滇西重力场动态趋势变化与断层运动*

谈洪波 申重阳 郝洪涛 玄松柏 杨光亮 汪 健

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071

2)地壳运动与地球观测实验室，武汉430071)

滇西重力场动态趋势变化与断层运动*

谈洪波1，2)申重阳1，2)郝洪涛1，2)玄松柏1，2)杨光亮1，2)汪 健1，2)

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071

2)地壳运动与地球观测实验室，武汉430071)

以绝对重力做控制，对滇西网1985—2010年流动重力资料进行统一平差处理，平均点值精度为12× 10-8ms-2/a;单点重力时变曲线主要呈现出季节性的上下波动和长期性的上升或下降趋势运动，部分点重力动态变化与丽江7.0级地震孕育过程相吻合;基于长期观测的重力场年变化率反映了重力场在一段时期内的趋势性变化：1985—1995年和1996—2003年年变化率图像可能反映丽江7.0级地震前后能量的累积、释放和调整，2003年以后剑川断裂、鹤庆-洱源断裂和红河断裂北段附近重力值上升速度均超过10×10-8ms-2/a;基于初始断裂运动模型正演模拟的滇西重力场年变化率图像与实测图像非常相似，说明断裂运动对重力场趋势性变化有重要贡献;基于长期观测的重力场年变化率反演的滇西主要活动断裂年错动量与地质上给出的结果相仿，基本上反映了各断裂的活动性质。

重力场;流动重力;动态趋势变化;断层运动;反演

1 引言

长期、连续的复测重力数据对了解重力场动态演化过程，以及蕴含其中并与地震孕育、发生密切相关的活断层运动状态，均具有重要的研究价值。

现今地壳形变研究结论和地质学证据均表明活动断裂存在稳定的，准线性构造运动，这种运动是引起断裂带或板块边界地震的主要因素［1］。而断裂运动会引起周围的形变和物质变迁［2，3］，因此可以利用复测重力资料反演断裂带的运动参数，进而研究地震的孕震环境和过程。

在断层运动研究方面，国内外许多学者致力于利用地质考察或大地测量资料(GPS、重力等)研究断裂运动特征，在理论研究及实际应用方面均取得重要进展［1，4-9］。但限于资料和方法的不同，各研究给出的结论在时间尺度和断层错动量级上均有不小的差异：地质资料给出的是断层在万年至数十万年的平均运动量，量级一般在0～30 mm/a;利用大地测量资料反演的断层运动一般基于0.5～3年尺度，量级为分米～米级。而对于20～30年尺度的大地测量资料研究则鲜有报道。为此本文收集整理滇西实验场高精度流动重力网1985—2010年共计55期数据资料，对滇西重力场的长期变化做深入的分析研究;通过重力场的动态趋势变化反演研究断层活动性，并与地质上给出的断层活动性相比较，以期达到大地测量反演结果与地质考察结果的有效统一。

2 滇西重力场长期变化

2.1 数据处理

使用LGADJ软件，以丽江、下关和昆明黑龙潭3个基准台的绝对重力测量结果做控制，对滇西实验场流动重力网进行整体平差，每期点值精度平均值一般优于15×10-8ms-2，1985—2010年共计55期资料的平均点值精度约为12×10-8ms-2。

2.2 单点重力动态变化

提取每个测点随时间变化的重力值作图，其中数据较为连续且在20期以上的测点有133个。整体来说单点重力变化主要呈现出季节性的上下波动和长期性的上升或下降趋势运动，其变化幅值一般在80×10-8ms-2以内，最大可达150×10-8ms-2。且多个图像显示出单点重力变化与丽江Ms7.0地震孕育的能量累积和释放过程相吻合。由于测点较多，这里仅选取4个比较有代表性的点做进一步的说明。图1给出了南华(点100)、太安(点8600)、海坝庄(点700)和黄金湾(点10700)4个点的位置与断裂构造分布。4个点均与断层比较靠近，其中南华点在楚雄-通海断裂西南，太安点在剑川断裂东南，海坝庄点则位于红河断裂北段西南，黄金湾则在程海断裂以东。

图1 所选点位与断裂构造分布Fig.1 Distribution of selected points and fault structures

如图2所示，南华点重力值在(372.748 2～372.838 8)×10-5ms-2之间波动。其中1985—1993年表现为上下波动且缓慢下降;1993—1995年快速上升，随后持续高位震荡，1999年达到最大值;2002年出现大幅度下降，并持续低位震荡;2008年达到最低值后强势反弹快速上升。以直线拟合各期数据，可以得到该点重力年变化率为 -1.5×10-8ms-2。太安重力值在(247.366 2～247.510 6)× 10-5ms-2波动，其中1985—2002年曲线波动比较平稳，没有明显的升降趋势;2003—2004年曲线快速下降，随后快速上升;该点重力年变化率为-2.4× 10-8ms-2。海坝庄重力值在 (386.814 2 ～386.913 4)×10-5ms-2波动，1985—1991年重力值持续波动上升，随后回落;1993—1995年重力值又快速上升至最大值，再次回落的过程中发生丽江Ms7.0地震;震后重力值迅速走低，2005年达到最低值后快速向上;2007—2008年初出现小幅回落，汶川地震后又出现快速上升势头;该点重力年变化率为-1.1×10-8ms-2。黄金湾重力值1994年以前表现为平稳缓慢上升，1994—1995年出现迅速上升，2005年底达到最大值，随后发生丽江Ms7.0地震，震后重力值持下降，2007年下半年以后又出现上升趋势(该点重力年变化率为0.3×10-8ms-2)。

单点重力变化曲线可一定程度上解释丽江Ms7.0地震震前孕震过程(如海坝庄和黄金湾点)，这与申重阳［10］给出的加速-加速到峰值-再减速-再加速-再减速到一定程度发震的丽江Ms7.0地震重力前兆模式相符。

2.3 基于长期观测的重力场年变化率

对单点重力值的各期数据以直线拟合，参照其斜率可得各点的重力值年变化率。通过对单点重力长期变化曲线分析发现：单点重力除表现为长期性的上升或下降趋势运动外，在较长时间段内(8～10年尺度)也有表现出与长期趋势不完全一致的运动。如部分点重力值在1996年丽江地震之前表现出持续上升变化;随后持续下降，至2004年左右到最低，之后快速上升。为此本文除给出整个测期内的重力场年变化率外，还分别以1996和2004年为节点，给出其前后重力场年变化率(图3)。

图2 单点重力时变曲线Fig.2 Gravity variation curves at sigle point

图3 重力场年变化率(单位：10-8ms-2)Fig.3 Annual change rate of gravity field(unit：10-8ms-2)

从滇西重力场1985—2010年年变化率来看(图3(a))，主要呈现负变化，变化幅度为(-5～+7)× 10-8ms-2，其中正变化主要集中于永平-昌宁-大理、丽江-洱源-宾川和姚安-南华一带，最大值出现在姚安和南华之间。青藏块体与四川盆地碰撞后物质向西南方向流动，对滇西重力场造成抬升效应(重力值减小)和致密效应(重力值增加)。负变化说明抬升效应占主导，负变化一般在-3×10-8ms-2以内，相当于上升0.9cm/a。重力值为正的区域，说明致密效应强于抬升效应。

丽江地震之前的1985—1995年年变化率则主要表现为正变化(图3(b))，特别是丽江附近重力变化高达10×10-8ms-2/a，洱源附近以及大姚-姚安东南为负变化;丽江地震之后的1996—2003年重力场持续下降(负变化)，只有丽江、洱源、昆明附近维持正变化;2004年以后重力场则又转为快速上升(图3(d))，变化幅度达(-12～+16)×10-8ms-2，上升主要集中于剑川断裂、鹤庆-洱源断裂和红河断裂带北段附近，大姚-昆明一线以及攀枝花以南维持负变化。

从图3可看出，重力场年变化率图像可能反映了丽江Ms7.0地震前后能量的累积、释放和调整过程，而2004年以后的快速上升则可能预示着下一次强震能量的聚集，剑川断裂、鹤庆-洱源断裂和红河断裂北段能量的迅速聚集应该引起注意，并进行进一步的研究。

3 基于年变化率的滇西主要断裂运动反演

基于长期观测的重力场年变化率可在一定程度上剔除观测数据中季节性因素等非断层运动信息影响，因而可有效对断裂运动进行反演。

3.1 介质分层模型和初始断层模型

研究区地壳上地幔分层结构模型主要利用已有地震波测深、地震层析成像和布格重力反演结果简化确定［11-14］(表1)。表1中n为层数，h为深度，VP为介质中的P波波速，VS为介质中的S波波速，ρ为介质密度，η为黏滞系数，α为介质松弛比，α=1表示完全弹介质，α=0表示Maxwell黏弹介质。

表1 地壳-上地幔平均波速分层结构模型Tab.1 Layered structure of the crust-upper mantle based on the average velocity

考虑到观测数据点数及反演的实际要求，利用地质和地球物理调查分析结果［4］，形成简化的初始分段模型和初始运动参数(表2)，其中考虑到红河断裂带深浅构造差异性［15，16］，特将其分成深浅两层处理(断层编号5-1和6-1表示断层浅部，5-2和6-2表示断层深部)。

图4 滇西活动断裂模型与重力网点分布Fig.4 Active fault model and distribution gravity network in west Yunnan

3.2 断层运动引起的滇西重力场年变化率模拟

基于以上介质分层模型和初始断层运动模型，利用PSGRN/PSCMP软件包［17］，正演模拟计算断层运动引起的滇西地区重力场年变化率。由图5可见，重力场变化为-3～+6×10-8ms-2，且主要集中于断层附近;永胜-洱源-祥云三角区域、澜沧江断裂以西，以及红河断裂带中段以东均为正变化;红河断裂与澜沧江断裂间为负变化集中区。与实测滇西重力场年变化率图像相比(图3(a))，其基本轮廓相似，变化量级相当，正负变化区域和位置也近似。

申重阳等［18］认为重力场动态变化是介质密度变化和变形运动两者耦合运动的综合反映，对于局部而言，变形运动主要表现为断层运动。由图5与图3(a)的相似性可推知：断层运动对区域重力场年变化率起主要贡献;基于长期观测的重力场年变化率可有效剔除主要的非断层运动信息，这是对断层运动进行有效反演的保障。

3.3 滇西主要断裂的平均年错动量反演

基于长期观测的滇西重力场年变化率(图3 (a))，利用遗传算法反演软件，对滇西地区主要断裂运动进行反演，其反演结果见表3。根据滇西主要活动断裂的展布与测网点位分布(图4)，主要对剑川断裂(1)、鹤庆-洱源断裂(2)、程海断裂(3)、维西-乔后断裂(4)和红河断裂北段(5)等重力观测可较好控制的断裂做相关讨论，而对6～15等控制较差断裂不予讨论。

表2 主要活动断裂初始模型参数(断层编号与图4中断层位置相对应;U1为走滑运动，U2为倾滑运动，U3为张裂运动)Tab.2 Initial model parameters of the main active faults in west Yunnan(the fault numbers are corresponding to the Fig.4; U1denotes strike slip，U2denotes dip slip and U3denotes tensile slip)

图5 由初始断裂模型正演的地表重力场年变化率(单位：10-8ms-2)Fig.5 Annual surface gravity change rates forward inversed with initial fault model(unit：10-8ms-2)

由表3可以看出：滇西主要活动断裂从1985—2010年平均年错动量反演值与地质上给出的结果相当，较好地反映了断层活动性质;与地质上给出的历史活动性相比，剑川断裂走向活动有所减弱，倾向活动性增强;鹤庆-洱源断裂走向活动有所增强，倾向活动减弱;程海断裂倾向和走向活动性基本不变;维西-乔后断裂倾向和走向活动性均有增强;红河断裂北段浅部活动性减弱，并表现出一定的正断性质，深部活动性与历史活动性基本一致。

表3 断裂平均年错动初始值与反演值比较(单位：mm)Tab.3 Comparison between initial and inversed annual dislocation values of the main faults in west Yunnan(unit：mm)

4 讨论与结论

1)单点重力的动态变化过程一般表现为季节性的上下波动和长期性的上升或下降运动。其中一些点可在一定程度上解释丽江Ms7.0地震孕震过程(如海坝庄点和黄金湾点)，这与申重阳［10］给出的加速-加速到峰值-再减速-再加速-再减速到一定程度发震的丽江Ms7.0地震重力前兆模式相符。

2)基于长期观测的重力场年变化率反映了重力场在一段时间内的趋势性变化，可一定程度上剔除季节性变化等非断层运动信息的影响，从而可更客观地反映断层运动和密度变化的重力效应。

3)分段重力场年变化率图像可以反映出丽江Ms7.0地震前后能量的累积、释放和调整过程，而2004年以后的重力场快速上升可能与断层活动性增强和强震能量聚集有关，特别是剑川断裂、鹤庆-洱源断裂和红河断裂北段附近重力值增加很快，值得进一步深入研究。

4)利用地震层析成像、地质和地球物理调查结果给出的滇西主要活动断裂模型和区域介质分层模型，正演模拟断层运动引起的地表重力变化，该结果图像与利用实测流动重力得到的年变化率图像非常相似，说明断层运动对区域重力场年变化率起主要作用。

5)对于重力控制较好的断裂，反演结果较好地反映了断裂的活动性质。

1 孙建中，等.利用地震矩张量反演鲜水河断裂带现今运动学特征［J］.地壳形变与地震，1994，(4)：9-15.(Sun Jianzhong，et al.Inversion of the present kinematic characteristics of Xianshuihe fault zone from seismic moment tensor［J］.Crustal Deformation and Earthquake，1994，(4)：9-15)

2 Okubo S.Potential and gravity changes raised by point dislocations［J］.Geophys J Int.，1991，105：573-586.

3 Okada Y.Surface deformation due to shear and tensile faults in a half-space［J］.Bull Seismol Soc Am.，1985，75：1 135 -1 154.

4 国家地震局地质研究所，云南省地震局编.滇西北地区活动断裂［M］.北京：地震出版社，1990.(Institute of Geology，China Earthquake Administration and Earthquake Administration of Yunnan Province.Active faults north-west of Yunnan province［M］.Beijing：Seismological Press，1990)

5 Jackson J and Mckenzic D.The relationship between plate motions and seismic moment tensors，and the rates of active deformation in the Meditcrrancan and Middle East［J］.Geoph J.，1988，93：45-73.

6 Kivatzi A.Rates of crustal deformation in the North Acgan trouth-North Anatolian Fault deduced form seismicity［J］.Pageoth，1991，126(4)：421-432-?.

7 黄建梁，申重阳，李辉.断层地质位错模型的局部重力异常稳健反演分析［J］.地震学报，1998，20(1)：86-95.(Huang Jianliang，Shen Chongyang and Li Hui.Robust inversion of local gravity anomaly with the fault geological dislocation model［J］.Acta Seismologica Sinica，1998，20(1)：86-95)

8 Zhao Shaorong，Chao Dingbo and Xu Jusheng.Determination of current active segments at the Red River Fault Zone by inversion of GPS baseline changes［J］.J Geodynamics，1993，17(3)：145-154.

9 申重阳，等.滇西重力断层运动时间分布特征的初步研究［J］.大地测量与地球动力学，2002，(2)：68-74.(Shen Chongyang，et al.Preliminary study on characteristics of time distribution of fault movement with gravity data in westiern Yunnan，［J］.Journal of Geodesy and Geodyamics，2002，(2)：68-74)

10 申重阳，李辉，付广裕.丽江7.0级地震重力前兆模式研究［J］.地震学报，2003，25(2)：163-171.(Shen Chongyang，Li Hui and Fu Guangyu.Study on a gravity precursor mode of Lijiang earthquake with Ms7.0［J］.Acta Seismologica Sinica，2003，25(2)：163-171)

11 冯锐.中国地壳厚度及上地幔三维密度分布(三维重力反演结果)［J］.地震学报，1985，7(2)：143-157.(Feng Rui.Crustal thickness and up-mantle 3-D density distribution of China(3-D gravity inversion)［J］.Acta Seismologica Sinica，1985，7(2)：143-157)

12 朱思林，等.滇西实验场区三维重力反演研究［J］.地壳形变与地震，1994，(1)：1-10.(Zhu Silin，et al.Three dimensional inversion fo gravity anomalies in the western Yunnan［J］.Crustal Deformation and Earthquake，1994，(1)：1-10)

13 张中杰，等.三江地区地壳结构及动力学意义：云南遮放-宾川地震反射/折射剖面的启示［J］.中国科学(D辑，地球科学)，2005b，35(4)：314-319.(Zhang Zhongjie，et al.crustal structure and synamic significance in Sanjiang area：the apocalypse of Yunnan Zhefang-Bingchuan profile［J］.Scientia Sinica Terrae，2005b，35(4)：314-319)

14 徐鸣洁，等.利用接收函数研究哀牢山-红河断裂带地壳上地幔特征［J］.中国科学(D辑，地球科学)：2005，35(8)：729-737.(Xun Mingjie，et al.Study of the characteristics of crust-upper-mantle in Ainaoshan-Red river fault zone using receiver function［J］.Scientia Sinica Terrae，2005，35(8)：729-737)

15 白志明.深地震测深剖面的层析成像研究及其应用［D］.中国地震局地球物理研究所，2002.(Bai Zhiming.Tomographic investigation and application of deep seismic sounding［D］.Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，2002)

16 白志明，王椿镛.云南地区上部地壳结构和地震构造环境的层析成像研究［J］.地震学报，2003，25(2)：117 -127.(Bai Zhiming and Wang Chunyong.Tomographic investigation of the upper crustal structure and seismotectonic environments in Yunnan province［J］.Acta Seismologica Sinica，2003，25(2)：117-127)

17 Rongjiang Wang，Francisco Lorenzo-martin and Frank Roth..PSGRN/PSCMP-a new code for caluclation co-and post-seismic deformation，geoid and gravity changes based on the viscoelastic-gravitational dislocation theory［J］.Computers and Geosciences，2006，32：527-541.

18 申重阳.地壳形变与密度变化耦合运动探析［J］.大地测量与地球动力学，2005，(3)：8-12.(Shen Chongyang.Preliminary analysis of coupling movement between crustal deformation and density change［J］.Journal of Geodesy and Geodyamics，2005，25(3)：8-12)

DYNAMIC GRAVITY CHANGES AND FAULT MOVEMENT IN WEST YUNNAN PROVINCE

Tan Hongbo1，2)，Shen Chongyang1，2)，Hao Hongtao1，2)，Xuan Songbai1，2)，Yang Guangliang1，2)and Wang Jian1，2)

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)Crustal Movement Laboratory，Wuhan430071)

Controlled by absolute gravity data，mobile gravity data of western Yunnan network from 1985 to 2010 are processed with adjustment of average accuracy of 12×10-8ms-2.The characteristics of single point gravity variation curve are with seasonal fluctuation and trend movement(up or down)in long-term.The gravity dynamic variation of some points is consistent with preparation process of Lijiang Ms7.0 earthquake.The annual change rate of gravity from long-term observation can reflect the trend variation of gravity field in a time period.The annual change rates of gravity in 1985-1995 and 1996-2003 might reflect the energy accumulation and release before and after the Lijiang Ms7.0 earthquake.Since 2003，the rising velocities of gravity are over 10×10-8ms-2/a along the Jianchuan fault，Heqing-Eryuan fault and the northern segment of Red River Fault Zone.On the basis of the initial fault movement model，the forward simulant annual changing rates of gravity are similar with the measured values.It indicates that fault movement has great contribution to the gravity field change.The annual fault movements inversed by annual change rate of gravity are consistent with the geological results，and basically reflect its active characteristics.

gravity field;mobile gravity;dynamic trend change;fault movement;inversion

1671-5942(2011)06-0043-06

2011-07-18

国家自然科学基金(40574012);中国地震局青年震情跟踪课题(2010020802)

谈洪波，男，1983年生，硕士，主要从事断层位错运动与重力反演研究.E-mail：thbhong@163.com

P315.72+5

A