2013年甘肃岷县漳县6.6级地震前后重力场动态变化

祝意青赵云峰李铁明梁伟锋徐云马郭树松

1）中国地震局第二监测中心，西安 710054

2）中国科学院测量与地球物理研究所，大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉 430077

3）中国地震局地质研究所，北京 100029

2013年甘肃岷县漳县6.6级地震前后重力场动态变化

祝意青1，2）赵云峰1）李铁明3）梁伟锋1）徐云马1）郭树松1）

1）中国地震局第二监测中心，西安 710054

2）中国科学院测量与地球物理研究所，大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉 430077

3）中国地震局地质研究所，北京 100029

利用青藏高原东北缘2011—2013年期间的流动重力观测资料，系统分析了区域重力场动态变化及其与2013年7月22日岷县漳县6.6级地震发生的关系。结果表明：1）测区内重力场异常变化与主要断裂带在空间上关系密切，反映沿主要断裂带（段）在2011—2013年期间发生了引起地表重力变化效应的构造活动或变形。2）岷县漳县6.6级地震前，测区内先出现了较大空间范围的区域性重力异常，后在震源区附近产生了局部重力异常及重力变化高梯度带，其中，甘肃临夏与岷县一带重力差异变化达150×10-8ms-2以上；这些可能反映岷县漳县地震前，区域及震源区附近均产生与该地震孕育、发生有关的构造运动或应力增强作用。3）重力场1a尺度动态变化图像和差分动态演化图像均反映岷县漳县6.6级地震孕育过程的最后2a出现较显著的流动重力异常变化，地震发生在NE向重力变化高梯度带上、重力变化零值线附近和等值线的拐弯部位。4）基于流动重力异常变化在岷县漳县6.6级地震前做过一定程度的中期预测，尤其是地点判定。

青藏高原东北缘 岷县漳县6.6级地震 重力观测 重力变化 构造活动

0 引言

2013年7月22日，在甘肃岷县漳县（34.5°N，104.2°E）发生了6.6级地震，震中位于甘肃东南部地区的临潭-宕昌断裂的中东段，该断裂是这次地震的发震构造（郑文俊等，2013）。这次地震发生在中国地震重点监视区的青藏高原东北缘地区，中国地震局系统自20世纪80年代以来就在该地区开展流动重力观测工作（祝意青等，2012a），2008年汶川8.0级地震后观测到甘东南地区存在重力异常变化，并对本次强震连续多年进行了年度震情跟踪预测，尤其是强震地点的判定。中国地震局第二监测中心在2011—2012年度地震趋势研究报告中指出①，甘东南地区及其附近重力场在时间演化上变化强烈，空间上差异变化剧烈，存在强震危险背景，未来1a左右有发生6级以上强震的可能；2013年地震趋势研究报告进一步指出①，重力变化沿区内主要构造断裂带出现重力变化高梯度带，重力升、降差异达100×10-8ms-2以上，为显著的强震背景异常。中国地震局年度趋势预测汇总组编写的《2013年度全国地震重点危险区汇总研究报告》，对这次地震也进行了时、空、强3要素的预测，2013年7月22日岷县漳县6.6级地震发生在重力异常判定的危险区内。在此之前的相关研究也表明，基于流动重力观测资料曾对2008年四川汶川8.0级和2013年四川芦山7.0级地震做出了一定程度的中期预测（Zhu et al．，2010；祝意青等，2009，2013），预测危险区的中心距离中国地震台网测定的汶川地震震中和芦山地震震中均＜80km。这表明，依据区域重力场时-空变化的分析，可以开展强震中期预测的探索，尤其是强震可能发生地点的判定，这在地震3要素预测中尤为重要。因此，系统深入分析青藏高原东北缘重力观测资料，进而对2013年甘肃岷县漳县MS6.6地震前后重力场的时空动态演化特征与规律、地震孕育发生过程中的前兆表现有一个较为客观的认识，这无论是从地震预报角度，还是从地球动力学的角度来看，都是有实际意义的。

1 重力观测与资料处理

青藏高原东北缘是中国大陆地壳运动最强烈、地震活动频度最高、强度最大的地区之一。为了监测青藏高原东北缘地区地壳运动变化、发现可能的地震中短期前兆，中国地震局第二监测中心、甘肃省地震局和宁夏回族自治区地震局3个单位，自20世纪80年代分别在该地区建立了地震重力监测网，通过不断的优化与整合，形成了目前的青藏高原东北缘整体重力监测网（图1），这有利于系统分析青藏高原东北缘重力场时空动态变化，探讨地面重力变化与地壳运动、构造活动和强震活动的关系（祝意青等，2012a，b）。2008年以前，每年对青藏高原东北缘进行1期重力观测，汶川地震后，中国地震局加强了青藏高原东北缘的流动重力观测，2009年起每年进行2期重力观测。

图1 青藏高原东北缘重力测量路线及活动断裂略图Fig.1 Map of the gravity surveying routes and main active faults of the northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau.

对资料的处理：1）对青藏高原东北缘的流动重力观测资料，以该地区准同期的绝对重力测量数据作为控制，实测标定重力仪的1次项系数，以消去仪器格值系数变化带来的误差（李辉等，2000；梁伟锋等，2013）。2）平差计算时，先对多期重力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，再重新平差计算，以得到最佳合理解算结果（祝意青等，2004，2005）。3）利用统一基准解算的重力平差计算结果较好，2011—2013年的点值平均精度在（8.6～11.8）×10-8ms-2之间。4）用最小二乘配置对重力观测数据进行拟合推估，以便突出显示构造因素的重力效应。

2 岷县漳县6.6级地震前后重力场动态变化

笔者曾对青藏高原东北缘重力场时变做过大量的研究（祝意青等，2004，2005），依据2005—2011年青藏高原东北缘的重力变化曾指出（祝意青等，2012a），汶川地震的发生使青藏高原深部物质向NE运移，且部分通道受鄂尔多斯地块的阻隔，青藏高原东北缘区域重力场出现大空间尺度的趋势性显著重力变化。汶川地震后，甘宁陕交界的六盘山断裂带与西秦岭北缘断裂带及其之间地区重力场出现显著的非均匀变化，该地区受汶川大地震的影响显著。历史上该地区及其附近曾发生过6级以上的强震，值得对该地区进行深入研究和加强监视。2013年7月22日岷县漳县6.6级地震发生在西秦岭北缘断裂带附近的临潭-宕昌断裂上，重力变化对这次强震有较好的反映。

本文主要分析2011年以来的重力变化，即岷县漳县6.6级地震前后的重力场动态变化（图2，3）。

图2 青藏高原东北缘1a尺度的重力场动态变化图像（单位：10-8ms-2）Fig.2 Maps of gravity change patterns of the 1 year scale in the northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau. a 2011-05—2012-05；b 2012-05—2013-05

2.1 1a尺度的重力场动态变化图像

青藏高原东北缘每年进行2期重力测量，首先进行1a尺度的年变化分析，以了解其年尺度动态变化特征。图2是研究区1a尺度的区域重力场的动态变化图像，从图2可以看出以下现象：

图3 岷县漳县地震前后重力场差分动态变化图像（单位：10-8ms-2）Fig.3 Maps of gravity change patterns between two adjacent observation campaigns before and after the Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake.a 2012-05—2012-10；b 2012-10—2013-05；c 2013-05—2013-10

（1）2011-05—2012-05期间，重力变化总体趋势是自SW向NE出现由负向正逐渐增加的变化，重力变化等值线走向总体与祁连-海原大断裂带的走向基本一致，并沿断裂构造线出现重力变化高梯度带，较好地反映了重力变化受区域应力场作用和深大断裂活动的控制。重力变化在自南向北由负向正的变化过程中，在武威地区及其附近出现局部重力异常区及等值线的拐弯，异常区中心位于庄浪河断裂与毛毛山断裂、金强河断裂及冷龙岭断裂交会区附近，等值线拐弯的走向与NNW向的庄浪河断裂走向基本一致。

（2）2012-05—2013-05期间，重力变化出现了新的态势，以103°E为界重力出现分区变化。其一，测区东部的甘东南地区出现显著重力差异运动，临夏地区重力正值变化，岷县、天水地区重力负值变化，重力差异变化达150×10-8ms-2，并沿岷县—隆德形成重力变化高梯度带，2013年7月22日甘肃岷县漳县6.6级地震发生在重力变化高梯度带上。其二，测区西部的河西走廊地区在门源和祁连附近出现2个局部重力异常区，并沿祁连山构造带出现重力变化梯度带，2013年9月20日甘肃肃南、青海门源交界（37.7°N，101.5°E）5.1级地震发生在门源和天祝2个局部异常区的过渡地带，与门源异常有关的重力变化梯度带上。

2.2 岷县漳县6.6级地震前后重力场差分动态变化图像

为了分析岷县漳县6.6级地震前后区域重力场的短期前兆变化特征，以地震前后相邻2期的观测资料为时间基准，分别绘制了相邻2期（0.5a尺度）区域重力场的差分图像（图3），分析图3可以发现以下现象：

（1）2012-05—2012-10期间，重力变化具有分区特征，其一，甘东南地区重力变化较为复杂，总体为正负相间的波动变化，岷县地区存在+40×10-8ms-2的局部重力异常变化；其二，宁夏隆德至银川一带自南向北出现由负向正的趋势性变化，并在固原、隆德地区出现-60×10-8ms-2向北变化的局部重力异常区及伴生的重力变化梯度带；其三，河西走廊地区重力变化较为平缓，重力变化在±30×10-8ms-2内。

（2）2012-10—2013-05期间，整个测区重力变化非常剧烈，具有以下3个特征：1）甘东南地区出现显著的重力差异运动，临夏地区出现+50×10-8ms-2重力异常变化，岷县、天水地区出现-100×10-8ms-2以上的重力变化，重力变化最大差异运动达150×10-8ms-2以上，并沿岷县—隆德形成重力变化高梯度带，岷县漳县6.6级地震发生在岷县重力变化异常区伴生的重力变化高梯度带上；2）宁夏隆德至银川一带自南向北出现由正向负的趋势性变化，表现出与上期反向的变化特征，并沿固原、隆德出现局部重力异常区及重力变化梯度带；3）河西走廊地区重力变化仍较平缓，重力变化在±30×10-8ms-2内。

（3）2013-05—2013-10期间，重力变化总体与上期变化相反，表现为岷县漳县6.6级地震后的反向恢复变化。1）甘东南的临夏东部由上期的+50×10-8ms-2转为-30×10-8ms-2的重力异常变化，天水地区由上期的-100×10-8ms-2转为+100×10-8ms-2的重力异常变化，仍沿岷县—隆德形成重力变化高梯度带，岷县漳县6.6级地震发生在重力变化梯度带上、重力变化零值线附近和等值线的拐弯部位；2）宁夏固原至银川一带重力变化较为平缓；3）河西走廊地区重力变化与上2期变化相反，在门源和祁连附近出现-30和-40×10-8ms-2两个局部重力异常区，2013年9月甘肃肃南—青海门源交界5.1级地震发生在门源和天祝2个局部异常区过渡地带的重力变化梯度带上。

3 重力变化与岷县漳县6.6级地震

强烈地震常常以其猝不及防的突发性和巨大的破坏力给社会经济发展、人类生存安全和社会稳定以及社会功能带来严重的危害。这在当今人的生命第一、以人为本地建设更高水平的小康社会的形式下更突现了防震减灾的重要性、紧迫性及其特殊地位。地震预报是减轻地震灾害最有效、最直接的方法之一，因此分析总结强震前后的观测资料就显得特别重要（马瑾等，1995，2000）。

分析1a尺度的重力场动态图像（图2）可以发现，2011—2012年自西南向东北出现由负向正逐渐增加的趋势性重力变化及沿构造断裂出现重力变化高梯度，而且区域重力场异常变化形态与其布格重力异常的空间分布具有很大程度的相关性。布格重力异常自西南向东北逐渐增加，由青海西宁的-340×10-5ms-2急剧上升至甘肃民勤的-240×10-5ms-2（祝意青等，2012b），重力变化也表现为自西南向东北逐渐增加，由青海西宁的-30×10-8ms-2上升至甘肃民勤的70× 10-8ms-2，祁连山断裂带所在的NW向布格重力梯度带，其形态与2011—2012年的重力变化梯度带基本一致。已有研究表明，布格重力异常空间变化特征与地壳深部构造和地震的分布规律有着内在的联系，重力场时空变化特征则与区域构造活动和地震活动有着密切关系。祁连山地区重力异常变化的几何形态与布格重力空间分布如此密切相关，较好地反映了岷县漳县6.6级地震前区域构造应力增强引起活动断层物质变迁和构造变形，在地表产生大空间尺度重力场的有序性变化。2012—2013年甘东南出现较大范围的局部重力异常及剧烈的重力差异变化，这是局部应力集中释放的表现，较好地突出了岷县漳县6.6级地震前震中附近的重力变化前兆信息。另外，区域重力场的变化对测区西部的河西走廊地区发生的2013年甘肃肃南-青海门源交界5.1级地震也有一定程度的反映。综上所述，1a尺度的重力场动态图像较好地反映了区域应力增强引起的大尺度重力场有序性变化及沿祁连-海原大断裂的构造活动，临震前震中区域出现局部重力异常及其伴生的重力变化高梯度带。

分析地震前后区域重力场差分动态图像（图3）可以发现，2013年7月22日岷县漳县6.6级地震前后测区的重力变化具有一定的分区性，以103°E为界，测区东南的甘东南地区2012-05—10期间区域重力场主要正、负相间地波动性变化，并在岷县漳县地震的震中区附近出现+40×10-8ms-2的重力变化异常区及重力变化梯度带；2012-10—2013-05期间，震中西北的临夏附近地区持续重力正值变化，震中附近的岷县地区重力变化由上期正值转为负值变化，震中附近重力变化较低，重力变化达-100×10-8ms-2，并在震中附近出现NE向重力变化高梯度带；2013-05—10期间区域重力场总体变化与上期反向，地震发生在NE向重力变化高梯度带上、重力变化零值线附近和等值线的拐弯部位，这与以往的研究基本一致（祝意青等，2004，2009，2013）。重力场差分动态图像较好地反映了岷县漳县6.6级地震前后震中附近的重力变化，是一个由“重力正值异常区向重力剧烈负值变化异常区以及沿NE向出现重力变化梯度带向震后反向恢复变化”的演化过程。

已有研究表明，与特定地震构造有关的一次强震的发生，会引起地下应力的重新排列或分布，导致附近或相邻断裂（段）应变积累的非线性加速，从而促使那里潜在的强震提前发生（顾功叙，1997；马瑾等，2007）。2008年汶川8.0级地震发生在青藏高原东缘的龙门山断裂带上，地震破裂沿向NE方向扩展，与青藏高原东北缘深部壳、幔物质运移有着深层次的物质与能量的交换和动力作用（滕吉文等，2008）。汶川地震后，西秦岭北缘断裂带地区出现的显著重力变化，说明该地区受汶川大地震的影响显著（祝意青等，2012a）。2013年的芦山7.0级地震发生在NE向龙门山断裂带南段，与发生过2008年汶川8.0级地震破裂的龙门山断裂带中-北段相邻（马瑾等，2013）。2008年汶川8.0级和2013年芦山7.0级地震的相继发生可能对岷县漳县地震具有一定的促震作用（祝意青等，2013）。岷县漳县6.6地震发生在青藏高原东北缘，东昆仑断裂和西秦岭北缘断裂是该地区几何特征复杂多样的构造中2条主要的边界控制断裂（郑文俊等，2013）。受西秦岭北缘断裂带向南侧的扩展和青藏高原向NE扩展过程中东昆仑断裂带的NE向挤压作用的共同影响，岷县漳县震中附近出现NE向重力变化高梯度带，地震发生在NE向重力变化高梯度带上、重力变化零值线附近和等值线的拐弯部位。

4 结论与讨论

强震大都发生在活动板块的边界或活动断裂带上，2013年7月22日甘肃岷县漳县6.6级强震发生在临潭-宕昌断裂带上。构造活动断裂带由于其差异运动强烈而构造变形非连续性最强，最有利于应力的高度积累而孕育强震。已有研究结果表明（Chen，1979；顾功叙等，1997；Kuo，1999；祝意青等，2009；梁伟锋等，2013），流动重力测量反映的是区域重力场的非潮汐变化，复测结果除了能较好地反映地壳厚度、密度空间差异变化的信息外，还包含由于构造运动／变形引起的深部物质迁移等信息，与地震发生有关的重力场变化是分布在地壳所有深度上的地下流体变化的响应。由于流动重力观测主要反映的是深部地下流体运移与变迁的信息，因此干扰较少，资料可信度较高。本文主要从重力场动态变化的角度，分析研究岷县漳县6.6级地震前后青藏高原东北缘的重力场动态变化特征，获得了以下主要认识：

（1）青藏高原东北缘重力网的流动重力观测资料显示，2013年岷县漳县6.6级地震前出现了较好的中期前兆性变化图像，即区域重力场变化先呈现大尺度空间范围的有序性及与祁连-海原断裂构造带走向基本一致的重力变化高梯度带（图2a）、后呈现震中附近特征性异常及与地震孕育发生有关的局部重力异常区（图2b），2008汶川地震和2013芦山地震之前也出现了这种类似现象（祝意青等，2010，2013）。岷县漳县地震发生在重力变化异常区（反映能量的积累与释放）及NE向的重力变化高梯度带（反映有利于地震破裂的部位）上。

（2）重力场差分动态图像较好地反映了岷县漳县6.6级地震前后震中附近的重力变化，是一个由“重力正值异常区→重力剧烈负值变化异常区及沿NE向出现重力变化梯度带→震后反向恢复变化”的演化过程，较好地反映了岷县漳县6.6级地震震中附近的重力异常变化。

（3）流动重力资料对2013年岷县漳县6.6级强震震中地点的判定，进一步证实区域重力场观测对未来强震震中位置的判定具有独到的优势。强震易发生在重力变化正、负异常区过渡的高梯度带上，并须结合地震构造活动情况。这是由于重力变化高梯度带是物质密度增加与减少的过渡地带，该处产生的物质增减差异运动剧烈，易产生剪应力而首先破裂，从而诱发地震。岷县漳县6.6级地震发生在NE向重力变化高梯度带上、重力变化零值线附近和等值线的拐弯部位。

（4）2013年7月岷县漳县6.6级地震后，重力场总体呈现反向恢复变化过程中，在测区西部的门源和祁连附近出现-30×10-8ms-2和-40×10-8ms-2两个局部重力异常区。2013年9月甘肃肃南-青海门源交界5.1级地震发生在门源和天祝2个局部异常区过渡地带的重力变化梯度带上，重力变化对肃南-青海门源交界5.1级地震也有较好的反映。

（5）重力异常的分析表明，祁连山中东段的甘青交界地区重力场在时间演化上变化强烈，空间上差异变化剧烈，因此，存在中-长期强震的危险背景。

致谢 马瑾院士一直关心地震预测预报工作。在与马院士的交往中，深深感受到她的平易近人和对我们研究工作的关心支持。在马院士80寿辰之际，谨以此文表达深深的敬意！在本课题的研究过程中及本文的资料分析处理过程中，与中国地震局地震研究所李辉研究员进行过多次有益的讨论，审稿专家提出了有宝贵的意见，在此一并表示感谢。

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DYNAM IC VARIATION OF GRAVITY FIELD BEFORE AND AFTER THE M INXIAN-ZHANGXIAN MS6.6 EARTHQUAKE
ON JULY 22，2013，GANSU，CH INA

ZHU Yi-qing1，2）ZHAO Yun-feng1）LITie-ming3）LIANGWei-feng1）XU Yun-ma1）GUO Shu-song1）

1）Second Crust Monitoring and Application Center，China Earthquake Adiministration，Xi′an 710054，China
2）State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynam ics，Institute of Geodesy and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430077，China
3）Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China

Using the observation data of relative gravity measurements from the northeastern edge of the Tibetan p lateau，we have systematically analyzed the spatial-temporal variation of the regional gravity field and their relation to the occurrence of the MS6.6 Minxian-Zhangxian earthquake on July 22，2013.Our research mainly shows that：1）Spatially the anomaly change of the regional gravity field is closely related to the major fault zones in the region，suggesting that the tectonic activities or deformation which happened along the fault zones（or segments）during 2011 to 2013 would have resulted in the variation in the ground gravity observations.2）Before the MS6.6 Minxian-Zhangxiang earthquake，regional gravity anomaly firstly appeared in the whole study region，and then local gravity anomalies and high gradient zone of gravity change appeared at and near the potential source area. Among the areas of gravity anomalies，the anomaly variations near Linxia and Minxian were up to and over 150×10-8ms-2，indicating possibly the tectonic movement or stress enhancement in the study region and around the potential source area，which could be related to the preparation and occurrence of the earthquake.3）The dynamic change patterns and the differential evolution patterns of gravity variation of one year scale suggest that significant anomalies of gravity variations in the mobile gravity measurements appeared indeed in the last two years of the preparation process of the MS6.6 Minxian-Zhangxian earthquake.The earthquake occurred on the NE-trending high gradient zone near the zero curve and the turning part of contours of gravity change.4）To a certain degree，wemade amediumterm forecast before the M inxian-Zhangxian MS6.6 earthquake，especially a forecast for the locality of the earthquake based on the anomalous gravity variations.

northeastern edge of the Tibetan plateau，Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake，gravity observation，gravity variation，tectonic activity

P315.72+6

A

0253-4967（2014）03-0667-10

祝意青，男，1962年生，1983年毕业于武汉测绘学院大地测量系，获学士学位，研究员，主要从事重力测量与地球动力学及地震分析预报研究，E-mail：zhuyiqing＠163.com。

10.3969／j.issn.0253-4967.2014.03.010

2013-12-31收稿，2014-04-28改回。

中国地震局地震行业科研专项（201308009）、国家自然科学基金（41274083，41374026）和大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金（SKLGED201331E）共同资助。①中国地震局第二监测中心2011—2013年度地震趋势研究报告。