1992—2000年滇西大地水准面变化与Ms≥6.0地震＊

董正瑶 李 辉 汪 健 谈洪波

(1)浙江省地震局,杭州 310013 2)中国地震局地震研究所,武汉 430071 3)地壳运动与地球观测实验室,武汉 430071)

1992—2000年滇西大地水准面变化与Ms≥6.0地震＊

董正瑶1)李 辉2,3)汪 健2,3)谈洪波2,3)

(1)浙江省地震局,杭州 310013 2)中国地震局地震研究所,武汉 430071 3)地壳运动与地球观测实验室,武汉 430071)

用滇西地震试验场流动重力复测资料计算大地水准面时空动态变化,研究表明大地水准面演化特征与该区断裂活动关系密切相关,对 6.0级以上地震有较好的反映,局部大地水准面变化与地震的孕育、发生有关。

地震;流动重力测量;大地水准面变化;地壳运动;滇西地区

1 引言

我国的地震重复重力测量工作到目前为止已走过了 40多年的历程。40多年来,在测量仪器、观测技术、数据处理和地震预报研究等方面都取得了一定进展[1]。在测量精度方面,随着 LaCoste-Romberg高精度相对重力仪的引进,相对重力测量精度已达10×10-8ms-2左右。根据两期观测资料计算重力场时间变化,其精度在 15×10-8ms-2左右,相应的监测重力场变化的能力高于 40×10-8ms-2,相当于可以捕捉到一次 5.0级以上地震孕育所产生的重力场变化。国内外的大量的观测结果表明[2-4],在地震的孕育、发生过程中,的确显示出了具有地震前兆意义的重力变化。

大地水准面被认为是地球重力场的几何表象和重力等位面,是地球上部圈层的一个物理界面。地球内部构造活动,如地震,会引起不同程度和不同范围的大地水准面变化,与地壳深部密度及动力学变化密切相关。本文以滇西地区的流动重力测量数据为依据,建立局部大地水准面变化详细数学模型,对滇西大地水准面变化的形态与Ms6.0以上地震活动关系进行了分析。

2 大地水准面变化计算的数学模型

大地水准面差距表示为[5]：

式中σ为整个地球,R为地球半径,γ为椭球面上的正常重力,Δg′(ψ,α)是地面点 P(ψ,α)归化到大地水准面上的重力异常,S(ψ)为 Stokes函数。

顾及球面极坐标系流动面元与球面坐标系流动面元的关系 R2sinψdψdα=R2cosφdφdλ,式 (2)变为：

式中ψ根据计算点和流动点的经纬度进行计算,即cosψ=sinφsinφP+cosφcosφPcos(φ-φP),格网面积Δ Σi为：

3 滇西地震试验场资料及精细数据处理

滇西地震试验场位于川滇块体的南端,地质环境和构造背景复杂 (图 1),是我国强震活动重点监视区[6]。流动重力测量工作始于 1973年,1984年对滇西实验场的重力网进行了改造,扩建为具有130多个测点的高精度重复重力网 (图 1)。自 1985年起使用LCR-G型相对重力仪每年进行 2～3次重复测量,测量精度约为(7～10)×10-8ms-2。

图1 滇西重力网Fig.1 Gravity network ofWestern Yunnan

在进行重力网平差数据处理时,为提高整个网平差结果精度的可靠性和均匀性,以下关绝对重力基准点做为拟稳点[7](图 2),对 1985年以来的每一期观测资料进行拟稳平差。利用昆明的绝对重力变化值作为参考基准,对每一期的观测结果进行修正,从而获得每一期的基于绝对重力控制的具有时空基准的重力变化值,再以各时间段网格化后的重力变化值作为依据,根据式 (4)计算滇西地区的局部大地水准面变化(图 3,4)。

图2 下关绝对重力基准站绝对重力变化时序图Fig.2 Variations of gravity changes at Xiaguan absolute gravity fiducial station

图3 昆明绝对重力基准点重力变化时序图Fig.3 Variations of gravity changes at Kunming absolute gravity fiducial station

图4 昆明 GNSS基准站垂直位移变化时序图Fig.4 Variations of vertical displacement at Kunming GNSS fiducial station

4 区域大地水准面动态变化结果及分析

4.1 计算结果

以下关绝对重力基准点对 1992—2000年,每年2期的观测资料进行拟稳平差,并对滇西地区的重力结果按 2′×2′格网化,以所有时间段的重力值均值作为背景重力值,计算得到的滇西地区大地水准面变化等值线如图 5。利用美国国家地理空间情报局发布 EG M2008地球重力场模型,计算得到的滇西地区大地水准面的起伏变化如图 6。

4.2 结果分析

从图 6可看出,滇西地区的大地水准面起伏整体表现为负值,约 -44～-32 m,区域大地水准面起伏与红河断裂带、澜沧江断裂带走向较为一致,局部受小断裂带影响交错,是滇西地区内部物质运动的综合反映。GPS观测结果表明[8,9],相对于欧亚板块,川滇地区显示围绕东喜马拉雅构造结的顺时针旋转运动、拉张伸展、挤压与剪切变形共存的复合变形模式,而滇西地区由于青藏高原物质的向东挤出在东部相对稳定的四川盆地和华南块体的阻挡下,与印度板块共同的作用下造成顺时针旋转运动,且川滇地区地壳运动方向与金沙江、澜沧江和怒江的流向一致,在重力的作用下地壳物质缓慢地向南蠕动。

从图 5看出,滇西地区的大地水准面在红河断裂带的两侧以及断裂的一些局部地区变化较大, 1992、1993、1994年,大地水准面年内变化整体除了值大小外呈现基本相同的变化特征,沿红河断裂带由北向南增大但不明显;1995年,上半年与下半年呈现相反特征,特别是上半年变化,与 GRACE卫星重力观测到的一些结果及其理论向上延拓图像呈现出一致性,下半年 10月发生武定Ms6.5地震,震后下半年变化形成以弥渡-姚安为中心的峰值,下半年基本与上半年反向变化,显示出震后物质调整信息, 1996年上半年 (丽江地震前)变化与滇西大地水准面起伏状态相反,表明红河断裂带北段和澜沧江断裂带较为活跃,发生丽江Ms7.0地震和Ms6.8余震,1996年下半年大地水准面变化又呈现相反状态,显示出震后物质调整信息,1997年年变化不明显,较为平稳,与滇西大地水准面起伏形态较为一致,1998年上半年由南向北逐渐增加,等值线垂直法线与断裂带基本重合,1998年下半年梯度带密集区沿红河断裂带偏东北向,随即在 1998年 11月发生宁蒗Ms6.2地震,1999年上半年和下半年形态逆时针旋转 90度后相似,下半年亦呈现与断裂带一致走向的等值线密集区,与卫星重力观测结果较为一致,随即在测区发生姚安Ms6.5地震,震后 2000年上半年并未呈现相反变化状态,而 2000年下半年呈现四象限对称变化分布。

5 结论

1)滇西地区大地水准面动态变化在整个区域呈现一种平稳-不平稳-反向的状态变化。

2)大地水准面变化与断裂带走向基本一致,呈对称分布,且与滇西大地水准面起伏相反状态下,半年后均发生Ms6.0以上地震,为利用大地水准面动态变化预测地震提供了一定的参考依据。

图5 滇西地区大地水准面动态变化图Fig.5 Dynamical variations of geoid changes inWestern Yunnan area

致谢 感谢邢乐林博士对绝对重力测量数据的精细处理!

图6 滇西地区大地水准面起伏变化(单位：m)Fig.6 Fluctuation of geoid inWestern Yunnan

1 祝意青,王庆良,徐云马.我国流动重力监测预报发展的思考[J].国际地震动态,2008,9：19-25.(Zhu Yiqing, WangQingliang and Xu Yunma.Thoughts on the development of earthquakemonitoring and prediction inmobile gravity[J].RecentDevelopment inWorld Seis molgy,2008,9：19-25)

2 李瑞浩.重力学引论[M].北京：地震出版社,1988.(Li Ruihao. Gravimetry guide[M]. Beijing：Seis mological Press,1988)

3 Chen Y T,Gu H D and Lu Z X.Variations of gravity before and after the Haicheng earthquake,1975,and the Tangshan earthquake,1976[J].Phys Earth Planet Int.,1979,18：330-338.

4 祝意青,王双绪.昆仑山口西 8.1级地震前重力变化[J].地震学报,2003,25(3)：291-297.(Zhu Yiqing and Wang Shuangxu.Gravity variation before Kunlun mountain passwesternMs8.1 earthquake[J].Acta Seismologica Sinica,2003,25(3)：291-297)

5 李建成,等.地球重力场逼近理论与中国 2000似大地水准面的确定 [M].武汉：武汉大学出版社,2003.(Li Jiancheng,et al.The theory of earth gravity approach and deter mination of China quasi-geoid 2000[M].Wuhan：Wuhan University Press,2003)

6 徐云马,祝意青,程宏宾.1998—2004滇西地区重力场演化与Ms≥6.0地震[J].大地测量与地球动力学,2008, (2)：51-55.(Xu Yunma,Zhu Yiqing and Cheng Hongbin. Relations bet ween changes of gravity field andMs≥6.0 earthquake in western Yunnan during 1998—2004[J]. Journal of Geodesy and Geodynamic,2008,(2)：51-55)

7 张为民,王勇.洱海水位变化对下关基准点绝对重力观测影响 [J].大地测量与地球动力学,2005,(4)：114-116.(ZhangWeimin andWang Yong.Effect ofwater level variations of Erhai lake on absolute gravity observation at Xiaguan fiducial station[J].Journal of Geodesy and Geodynamic,2005,(4)：114-116)

8 周伟,等.川滇地区现金构造变形分析[J].大地测量与地球动力学,2008,(2)：22-27.(Zhou Wei,et al.Analysis of present-day tectonic deformation in Sichuan-Yunnan area[J].Journal of Geodesy and Geodynamic,2008,(2)：22-27)

9 王双绪,等.利用重力复测研究局部大地水准面变化与地震的关系[J].大地测量与地球动力学,2009,(1)：6-10.(Wang Shuangxu,et al.Studyon relation between variation of local geoid and earthquake by repeated gravity survey[J].Journal of Geodesy and Geodynamic,2009,(1)：6 -10)

RELATI ONS BETW EEN CHANGES OF GEO I D AND EARTHQUAKES (Ms≥6.0)INW ESTERN YUNNAN DURING 1992—2000

Dong Zhengyao1),Li Hui2,3),Wang Jian2,3)and Tan Hongbo2,3)

(1)Earthquake Adm inistration of Zhejiang Province,Hangzhou 310013 2)Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071 3)CrustalM ovem ent Laboratory,W uhan 430071)

On the basis of the mobile gravity data in western area of Yunnan province during 1992-2000,the dynamically evolutional characteristicsof geoid are researched.The results show that the changesof geoid are closely relative to fault activity,and the variationsof local geoid are relatedwith the preparation and occurrence of earthquake ofMs≥6.0

earthquake;mobile gravimetry;geoid variation;crustalmovement;the west of Yunnan

1671-5942(2011)04-0027-05

2011-01-12

中国地震局地震行业专项(喜马拉雅计划)

董正瑶,1981年生,硕士,主要从事重力资料处理研究.E-mail：39041086@qq.com

P315.72+5

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