芦山MS7.0地震震前GRACE卫星时变重力场特征研究*

姜 磊 李德庆 徐志萍 杨利普 熊 伟 徐顺强

(中国郑州450002中国地震局地球物理勘探中心)

芦山MS7.0地震震前GRACE卫星时变重力场特征研究*

(中国郑州450002中国地震局地球物理勘探中心)

基于GRACE卫星时变重力数据， 利用小波多尺度分解方法， 分析研究了芦山MS7.0地震前重力场的时空动态演化特征． 结果表明, 雅安地区震前卫星时变重力场具有明显的重力变化信息． 卫星时变重力场在时间域表现为， 累积重力场和差分重力场存在较强的规律性动态变化， 以2003—2004年均值为基值的2009—2012年的变化特征与2005—2007年的变化特征具有较好的相似性， 以2009年均值为基值的2009—2012年即芦山地震前4年， 芦山震区的时变重力场呈现上升→减速上升→加速上升以及上升→轻微下降→快速上升的变化特征； 卫星重力场在空间域表现为， 震中位置由靠近重力场正变化的中心→接近重力场正变化边缘→接近重力正变化四象限分布中心的变化特征． 因此， 芦山地震的重力场动态变化信息和波场分离结果符合逆冲推覆兼走滑型地震引起的区域变形特征．

GRACE卫星 时变重力场 芦山MS7.0地震 小波多尺度分解

引言

2013年4月20日发生的芦山MS7.0地震位于龙门山断裂带南段双石—大川断裂(前山断裂)的南延长线上， 震源深度为13 km． 据美国地质调查局和中国地震台网中心的计算结果， 该地震为逆冲兼走滑型地震， 破裂方向为西南， 破裂长度为65 km， 极震区地震烈度为Ⅸ度．

巨大地震孕育和发生过程中震源区附近通常会产生物质迁移和质量再分布， 重力场也会随之变化； 同时， 在发震断层区通常会产生横向和垂向的位移和质量迁移， 垂向变化有时可达几米， 这种同震形变将引起局部重力的突变， 地表观测表明这种变化比较显著(李瑞浩等， 1997； 李辉等， 2009). 这些因素是重力观测手段用于地震监测的基本前提． 多年来地球物理学家对此进行探索, 以期获得重力变化与地震活动之间的关系并解释其物理意义． 目前， 全国范围内地震重点监视区内的地球物理场绝对重力观测网和流动台观测网测点分布广泛， 已形成有效的地震监测网. 利用这些台网所取得的数据对地震孕育、 发展、 发生进行了深入的研究并取得了大量的成果(李辉等， 2009; 祝意青等， 2013)， 增强了利用重力场特征变化研究地震预测的物理基础的可行性．

与此同时， 许多学者在利用测地卫星获取时变重力模型以及对模型恢复理论方法等方面进行了深入的研究(张国民等， 2001； 徐天河， 杨元喜， 2004； Bettadpur， 2007； 肖云等， 2007； 郑伟等， 2010； 邹贤才等， 2010)， 促进了重力卫星在地球科学中的快速应用， 也为利用卫星重力资料探索研究地震孕育及其发生机制提供了一种新手段． GRACE是德国与美国联合研制和发射的重力卫星， 旨在提供高精度和高空间分辨率的静态及时变地球重力场， 而时变重力场已成为人类感知地球内部物质迁移的一种重要手段． 随着时变重力场获得手段的不断改进， 针对巨大地震前后震源区附近局部重力场的变化研究也得到快速发展． Han等(2006)利用GRACE卫星数据， 首次探测到2004年苏门答腊MS9.1地震的同震重力变化， 其峰值达±15×10-8m/s2. Chen等(2007)、 Einarsson等(2010)及Li和Shen(2011)等也获得了与该地震相关的同震重力变化． 随后， 研究人员先后对2008年汶川MS8.0地震、 2010年智利MW8.8地震和2011年日本MW9.0地震后GRACE卫星探测到的地震相关重力变化进行了分析研究(申重阳等， 2009； Hanetal， 2010； 王武星等， 2010； 邹正波等， 2010， 2012； 陈国雄等， 2012)． 针对GRACE卫星探测重力变化能力， 孙文科(2008)指出该卫星能探测到MS>9.0剪切型地震和MS>7.5张裂型地震； de Viron等(2008)则认为在当前分辨率和精度下， GRACE卫星探测到MW≥9.0地震的概率达98%. 这意味着GRACE卫星能够探测到巨大地震引起的局部重力变化．

由于大震的孕育发展是个相当长的复杂过程， 除地震发生时的同震物质迁移和地壳形变外， 地震前1—2年内震源区附近是否也会产生较明显的质量迁移和重力场变化， 这对地震发生机理的探索无疑十分重要． 此外， 大震的孕育发生通常与深部的构造活动有关， 因此研究地下深部物质迁移和能量累积的变化特征对分析和判断发震断层的孕震机制具有重要的意义．

本文以芦山MS7.0地震为样本， 尝试探索利用卫星重力时变资料研究震前震源区附近的质量迁移及区域重力场的时空变化特征， 以提取震前重力场变化的物理预测信息. 在此基础上， 利用位场分离方法研究震前差分重力场, 以期从深部场源信息中获取此次芦山地震的深部动力学机制．

1 数据来源及方法原理

GRACE卫星利用精密星间测距技术， 通过两颗相同的低空卫星间距离的微小改变来探测地球系统的质量异常， 并以一定的周期重复覆盖全球， 从而得到地球重力场变化， 具有空间广域性和时间准时性的优点．

本文采用的GRACE卫星时变重力场数据来源于德国地学中心(GFZ)发布的Level-2 RL05地球重力模型. 该数据为处理后的规格化重力场位系数， 最高为90阶， 该模型已扣除了大气、 海洋、 极潮、 固体潮及海潮等影响(Christophetal， 2012)． 由于差分重力场可以反映区域的局部重力效应， 为研究芦山地震前GRACE重力场变化特征， 本文选取的时空尺度分别为： 空间上分布于震中四周(25°—35°N， 90°—110°E)， 南北超过1000 km， 东西大于2000 km； 时间上从2003年1月—2012年12月， 尺度为10年的GRACE卫星数据． 对数据进行滤波处理， 滤波半径为500 km， 且为了保证精度， 对数据进行了截断， 选用了0—60阶的截断数据． 此外, 为了有效地压制降水等周期性季节变化可能引起的重力变化信号， 采用年平均场来计算重力变化．

首先求取2003和2004两年的重力场变化均值， 并以该均值为基值， 计算2005年以后的重力年均值及其与该基值的差值， 得到研究区2005—2012年的重力累积动态变化场(图1a--h)． 为了更明确地了解此次芦山地震前卫星时变重力场的变化特征， 采用2009年的重力场年均值(笔者认为2008年汶川地震后能量得到释放， 2009年的均值接近该区的正常均值水平)作为基值， 通过计算得到2010—2012年相对2009年基值的重力累积动态变化场(图1i， j， k)， 同时也计算了2009—2012年的重力差分动态变化场(图1i, l, m)．

为了解震区震前地下物质迁移在空间上的差异， 本文采用小波多尺度分解的位场分离方法， 对2012年的重力累积动态变化场数据(图1h)进行处理， 得到了不同深度重力场变化特征(图2)， 为进一步探讨重力场变化与地震孕育发展之间的关系及解释其物理意义提供重要依据．

小波多尺度分解方法能够把重力场分解到不同的空间尺度， 各阶小波细节可以反映由于不同深度地质体的密度差异所引起的重力异常(秦前清， 杨宋凯， 1994)． 具体而言， 低阶细节代表浅源地质体异常， 高阶细节代表深源地质体异常， 小波逼近成分则是区域场的反映．

图2 重力差分场小波多尺度分解结果Fig.2 Results of multi-scale wavelet decomposition with differential gravity field

(1)

式中，Aj代表第j=J阶的小波逼近系数，Dj代表第j=1, 2, …,J阶的小波细节系数． 根据式(1)， 可以对尺度j=J时的逼近部分(式(1)右边第一项)和j=1, 2, …,J的细节部分(式(1)右边第二项)进行重构， 得到不同尺度的小波分离结果； 然后利用功率谱分析法(式(2))计算出各阶细节成分代表的场源似深度， 并赋予小波细节具体的地质含义(李成立等， 1998)．

(2)

2 震前重力场的动态变化及其特征

为了全面直观地分析区域重力场的动态变化特征， 本文采用累积动态变化(孙文科， 2008)、 差分动态变化及多尺度小波分解等手段进行重力场分析和研究. 这样既能保证对区域重力场总体变化趋势的了解， 又能突出重力场局部和不同深度的精细动态变化特征．

2.1 震前10年的重力场累积动态变化特征

2005年区域重力场相对于2003和2004年(图1a)， 沿东西方向呈西部低中东部高的变化． 拉萨、 攀枝花、 禄劝等地处于负重力变化区(0—-4.5×10-8m/s2), 林芝—丽江构成一个正重力变化区(0—2.5×10-8m/s2)， 阿坝—成都—贵阳地区呈北西向正重力变化(0—4×10-8m/s2)．

2006年区域重力场相对于2003和2004年(图1b)， 在东西向表现为西低东高的变化特征． 以昌都—曲靖为界， 西部的青藏高原为负重力变化区(0—-7.0×10-8m/s2)， 东部的四川盆地和贵阳等地区为正重力变化区(0—3.0×10-8m/s2)．

2007年与2003和2004年相比(图1c)， 其重力场变化特征呈现出一种近似共轭分布的格局. 以汶川为中心， 在北西方向上， 阿坝以北—贵阳等地区为正重力变化区域(0—3.5×10-8m/s2)； 北东方向上， 广元以东、 整个青藏高原及印度北部均表现为负重力变化区(0—-5.0×10-8m/s2)． 汶川附近的正重力变化场呈近似四象限分布， 由于汶川正处于该变化梯度的中心， 故这种分布特征可能与该地区的应力分布状态有关．

从2005—2007这3年的重力场变化可以看出， 研究区域正重力变化场的梯度逐年向汶川附近增强， 这可能意味着物质能量的流入与累积； 但此时的雅安位于变化梯度的侧翼上， 重力场变化较为缓和．

2008年(图1d)是重力场变化较大的一年， 其重力值变化范围是过去几年年均值变化的10倍. 汶川地震恰位于正负重力变化的交界处， 成都位于正重力变化中心(0—50×10-8m/s2)． 这说明汶川地震前后， 地下物质或能量发生了大规模的变化．

2009—2011年(图1e--g)的重力累积变化场特征较为类似. 重庆地区均为正重力变化中心， 且变化范围不断扩大， 表明该区存在物质的不断累积， 是一个能量逐渐积累的过程； 而在青藏高原和印度北部则为负重力变化区， 从2009—2011年， 其物质在不断流出， 且有逐渐加强的趋势． 结合研究区的区域构造背景分析认为， 由于印度板块的挤压， 青藏高原的物质向周边流出， 并在阿坝北部和重庆等地汇集， 造成这些地区的物质流入不断增加， 能量累积不断增大， 为龙门山断裂带地震的孕育提供了足够的能量基础．

2012年相对于2003和2004年(图1h)， 其重力变化场以雅安为中心， 呈现近似四象限分布特征， 此时的雅安已经接近重力梯度变化的中心．

结合研究区重力场10年累积的变化特征分析结果表明， 区域内物质和能量持续向四川盆地周缘运移或积累， 而2008年汶川地震恰好位于极大重力场梯度变化的正负交界线上. 此外， 汶川地震后重力场正变化区域仍然集中在龙门山断裂带附近， 这可能为汶川地震的余震和芦山地震的孕育发生提供了能量保障．

2.2 震前4年的重力场累积动态变化特征

2010年区域重力场相对于2009年， 沿北西方向呈中间高两侧低的格局(图1i)． 区域内北东—南西为一低值正变化场(0—3×10-8m/s2)， 即从四川盆地经青藏高原东南缘至印度东北部呈近条带分布， 在印度东北部形成正值变化中心(3×10-8m/s2)； 而位于该条带两侧的青藏高原与云南北部则处于负重力变化区(0—-3×10-8m/s2)； 同时发现玉树震区恰好位于正负重力变化场的交界带上. 说明青藏高原下方的物质流失可能与2010年玉树MS7.1地震的孕育发生有关．

2011年区域重力场相对于2009年， 沿北东方向呈中间低两侧高的变化(图1j)． 青藏高原与云贵高原等处于负重力变化区(0—-3×10-8m/s2), 印度东北部呈现一正重力变化区(0—3×10-8m/s2), 成都—广元地区呈现北北东向正重力变化区(0—4×10-8m/s2)， 此时不难发现地下物质已有向龙门山断裂带聚集的趋势. 玉树和汶川震区的负重力变化可能与震后的恢复效应有关(物质的轻微亏损)．

2012年相对于2009年， 除印度东北部有一正重力变化中心(3.5×10-8m/s2)外， 区域重力场变化呈近似共轭分布的格局(图1k)． 西部青藏高原—云南西北部与东部的阿坝—成都—贵阳分别连在一起， 构成两个沿北西—南东方向展布的梯状正负重力变化场． 青藏高原(-4.5×10-8m/s2)和云南北部(-5×10-8m/s2)的负重力变化明显增加， 意味着物质流出加剧. 位于正重力变化场中部的龙门山断裂带附近的正变化值(3×10-8m/s2)表现出增加的态势， 特别是在正重力变化区中部形成一个类似四象限分布的重力变化态势， 而雅安处于此中心边缘， 这与图1h所示结果相一致．

2.3 震前4年的重力场差分动态变化特征

2010年相对于2009年的重力场变化特征(图1i)， 上一节已分析过． 2011年相对于2010年的重力场(图1l)， 区域出现了大范围的负重力变化区(0—-3×10-8m/s2)， 仅青藏高原西部(0—2×10-8m/s2)和汉中以南局部处于低值正重力变化区． 与上一年相比， 重力场变化发生了显著的反相， 可能意味着玉树和汶川地震后， 产生了物质的回流， 造成拉萨及其以北地区的重力相对微增(可能是物质流出相对减少)； 而印度东北部和四川盆地等区域则出现轻微的相对重力亏损(可能是物质流入相对减缓). 需要指出的是， 云南北部的负重力变化中心(-3×10-8m/s2)却表现出相对重力亏损增加的趋势， 推测可能是物质回流时由于受到青藏高原流出物质的阻挡和印度板块的挤压以及四川盆地的阻挡等共同影响而造成的向南流出增加的表象．

2012年相对于2011年的重力场(图1m)， 沿北东东方向， 区域形成一个中间高两侧低的形态． 西侧的青藏高原处于相对负重力变化区(0—-4.5×10-8m/s-2)， 表明物质开始加速流失； 而印度东北部地区出现了物质流入相对明显放缓(或流入量相对减少)的迹象； 另外， 位于区域南端的云南北部地区同时出现了流出显著放缓的趋势． 形成鲜明对比的是， 阿坝—雅安—贵阳连在一起形成一个沿北西—南东方向展布的条带状正重力变化区(0—4.5×10-8m/s2)， 特别是在此条带中部四象限分布的形态更为明显清晰， 可能意味着震前该区域应力场分布的一种发展趋势． 结合整个区域来看， 周围物质在以雅安为中心的龙门山断裂带南段汇聚， 构成了能量及应力的累积．

2.4 重力差分场的小波多尺度分解结果及其特征

为了进一步研究区域临震前地下物质迁移在空间上的差异及其变化特征， 对2012年相对于以2003—2004年均值为基值的累积重力变化场(图1h)进行小波多尺度分解处理， 图2从上到下依次给出了小波分解1—4阶细节及4阶逼近差值场. 其中2阶细节的功率谱场源似深度为12—18km， 是中上地壳重力变化的体现； 3阶和4阶细节反映的场源似深度为25—62km， 反映的是中下地壳重力变化； 4阶逼近则反映了56—110km深度内下地壳底部及上地幔物质运移引起的重力变化， 基本上剔除了中浅部质量迁移引起的重力变化． 从图2中可以看出， 随着深度的增加， 变化幅值逐渐增大. 2—4阶细节场中， 正、 负重力变化场的变化范围分别为(0.04—3.0)×10-8与(-0.04—-3.5)×10-8m/s2； 4阶逼近场的幅值变化范围最大， 其最大正、 负重力变化分别高达6.5×10-8和-6.5×10-8m/s2．

3 讨论与结论

区域重力场的动态变化特征能够反映出该区域地下物质在时空上的运动变化和迁移规律， 为大地震的孕育发生提供了地球动力学依据． 结合前面分析结果和目前收集到的芦山MS7.0地震的相关资料， 本文就重力场变化特征与芦山地震的关系作进一步讨论.

1) 根据2009—2012年累积重力场动态变化(图1i--k)， 芦山震区始终处于正重力变化场不断上升区， 说明在其周围诸如青藏高原物质东流、 四川盆地阻挡、 印度板块挤压以及云贵高原物质南流的共同作用下， 震区的应力累积不断增加并呈现圈闭状态， 满足了大震发生的能量积累条件， 当能量积累到临界点时会导致发震断层破裂从而引起地震． 中国地震局地震预测研究所(2013a)于2010年6月在康定和泸定地区对部分温泉取样进行了地球化学分析． 结果表明， 一些化学成分在汶川地震后仍然表现为上升异常， 而上述流体异常区恰好位于此次地震区域的东北缘． 该观点或可作为本论断的一个旁证．

2) 2009—2012年的重力动态差分场(图1i,l,m)在雅安地区出现了重力场上升→轻微下降→快速上升的规律性变化． 对于这种现象， 笔者认为可能是由两个因素造成的： ① 汶川MS8.0和玉树MS7.1大震及其后发生的多次较大余震产生的物质回流或者部分能量的释放； ② 大震发生前存在的局部重力场的轮变. 不同研究者在研究唐山MS7.8地震(李瑞浩等， 1997)、 汶川MS8.0地震(申重阳等， 2009； 陈国雄等， 2012)及日本MW9.0地震(邹正波等， 2012)时也发现了类似现象， 均倾向于认为是大震对局部重力场的影响．

图3 芦山MS7.0地震震源区构造应力主轴反演 结果(引自中国地震局地震预测研究所， 2013b) □表示最大应力轴反演结果， △表示最小主应力轴 反演结果， ○表示中间主应力轴反演结果； 最大 主应力轴和中间主应力方向为水平向， 而最小主压应力轴方向为近垂向Fig.3 Tectonic stress axes inversion of the source region of Lushan earthquake (after Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration， 2013b) Open squares represent maximum principal stress axis， open triangles represent minimum principal stress axis and open circles represent medium principal stress axis. The maximum principal stress axis and the medium one are in horizontal direction, and the minimum one is in vertical direction

3) 无论重力累积变化场还是差分变化场， 均为震区附近在临震期出现了类似四象限分布的正值重力变化(图1h， k， l， m)． 与中国地震局地震预测研究所(2013b)得到的震源区构造应力主轴反演结果(图3)进行比较， 发现其呈四象限分布的正重力变化场优势展布方向与芦山地震的最大主应力方向基本一致. 这种吻合除了表明物质和能量在该区域的汇聚外， 也为发震断层为一剪切走滑型构造提供了很好的判据．

4) 结合重力动态变化场(图1)和小波多尺度分解的结果(图2)可以看出， 印度板块的俯冲挤压， 青藏高原深部物质的东流， 四川盆地刚性块体和龙门山断裂带的阻挡， 以及包括汶川MS8.0巨大地震能量释放在内的多种因素， 造成了深部物质产生向东南方向转移的弧形流动， 这种流动有向雅安及其邻近区域汇聚的趋势， 从而在龙门山断裂带南段的雅安地区形成了物质和能量的过度累积， 这些条件都十分有利于在雅安及其邻区发生以逆冲或推覆运动为主的大震． 同时汪汉胜等(2010)研究表明， 雅安及其邻区的地下水储量和冰川均衡作用均对该区域重力场变化产生影响． 由于这些复杂因素的存在， 使得芦山地震与汶川大地震的关系及其相关性有待于进一步探讨．

本文通过利用GRACE卫星时变重力资料对雅安地区震前重力场变化特征的分析， 得出以下结论：

1) 在利用GRACE卫星时变重力数据时， 高斯滤波半径的选取、 时变重力场阶数的选择及重力场模型高低项取舍对研究结果均至关重要． 由于卫星重力场变化与诸如降水、 冰川的融化、 地下水位的变化、 构造运动的发生等多种因素有关， 故本文采用了年平均重力场的分析方法来压制降水等周期性季节因素的影响．

2) GRACE卫星时变重力资料能够很好地呈现芦山地震震前10年内的重力场变化特征， 可以作为大震震前重力研究的一种有效手段．

3) 震前10年以2003—2004年为基值的重力场累积动态变化表明， 2009—2012年的重力场变化特征与2005—2007年的变化特征相似. 出于减少汶川地震对本文结果影响的考虑， 笔者认为文中所使用的以2009年年均数据为基值的2009—2012年重力场动态变化结果， 可以用来讨论此次芦山地震震前卫星重力场变化．

4) 2009—2012年重力场动态变化表明， 芦山地震的孕育具有明显的时空变化规律， 即时间上表现为累积重力场上升→减速上升→加速上升, 差分重力场上升→轻微下降→快速上升的物质、 能量积累过程； 空间上表现为震中从正重力变化场的中心→边缘→靠近四象限分布中心的变化过程．

5) 重力场动态变化信息及波场分离结果符合逆冲推覆兼走滑型地震引起的区域变形特征．

本文研究结果表明， 利用GRACE卫星时变重力数据研究区域重力场的时空变化特征， 探索提取地震孕育、 发展、 发生的重力场变化物理预测信息不失为一次有益尝试． 虽然一些学者认为GRACE卫星探测地震同震变化能力有限， 但从本研究结果看， 芦山震区还是存在较显著的震前卫星重力场时空变化特征． 因此, 笔者认为GRACE卫星时变重力场变化的探索研究， 或许可为中国大陆MS≥7.0地震震前重力变化提供有效的物理预测信息．

德国地学中心(GFZ)提供了卫星数据， 中国地震局地球物理勘探中心张先康研究员对本文提出了中肯意见， 审稿专家对本文提出了细致严谨的修改意见， 在此一并表示感谢！

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Characteristics of gravity field before the LushanMS7.0 earthquake based on time variable gravity data from GRACE satellite

(GeophysicalExplorationCenter,ChinaEarthquakeAdministration,Zhengzhou450002，China)

Based on monthly gravity data from GRACE satellite, this paper analyzes the characteristics of dynamic changes in gravity field before the LushanMS7.0 earthquake by multi-scale wavelet decomposition method. Results show there is a regulation of the dynamic variations in the cumulative gravity field and differential ones. In the time domain, taking the annual average value of gravity field in 2003—2004 as the base value, the annual variation characteristics of gravity field in 2009—2012 are similar to those in 2005—2007. On the basis of the annual average value of gravity field in 2009， the annual changes in gravity field from 2009 to 2012 exhibit a process, i.e., increasing → decelerated increa-sing → accelerated increasing or increasing → slightly descending → rapidly increasing. In the spatial domain, the positive gravity variations are characterized by the process that the epicentral location moves from the center of positive gravity variations to its border, and then to the center of the four-quadrant distribution. So dynamic changes in the gravity field and wave field separation results of the LushanMS7.0 earthquake are consistent to the regional deformation characteristics resulted from the Lushan earthquake as a thrust-nappe and strike-slip earthquake.

GRACE satellite; time-variant gravity; LushanMS7.0 earthquake; multi-scale wavelet decomposition

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.01.007.

“四川省芦山‘4·20’7.0级强烈地震科学考察”项目资助.

2013-05-31收到初稿， 2013-09-22决定采用修改稿.

e-mail: jianglai3961@126.com

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.01.007

P315.72+6

A

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