2021年云南漾濞MS6.4地震前重力變化

劉 東 郝洪濤 王青華 鄭秋月 黃江培

1)武漢大學(xué)測繪學(xué)院， 武漢 430079 2)云南省地震局， 昆明 650224 3)中國地震局地震研究所， 中國地震局大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070

0 引言

云南地區(qū)是青藏高原物質(zhì)E向運(yùn)動并發(fā)生SE向旋轉(zhuǎn)的前緣區(qū)域， 地殼運(yùn)動活躍， 破壞性地震多發(fā)。地質(zhì)證據(jù)表明， 紅河斷裂帶的活動強(qiáng)度以其中段的大理及其附近地區(qū)最強(qiáng)烈， 整個斷裂帶自新生代以來的活動時序也從南、 北兩端逐漸向中段的大理地區(qū)變新， 可與斷裂帶中段的現(xiàn)代中強(qiáng)震相對應(yīng)(李祥根等， 1986； 邢全友等， 1986； 樊倬等， 2020)。

為監(jiān)測和研究云南地區(qū)的地震活動， 中國地震局地震研究所、 云南省地震局等自20世紀(jì)80年代以來， 從滇西地震預(yù)報實(shí)驗(yàn)場開始逐步建立了覆蓋云南全省及周邊的地震重力監(jiān)測網(wǎng)(王青華等， 2019)。

研究表明， 云南及周邊地區(qū)流動重力監(jiān)測網(wǎng)可識別5級以上與地震相關(guān)的重力變化(王青華等， 2020)， 重力場變化與該地區(qū)的中強(qiáng)震前兆變化關(guān)系密切， 云南地區(qū)中強(qiáng)震多發(fā)生在重力場變化的正、 負(fù)異常過渡帶和高梯度帶附近(申重陽等， 2011； 祝意青等， 2015， 2017， 2018)。此外， 一些研究者還對2009年7月姚安MS6.0 、 2014年10月景谷MS6.6 強(qiáng)震進(jìn)行了較好的中長期預(yù)測(申重陽等， 2011； 孫少安等， 2015)。

云南漾濞地區(qū)于2021年5月18—19日發(fā)生了多次地震， 最大震級為MS4.4 ， 震中位于南澗-巍山斷裂帶左側(cè)9km處； 21日晚再次發(fā)生若干地震， 最大震級為MS6.4 ， 震中(25.67°N， 99.87°E)位于南澗-巍山斷裂帶左側(cè)12km處， 即具有右旋走滑運(yùn)動特征的維西-喬后斷裂帶南端(常祖峰等， 2014， 2016； Changetal.， 2018)， 屬右旋走滑型地震。本文處理了云南地區(qū)多期流動重力觀測數(shù)據(jù)， 分析了區(qū)域重力場變化圖像， 研究漾濞MS6.4 地震前的重力場變化特征， 并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景和震源機(jī)制分析其孕震機(jī)理， 獲取了地震前重力場的時空動態(tài)演化特征和前兆表現(xiàn)， 為今后的地震分析預(yù)報工作提供了有益參考。

1 流動重力測網(wǎng)和觀測概況

目前， 云南省及周邊地區(qū)共有重力測點(diǎn)249個， 其中包括9個絕對重力點(diǎn)， 測段數(shù)為274段， 測點(diǎn)及測線分布情況如圖 1 所示。云南省地震局每年開展2期流動重力觀測， 以獲取重力場變化資料， 并應(yīng)用于地震中長期趨勢分析和地球科學(xué)研究。本文的研究區(qū)域范圍為(21°～29°N， 97°～106°E)， 主要包括云南地區(qū)。分析2015年以來云南地區(qū)的重力場累積變化特征， 并結(jié)合2019年以來的重力場短期變化特征， 共同研究云南漾濞MS6.4 地震前重力場的時空動態(tài)變化與孕震過程之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖 1 云南省重力測點(diǎn)、 聯(lián)測路線及斷層分布略圖Fig. 1 Outline map of gravity survey points， survey routes and faults in Yunnan Province.

由圖 1 可知， 重力觀測點(diǎn)在全省分布的情況稀疏有別： 中部及大理麗江地區(qū)的點(diǎn)位分布較密集， 測點(diǎn)平均間距約為30km； 南部及怒江傈僳族自治州、 文山壯族苗族自治州等地的測點(diǎn)分布稀疏， 平均間距約為55km。根據(jù)平差計(jì)算后的結(jié)果得到了具有一定空間分辨率的格網(wǎng)數(shù)據(jù)， 并基于多年數(shù)據(jù)累積差值獲得了重力場變化圖像。

2 數(shù)據(jù)處理

野外數(shù)據(jù)采集儀器為CG-5相對重力儀， 該儀器段差測量精度優(yōu)于10.0×10-8m·s-2， 讀數(shù)分辨率為1.0×10-8m·s-2， 殘差長期零漂率通過軟件實(shí)時改正后優(yōu)于5.0×10-8(m·s-2)/d， 具有自動觀測讀數(shù)功能， 可選擇潮汐、 傾斜、 溫度、 濾波等修正項(xiàng)進(jìn)行自動重力改正(汪健等， 2016； 黃江培等， 2020)。絕對測量工作由中國地震局地震研究所采用FG-5絕對重力儀觀測， 絕對測定精度優(yōu)于5.0×10-8m·s-2(邢樂林等， 2016)。

對2015年3月—2021年3月的重力資料進(jìn)行平差計(jì)算時， 首先對觀測資料進(jìn)行自由網(wǎng)平差， 初步了解各臺儀器的觀測精度， 合理分配各臺儀器的先驗(yàn)方差； 然后利用絕對重力控制， 對預(yù)處理后的結(jié)果進(jìn)行經(jīng)典平差(馮建林等， 2020)， 平差計(jì)算的精度如表1 所示； 之后使用GMT繪圖軟件中surface模塊進(jìn)行連續(xù)曲面網(wǎng)格插值， 在此過程中考慮了地形差異， 設(shè)置不同的拉張力數(shù)值(取值為0～1)， 鑒于云南地區(qū)地形的復(fù)雜程度， 將該值設(shè)置為0.5～0.75； 最后獲取數(shù)據(jù)累積差值并繪制重力場變化圖像。

表1 2015年3月—2021年3月的重力數(shù)據(jù)處理結(jié)果精度表Table1 Accuracy of gravity data processing results from September 2015 to March 2021

2015年3月—2021年3月共13期的數(shù)據(jù)點(diǎn)值精度均值為(6.9～10.5)×10-8m·s-2， 后驗(yàn)中誤差和先驗(yàn)中誤差的差值較小， 反映重力觀測資料質(zhì)量可靠， 可依據(jù)此數(shù)據(jù)真實(shí)反映區(qū)域重力場的時空動態(tài)演化過程。

完成數(shù)據(jù)處理后對漾濞地震震中漾濞測點(diǎn)及周邊永勝、 下關(guān)臺(絕對點(diǎn))、 騰沖及景東5個測點(diǎn)2018年3月—2021年3月的7期重力值變化進(jìn)行分析， 以2018年3月各自的重力值為基準(zhǔn)， 得到如圖 2 所示的結(jié)果。

圖 2 2018—2021年震中及周邊5個重力測點(diǎn)的點(diǎn)值變化圖Fig. 2 The values of five gravity measurement points at the epicenter and surrounding areas of the earthquake from 2018 to 2021.

圖 2 表明， 2018年3月—2021年3月的7期觀測結(jié)果中， 震中測點(diǎn)(漾濞)的變化量≤10×10-8m·s-2； 距離震中較近的下關(guān)臺測點(diǎn)的變化量≤10×10-8m·s-2； 震中北部測點(diǎn)(永勝)、 西部測點(diǎn)(騰沖)、 南部測點(diǎn)(景東)的變化量均較大， 最大量值>60×10-8m·s-2。

3 震前區(qū)域重力場變化

3.1 年際重力場動態(tài)變化

對2015年以來的多期重力資料進(jìn)行準(zhǔn)同期觀測的年際重力場動態(tài)變化分析(圖 3)， 以研究云南地區(qū)年際重力場的動態(tài)變化特征。

圖 3 震前重力場1a期差分動態(tài)變化圖Fig. 3 Regional gravity field change during a one-year period before the Yangbi earthquake.a 2015年3月—2016年3月； b 2016年3月—2017年3月； c 2017年3月—2018年3月； d 2018年3月—2019年3月； e 2019年3月—2020年3月； f 2020年3月—2021年3月

(1)2015年3月—2016年3月期間(圖3a)， 測區(qū)東部的巧家地區(qū)出現(xiàn)>40×10-8m·s-2的重力變化， 并且沿小江斷裂帶呈現(xiàn)出明顯的重力高梯度帶， 重力變化零值線和小江斷裂帶的交會處——尋甸—嵩明地區(qū)在2015年3月9日發(fā)生MS4.5 地震(震中位于(25.3°N， 103.1°E))， 較好地反映了重力變化受區(qū)域應(yīng)力場作用和斷裂活動的控制； 以下關(guān)地區(qū)為中心， 重力變化較為微弱， 麗江、 劍川、 姚安等地區(qū)位于重力變化零值線附近。

(2)2016年3月—2017年3月期間(圖3b)， 測區(qū)東部的巧家—魯?shù)榈貐^(qū)的重力由正變化40×10-8m·s-2轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)變化-10×10-8m·s-2； 2017年2月8日昭通市魯?shù)榭h發(fā)生MS4.9 地震(震中位于(27.1°N， 103.4°E))， 臨震前震中的地質(zhì)構(gòu)造活動加強(qiáng)， 在孕震過程中， 重力場在震中及附近區(qū)域出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化； 下關(guān)地區(qū)的重力變化由正變化轉(zhuǎn)為負(fù)變化， 并且漾濞地區(qū)的重力變化仍然較為微弱， 變化量值 <10×10-8m·s-2； 保山—景東地區(qū)的重力由正變化20×10-8m·s-2轉(zhuǎn)為負(fù)變化-10×10-8m·s-2。

(3)2017年3月—2018年3月期間(圖3c)， 測區(qū)北部麗江地區(qū)的重力變化由正變化轉(zhuǎn)為負(fù)變化； 測區(qū)東南部沿紅河斷裂帶以南地區(qū)的重力由負(fù)變化轉(zhuǎn)為正變化； 漾濞地區(qū)的重力變化較為微弱， 約為-5×10-8m·s-2， 且位于重力變化的零值線、 高梯度帶和重力變化等值線的拐彎處。同時， 周圍地區(qū)的重力變化出現(xiàn)正、 負(fù)轉(zhuǎn)變， 2017年3月27日漾濞地區(qū)發(fā)生MS5.1 地震， 震中(25.9°N， 99.8°E)靠近重力零值線。

(4)2018年3月—2019年3月期間(圖3d)， 沿維西-喬后斷裂帶、 紅河斷裂帶北段， 在永勝地區(qū)負(fù)變化幅值>40×10-8m·s-2， 紅河斷裂帶西側(cè)的保山—昌寧地區(qū)的重力正變化約為 10×10-8m·s-2； 漾濞—下關(guān)地區(qū)重力變化不明顯， 變化量<10×10-8m·s-2； 整個區(qū)域沿紅河斷裂帶分為東側(cè)的負(fù)變化區(qū)域和西側(cè)的正變化區(qū)域， 震中位置處在零值線上。

(5)2019年3月—2020年3月期間(圖3e)， 紅河斷裂帶北段麗江—下關(guān)—耿馬地區(qū)由上一時段的重力正異常區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹亓ω?fù)異常區(qū)； 麗江—下關(guān)地區(qū)由重力負(fù)異常區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹亓φ惓^(qū)； 測區(qū)大部分范圍與上一時段相比重力變化劇烈； 漾濞—下關(guān)地區(qū)的重力變化較為微弱， 約為-6×10-8m·s-2， 該區(qū)處于重力變化零值線附近且為正、 負(fù)異常高梯度帶區(qū)域， 漾濞地震的震中位于重力變化的拐彎處。

(6)2020年3月—2021年3月期間(圖3f)， 麗江—下關(guān)地區(qū)由重力正異常區(qū)轉(zhuǎn)為負(fù)異常區(qū)； 騰沖—保山地區(qū)負(fù)異常量增加； 維西-喬后斷裂帶南端南澗地區(qū)的重力異常由正異常 10×10-8m·s-2轉(zhuǎn)為負(fù)異常-20×10-8m·s-2； 漾濞地區(qū)的重力變化較微弱， 約為-5×10-8m·s-2， 漾濞地震的震中位置處于重力變化四象限靠近零值線的區(qū)域， 四象限所在區(qū)域范圍內(nèi)的重力場與2018年3月—2019年3月相比， 正、 負(fù)異常區(qū)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)變， 重力變化顯著。

3.2 累積重力場動態(tài)變化

利用2016年3月—2021年3月的重力數(shù)據(jù)分別繪制了2a尺度區(qū)域重力場累積變化(圖4a—d)和4a尺度的區(qū)域重力場累積變化(圖4e， f)， 以分析不同時段的區(qū)域重力場累積變化特征。

圖 4 震前區(qū)域重力場累積變化圖Fig. 4 Cumulative changes of the gravity field before the earthquake.a 2016年3月—2018年3月； b 2017年3月—2019年3月； c 2018年3月—2020年3月； d 2019年3月—2021年3月； e 2016年3月—2020年3月； f 2017年3月—2021年3月

(1)2016年3月—2018年3月期間(圖4a)， 測區(qū)重力場自北向南出現(xiàn)由負(fù)向正的趨勢變化， 小江斷裂帶南端的通?！恋貐^(qū)重力變化>50×10-8m·s-2， 這與2018年8月13日、 14日在通海發(fā)生的2次MS5.0 地震(震中位于(25.3°N， 103.1°E))有一定的對應(yīng)關(guān)系； 以下關(guān)—漾濞地區(qū)為中心， 重力變化微弱， 2a期的變化量約為(-10～15)×10-8m·s-2。

(2)2017年3月—2019年3月期間(圖4b)， 測區(qū)重力場負(fù)變化區(qū)域范圍減小， 在漾濞—保山—騰沖地區(qū)， 重力場呈正變化， 變化量為10×10-8m·s-2。零值線大致以維西-喬后斷裂帶和紅河斷裂帶北段交會處為中心(漾濞—下關(guān)地區(qū))， 由圖4a 中的近似NW向斜切轉(zhuǎn)變?yōu)镾N向橫切， 東端至巧家附近區(qū)域。通海地震后， 該區(qū)域的重力場變化趨近于0， 表明重力場處于震后恢復(fù)階段。漾濞—下關(guān)地區(qū)的重力變化微弱， 2a期的變化量約為(0～10)×10-8m·s-2。

(3)2018年3月—2020年3月期間(圖4c)， 測區(qū)大部分地區(qū)的重力異常為負(fù)變化， 重力變化值為(-30～10)×10-8m·s-2； 漾濞—下關(guān)地區(qū)的重力變化微弱， 2a期的變化量約為(0～-10)×10-8m·s-2。

(4)2019年3月—2021年3月期間(圖4d)， 測區(qū)大部分地區(qū)的重力異常為正變化， 麗江—永勝、 保山—景東之間的重力正變化較大， 量值>20×10-8m·s-2， 且在漾濞—下關(guān)地區(qū)出現(xiàn)較為明顯的重力異常四象限特征。

(5)2016年3月—2020年3月期間(圖4e)， 測區(qū)重力場自北向南出現(xiàn)由負(fù)向正的趨勢變化， 沿零值線出現(xiàn)了2處重力異常高梯度帶， 分別是漾濞—保山負(fù)變化區(qū)域和昆明—通海正變化區(qū)域， 變化值分別為-20～0×10-8m·s-2和0～20×10-8m·s-2。

(6)2017年3月—2021年3月期間(圖4f)， 測區(qū)重力場負(fù)異常區(qū)域范圍減小， 正異常區(qū)域范圍增大， 在騰沖—保山、 保山—景東地區(qū)正異常量值較大， 最大值>40×10-8m·s-2。沿零值線， 漾濞地區(qū)為重力異常高梯度帶， 且處于高梯度帶的拐彎處； 漾濞—下關(guān)地區(qū)位于重力變化零值線附近， 且以該區(qū)域?yàn)橹行模?重力變化四象限特征明顯。

3.3 震前重力場短期變化

震區(qū)相鄰2期重力場2019年3月—2021年3月0.5a期變化如圖 5 所示。

圖 5 漾濞 MS6.4 地震前重力場0.5a期差分動態(tài)變化圖Fig. 5 Half-year changes of the gravity field near the earthquake zone before the MS6.4 Yangbi earthquake.a 2019年3月—2019年9月； b 2019年9月—2020年3月； c 2020年3月—2020年9月； d 2020年9月—2021年3月

(1)2019年3月—2019年9月期間(圖5a)， 震中重力變化量值為-7×10-8m·s-2， 0.5a期變化量較小； 沿紅河斷裂帶中北段， 麗江—永勝地區(qū)重力負(fù)變化減小， 變化量值約為(0～-5)×10-8m·s-2； 騰沖—瑞麗地區(qū)重力負(fù)變化量值變大， 負(fù)變化幅值>20×10-8m·s-2； 以下關(guān)地區(qū)為中心， 重力場變化四象限特征明顯。

(2)2019年9月—2020年3月期間(圖5b)， 震中重力變化量值為(0～-5)×10-8m·s-2， 0.5a期變化量不明顯； 瑞麗地區(qū)的重力負(fù)變化量轉(zhuǎn)為正變化， 變化值>10×10-8m·s-2； 紅河斷裂帶北段以麗江為中心， 重力變化轉(zhuǎn)為負(fù)變化， 變化極值約為-15×10-8m·s-2； 紅河斷裂帶中南段負(fù)變化區(qū)域集中在下關(guān)、 耿馬、 思茅等地區(qū)之間， 變化極值約為-15×10-8m·s-2； 以漾濞—下關(guān)地區(qū)為中心， 重力場變化四象限特征明顯。

(3)2020年3月—2020年9月期間(圖5c)， 震中處于正、 負(fù)高梯度帶的零值線位置， 兩側(cè)正、 負(fù)重力變幅在(30～-20)×10-8m·s-2之間， 震中東側(cè)永勝地區(qū)的重力正變化量為 30×10-8m·s-2， 西側(cè)保山等地的變化量為-20×10-8m·s-2。

(4)2020年9月—2021年3月期間(圖5d)， 震中測點(diǎn)的重力變化值為-2×10-8m·s-2， 附近區(qū)域變化明顯， 東、 西兩側(cè)與前一期(圖5c)相比， 重力正、 負(fù)變化轉(zhuǎn)折， 兩側(cè)正、 負(fù)重力變幅在(-25～0)×10-8m·s-2之間， 其中東側(cè)永勝等地的重力變化為-25×10-8m·s-2， 西側(cè)保山等地的變化為0m·s-2， 綜合2020年3月—2020年9月期間的重力場變化情況(圖5c)可知， 震中東、 西兩側(cè)臨震2期的轉(zhuǎn)折變化量為(-55～20)×10-8m·s-2， 震中東、 西兩側(cè)2期的最大轉(zhuǎn)折變化量的正、 負(fù)差為75×10-8m·s-2； 該圖中漾濞地震震中距重力顯著正變化的保山、 景東測點(diǎn)的距離均值約為130km， 即為實(shí)際重力變化時變距。

綜合以上分析得知， 漾濞地震發(fā)震前， 重力場變化主要有以下3個特征： 1)2018—2021年震中位置重力變化微弱， 2018年3月—2019年3月、 2019年3月—2020年3月、 2020年3月—2021年3月， 變化量分別為0、 -6×10-8m·s-2、 -5×10-8m·s-2， 在2020年9月—2021年3月臨震階段， 0.5a期間震中測點(diǎn)的重力變化仍較為微弱(-2×10-8m·s-2)； 2)震中位置處于重力場變化的高梯度帶地區(qū)， 且震前相鄰2期的重力變化顯著； 3)以漾濞—下關(guān)為中心， 在短期、 1a期、 多年期重力場變化中存在重力變化四象限特征。

4 討論

重力場變化與活動斷裂構(gòu)造關(guān)系密切， 伴隨著構(gòu)造斷裂活動， 重力場在中強(qiáng)震的孕育發(fā)生過程中重力異常等值線轉(zhuǎn)折且密集， 重力場梯度帶和正、 負(fù)變化的空間分布將發(fā)生相應(yīng)變化(祝意青等， 2017； 吳昊昱等， 2018； Chenetal.， 2019； Xuanetal.， 2019)。震前重力場累積變化四象限顯著， 并在震中附近區(qū)域等值線密集， 形成重力變化的高梯度帶， 1a期和短期以震中為中心， 東、 西兩側(cè)重力變化劇烈， 震中東側(cè)為重力正變化區(qū)域， 西側(cè)為重力負(fù)變化區(qū)域， 高梯度帶和四象限特征多次以震中區(qū)域?yàn)橹行某霈F(xiàn)。

與2017年四川九寨溝地震前區(qū)域重力場變化基本一致， 震前斷層活動引起地表重力場變化， 地震發(fā)生在重力變化正、 負(fù)異常區(qū)過渡的高梯度帶上及重力變化等值線的拐彎部位(陳兆輝等， 2019)。但漾濞地震震中區(qū)域的重力場多年變化具有弱變化的特征， 2018年3月—2021年3月多年的重力場變化弱， 變化量<10×10-8m·s-2， 即漾濞地區(qū)為中心， 中心位置重力場變化弱， 周圍地區(qū)重力場正、 負(fù)變化較為劇烈。

利用重力變化異常指標(biāo)公式(胡敏章等， 2019)， 由漾濞地震實(shí)際發(fā)震震級計(jì)算得到理論時變距為127.4km； 根據(jù)0.5a及1a期的重力異常變化情況， 得到重力異常變化量級G約為75×10-8m·s-2， 利用重力變化量級G和震級MS計(jì)算得到理論震級為MS6.2 ， 公式為

(1)

式中，S為重力變化異常時變距， 單位為km；MS為震級；G為重力變化異常量， 量級和單位為1×10-8m·s-2。

已有研究資料表明，MS6 和MS7 地震的重力變化異常范圍參考指標(biāo)分別為220km和350km， 重力變化異常量級的參考指標(biāo)分別為70×10-8m·s-2和90×10-8m·s-2。與參考指標(biāo)對比可知： 漾濞地震造成的重力變化異常范圍為260km(約為實(shí)際重力變化時變距的2倍)， 介于參考指標(biāo)220～350km之間， 且實(shí)際重力變化時變距130km與重力變化異常指標(biāo)計(jì)算公式(式(1))得到的結(jié)果127.4km幾乎一致； 漾濞地震MS6.4的震級稍大于重力異常指標(biāo)(式(1))的計(jì)算結(jié)果MS6.2 。根據(jù)重力異常2項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果和漾濞地區(qū)震后伴隨發(fā)生的42次MS>3.0 地震， 可判斷漾濞地區(qū)地下活動的能量已完全釋放，MS6.4 為該次地震主震， 震后短期內(nèi)無更大地震發(fā)生的可能。

5 結(jié)論

分析漾濞地震前的重力場變化情況， 可得到如下結(jié)論： 1)震中位置的重力變化較為緩慢， 但圍繞震中附近區(qū)域短期重力變化較為明顯， 1a期重力變化顯著， 多年期重力變化呈四象限特征分布； 2)震中處于重力變化的高梯度帶區(qū)域， 附近重力場變化區(qū)域多呈四象限特征分布； 3)通過震區(qū)異常范圍內(nèi)的重力變化異常量和重力變化異常時變距指標(biāo)， 可對震區(qū)內(nèi)可能發(fā)生地震的最大震級做出判斷， 并可為震后研判工作提供幫助； 4)根據(jù)震區(qū)重力場累積差分變化， 可獲得發(fā)震斷層兩側(cè)重力場的變化情況， 并據(jù)此分析斷層兩側(cè)地下物質(zhì)的遷移運(yùn)動情況， 可為研究發(fā)震機(jī)理提供幫助。