帶北段、中段、中南段因地殼垂向運動引起的重力變化平均為（－0.11±0.21）μGal／a、（0.22±0.21）μGal／a和（0.16±0.21）μGal／a，近期紅河斷裂帶及鄰區(qū)地表整體以（0.92±1.17）mm／a的速率隆升，與青藏高原隆升的背景趨勢相同；地表水儲量變化引起的重力效應不可忽略，變化幅值達－10～10μGal，斷裂帶兩側的重力變化趨勢一致，兩側差值中段高于北段。

（2）紅河斷裂帶北段、中段、中南段近期的重力變化具有分段性特征：北段的平均重力變化率為（－0.39±1.30）μGal／a，整體呈重力負變化趨勢，以紅河斷裂帶為界，NE側呈負變化、SW 側呈正變化，兩側重力變化差異顯著，SW 側相對NE側以（3.1±0.55）μGal／a·100km的重力變化率增加，反映出在青藏高原物質東流大背景下深部物質跨越紅河斷裂帶后受瀾滄江剛性塊體阻擋，質量不斷累積的特征；中段平均以（0.16±1.57）μGal／a的速率呈重力低速正變化趨勢，斷裂帶區(qū)域較兩側的重力變化率低，體現了紅河斷裂帶的深部邊界控制作用，SW 側相對NE側以（－1.01±0.58）μGal／a·100km的重力變化率逐漸減小，東側質量累積更多；中南段近期的平均重力變化率為（0.29±1.25）μGal／a，作為印支塊體與川滇菱形地塊、華南塊體交界區(qū)，重力正變化表現了塊體間較明顯的相互側向擠壓、深部物質累積的性質，斷裂帶NE側的變化幅值大于SW 側，SW 側相對于NE側整體以（－0.21±0.48）μGal／a·100km的重力變化率逐漸減小。

（3）近期紅河斷裂帶附近區(qū)域的莫霍面平均以0.54cm／a的速率持續(xù)隆升，北段、中段和中南段平均變形速率為－0.06cm／a、1.36cm／a和0.32cm／a。北段自NE至SW，莫霍面由下沉逐漸轉為隆升，斷裂帶處于過渡轉折區(qū)；中段整體表現為以紅河斷裂帶為界NE側隆升SW 側下沉的趨勢；中南段的莫霍面變形速率較低且兩側差異小；紅河斷裂帶區(qū)域的莫霍面變形速率處于零值線附近，明顯低于兩側地塊，體現了其對地殼深部變形較強的邊界控制作用。

致謝中國地震臺網中心、二測中心、云南省地震局、雙柏縣地震局協助實施了重力觀測；審稿專家提出了寶貴的修改意見和建議；作者與中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院邢樂林博士進行了有益探討。在此一并表示感謝！