2018年寧強(qiáng)MS5.3地震前重力場(chǎng)變化特征分析

張永奇 韓美濤 曹建平 鄭增記

1)陜西省地震局，西安 710068 2)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

0 引言

重力場(chǎng)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化主要由地表觀測(cè)點(diǎn)的位置變化、地表整體變形運(yùn)動(dòng)以及地球內(nèi)部因構(gòu)造塊體變形運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的密度變化效應(yīng)疊加引起，包含了十分豐富的深部物質(zhì)運(yùn)移與地殼密度變化等構(gòu)造信息(李鐵明等，2018)。研究結(jié)果表明，地震發(fā)生前后區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)將發(fā)生明顯變化，這必將改變地殼內(nèi)部物質(zhì)的運(yùn)移及密度變化，進(jìn)而引起重力場(chǎng)在時(shí)間和空間上的轉(zhuǎn)折變化(顧功敘等，1997；馬瑾等，2007；陳石等，2011)。地震與重力場(chǎng)異常變化之間的關(guān)系為認(rèn)識(shí)地震孕育、發(fā)生過程提供了可靠且有效的途徑，通過定期重復(fù)流動(dòng)重力觀測(cè)，可以捕捉到震源區(qū)的重力前兆信息(Chen et al，1979；許厚澤，2003)。重力觀測(cè)用于地震研究最早可以追溯到19世紀(jì)20年代，國內(nèi)外已在不少地震前觀測(cè)到了可靠的重力異常變化，如1964年美國阿拉斯加地震、1965—1967年日本松代震群、1968年新西蘭因南格華地震、1975年海城地震、1976年唐山地震、2008年四川汶川地震、2013年甘肅岷縣-漳縣地震、2017年四川九寨溝地震等(Barnes，1966；Kisslinger，1975；Hunt，1970；陳運(yùn)泰等，1980；申重陽等，2009；祝意青等，2014、2017)。近年來，隨著全國及各省重力測(cè)網(wǎng)的不斷優(yōu)化改造，其映震能力得到不斷提升，進(jìn)而加快了重力地震指標(biāo)體系建設(shè)(賈民育等，2000；Zhu et al，2019；胡敏章等，2015、2019a)。近年來大量震例總結(jié)證明，重力手段不僅在地震重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)及大地震的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中可以發(fā)揮重要作用，在弱震地區(qū)及中小地震的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中也可以發(fā)揮積極作用(胡敏章等，2019b)。此外，進(jìn)行重力異常識(shí)別來判斷重力場(chǎng)變化的正常態(tài)和異常態(tài)時(shí)，不僅要關(guān)注重力場(chǎng)變化的非均勻程度，還需要分析重力場(chǎng)變化與布格重力異常背景場(chǎng)間的關(guān)系(申重陽等，2007；祝意青等，2012)。為掌握陜甘川地區(qū)的重力場(chǎng)時(shí)空變化特征及其與構(gòu)造活動(dòng)的關(guān)系，進(jìn)而捕捉地震前兆信息，陜西省地震局、甘肅省地震局、四川省地震局分別建立了各自的重力觀測(cè)網(wǎng)，并進(jìn)行1年2期的流動(dòng)重力測(cè)量。為了降低各個(gè)單位獨(dú)立測(cè)網(wǎng)解算帶來的不利影響，重力學(xué)科組要求各單位對(duì)相鄰測(cè)網(wǎng)進(jìn)行公共測(cè)點(diǎn)和測(cè)段的測(cè)量，從而為不同測(cè)網(wǎng)之間開展整體數(shù)據(jù)處理與分析提供便利條件，有利于充分發(fā)揮重力測(cè)網(wǎng)的作用和優(yōu)勢(shì)。

2018年9月12日陜甘川交匯地區(qū)發(fā)生寧強(qiáng)MS5.3地震，震源機(jī)制解顯示該地震為走滑型地震，震源深度約為11km。為深入認(rèn)識(shí)該地區(qū)中強(qiáng)地震孕育發(fā)生過程與重力異常變化的關(guān)系，為該地區(qū)的中強(qiáng)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)，本文利用2016—2018年流動(dòng)重力觀測(cè)資料以及震中區(qū)布格重力異常數(shù)據(jù)，對(duì)寧強(qiáng)MS5.3地震前重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)變化特征進(jìn)行研究，開展該項(xiàng)研究對(duì)于了解陜甘川地區(qū)地殼深部環(huán)境變化及地震成因機(jī)理等具有一定的科學(xué)意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

2018年9月12日寧強(qiáng)MS5.3地震發(fā)生在陜西省漢中市寧強(qiáng)縣與四川省廣元市交界處(32.75°N，105.69°E)，震中位于龍門山斷裂帶西北邊界的青川斷裂附近，青川斷裂具有多期活動(dòng)的特點(diǎn)，中生代表現(xiàn)為深部構(gòu)造層次的韌性剪切變形，第四紀(jì)以來的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)為右旋走滑(王全偉等，2000)。本文主要研究區(qū)域限定在以寧強(qiáng)MS5.3地震震中為中心、震中距200km范圍內(nèi)，該研究區(qū)在構(gòu)造體系上屬于青藏塊體東北緣的巴顏喀拉地塊與秦嶺造山帶和大別山構(gòu)造帶的交界部位，也屬于我國著名的南北地震帶中北段，其復(fù)雜多樣的構(gòu)造變形模式和構(gòu)造活動(dòng)特征是該地區(qū)中強(qiáng)地震孕育和發(fā)生的重要原因。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有晚第四紀(jì)以來活動(dòng)性較強(qiáng)的NNW向隴縣-寶雞斷裂帶；近EW向的西秦嶺斷裂、成縣盆地北緣斷裂和南緣斷裂、康縣斷裂、文縣斷裂；NEE向的青川斷裂和映秀-北川斷裂等，如圖1 所示。2008年汶川MS8.0地震后，該地區(qū)發(fā)生多次3.0級(jí)以上地震，本文統(tǒng)計(jì)了2009—2019年發(fā)生的3.0級(jí)以上地震，其中MS5.0以上地震2次，MS4.0以上地震23次，MS3.0以上地震145次，地震主要分布在汶川地震余震條帶上，如圖2 所示。

圖1 研究區(qū)斷裂及重力點(diǎn)分布

圖2 研究區(qū)完全布格重力異常及地震分布

1.2 流動(dòng)重力數(shù)據(jù)處理

本文采用的重力數(shù)據(jù)范圍為：32°N～35°N、104.5°E～107.5°E，主要處理2016—2018年5期流動(dòng)重力數(shù)據(jù)資料。數(shù)據(jù)由陜西省地震局、中國地震局第二監(jiān)測(cè)中心、中國地震局地球物理勘探中心、四川省地震局等單位觀測(cè)完成。每年進(jìn)行2期觀測(cè)，第一期一般在3—4月完成，第二期一般在8—9月完成，流動(dòng)重力復(fù)測(cè)利用2臺(tái)拉科斯特-隆貝格G型重力儀(LCR-G)進(jìn)行觀測(cè)，此外每年還對(duì)測(cè)網(wǎng)中的絕對(duì)重力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)觀測(cè)，主要由中國地震局地震研究所、自然資源部第一大地測(cè)量隊(duì)等單位采用FG-5絕對(duì)重力儀進(jìn)行施測(cè)。聯(lián)測(cè)時(shí)將絕對(duì)重力點(diǎn)納入測(cè)網(wǎng)中，本文采用的絕對(duì)重力點(diǎn)為西安重力測(cè)點(diǎn)、天水重力測(cè)點(diǎn)、廣元重力測(cè)點(diǎn)，絕對(duì)重力點(diǎn)觀測(cè)精度優(yōu)于5×10-8m/s2，相對(duì)重力觀測(cè)段差精度優(yōu)于10×10-8m/s2。數(shù)據(jù)處理過程如下：①將原來各個(gè)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)單獨(dú)計(jì)算優(yōu)化為按照區(qū)域進(jìn)行整網(wǎng)平差計(jì)算；②數(shù)據(jù)處理時(shí)采用基于絕對(duì)重力測(cè)點(diǎn)為起算基準(zhǔn)的經(jīng)典平差方法；③平差計(jì)算之前，首先對(duì)絕對(duì)重力和相對(duì)重力進(jìn)行各項(xiàng)改正，并對(duì)誤差較大的段差通過降權(quán)或粗差剔除的方法進(jìn)行優(yōu)化，最終計(jì)算結(jié)果顯示，各期平差結(jié)果平均點(diǎn)值精度約為12×10-8m/s2，如表1 所示，重力測(cè)點(diǎn)變化大于2倍中誤差的是可靠的重力變化，與點(diǎn)值精度相當(dāng)?shù)闹亓ψ兓鄬?duì)不可靠；④基于平差結(jié)果，計(jì)算半年和1年尺度的重力變化量，并利用GMT軟件提供的連續(xù)曲率格網(wǎng)算法進(jìn)行空間插值，并對(duì)插值結(jié)果進(jìn)行空間域?yàn)V波，進(jìn)而獲得整個(gè)研究區(qū)重力場(chǎng)變化等值線圖，如圖3、4所示。

表1 陜甘川地區(qū)重力網(wǎng)數(shù)據(jù)解算精度

圖3 寧強(qiáng)MS5.3地震前半年尺度重力場(chǎng)變化

1.3 布格重力數(shù)據(jù)處理

布格重力異常是地殼內(nèi)部不同密度巖性體綜合信息的表達(dá)，可以反映出地殼深部構(gòu)造特征及斷裂展布等信息。本文采用EGM2008重力場(chǎng)模型計(jì)算布格重力異常，EGM2008是現(xiàn)今精度和空間分辨率最高的重力場(chǎng)模型，可提供2160階的重力異常場(chǎng)球諧系數(shù)(Pavlis et al，2008、2012)。EGM2008重力場(chǎng)模型可在網(wǎng)站下載(1)http://icgem.gfz-potsdam.de，該網(wǎng)站提供自由空氣重力異常和簡單布格重力異常數(shù)據(jù)下載，對(duì)自由空氣重力異常經(jīng)過層間改正、曲率改正和地形改正，或者對(duì)簡單布格重力異常進(jìn)行地形改正，即可獲得完全布格重力異常。本文在經(jīng)過簡單布格重力異常地形改正后，獲得研究區(qū)0.02°×0.02°完全布格重力異常，如圖2 所示。由圖2 可知，研究區(qū)布格重力異常從西北地區(qū)向SE地區(qū)逐漸增大，基本特征為：①在研究區(qū)的西北地區(qū)，即成縣北緣斷裂以北區(qū)域，布格重力異?；驹?-350～-220)×10-5m/s2；②在研究區(qū)中部地區(qū)，即成縣北緣斷裂與青川斷裂之間區(qū)域，布格重力異?；驹?-220～-180)×10-5m/s2；③在研究區(qū)東南地區(qū)，青川斷裂以南區(qū)域布格重力異常基本在(-180～-100)×10-5m/s2。上述3個(gè)區(qū)域布格重力異常差異明顯，呈現(xiàn)明顯的梯度帶特征，說明研究區(qū)地下密度呈現(xiàn)明顯的橫向不均勻性。研究表明，地震大多發(fā)生在重力異常突變帶或斷裂交匯地區(qū)(周志鵬等，2014)，本次寧強(qiáng)MS5.3地震震中就位于布格重力異常發(fā)生突變的區(qū)域——青川斷裂附近。

布格重力異常是包含不同深度場(chǎng)源信息的疊加場(chǎng)，在研究深部構(gòu)造時(shí)需要對(duì)場(chǎng)源信息進(jìn)行有效分離，以提取出與研究對(duì)象相關(guān)的信息，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。諸多研究者基于布格重力異常，利用小波多尺度分解方法開展震例研究，已取得大量成果(玄松柏等，2012；劉芳等，2017；艾力夏提·玉山等，2017；姜文亮等，2010)。研究結(jié)果表明：小波多尺度分解方法是非常有效的一種場(chǎng)源分離方法，根據(jù)小波多尺度分解原理，重力異?？煞纸鉃?侯遵澤等，1997；楊文采等，2001)

Δg(x，y)=Ai+Di+Di-1+…+D1

(1)

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?；诖耍疚脑谟?jì)算布格重力異常的基礎(chǔ)上，利用小波多尺度分解方法對(duì)布格重力異常進(jìn)行場(chǎng)源信息分離，進(jìn)而研究寧強(qiáng)MS5.3地震的深部地殼結(jié)構(gòu)特征。實(shí)際處理過程中，將i階逼近平滑特征作為分解尺度選擇的依據(jù)，在MATLAB中選用二維重力異常分解的雙正交小波基函數(shù)“bior3.5”進(jìn)行i階小波分解，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)i=4時(shí)，小波逼近場(chǎng)具有平緩的區(qū)域場(chǎng)特征，且與3階小波逼近場(chǎng)具有高度相似性，從而得到1～4階小波逼近和小波細(xì)節(jié)，由于小波細(xì)節(jié)場(chǎng)與局部構(gòu)造特征相關(guān)，本文在分析寧強(qiáng)MS5.3地震的構(gòu)造背景特征時(shí)，僅分析1～4階小波細(xì)節(jié)圖像，如圖5 所示。

圖5 布格重力異常1～4階小波細(xì)節(jié)

2 寧強(qiáng)MS5.3地震前重力場(chǎng)變化特征分析

2.1 半年尺度重力變化特征分析

半年尺度重力場(chǎng)變化更能反映地震孕育過程中地下物質(zhì)運(yùn)移及密度變化的連續(xù)性特征。研究結(jié)果表明，5級(jí)左右地震的重力變化指標(biāo)一般為：重力場(chǎng)變化范圍100～140km左右，時(shí)間尺度半年和1年，重力場(chǎng)變化量級(jí)50×10-8m/s2(Zhu et al，2019；胡敏章等，2019a)。根據(jù)上述指標(biāo)，本文主要對(duì)半年和1年尺度的重力場(chǎng)變化特征進(jìn)行分析，首先分析半年尺度的重力場(chǎng)變化特征。

由圖3(a)可以看出，整個(gè)研究區(qū)重力場(chǎng)以正值變化為主，重力場(chǎng)呈現(xiàn)出由研究區(qū)的東北區(qū)域向西南區(qū)域逐漸增大的變化趨勢(shì)，變化范圍為(-25～70)×10-8m/s2。研究區(qū)的北部地區(qū)重力場(chǎng)等值線展布與隴縣-寶雞斷裂帶、西秦嶺斷裂及禮縣-羅家堡斷裂走向基本一致。在西南地區(qū)重力場(chǎng)等值線展布與康縣斷裂、文縣斷裂、青川斷裂以及北川斷裂走向垂直，重力場(chǎng)的這種分布特征可能受2017年9月30日四川青川MS5.4地震孕育過程的影響，震源機(jī)制解顯示青川MS5.4地震為逆沖型地震，擠壓方向?yàn)镹NE-SSW，與重力場(chǎng)等值線的展布具有較好的一致性。寧強(qiáng)MS5.3地震震中處于重力場(chǎng)正值變化區(qū)，震中沒有出現(xiàn)重力場(chǎng)等值線拐彎及正負(fù)差異變化梯度帶等異常特征。

與圖3(a)相比，圖3(b)中重力場(chǎng)出現(xiàn)明顯反向變化，整個(gè)研究區(qū)重力場(chǎng)呈現(xiàn)大范圍的負(fù)值變化，但變化量值相較圖3(a)有所減小，基本在(-30～20)×10-8m/s2之間變化。研究區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域重力場(chǎng)等值線展布與斷裂走向具有較好的一致性，尤其是四川青川MS5.4地震震中附近的等值線展布與青川斷裂及北川斷裂基本一致，說明本次地震除受到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的作用外，還受到青川斷裂及北川斷裂活動(dòng)的影響。此外重力場(chǎng)等值線的“0值線”剛好從青川斷裂和北川斷裂之間穿過，震中附近出現(xiàn)重力場(chǎng)正負(fù)差異變化為35×10-8m/s2的梯度帶，與前人總結(jié)的重力場(chǎng)與地震關(guān)系指標(biāo)具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(申重陽等，2009；祝意青等，2015；Zhu et al，2019；胡敏章等，2019a)。由于四川青川MS5.4地震與陜西寧強(qiáng)MS5.3地震的震中位置、震級(jí)及發(fā)震時(shí)間均比較接近，因此2次地震孕育、發(fā)生過程中的重力場(chǎng)變化可能會(huì)相互制約與影響，這在一定程度上會(huì)對(duì)重力場(chǎng)與震例關(guān)系指標(biāo)的對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一定的影響，與重力地震指標(biāo)總結(jié)的變化規(guī)律存在一定偏差。

由圖3(c)可以看出，整個(gè)研究區(qū)重力場(chǎng)以負(fù)值變化為主，重力場(chǎng)“0值線”位于天水、鳳縣一線，其東北側(cè)重力場(chǎng)以正值變化為主，西南側(cè)以負(fù)值變化為主，變化范圍基本在(-25～20)×10-8m/s2之間。青川MS5.4地震、寧強(qiáng)MS5.3地震震中附近的重力場(chǎng)變化量值較小，基本在(-15～0)×10-8m/s2之間變化，本期重力場(chǎng)主要呈現(xiàn)2017年9月30日青川MS5.4地震之后的變化情況，表現(xiàn)出明顯的震后應(yīng)力場(chǎng)松弛現(xiàn)象。值得注意的是，盡管寧強(qiáng)MS5.3地震震中處于重力場(chǎng)負(fù)值變化區(qū)域，但仍然可以看出較明顯的“準(zhǔn)四象限”重力場(chǎng)變化特征，其中康縣、廣元地區(qū)重力場(chǎng)呈現(xiàn)負(fù)向變化高值區(qū)；青川、勉縣地區(qū)呈現(xiàn)負(fù)向變化低值區(qū)。此外，寧強(qiáng)MS5.3地震震中附近重力場(chǎng)等值線出現(xiàn)“拐彎”特征，表現(xiàn)出一定的地震孕育前兆信息。

圖3(d)重力場(chǎng)表現(xiàn)出明顯的分區(qū)性，研究區(qū)北部以天水、略陽、勉縣一線為界，其東北側(cè)重力場(chǎng)為負(fù)值變化；研究區(qū)南部以武都、寧強(qiáng)一線為界，其西南側(cè)重力場(chǎng)為負(fù)值變化；而研究區(qū)中部重力場(chǎng)出現(xiàn)較大范圍的正值變化，整個(gè)研究區(qū)重力場(chǎng)變化范圍在(-40～15)×10-8m/s2之間。與圖3(a)～(c)相比，圖3(d)呈現(xiàn)的重力場(chǎng)變化特征更加符合陜西寧強(qiáng)MS5.3地震孕育過程。根據(jù)2次地震的震源機(jī)制解可知，青川MS5.4地震屬于逆沖型地震，重力場(chǎng)表現(xiàn)為正負(fù)差異變化的梯度帶，而作為走滑型的寧強(qiáng)MS5.3地震，重力場(chǎng)呈現(xiàn)四象限分布特征。此外，寧強(qiáng)MS5.3地震震中剛好位于重力場(chǎng)等值線“0值線”上，重力場(chǎng)等值線與本次地震的發(fā)震斷裂——青川斷裂不平行，一種相對(duì)合理的解釋是本次地震的孕育發(fā)生不僅與青川斷裂活動(dòng)有關(guān)，還與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的遠(yuǎn)程加載觸發(fā)有關(guān)。

2.2 1年尺度重力場(chǎng)變化特征分析

盡管半年尺度的重力場(chǎng)可以更加細(xì)致地反映地震孕育發(fā)生的過程，但是容易受季節(jié)性因素的影響，從而給研究結(jié)果帶來偏差，一般來說，季節(jié)性降水導(dǎo)致的重力變化一般小于10×10-8m/s2，這種影響量級(jí)基本與計(jì)算精度相當(dāng)，其不會(huì)對(duì)重力場(chǎng)變化的整體趨勢(shì)產(chǎn)生影響，僅在局部地區(qū)存在差異，而1年尺度的重力場(chǎng)可以最大限度地避免季節(jié)性因素的影響。因此，本文進(jìn)一步分析了陜西寧強(qiáng)MS5.3地震前1年尺度的重力場(chǎng)變化特征。

圖4(a)表示的是2016年9月—2017年9月的重力場(chǎng)變化特征，即青川MS5.4地震之前的重力場(chǎng)變化，與圖3(a)反映的重力場(chǎng)變化特征具有一定的相似性。由圖4(a)可知，研究區(qū)重力場(chǎng)以正值變化為主，正向變化的高值區(qū)位于劍閣、廣元地區(qū)；在武都、徽縣、鳳縣、寶雞一線以北地區(qū)，重力場(chǎng)出現(xiàn)較大范圍的負(fù)值變化，負(fù)向變化的高值區(qū)位于天水、禮縣一帶，整個(gè)研究區(qū)重力場(chǎng)變化范圍為(-30～60)×10-8m/s2。青川MS5.4及寧強(qiáng)MS5.3地震震中處于重力場(chǎng)正向變化的高梯度帶附近，同時(shí)也位于重力等值線發(fā)生“拐彎”的部位。其中青川MS5.4地震震中附近的重力場(chǎng)等值線展布與青川斷裂及北川斷裂走向基本一致，表明此時(shí)段重力場(chǎng)主要受到斷裂活動(dòng)的控制。而寧強(qiáng)MS5.3地震震中附近重力場(chǎng)等值線與發(fā)震斷裂垂直，可見此時(shí)重力場(chǎng)的展布還受到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制。重力場(chǎng)等值線的這種展布形態(tài)差異，似乎與發(fā)震時(shí)間迫切性及構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境有關(guān)，即隨著發(fā)震時(shí)間的臨近，重力場(chǎng)等值線也會(huì)由受較大范圍的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力影響為主轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕芫植堪l(fā)震構(gòu)造斷裂的影響。

圖4 寧強(qiáng)MS5.3地震前1年尺度重力場(chǎng)變化

圖4(b)表示的是2017年9月—2018年9月重力場(chǎng)變化特征，即青川MS5.4地震之后、寧強(qiáng)MS5.3地震之前的重力場(chǎng)變化，與圖3(d)呈現(xiàn)的重力場(chǎng)變化特征具有一定的相似性。由于2次地震間隔時(shí)間較短，因此該期重力場(chǎng)既受到青川MS5.4地震震后應(yīng)力場(chǎng)恢復(fù)調(diào)整的影響，同時(shí)又受到寧強(qiáng)MS5.3地震震前應(yīng)力場(chǎng)及構(gòu)造環(huán)境變化的影響。由圖4(b)可知，整個(gè)研究區(qū)重力場(chǎng)基本以負(fù)值變化為主，僅在隴縣、太白縣一線出現(xiàn)局部正值變化。其中，寧強(qiáng)MS5.3地震震中的西南側(cè)劍閣地區(qū)、東北側(cè)鳳縣地區(qū)出現(xiàn)重力場(chǎng)局部負(fù)值變化高值區(qū)，變化量值分別為-40 ×10-8m/s2、-30×10-8m/s2；震中西北部及東南部出現(xiàn)負(fù)值變化的低值區(qū)，變化量基本在-10 ×10-8m/s2左右，從而形成以寧強(qiáng)MS5.3地震震中為鞍部的重力場(chǎng)“準(zhǔn)四象限”分布特征，震中基本處于“0值線”附近，重力場(chǎng)變化特征符合寧強(qiáng)MS5.3地震孕育過程，隨后于2018年9月12日在陜西寧強(qiáng)、四川廣元交界位置發(fā)生寧強(qiáng)MS5.3地震。

3 區(qū)域布格重力異常特征分析

為了從不同尺度和深度上分析寧強(qiáng)MS5.3地震的深部成因，本文采用離散小波變化(DWT)方法對(duì)研究區(qū)布格重力異常(圖2)進(jìn)行多尺度分解(侯遵澤等，1997；楊文采等，2001)。根據(jù)平均功率譜分析方法對(duì)不同階數(shù)小波細(xì)節(jié)及小波逼近所反映的場(chǎng)源埋深進(jìn)行計(jì)算，得到如下結(jié)論：1～2階小波細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)源平均埋深分別為4km、12km，基本反映的是沉積層及上地殼場(chǎng)源信息；3階小波細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)源平均埋深為17.5km，基本反映的是中上地殼場(chǎng)源信息；4階小波細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)源平均埋深為28km，基本反映的是中下地殼場(chǎng)源信息(楊文采等，2001)。前文述及4階小波逼近具有平滑的區(qū)域場(chǎng)特征，故本文選擇4階尺度的小波分解進(jìn)行場(chǎng)源分離，如圖5 所示。

由圖5(a)的1階小波細(xì)節(jié)可見，重力異常分布較為零散，整體上重力異常變化范圍在(-40～50)×10-5m/s2之間。根據(jù)場(chǎng)源深度可知，1階細(xì)節(jié)主要反映的是淺層地表密度不均勻體分布情況，根據(jù)重力異常變化量值大小可知，研究區(qū)淺層密度對(duì)局部重力異常的影響相對(duì)較大。青川MS5.4地震震中附近重力異常變化相對(duì)明顯，但寧強(qiáng)MS5.3地震震中附近重力異常變化不明顯。2階小波細(xì)節(jié)(圖5(b))對(duì)應(yīng)的場(chǎng)源深度在12km以內(nèi)，重力異常體圈閉范圍有所擴(kuò)大，呈現(xiàn)明顯的塊狀和條帶狀分布特征，重力異常變化范圍為(-25～25)×10-5m/s2之間。重力異常變化相對(duì)較大的區(qū)域主要集中在多條斷裂匯聚的區(qū)域，如隴縣-寶雞斷裂帶與西秦嶺斷裂匯聚的寶雞地區(qū)，迭部-白龍江斷裂與康縣斷裂、文縣斷裂匯聚的武都地區(qū)等。青川斷裂附近也出現(xiàn)較明顯的重力異常正負(fù)差異變化，仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的重力異常既表現(xiàn)出明顯的梯度帶特征，又表現(xiàn)出四象限分布特征。3階小波細(xì)節(jié)(圖5(c))反映中上地殼密度體場(chǎng)源信息，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)源深度小于17.5km。3階小波細(xì)節(jié)(圖5(c))相比于2階小波細(xì)節(jié)(圖5(b))，重力異常變化量值有所減小，基本在(-20～20)×10-5m/s2之間變化，且以負(fù)值變化為主。異常區(qū)主要分布在隴縣-寶雞斷裂帶與西秦嶺斷裂交匯地區(qū)、成縣北緣斷裂與成縣南緣斷裂交匯地區(qū)、康縣斷裂與文縣斷裂交匯地區(qū)。寧強(qiáng)MS5.3地震震中附近出現(xiàn)重力異常四象限分布特征，震中位于重力異常四象限的鞍部位置。4階小波細(xì)節(jié)(圖5(d))對(duì)應(yīng)的場(chǎng)源深度為28km，反映的是中下地殼密度體信息，由圖5(d)可知，寧強(qiáng)地震震中重力異常變化平穩(wěn)，沒有明顯的局部異常，根據(jù)震源機(jī)制解可知，寧強(qiáng)MS5.3地震震源深度約為11km，屬于淺源地震，因此，在2～3階小波細(xì)節(jié)圖中，震中附近的重力異常相對(duì)明顯，而在4階小波細(xì)節(jié)圖中幾乎沒有異常，表明該地震主要由上地殼物質(zhì)密度差異所致，與中下地殼的深部構(gòu)造影響關(guān)系不大。

4 重力變化與寧強(qiáng)MS5.3地震

已有研究表明，地震震級(jí)與重力異常變化的持續(xù)時(shí)間、幅值及范圍密切相關(guān)。觀測(cè)資料積累的時(shí)間越長，越有利于判斷強(qiáng)震發(fā)震震級(jí)，異常特征幅度越大、持續(xù)時(shí)間越長，其對(duì)應(yīng)的震級(jí)越大(祝意青等，2015；Zhu et al，2019；胡敏章等，2019a)。受印度板塊與歐亞板塊的碰撞與擠壓影響，青藏高原北部出現(xiàn)物質(zhì)向東擠出趨勢(shì)，并在穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊和華南地塊的阻擋作用下，使陜甘川交匯地區(qū)成為青藏高原東北緣地殼淺部物質(zhì)向東運(yùn)移的重要通道，導(dǎo)致該地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力容易集中，地震危險(xiǎn)性增強(qiáng)。戚幫申等(2016)根據(jù)應(yīng)力測(cè)量結(jié)果得出青川斷裂附近地應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到使地殼淺部斷層產(chǎn)生滑動(dòng)失穩(wěn)的臨界條件。周琳等(2016)利用GPS資料分析了甘東南地區(qū)地殼水平形變，發(fā)現(xiàn)青川斷裂附近壓應(yīng)變率、面膨脹率及最大剪應(yīng)變均比較大，地震危險(xiǎn)性進(jìn)一步增強(qiáng)。而在2017—2018年期間，相繼發(fā)生2017年9月30日四川青川MS5.4地震、2018年9月12日陜西寧強(qiáng)MS5.3地震，根據(jù)前文重力場(chǎng)變化特征分析結(jié)果，這2次地震發(fā)生前不僅受到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響，還受到活動(dòng)斷裂的影響。大量研究結(jié)果表明，重力場(chǎng)變化與活動(dòng)斷裂構(gòu)造密切相關(guān)，在地震孕育發(fā)生過程中，活動(dòng)構(gòu)造單元或塊體的邊緣往往容易出現(xiàn)重力等值線形態(tài)的轉(zhuǎn)折和密集，形成高梯度帶(馬瑾等，2007；陳運(yùn)泰等，2013；Liang et al，2013)，由于在青川MS5.4及寧強(qiáng)MS5.3地震之前，震中附近區(qū)域確實(shí)出現(xiàn)了重力變化梯度帶、等值線轉(zhuǎn)折及四象限分布特征，使得本文研究結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了上述研究結(jié)論的正確性。寧強(qiáng)MS5.3地震的發(fā)震斷裂為青川斷裂，其在晚新生代具有明顯的右旋走滑特征，樊春等(2008)研究認(rèn)為右旋走滑的成因機(jī)制可能與下地殼流體的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，是下地殼流體運(yùn)動(dòng)在地表的表現(xiàn)。但是本文基于布格重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行小波多尺度分解后獲得的小波細(xì)節(jié)圖顯示，寧強(qiáng)MS5.3地震屬于淺源地震，本次地震主要由上地殼密度差異變化引起，與深部構(gòu)造影響關(guān)系不大，這也間接說明了青川斷裂深部構(gòu)造活動(dòng)并非本次地震的主要誘發(fā)因素。邵志剛等(2010)通過研究汶川地震對(duì)周邊斷層地震活動(dòng)性的影響認(rèn)為，盡管青川斷裂庫侖應(yīng)力變化最大，但由于背景地震發(fā)生率較弱，根據(jù)Dieterich模型計(jì)算的地震發(fā)生率反而較小，近年來青川斷裂發(fā)生地震活動(dòng)屬于汶川MS8.0強(qiáng)震破裂運(yùn)動(dòng)及其余震活動(dòng)。本文根據(jù)重力場(chǎng)變化特征獲得的研究結(jié)果也支持這種觀點(diǎn)。

5 討論與結(jié)論

本文基于2016—2018年陜甘川地區(qū)的流動(dòng)重力及布格重力異常數(shù)據(jù)，獲得該地區(qū)半年和1年尺度的重力場(chǎng)及1～4階重力異常小波細(xì)節(jié)圖像，在此基礎(chǔ)上對(duì)陜西寧強(qiáng)MS5.3地震前重力場(chǎng)變化特征進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

(1)對(duì)本文重力場(chǎng)變化研究結(jié)果可知，2019年9月18日陜西寧強(qiáng)MS5.3地震在2018—2019年1年時(shí)間尺度重力變化達(dá)到50×10-8m/s2，影響范圍在150km之內(nèi)。本次地震的孕育發(fā)生符合前人研究總結(jié)的重力變化與地震孕育相關(guān)結(jié)論。

(2)2017年9月30日發(fā)生的四川青川MS5.4地震，其重力場(chǎng)變化可以清晰地反映此次地震的孕育、發(fā)生過程。青川地震的發(fā)生對(duì)2018年9月12日寧強(qiáng)MS5.3地震的重力場(chǎng)變化有一定影響，2次地震均發(fā)生在青川斷裂附近，且位于汶川MS8.0地震余震條帶的東北延伸段，2次地震的深淺部構(gòu)造環(huán)境具有強(qiáng)相關(guān)性，導(dǎo)致2次地震前重力場(chǎng)變化存在相互影響、相互制約的關(guān)系。

(3)半年尺度的重力場(chǎng)顯示陜西寧強(qiáng)MS5.3地震前重力變化經(jīng)歷“正向變化—正向減弱—負(fù)向變化—負(fù)向減弱”的演化過程。此外，寧強(qiáng)MS5.3地震震中位于等值線的“0值線”附近，且出現(xiàn)重力場(chǎng)四象限分布特征，與震源機(jī)制解顯示的本次地震屬于走滑型地震具有構(gòu)造一致性；1年尺度的重力場(chǎng)同樣在震中呈現(xiàn)四象限分布特征，且震中基本位于四象限分布的鞍部位置。

(4)對(duì)區(qū)域布格重力異常進(jìn)行1～4階小波多尺度分解，不同階次的小波細(xì)節(jié)反映出不同深度的場(chǎng)源信息，由1～4階小波細(xì)節(jié)結(jié)果看出，隨著小波細(xì)節(jié)階數(shù)的增加，2～3階小波細(xì)節(jié)圖中寧強(qiáng)MS5.3地震的區(qū)域構(gòu)造特征逐漸明顯，四象限分布特征逐漸清晰。由平均對(duì)數(shù)功率譜計(jì)算的近似場(chǎng)源深度可知，2～3階小波細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)源深度在10～15km之間，主要反映的是上地殼密度體差異信息，與本次地震震源深度為11km具有較好的一致性。

致謝：本文使用的流動(dòng)重力數(shù)據(jù)來源于國家重力臺(tái)網(wǎng)中心，布格重力數(shù)據(jù)來源于全球地球模型國際中心(http://icgem.gfz-potsdam.de/)，地震目錄來源于國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.earthquake.cn/)，所有圖件由GMT軟件繪制(http://www.soest.hawaii.edu/gmt/)，匿名專家提出了建設(shè)性的修改意見，在此一并感謝。