2014年云南鲁甸6.5级地震前重力变化特征与3维反演

石 磊 贾晓东 陈 石 徐伟民 卢红艳

1)中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2)辽宁省地震局，沈阳 110031

0 引言

中国地震台网中心发布，北京时间2014年8月3日16时30分在云南省昭通市鲁甸县发生了6.5级地震。此次地震的震源(初始破裂点)位于103.3°E，27.1°N，深度约12km(http:∥news.ceic.ac.cn/CC20140803163010.html)。鲁甸地震是2000年以来云南省境内发生的最大地震，由于震源深度浅，地表震动强烈，波及范围广，灾区人口密度大，建筑物抗震能力弱和地层破碎次生灾害易发等原因，造成了严重的人员伤亡和财产损失(王未来等，2014)。尽管这次地震没有产生明显的地表破裂，但根据条带状分布的余震、地震烈度长轴方位和极震区地震裂缝等判断发震断层为NW走向的包谷垴－小河断裂，该断层是左旋走滑性质，属大凉山断裂南部组成部分(徐锡伟等，2014)。

地震的发生多受区域应力场和主要活动断裂带的控制，孕育发生在活动断裂带应力高度积累部位，这些地区在地震孕育和发展过程中存在着构造活动、质量迁移和密度变化等物理过程，因此，区域重力场会发生一定程度的变化(祝意青等，2013)。流动重力测量是获取区域重力场时间变化的有效手段之一，现有研究结果表明，区域重力场变化信号中包含可以反映与地壳深部介质变化及孕震过程相关的地球物理信息(祝意青等，2014)。中国地震局地球物理研究所针对地震重点危险区进行了地球物理场强化监测，以则木河－小江断裂带为中心，从2012年至今共完成了6期流动重力测量。其中，监测网内的大海村测点距离此次地震主震震中位置约19km，是研究这次地震孕震过程的最佳近场数据源。因此，本文选择测网中近震中的重力场变化资料用于研究这次地震孕震过程中等效震源深度密度体变化，对于认识地震的孕育和发生规律具有现实意义。

关于区域重力场变化与地震发生规律的解释模型方面研究，Kuo等(1993)提出了“震质源和震质中”的概念模型，用于描述孕震期观测到的区域重力场变化的场源特征。其中，将地下孕震体或物质运移的有效质量变化中心定义为震质源，而震质源在地表上的投影即为震质中。通过对1982—1998年在京津塘张地区定期复测得到的区域重力场变化资料研究表明，震质源和震质中与震源和震中并不重合，震中一般分布在断层端部或交会处，震质中则可以存在于完整的块体中，实际测量到的重力变化最大的地方并不一定是地震发生的地方(顾功叙等，1997)。陈石等(2011)通过分析川西地区1998—2005年流动重力观测数据也认为汶川地震前重力变化极大值的位置与震中并不重合。

本文利用西昌测网2012—2014年的6期流动重力观测资料，通过精细处理获得各测点的重力变化，分析研究区相邻两期的区域重力场的差分动态变化和各期相对首期的区域重力场的累积动态变化，以及距离鲁甸地震震源区较近的6个测点的重力时序变化特征。在此基础上，依据区域重力场变化解释模型，采用等效源概念，对距离震源区较近测点的重力变化进行3维等效源密度结构反演，得到了等效场源的密度变化信息，结合鲁甸6.5级地震的发震构造和动力学背景，为震前区域重力变化给出了定量的物性模型描述。

1 重力测量与资料处理

研究区位于川滇地震区东部的马边－昭通地震带，为云贵－凉山高原向四川盆地的过渡带，金沙江及其支流将高原切割得较为破碎，并在这里形成险峻的高山峡谷。马边－昭通地震带北向与龙门山和鲜水河地震带连接，西南方向与东川－嵩明地震带相邻。地震带内的发震断裂主要为NE和NW两个走向，大部分是断面近于垂直并沿走向滑动的走滑断裂。其中NE向断裂为主干断裂，NW向断裂为次一级断裂，连通了断裂带中相互平行的NE向断裂。鲁甸地震发生在NE向昭通－莲峰断裂带西段，属青藏高原东南缘川滇菱形块体与华南块体之间的一级构造边界带(Zhang et al.，2003;Xu et al.，2003)。昭通－莲峰断裂带由五莲峰断裂、昭通－鲁甸断裂和会泽－彝良断裂等3条NE向右旋走滑逆断裂组成(徐锡伟等，2014)。

2012年10月至2014年6月中国地震局地球物理研究所为强化监测全国地震重点危险区，以安宁河－则木河断裂带为中心，在101°～104°E，26°～28.5°N区域内进行了6期流动重力观测，图1为研究区流动重力测点位置分布及其构造简图，该重力观测网在原有测网基础上增加了EW向的跨断裂测线，并缩短了观测时间间隔进行加密观测。其中，灰色底图为研究区地形，蓝色圆点为重力测点位置分布，橘色实线为主要断裂分布，红色五角星为鲁甸6.5级地震主震位置，黑色圆点为余震序列空间分布。每期测量均采用2台LCR－G型重力仪进行同点位观测，重力联测段差精度优于10×10－8m·s－2。

图1 研究区流动重力测点位置及构造简图Fig.1 Relative gravity measurement sites and tectonic sketch map of the study area.

资料处理采用中国地震局实用化攻关应用软件(LGADJ)进行，利用经典平差方法，以2012年10月仁和绝对重力点实测点值作为统一起算基准，获得每个测点的每期重力点值信息，经系统误差改正后得到研究区重力场的动态变化。相对重力资料处理进行了气压、固体潮、一次项、仪器漂移和仪器高等改正(祝意青等，2012)。各期数据的平差精度如表1所示，重力点值平均精度都优于15×10－8m·s－2，观测资料质量可靠。

2 区域重力场动态变化特征

2.1 区域重力场差分动态变化

为分析研究区不同时段的区域重力场差分动态变化，利用6期流动重力观测资料分别计算了相邻2期的重力场差分变化，结果如图2所示。各期区域重力场变化特征如下:

(1)2012－10—2013－03 研究区重力变化主要表现为正值，以则木河－小江断裂带为界，西侧异常变化比较平缓，自南向北由负值逐渐变化为正值，东侧异常变化剧烈，形成等值线方向近SN向的重力变化高梯级带和局部重力正异常区。东部重力变化梯级带可能与2012年9月7日彝良5.6级和5.7级地震有关。靠近则木河断裂带两侧异常形态复杂，分别有－10×10－8m·s－2局部重力变化，在普格和巧家附近则存在局部重力正异常区。米易附近形成局部重力变化异常区，与活动断裂带走向方向基本一致。(图2a)。

表1 研究区各期重力测点观测精度(LCR－G型重力仪)Table 1 Accuracy of gravity observation in the research area(LCR－G type gravimeter)

图2 研究区相邻2期区域重力场差分动态变化图(单位:10－8 m·s－2)Fig.2 Maps of gravity change patterns between two adjacent observation campaigns in the study area(contours are in 10 －8 m·s－2).a 2012－10—2013－03;b 2013－03—2013－08;c 2013－08—2013－11;d 2013－11—2014－03;e 2014－03—2014—06

(2)2013－03—2013－08 研究区重力变化由总体大部分为正值转变为以西昌—米易—巧家一线为界，自西向东由正到负的态势，两侧异常变化都比较平缓。西侧攀枝花地区形成25×10－8m·s－2局部重力变化，米易地区由前一时段局部重力正异常转为负值异常，变化幅度达70×10－8m·s－2。彝良地区则由正的重力变化高梯级带转为平缓的负值异常区，反映出彝良地震震后重力场的恢复过程(图2b)。

(3)2013－08—2013－11 这一时段研究区重力场形态发生显著变化，表现为准均匀的态势，盐源—德昌—会理以西重力变化自南向北由负转正，东侧异常则变化平缓。西侧攀枝花地区由前一时段的局部正异常又转为负异常，变化－45 ×10－8m·s－2，与2012－10—2013－03时期相比，重力变化分布由EW向转为近SN向。这一负值变化区以东存在2个局部正值异常变化，其中会东地区正的重力变化持续增加。巧家东北侧形成一正一负局部重力变化区，最大变化差异达30 ×10－8m·s－2(图2c)。

(4)2013－11—2014－03 研究区重力场变化同样明显，以西昌—德昌—攀枝花为界，重力变化自西向东由正到负。西侧重力变化比较平缓，负异常等值线稀疏分布，东部在重力正异常基础上，叠加多个10×10－8m·s－2局部重力异常变化。与前一时段对比，攀枝花由负的重力变化转为正值重力变化，会东由局部重力正异常变化转为负异常变化，最大变化差异达30×10－8m·s－2。巧家东北侧宁南地区仍存在一正一负2个局部重力变化，但方向由前一时段的EW向转为NE向，与五莲峰断裂走向近似平行。(图2d)。

(5)2014－03—2014－06 研究区重力异常变化比较剧烈，以西昌—德昌—米易一线为界，西侧重力异常变化自西向东由负到正，东部重力异常变化自西至东同样表现为由负值到正值的变化。西部重力异常变化平缓，等值线近SN向分布，盐源附近梯级带方向与断裂走向方向基本一致。东部异常变化比较复杂，主要表现为NNW向和近SN向的负值重力变化等值线。鲁甸6.5级地震就发生在负值重力变化高梯级带方向由近EW向至NW向转折的地方，进一步说明强震多发生在重力变化高梯级带及梯度带的拐弯部位(祝意青等，2013)(图2e)。

2.2 区域重力场累积动态变化

为分析研究区更长时间尺度的区域重力场的累积变化特征，利用6期流动重力观测资料，以2012年10月首期测量数据为基准，分别计算了各期相对于首期的重力累积动态变化，如图3所示:

图3 研究区各期相对首期区域重力场累积动态变化图(单位:10－8 m·s－2)Fig.3 Maps showing dynamic patterns of cumulated gravity change relative to the first campaign in the study area(Contours are in 10 －8 m·s－2).a 2012－10—2013－03;b 2012－10—2013－08;c 2012－10—2013－11;d 2012－10—2014－03;e 2012－10—2014—06

(1)2012－10—2013－03 研究区重力异常变化特征与图2 a相同，总体表现为正值，但以则木河－小江断裂带为界，两侧重力异常变化形态并不一致。2012年9月7日彝良5.6级和5.7级地震发生在研究区东侧等值线方向近SN向重力变化的高梯级带附近，表明这一时段重力变化对这2次中等强度地震都有一定程度的反映。鲁甸6.5级地震震源区处于正值重力变化高梯级带，且梯级带方向与昭通－鲁甸断裂带走向基本一致(图3a)。

(2)2012－10—2013－08 研究区重力场发生变化，以西昌—德昌—会理一线为界，西侧重力变化更为平缓，全部为重力正异常变化，东侧异常变化相对复杂，沿活动断裂带出现重力变化梯级带。在鲁甸附近地区形成重力变化高梯级带，梯级带方向与昭通－鲁甸断裂走向基本一致。鲁甸以西负的重力变化异常区比前一时段范围有所增大，重力变化持续减小。彝良地区正值重力变化高梯级带幅值和规模都有所减小，反映出震后重力场的恢复过程，昭通地区重力变化减小了40 ×10－8m·s－2(图3b)。

(3)2012－10—2013－11 研究区重力异常变化形态与2012－10—2013－08时段类似，显现出准均匀的特征。在正值重力变化基础上，叠加多个10×10－8m·s－2局部重力异常区。则木河－小江断裂带东侧重力变化高梯级带向SW方向移动，零值线靠近2014年8月3日鲁甸6.5级主震位置，左侧负重力变化区与2012－10—2013－08时段相比减小了－10 ×10－8m·s－2，高梯级带方向没有发生改变，还是与昭通－鲁甸断裂走向基本一致(图3c)。

(4)2012－10—2014－03 研究区重力异常与2012－10—2013－11时段相比变化并不明显，主要表现为异常变化的减小，在重力正异常基础上，分布局部重力变化区。攀枝花和会泽附近正值重力变化均持续增加，研究区东侧昭通地区正值重力变化同样增加，增加量在10×10－8m·s－2左右，表现出应力持续积累过程。宁南和巧家地区形成正负相间的局部重力变化，梯级带方向与则木河和小江断裂走向基本一致，最大变化差异达45×10－8m·s－2(图3d)。

(5)2012－10—2014－06 研究区重力场变化显著，除昭通和攀枝花西南地区存在重力正异常变化外，其他地区基本上全部为负的重力变化，沿活动断裂带出现重力变化梯级带。昭通附近重力变化梯级带继续NE向移动，等值线方向由近SN向转为NE向，正值重力变化减小了30×10－8m·s－2。巧家地区负值重力变化区范围增大，跨过昭通－鲁甸断裂，重力变化持续减小。鲁甸6.5级地震发生在重力变化梯级带方向由NE向转为近EW向的转折部位(图3e)。

2.3 震中附近测点重力值时序变化

为进一步分析与鲁甸6.5级地震孕育相关的重力变化信息，利用6期流动重力观测资料，分别计算了距离此次地震震源区位置较近的测点的重力点值时序变化，以及分布在则木河断裂带与昭通－莲峰断裂带相交地区的宁南和巧家测点的重力点值时序变化(图4)，这8个测点的位置分布和点名在图1中标出。震中附近和断裂带相交地区的测点的重力时序变化能够更好的突出不同时段的重力异常变化，有利于揭示在地震孕育过程中构造活动和密度变化的特征，并了解交叉断层之间的相互作用。

图4为鲁甸地震震源区附近，及则木河与昭通－莲峰断裂带相交地区共计8个测点的重力时序变化，迤车测点因点位被破坏不进行比较。由图4可以看出，鲁甸地震震中西侧大海村、金塘和大桥乡3个测点的重力异常变化趋势基本一致。2012－10—2013－03期间大海村和大桥乡测点重力异常快速下降了10×10－8m·s－2，然后一直处于波折上升阶段，在2014－03—2014－06期间2个测点重力异常均表现为反向下降，变化量在(10～15)×10－8m·s－2之间。金塘测点重力变化在2012－10—2013－03期间上升了10×10－8m·s－2，其后基本保持水平无变化，2014－03—2014－06时段异常变化同样表现为反向下降的特征。

震中位置东侧有江底和鲁甸2个测点，江底测点之前遭到破坏，2012年10月重建，因此从2013年3月开始获得该新建点的重力值。由图4可见，在2012－10—2013－03期间鲁甸测点重力异常快速上升，变化量达40×10－8m·s－2，认为这与2012年9月7日彝良5.6级和5.7级地震有关。2013－11—2014－06期间2个测点的重力异常变化趋势基本一致，都先经历了一个异常值下降，然后反向上升的过程，变化量均不超过20×10－8m·s－2。

图4 鲁甸地震震中附近测点的重力值时序变化图Fig.4 Gravity time-variation at some relative gravity observation stations near the epicenter of Ludian earthquake in the study area.

则木河与昭通－莲峰断裂带相交地区的巧家和宁南测点重力异常变化趋势呈镜像分布特征，变化量同样不超过20×10－8m·s－2。由于观测时间较短，只能了解震前2年的重力异常变化，目前资料反映鲁甸地震前，震中及其附近重力变化并不明显，没有出现趋势性累积异常，而可能的前兆信号与断层两侧的测点2014－03—2014－06时段的重力点值差异性变化相关。

3 区域重力场变化的等效源反演

流动重力测量获得的区域重力场变化信号是地壳形变和深部物质运移的地球物理场反映。对汶川等地震前的重力场变化研究表明，区域重力场信号中包含了与孕震区物质变化相关的信息(申重阳等，2009)。本文采用等效源原理，将区域重力场变化信号反演至孕震层深度，尝试研究震质源的几何形态和密度特征。

对于等效源区域，采用长方体网格对其进行剖分，在六面体模型的坐标和观测点坐标已知情况下，可以采用如式(1)所示的解析函数表示:

由于重力位场正演满足叠加原理，在每个六面体单元为常密度情况下，观测点与场源六面体单元之间的关系可以采用线性方程组描述。如果场源六面体网格数量为M，观测点数为N，一般对于重力反演问题M≥N。重力反演问题可以用式(2)表示:

式(2)中:A为核矩阵N×M，X为等效源网格单元密度模型向量，d为观测点重力变化值向量，可利用最小二乘法求解上述方程组(2)，但一般该方程组的条件数较大，需要采用合适的正则化算法进行优化求解，比如Tikhonov正则化算法(Li et al.，1998)，其反演目标函数为

本文对距离鲁甸地震震中空间位置最近、点值序列变化特征最显著的(2014－03—2014－06)6个重力测点数据进行3维反演，这些数据认为是引起本次地震的前兆性异常(陈石等，2014)。实际反演过程中，采用UBC-GIF提供的Grav3D程序包(Oldenburg，1974;Li et al.，1998)完成此次3维密度反演，等效源深度为0～25km，地下剖分六面体的长宽高均为2.5km。

图5为研究区距离鲁甸地震震源区位置较近的6个测点的重力变化反演结果，由图可见，反演得到震质源分布在昭通－鲁甸断裂带两侧，分别对应图(3e)中鲁甸西侧负的重力异常变化区和昭通附近正值重力异常变化区，等效源密度差分别为－4.9×10－5g/cm3和7.0×10－5g/cm3，平均深度分别为10km和13km，与鲁甸6.5级地震震源深度范围基本一致。从3维反演结果的几何形态上看，鲁甸地震前重力变化极大值位置与震中并不重合，即地震震中没有发生在质量变化中心位置，而是在质量运移的过渡区域内，对应地表水平重力变化高梯级带及梯级带的转弯部位，与前述重力动态变化特征认识一致。

图5 研究区鲁甸地震震中附近测点的重力变化3维反演图Fig.5 Three-dimensional inversion of gravity variation at some observation stations near the epicenter of Ludian earthquake in the study area.

4 结论与讨论

本文利用西昌测网2012—2014年的6期流动重力观测资料，分析研究区相邻2期的区域重力场差分动态变化和各期相对首期的区域重力场累积动态变化，以及距离鲁甸地震震源区较近的测点的重力时序变化特征。在此基础上，采用等效源原理，将距离震源区较近测点的2014－03—2014－06期间重力场变化信号反演至孕震层深度。本文得到初步结论如下:

(1)研究区相邻2期的区域重力场差分动态变化呈现东西两侧分区变化的特征，较好地反映了鲁甸6.5级地震前的重力变化，由“正值重力异常变化—重力变化非均匀—重力变化准均匀—重力变化异常区持续增加—重力梯级带方向发生改变”的演化过程。

(2)研究区各期相对首期的区域重力场累积动态变化主要以则木河－小江断裂带为界，东西两侧重力异常分区变化，表明该断裂带为研究区重要的活动构造带。重力场累积动态变化表明，鲁甸地震前12个月左右在鲁甸附近地区形成重力变化高梯级带，梯级带方向与昭通－鲁甸断裂走向基本一致。其后青藏高原SSE向物质不断向昭通－鲁甸断裂运动，挤压应力持续增加，在震前3个月出现反向差异性重力变化，鲁甸6.5级地震发生在重力变化高梯级带及梯度带的拐弯部位。

(3)鲁甸地震震源区附近测点的重力点值时序变化较好的突出了不同时段的重力异常变化。鲁甸地震震中东西两侧测点表现出不同的时序变化特征，重力点值在2014－03—2014－06时段表现出差异性变化。则木河与昭通－莲峰断裂带相交地区的巧家和宁南测点重力异常变化趋势呈镜像分布，变化量不超过20×10－8m·s－2，没有出现趋势性累积异常。

(4)研究区距离鲁甸地震震源区位置较近的6个测点的2014－03—2014－06期间的重力变化反演结果得到震质源分布在昭通－鲁甸断裂带两侧，等效源密度差分别为－4.9×10－5g/cm3和7.0×10－5g/cm3，平均深度分别为10km和13km，鲁甸地震前重力变化极大值的位置与震中并不重合。

(5)结合研究区重力场累积动态变化特征、3维重力变化反演结果和壳内剩余密度异常体重力异常，我们支持昭通－鲁甸断裂带南段和北段在断裂延伸方向上存在强度的差异，南段阻挡作用弱于北段的认识(陈石等，2014)。由图3e可见，随着应力不断积累，鲁甸以西负值重力异常区范围不断扩大，逐渐跨越昭通－鲁甸断裂，而昭通附近正的重力异常区几乎不存在明显的变化，表现出重力场时－空变化中的局部硬化现象。从图5的3维重力变化反演结果得到等效源空间分布情况同样可以看出，密度差为负的蓝色等效源空间分布越过昭通—鲁甸断裂南段，而红色正密度等效源距离断裂北段还有一定距离。

综上所述，本文认为研究区域内的重力场微变化信号与地下构造有一定的相关性。几十微伽级的重力场微变化在现有仪器观测精度条件下是可靠的。通过对区域重力场变化特征和已知地震前近场源测点的时序曲线分析，在鲁甸MS6.5地震前2年时间内，没有发现趋势性累积异常，而可能的前兆信号与断层两侧的测点在2014－03—2014－06时段的重力点值差异性变化相关。针对此异常采用等效源模型反演至震源深度范围内的密度值变化在10－5g/cm3量级，该质量源在短期内的变化特征，可能与地壳内部介质孔隙流体的充填或运移相关，在短期构造运动等动力条件下，孕震区可能由于流体物质运移、充填并诱发断层滑动，从而导致地震的发生。