新疆南天山地区重力场动态变化与乌恰西 6.8级地震＊

刘代芹 李 杰 王晓强 李 辉 帕尔哈提·再努拉

(1)新疆维吾尔自治区地震局,乌鲁木齐 830011

2)中国地震局地震研究所,武汉 430071

3)中国地质大学 (武汉)空间科技应用研究中心,武汉 430070)

新疆南天山地区重力场动态变化与乌恰西 6.8级地震＊

刘代芹1,2)李 杰1,3)王晓强1)李 辉2)帕尔哈提·再努拉1)

(1)新疆维吾尔自治区地震局,乌鲁木齐 830011

2)中国地震局地震研究所,武汉 430071

3)中国地质大学 (武汉)空间科技应用研究中心,武汉 430070)

利用 2005—2009年流动重力观测资料,分析新疆南天山地区重力场动态变化特征,并给出一年尺度的重力场变化图像,结合重力段差时序图以及 GPS计算资料分析2008年10月5日乌恰西6.8级地震与重力场、应变场的关系,并综合分析区域重力场与动力构造环境的响应关系。结果表明：重力场变化与区域应力-应变场微动态活动有关,重力场变化反映出应力场引起的重力源兆变化特征。

重力场;异常变化;乌恰西Ms6.8地震;地质构造;应力-应变场

1 引言

南天山地区是新疆中强震高发区,据统计, 1900—1996年共发生 256次 5级以上的中强地震, 1997年 1月 21日—1998年 8月,共发生 9次 6级以上强烈地震,平静 4年之后,于 2003年 2月 24日又发生了一次 6.8级地震,而在 2008年连续发生 6级以上地震 3次,最大的一次是 2008年 10月 5日为乌恰西(中吉边境)6.8级地震。短期内该地区竟然发生了 10余次 6级以上强烈地震。为研究该区地震高发原因,新疆维吾尔自治区地震局在该地区布设了流动重力监测网以及大量的 GPS观测点,实时跟踪研究南天山地区重力场变化特征以及地壳运动特征(图 1)。本文将依据这些监测资料研究该地区的重力场变化与地震活动的关系。

图1 南天山地区流动重力测点图Fig.1 Gravimetric survey routes in the south Tianshan region

2 资料处理

利用两台高精度金属弹簧LCR-G型重力仪,于2005年 4月开始对南天山区进行每年两期的流动重力观测,截至 2009年 8月共获得了 10期重力观测数据。野外观测时采用 PDA掌上电脑记录,往返自差小于 25×10-8ms-2,互差小于 30×10-8ms-2。室内采用中国地震局实用化攻关推广软件LGADJ进行拟稳平差,统一起算基准,处理时并作了一次项、固体潮及零漂改正。平差计算时,先对多期观测资料计算结果进行整体分析,初步了解各台仪器的观测精度后,合理确定各台仪器的先验方差,然后再重新平差计算,以得到最佳解算结果,计算点值精度为 (6～10)×10-8ms-2。

3 区域重力场动态变化特征与乌恰西6.8级地震

3.1 重力场变化等值线图分析

从一年尺度的重力场变化等值线图 (图 2)来看,该区域地壳运动十分活跃,每年的重力变化量相对较大,对于多发地震的南天山地区,重力变化有一定的规律,空间分布比较集中,时常有明显异常出现。图 2(a～d)清晰地表明了南天山地区重力场正负区交替出现,正负重力异常变化梯度带的附近是物质增减差异剧烈的地区,因而伴随着相应的重力异常,能量易于积累,这实际也表明了南天山地区是地震多发区。

重力场于不同时段在空间分布上表现出明显的差异性,2005年 10月—2006年 10月 (图 2(a))和2006年 10月—2007年 10月 (图 2(b)),区域重力场分别出现西降 (正)东升 (负)、西升 (负)东降(正)有序性变化,这是由于 2005年 10月—2006年10月期间,在该区发生了一系列 4级以上的地震,西昆仑-帕米尔高原应力场发生反向调整,区域重力场也随之出现西升东降的反向变化,当区域应力场很弱或松弛时,则出现较为分散的重力变化图像[2-4]。

2007年 10月—2008年 10月,从重力等值线图(图 2(c))可以清楚的看到,伽师及邻近地区的重力场正值变化与负值变化量最大差异值达到 120× 10-8ms-2,以托云、阿图什、伽师、麦盖提为界以北为正值,连线以南为负,测区NE大范围的重力正值变化,这可能与在该地区内发生的几次 4.5级左右地震有关,能量得以释放,迫使区域构造应力场调整地表重力场的分布。柯坪发生的 5.2级、阿合奇发生的 5.5级地震与重力测量结果很吻合,这是由于2008年 10月重力场在阿合奇附近出现了小范围转折零线区域。在重力变化显著地区,以托云、阿图什、伽师、麦盖提为界,具有不同的重力变化特征,由地震活动反映的伽师及邻近地区现代构造运动特征表明,这里的地震带呈不规则网络状分布,表现为网络状的剪切变形带[5]。

2008年 10月—2009年 8月 (图 2(d))与 2007年 10月—2008年 10月 (图 2(c))相比,重力场出现了大范围的负值区,这是由于在区域构造应力场增强的过程中,地壳中的物质迁移出现有序性分布,相应的区域重力场也出现有序的变化,随着时间的推移,应力和能量的积累,导致了重力场继续向NE向增强,2008年10月5日在乌恰西发生的6.8级地震、以及 2009年在该区域又分别于 2月 20日、4月19日、4月 22日发生了 5.2级、5.5级和 5.0级中强地震,地壳应力得到释放,重力场也得到了调整,地震时震源区介质发生的快速破裂或是原断层的失稳,从而出现重力场 S W为负值、NE为正值的一个新的空间分布。从重力等值线图可以清楚的看到,南天山地区将近一年的时间内重力正值、负值变化量最大差异值达到 100×10-8ms-2。

2008年 10月 5日乌恰西 6.8级地震前该区域一直伴随重力场变化的转折零线出现,图 2(b)表现出该区域构造应力不断增强,使得地壳物质发生了较大范围的迁移,引起了重力场出现了前所未有的空间变化,即 S W、NE向为负值区,而该区域中间部位出现了正值区。图 2(c)表明在地壳物质受到应力作用不断迁移时,重力场也在不断的发生变化,零线出现在乌恰以及阿合奇附近,随后不久便在乌恰西发生了6.8级地震,以及柯坪、阿合奇附近分别发生了 5.2级、5.5级地震。这一结果表明：地震往往发生在重力场变化的零线附近。震中位于低值正负变化过渡部位,其重力等值线呈北西向与发震构造基本一致。可以看出,乌恰西 6.8级地震是青藏高原碰撞带西缘 (帕米尔构造结)向北推挤活动造成区域构造变动响应的结果,重力变化梯级带的维持稳定反映了深部闭锁状态和剪切应力状态[6]。

图 2 南天山地区重力变化等值线图(单位：10-8ms-2)Fig.2 Isoline map of gravity change in south Tianshan region(unit：10-8ms-2)

综上所述,动态重力变化图像基本反映了动力构造运动的外部环境,其对大震孕育过程也有较好的反映,一般来说,大震发生在重力变化梯级变化带及区域主要控制构造交汇部位[7]。

3.2 重力段差时序变化图分析

图 3 乌恰地震前后重力段差时序变化Fig.3 Ti me-sequence curves of the gravity difference value before and afterWuqia earthquack

2008年10月5日在乌恰西发生的6.8级地震,重力段差时序图 (图 3)有较好的响应。图 3(a)显示在乌恰 6.8级地震发生之前,重力场表现出大幅度的增加,从 2006年 10月—2008年 5月重力增加了 35×10-8ms-2,说明该区域构造应力不断增大,地壳活动性相对活跃。图 3(b)显示在乌恰东与乌恰县附近重力场从 2007年 4月至 2008年 4月也在不断增强,然在 2008年 10月以后出现了重力场变化转折点,即 6.8级地震后重力场方向递减。图 3 (c)显示出在 2007年 10月—2008年 4月期间重力增大,但在 2008年 4月以后重力变化甚小,几乎为零,我们认为该区域处于一个闭锁区域,四周构造应力不断增大,能量不断汇集,导致该区域于 2008年10月 5日发生了Ms6.8地震。综合分析段差时序图,乌恰西 6.8级地震后,该测线 3条测段都出现重力异常方向减弱,说明该区域能量得以释放,重力场重新处于均衡状态,再次形成新的空间格局。

3.3 GPS结果分析

从研究区 2007—2008年面膨胀分布特征 (图4)来看,在乌恰附近地区存在着一个较强的面膨胀区,它的相邻地区西侧及东侧则是面收缩地区,GPS观测结果与2007年 10月—2008年 10月(图2(c))重力场反应出的该区域地壳运动基本一致,同时也揭示了压性区可能是应变能积累的反映,而张性区可能是地震发生紧迫性及震级大小的反映[8]。

图 4 2007—2008年南天山地区面膨胀分布Fig.4 Surface expansion in south Tianshan region from 2007 to 2008

图 5 2007—2008年南天山地区剪应变分布Fig.5 Shear strain in south Tianshan region from 2007 to 2008

从研究区 2007—2008年最大剪应变分布特征(图 5)来看：在乌恰附近地区有一个较强的剪应变高值区,其中心最大值约为 26×10-8,其剪切方向为北偏东[9]。2008年 10月 5日在其西部边缘发生了 6.8级地震,这个高剪应变值的出现,和 6.8级地震密不可分,应该是它的前兆异常反应,这与2003年巴楚-伽师 6.8级地震、2005年乌什 6.2级地震前的剪应变场一致。

4 重力场变化与构造动力环境响应关系

新疆南天山地区应力场特征表明,该区剪应力平均值偏高,究其原因,可能是由于印度洋板块对亚欧板块的碰撞,使塔里木盆地受到强烈挤压,这种挤压在西段尤为强烈,以右旋错动为主[5]。

重力场与构造应力场内在关系的理论研究告诉我们,重力变化与构造应力之间有着密切联系。当区域构造应力场发生变化时,重力场图像也会随之出现时空变化,重力场变化能反映区域应力场的微动态活动。伽师强震群所处的喀什坳陷受帕米尔北向推挤、天山南向逆冲以及塔里木顺时针旋转及陆内俯冲作用,是一个主要受挤压活动而变形强烈的地区[10]。从大的构造背景看,该地区处于印度洋板块与欧亚板块碰撞的西北端,是中国大陆受板块运动作用最强烈的地区之一,也是地震活动最强烈的地区之一,是其区域构造应力场活动必然受制于两大亚板块的共同作用,印度板块对欧亚板块的挤压是伽师及帕米尔一带强烈构造变动的主要动力源(图 6),当印度板块与欧亚板块活动加强时,区域构造应力场也相对增强,地壳中的物质迁移将会出现有序分布,相应的区域重力场也出现有序变化。

图 6 1998—2008年南天山地区 GPS点位运动速率(相对于欧亚板块)Fig.6 Diagram ofmotion velocity of the GPS sites in southern Tianshan from 1998 to 2008 (relative to the Eurasia plate)

在地震的孕育过程中,由于应变的积累,孕震区内介质的物理、力学性质会发生不同程度的变化,受青藏高原,特别是帕米尔构造结挤压的影响,塔里木盆地向北偏西运动,挤压天山使之再造山隆起,正重力变化显示该区地下物质因不断挤压而堆积[7]。南天山地区重力变化主要显示正变化,之后呈现负变化,可能说明压陷作用和北向扩张作用交替进行。

5 讨论与结论

1)在空间分布上,地震发生前重力场变化均出现于与活动断层走向基本一致的高梯度带,或重力场变化的零线附近,与异常中心对应的震中的位置不是很远,异常测段均在震源区附近,范围较局部。

2)一年尺度的重力变化图像较好地反映了重力场随时空的变化,对于以多震、强震为特征的南天山地区,重力异常变化明显,这表明获得的结果反映出来的南天山地区重力场变化是可靠的。

3)在时间序列上,地震发生前,重力段差和点值变化较多存在增强,然后反向减弱,往往在反向过程中发生地震。

4)在地震孕育过程中,随着震源区应力的不断集中,使得地壳内部的物质发生迁移,致使地壳内部密度发生变化,使得该处重力和地面点的空间位置发生了变化。

1 沈军,等.2003年 2月 24日新疆巴楚-伽师 6.8级地震发震构造[J].地震地质,2006,28(2)：205-212.

2 胡斌,等.关中地区重力场及其时空动态演化特征[J].中国地震,2006,22(2)：172-181.

3 王晓强,等.伽师及其邻近地区重力场动态演化特征初步分析[J].内陆地震,2007,21(3)：213-217.

4 祝意青,等.河西地区重力场及其动态演化特征[J].大地测量与地球动学,2003,(4)：44-48.

5 牛安福,等.伽师地震与区域断层活动研究[J].大地测量与地球动力学,2003,23(1)：17-21.

6 徐忠淮,汪素云,高阿甲.地震活动反应的青藏高原东北地区现代构造运动特征,地震学报,2000,22(5)：472-481.

7 李辉,等.中国大陆近期重力场动态变化图像[J].大地测量与地球动力学,2009,(3)：1-10.

8 张晓亮,等.青藏块体东北缘地壳运动与孕震特征[J].大地测量与地球动力学,2004,(4)：76-81.

9 申重阳,等.云南地区主要断层运动模型的 GPS数据反演[J].大地测量与地球动力学,2002,(3)：46-51.

10 王晓强,等.基于 GPS技术研究新疆巴楚一伽师 6.8级地震的地壳形变特征[J].地震研究,2009,32(2)：175-181.

11 赵瑞斌,李军,沈军.喀什坳陷北缘活动断裂与古地震初步研究[J].地震学报,2000,22(3)：327-331.

DYNAM IC CHANGE OF GRAVITY FIELD IN SOUTH TIANSHAN AREA AND RELATION W ITH W ESTERNW UQIAMs6.8 EARTHQUAKE

Liu Daiqin1,2),Li Jie1,3),Wang Xiaoqiang1),Li Hui2)and Paerhati·Zainula1)

(1)Earthquake Adm inistration of X injiang UygurAutonom ous Region,U rum qi 830011
2)Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071
3)Research Center of Space Science and Technology,China University of Geosciences,W uhan 430074)

Using the mobilely gravimetric data from 2005 to 2009,the dynamic changes of the gravity field in the South TianshanMountain area of Xinjiang is analyzed,and its patterns by year are given.Furthermore,combined with ti me series of gravity difference value and computed GPS data the intrinsic relations between the gravity and strain fields and theMs6.8 earthquake on Oct.5,2008 in the west toWuqia are analyzed.At last,the response of local gravity field to tectonic conditions is analyzed aswell.It is shown that the change of gravity field is related to the minidynamic activity of local stress-strain field,i.e.the change of gravity reflects the precusory change feature of the gravity source caused by the strain field change.

gravitational field;anomaly variation;western WuqiaMs6.8 earthquake;geologic structure;stressstrain field

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0084-05

2010-03-05

新疆维吾尔自治区科学研究与技术开发攻关计划项目 (200741121);地震科学联合基金 (A08056);新疆地震科学联合基金(200805)

刘代芹,男,1979年生,工程师,硕士,主要从事重力测量、大地测量以及地壳形变分析研究工作.E-mail：xjdzjldq@126.com

P315.72+6

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