郝洪濤 韋進(jìn) 陳兆輝 趙云峰 張新林 劉少明 胡敏章

1)中國(guó)地震局地震研究所地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071 2)湖北省地震局，武漢 430071 3)中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180 4)中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定，2021年3月19日西藏自治區(qū)那曲市比如縣境內(nèi)發(fā)生6.1級(jí)地震(92.74°N，31.94°E)，震源深度10km。震后，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)、全球地震矩張量計(jì)劃(GCMT)等研究機(jī)構(gòu)發(fā)布的震源機(jī)制初步結(jié)果表明，本次地震是一次以正斷為主的地震事件。

重力場(chǎng)的時(shí)空變化含有豐富的地殼變動(dòng)信息，是研究地震孕育與發(fā)生過(guò)程的重要手段(Barnes，1966；Hunt，1970；陳運(yùn)泰等，1980)。近年來(lái)，中國(guó)地震局通過(guò)地震行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)“中國(guó)綜合地球物理場(chǎng)觀測(cè)”以及中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)等一系列重大科學(xué)工程項(xiàng)目的實(shí)施，建立了范圍覆蓋中國(guó)大陸的地震重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。利用產(chǎn)出的觀測(cè)成果，一些學(xué)者對(duì)2013年蘆山7.0級(jí)地震(祝意青等，2013)、2016年門(mén)源6.6級(jí)地震(祝意青等，2016)等一系列中強(qiáng)地震前后的重力場(chǎng)時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究，并在地震預(yù)測(cè)應(yīng)用方面取得了較好的應(yīng)用效果。

在2021年比如6.1級(jí)地震前，中國(guó)地震局在西藏那曲市開(kāi)展過(guò)多期流動(dòng)重力觀測(cè)，觀測(cè)到了震中附近明顯的重力異常變化，并對(duì)此次地震作了一定程度的中期預(yù)測(cè)。2020年度地震趨勢(shì)重力研究報(bào)告指出，青藏交界地區(qū)出現(xiàn)了重力劇烈變化，重力升、降差異達(dá)100×10-8m/s2以上，西藏安多、那曲、索縣、青海雜多、治多一帶(震中位置在32.44°N，93.99°E附近)有6級(jí)地震發(fā)生的可能?？梢钥闯?，基于流動(dòng)重力觀測(cè)分析做出的中期預(yù)測(cè)，與2021年3月19日西藏比如MS6.1 地震(92.74°N，31.94°E)對(duì)應(yīng)較好，尤其在地點(diǎn)的預(yù)測(cè)上，明確提到西藏那曲。因此，深入分析比如6.1級(jí)地震震中區(qū)及周邊地區(qū)近年來(lái)的流動(dòng)重力觀測(cè)資料，進(jìn)而對(duì)此次6.1級(jí)地震前重力場(chǎng)時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征與規(guī)律、地震孕育發(fā)生過(guò)程中的前兆表現(xiàn)有較客觀的認(rèn)識(shí)，將有助于青藏地區(qū)地震中期預(yù)測(cè)研究。

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)與處理

青藏高原地區(qū)重力觀測(cè)是中國(guó)大陸地震重力監(jiān)測(cè)的重要組成部分。在2017年以前，該地區(qū)重力觀測(cè)主要依托中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目實(shí)施，觀測(cè)周期為2～3年一期；2018年以后，中國(guó)地震局依托綜合地球物理場(chǎng)觀測(cè)項(xiàng)目對(duì)藏東地區(qū)重力觀測(cè)進(jìn)行了加密，并將觀測(cè)周期改為每年一期。

根據(jù)現(xiàn)有關(guān)于地震孕育過(guò)程中重力場(chǎng)變化時(shí)空范圍的研究結(jié)果(胡敏章等，2019)，6級(jí)地震引起的重力異常變化，其空間范圍可達(dá)200km以上，持續(xù)時(shí)間為1～3年。為獲得完整的重力異常時(shí)空分布特征，本文將研究區(qū)范圍選取為27°N～37°N、87°E～97°E、SN向和EW向各約1000km的地區(qū)(圖1)，在構(gòu)造分區(qū)上涵蓋了拉薩塊體、羌塘塊體、巴顏喀拉塊體等。在觀測(cè)資料的時(shí)間范圍方面，選取了2015—2020年5年時(shí)間，利用期間多個(gè)項(xiàng)目獲取的相對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)，共組成5期觀測(cè)成果，資料概況如表1所示。在絕對(duì)重力觀測(cè)資料方面，綜合利用了2013年以來(lái)由中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目和綜合地球物理場(chǎng)項(xiàng)目獲取的絕對(duì)重力觀測(cè)成果，資料概況如表2所示。自2015年以來(lái)，研究區(qū)內(nèi)共發(fā)生4次6級(jí)以上地震，分別為2016年10月17日雜多6.2級(jí)、2017年11月18日米林6.9級(jí)、2019年4月24日墨脫6.3級(jí)以及2021年3月19日比如6.1級(jí)地震。

圖1 重力觀測(cè)概況

表1 相對(duì)重力觀測(cè)資料概況

表2 絕對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)概況

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，首先利用絕對(duì)重力觀測(cè)結(jié)果構(gòu)建起算基準(zhǔn)和控制點(diǎn)。絕對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了固體潮、海潮負(fù)荷、陸地水負(fù)荷、氣壓、極移、垂直梯度等改正，并基于經(jīng)典負(fù)荷理論(Farrell，1972)與GLDAS水文模型(Rodell et al，2004)進(jìn)行了水負(fù)荷效應(yīng)改正，以減弱或消除水負(fù)荷重力效應(yīng)。最后，根據(jù)各期相對(duì)重力觀測(cè)前后兩期的絕對(duì)重力觀測(cè)值，采用式(1)所示線性擬合的方法模擬絕對(duì)重力基準(zhǔn)點(diǎn)重力值隨時(shí)間的變化，再根據(jù)相對(duì)重力觀測(cè)時(shí)間內(nèi)插或外推至相對(duì)重力觀測(cè)時(shí)刻，作為相對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)處理的基準(zhǔn)和控制點(diǎn)。

gt=at+b

(1)

式中，t為觀測(cè)時(shí)間，gt為t時(shí)刻重力值，a、b為線性擬合參數(shù)。

相對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理同樣進(jìn)行了進(jìn)行了固體潮、氣壓、儀器高等改正。為減弱相對(duì)重力儀器格值系數(shù)誤差影響，計(jì)算過(guò)程中采用絕對(duì)重力基準(zhǔn)對(duì)格值系數(shù)進(jìn)行了整體解算，計(jì)算軟件采用中國(guó)地震局流動(dòng)重力數(shù)據(jù)處理通用軟件LGADJ(劉紹府等，1991)。最終各期觀測(cè)數(shù)據(jù)平差點(diǎn)值精度均優(yōu)于15×10-8m/s2。

2 結(jié)果分析

重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化一般采用差分動(dòng)態(tài)變化和累積動(dòng)態(tài)變化兩種表現(xiàn)形式。差分圖像(圖2)為相鄰兩期觀測(cè)期間的變化結(jié)果(半年尺度)，可突出不同時(shí)期重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化的差異信息；累積圖像(圖3)是以2015年觀測(cè)為基準(zhǔn)的變化結(jié)果，側(cè)重于顯示較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的累積效應(yīng)。

圖2 差分重力變化

圖3 累積重力變化

2.1 差分變化

由圖2可知，各時(shí)段差分重力變化在空間分布形態(tài)和量級(jí)上均存在較大差異。在空間分布形態(tài)上，各時(shí)段變化主要表現(xiàn)為EW向差異變化，而塊體邊界南北兩側(cè)的差異變化并不顯著。在變化量級(jí)上，2015—2017年、2017—2018年2個(gè)時(shí)段變化較為劇烈，而2018—2019年、2019—2020年2個(gè)時(shí)段則較為平緩。

(1)2015—2017年時(shí)段。除南部拉薩塊體呈正負(fù)相間分布外，北部羌塘塊體和柴達(dá)木塊體整體呈自西向東、由正向負(fù)的態(tài)勢(shì)；本時(shí)段內(nèi)發(fā)生了2016年10月17日雜多6.2級(jí)地震，震中北部的高值負(fù)變化(最大量級(jí)約70×10-8m/s2)可能是此次地震震后調(diào)整效應(yīng)的反映。拉薩塊體東部地區(qū)呈現(xiàn)顯著的局部正變化區(qū)(最大量級(jí)約60×10-8m/s2以上)，并在林芝東側(cè)地區(qū)形成SN向差異變化梯度帶，0值線兩側(cè)正負(fù)變化中心差異變化約100×10-8m/s2，空間跨度約350km。2017年11月18日米林6.9級(jí)地震的發(fā)震位置位于該梯度帶和0值線上。2021年比如6.1級(jí)地震位于那曲地區(qū)自西向東由正向負(fù)的重力變化高梯度帶轉(zhuǎn)彎處附近，重力差異變化約70×10-8m/s2。

(2)2017—2018年時(shí)段。相比前一時(shí)段，本時(shí)段內(nèi)正負(fù)變化區(qū)分布明顯集中，變化量級(jí)也明顯增強(qiáng)。研究區(qū)中部地區(qū)呈高值正變化，最大量級(jí)為60×10-8m/s2；拉薩塊體內(nèi)部相比上一時(shí)段呈反向變化特征，塊體東部的林芝地區(qū)和日喀則地區(qū)轉(zhuǎn)為高值負(fù)變化，其中林芝地區(qū)最大量級(jí)達(dá)90×10-8m/s2以上，可能反映2017年米林6.9級(jí)地震的震后調(diào)整效應(yīng)。格爾木、那曲、拉薩一線形成規(guī)模較大的NE向梯度帶(正負(fù)變化中心區(qū)之間最大差異變化達(dá)150×10-8m/s2以上，空間跨度約450km)，而2021年比如6.1級(jí)地震位于該梯度帶上和0值線附近。

(3)2018—2019年時(shí)段。本時(shí)段重力變化趨于平緩，重力變化一般在30×10-8m/s2以?xún)?nèi)。在本時(shí)段內(nèi)發(fā)生了2019年4月24日墨脫6.3級(jí)地震，但在震中附近地區(qū)并無(wú)重力測(cè)點(diǎn)覆蓋。雖然重力變化并不顯著，但從重力變化的空間分布態(tài)勢(shì)看，格爾木至那曲一線東西兩側(cè)地區(qū)發(fā)生了正負(fù)變化反向，比如6.1級(jí)地震位于自西向東、由負(fù)轉(zhuǎn)正的趨勢(shì)變化0值線附近。

(4)2019—2020年時(shí)段。除格爾木南部呈局部負(fù)變化外(最大量級(jí)約45×10-8m/s2)，研究區(qū)南部羌塘塊體和拉薩塊體基本呈相對(duì)分散的低值正變化。

2.2 累積變化

重力變化格局整體表現(xiàn)出較為明顯的繼承性，各時(shí)段圖像的空間分布形態(tài)仍以EW向差異變化為主。

(1)2015—2017年時(shí)段。同上述差分變化。

(2)2015—2018年時(shí)段。重力場(chǎng)變化整體呈自西向東、由正向負(fù)的趨勢(shì)性變化，正負(fù)變化交界地區(qū)形成規(guī)模較大的SN向梯度帶；那曲西北部正變化中心區(qū)(最大量級(jí)約60×10-8m/s2)至那曲東部負(fù)變化中心區(qū)(最大量級(jí)約90×10-8m/s2)差異變化達(dá)150×10-8m/s2，空間跨度約450km。2021年比如6.1級(jí)地震位于梯度帶和0值線上。

(3)2015—2019年時(shí)段。重力場(chǎng)變化整體空間分布態(tài)勢(shì)與前一時(shí)段相似；那曲西北部地區(qū)正變化有所減弱，正變化極值區(qū)向西遷移；林芝北部地區(qū)負(fù)變化略減弱。比如6.1級(jí)地震仍位于大致呈SN向的梯度上，但在震中地區(qū)，梯度帶發(fā)生了較為明顯的轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象。

(4)2015—2020年時(shí)段。重力變化仍維持自西向東、由正向負(fù)整體態(tài)勢(shì)；相比前一時(shí)段，重力正變化區(qū)范圍有所擴(kuò)大，東部負(fù)變化極值區(qū)量級(jí)為75×10-8m/s2左右，梯度帶兩側(cè)正負(fù)變化中心區(qū)差異變化約105×10-8m/s2，空間跨度約300km。比如6.1級(jí)地震仍位于梯度帶上。

2.3 重力場(chǎng)變化與地震關(guān)系

地表重力場(chǎng)變化與地震活動(dòng)密切相關(guān)。申重陽(yáng)等(2020)、祝意青等(2018、2020)對(duì)中國(guó)大陸近期的主要強(qiáng)震研究認(rèn)為，與區(qū)域構(gòu)造分布一致的重力場(chǎng)變化通常是構(gòu)造活動(dòng)因素的反映，強(qiáng)震往往發(fā)生在與構(gòu)造分布一致的梯度帶和正負(fù)轉(zhuǎn)換帶上，而重力場(chǎng)演化過(guò)程中的轉(zhuǎn)折變化、等值線翻轉(zhuǎn)則可能是臨震前的前兆異常特征。祝意青等(2020)、胡敏章等(2019)進(jìn)一步研究了重力異常變化與地震預(yù)測(cè)三要素的特征指標(biāo)，指出與構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)的重力變化高梯度帶轉(zhuǎn)彎部位和趨勢(shì)異常中出現(xiàn)局部異常區(qū)是重力異常的典型形態(tài)，6級(jí)地震對(duì)應(yīng)的異常量級(jí)為70×10-8m/s2以上，異常范圍為200km以上，持續(xù)時(shí)間為1～3年。

通過(guò)上述重力場(chǎng)變化分析過(guò)程可發(fā)現(xiàn)：①此次比如6.1級(jí)地震震前約3年的差分和累積圖像中，出現(xiàn)了穿過(guò)比如地震震中區(qū)的近SN向重力變化梯度帶，并隨著時(shí)間推移，在震中地區(qū)梯度帶發(fā)生轉(zhuǎn)彎；2017年11月18日米林6.9級(jí)地震位于2015—2017年時(shí)段圖像中林芝東側(cè)的SN向梯度帶上；②比如6.1級(jí)地震震中西北部和東部通常呈現(xiàn)局部正負(fù)變化極值區(qū)特征，正負(fù)變化中心區(qū)差異變化最大達(dá)150×10-8m/s2以上，臨震前一期累積變化圖像中最大差異變化約105×10-8m/s2；③在異常范圍上，比如6.1級(jí)地震震中附近重力梯度帶兩側(cè)正負(fù)異常中心區(qū)的跨度為300～450km，米林6.9級(jí)地震前梯度帶兩側(cè)正負(fù)異常中心區(qū)的距離約300km。

結(jié)合上述分析認(rèn)為，2021年比如6.1級(jí)地震前約3年，重力場(chǎng)變化開(kāi)始出現(xiàn)與地震孕育相關(guān)的重力異常特征，異常形態(tài)和持續(xù)時(shí)間與現(xiàn)有特征指標(biāo)均保持一致。在異常范圍和量級(jí)上，本文結(jié)果相比現(xiàn)有特征指標(biāo)略偏大，其原因可能包括以下因素：①重力變化結(jié)果中包含了2017年11月18日米林6.9級(jí)的同震和震后效應(yīng)，從而對(duì)重力異常范圍和變化量級(jí)產(chǎn)生影響；②西藏地區(qū)自然環(huán)境惡劣、交通不便，對(duì)重力觀測(cè)中儀器性能、觀測(cè)實(shí)施均會(huì)帶來(lái)一定影響，從而導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)際精度有所降低。加之該地區(qū)測(cè)點(diǎn)稀少，測(cè)網(wǎng)空間分辨率達(dá)100km以上(韓宇飛等，2020)，觀測(cè)信息的空間密度不足，不能較好地捕捉到孕震過(guò)程中出現(xiàn)的完整前兆信息。但考慮到地震孕育和發(fā)生過(guò)程的復(fù)雜性以及現(xiàn)有的認(rèn)識(shí)水平，通過(guò)分析仍不難得出，重力場(chǎng)時(shí)空變化特征對(duì)于研究強(qiáng)震的孕育和發(fā)生規(guī)律，尤其是地點(diǎn)判定，無(wú)疑具有重要的參考作用。

3 重力場(chǎng)變化機(jī)理探討

引起地表重力場(chǎng)變化的因素復(fù)雜多樣，一般在去除大氣、水負(fù)荷等環(huán)境效應(yīng)后，主要反映地殼垂直運(yùn)動(dòng)、地下物質(zhì)分布變化等與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相關(guān)的因素。本文在數(shù)據(jù)處理中考慮了大氣效應(yīng)改正，并采用對(duì)起算基準(zhǔn)進(jìn)行改正的方式予以消除或減弱水負(fù)荷效應(yīng)的影響，在此基礎(chǔ)上提取了由構(gòu)造因素引起的重力變化信息。

地殼垂直運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期以來(lái)主要依靠水準(zhǔn)觀測(cè)獲取。西藏地區(qū)已有的水準(zhǔn)觀測(cè)主要是1951—1969年、1976—1984年、1991—1999年完成實(shí)施的3期全國(guó)性水準(zhǔn)測(cè)量(董鴻聞等，2002)，但其時(shí)間范圍與本文重力數(shù)據(jù)相差較大。近年來(lái)，高精度GPS觀測(cè)在地殼垂直運(yùn)動(dòng)研究中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用(劉經(jīng)南等，2002；顧國(guó)華，2005；Liang et al，2013；趙斌等，2014)。其中，Liang等(2013)基于西藏地區(qū)1998—2013年期間GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得的三維地殼運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)背景顯示，青藏高原地區(qū)地表垂直運(yùn)動(dòng)的量級(jí)一般在±5mm/a以?xún)?nèi)，折合重力變化最大約為1.5μGal/a，不足以引起數(shù)十微伽的重力變化，因此地殼垂直形變不是引起重力場(chǎng)變化的主要原因。

在排除地殼垂直運(yùn)動(dòng)影響因素后，重力場(chǎng)變化主要反映地殼深部介質(zhì)密度變化效應(yīng)和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程(申重陽(yáng)等，2009)。本文研究區(qū)位于青藏高原腹地，地殼物質(zhì)在印度板塊的北向推擠作用下發(fā)生大規(guī)模側(cè)向擠出，具有大規(guī)模物質(zhì)運(yùn)移的背景。已有研究認(rèn)為，在羌塘塊體內(nèi)部，由于東部物質(zhì)快速向東和南東方向運(yùn)移牽引著西部物質(zhì)不連續(xù)地向東運(yùn)移，在拉伸過(guò)程中造成一系列共軛走滑斷裂和近SN向正斷裂(李海兵等，2021)。2021年比如6.1地震位于班公湖—怒江縫合帶與亞?wèn)|—谷露SN向正斷層帶北向延伸的交匯部位，而震源機(jī)制解也顯示以正斷為主。根據(jù)位錯(cuò)理論模擬的斷層運(yùn)動(dòng)重力效應(yīng)表明，正斷型斷層運(yùn)動(dòng)引起的地表重力變化表現(xiàn)為以斷層為邊界的正負(fù)兩側(cè)分布(Okubo，1992；談洪波等，2008)，其空間分布特征與本文所顯示的實(shí)測(cè)重力變化的形態(tài)(2017—2018年、2015—2020年等)相符，且實(shí)測(cè)重力變化的正負(fù)轉(zhuǎn)換帶(0值線)與亞?wèn)|—谷露SN向正斷層帶的走向基本一致。因此，可推測(cè)此次比如6.1地震正是羌塘塊體內(nèi)部EW向拉伸運(yùn)動(dòng)作用的體現(xiàn)，而實(shí)測(cè)重力變化則較好地反映了這一構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景所引起的質(zhì)量分布變化。

4 結(jié)論

地表重力場(chǎng)變化包含有豐富的地殼變動(dòng)信息，是認(rèn)識(shí)地震孕育和發(fā)生規(guī)律以及進(jìn)行地震預(yù)測(cè)研究的重要手段。本文基于青藏高原地區(qū)2015—2020年期間5期地表流動(dòng)重力觀測(cè)資料，獲取了該地區(qū)近期重力場(chǎng)變化圖像，并對(duì)重力場(chǎng)變化與2021年比如6.1級(jí)地震的關(guān)系進(jìn)行了研究，主要獲得以下結(jié)論：

(1)比如6.1級(jí)地震前約3年的重力圖像出現(xiàn)穿過(guò)震中區(qū)的SN向重力變化梯度帶和局部異常，其形態(tài)和持續(xù)時(shí)間與現(xiàn)有典型指標(biāo)一致，表明重力變化較為清晰地反映了此次地震孕育過(guò)程中所引起的重力異常信號(hào)。

(2)地表垂直位移因素不是引起重力變化的主要因素。實(shí)測(cè)重力場(chǎng)變化與正斷型斷層位錯(cuò)引起的重力變化在形態(tài)上基本一致，結(jié)合比如6.1級(jí)地震的震源機(jī)制以正斷為主，推測(cè)羌塘塊體EW向拉張運(yùn)動(dòng)為此次地震的發(fā)震背景，而實(shí)測(cè)重力變化則較好地反映了這一構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景所引起的質(zhì)量分布變化。

(3)流動(dòng)重力資料對(duì)2021年比如6.1級(jí)強(qiáng)震震中地點(diǎn)的判定，進(jìn)一步證實(shí)了區(qū)域重力場(chǎng)觀測(cè)對(duì)未來(lái)強(qiáng)震震中位置的判定具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。在觀測(cè)信息空間密度嚴(yán)重不足的青藏高原腹地，能有效地進(jìn)行強(qiáng)震地點(diǎn)預(yù)測(cè)實(shí)屬不易。強(qiáng)震易發(fā)生在重力變化正、負(fù)異常區(qū)過(guò)渡的高梯度帶上和0值線附近，而此次比如6.1級(jí)強(qiáng)震就發(fā)生在重力差異運(yùn)動(dòng)劇烈的梯度帶上和0值線附近。