利用小波变换研究南天山地区流动重力异常特征——以2020年伽师MS6.4地震为例①

陈 丽，刘代芹,3，艾力夏提·玉山，李 瑞，丁 宇，赵 磊

(1.中国地震局乌鲁木齐中亚地震研究所，新疆 乌鲁木齐 830011; 2.新疆帕米尔陆内俯冲国家野外科学观测研究站，新疆 乌鲁木齐 830011; 3.中国科学技术大学地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026)

地震与重力的关系是以地壳变形和密度(质量)变化而紧紧地联系在一起的，对重力场动态变化进行深入分析，可以捕获某些强震的有效前兆信息[1]。不同深度、不同密度、不同规模和不同形态的地质体叠加产生重力异常，浅部的密度异常信息以高频信号为主，深部大规模的密度异常信息以低频信号为主。因此，为了更好地对场源所引起的局部场异常进行分析研究，需要采用适当的数据处理方法，进行重力场异常信息的分离[2-4]。1989年，Mallat S G首次提出多分辨率分析(Muti-Resolution Analysis)也称小波多尺度分析，能够将空间分解为不同分辨率的子空间系列，为重力异常的多尺度分解提供一种有利的工具[5-6]；侯遵泽等利用小波多尺度分解研究中国大陆布格重力异常[7]。张双喜、陈兆辉等利用小波多尺度分解重点分析重力场变化与强震孕育的关系和规律[8-9]。利用小波多尺度变换方法，对南天山地区2018～2019年的重力场变化进行分离和解释，并利用功率谱分析方法估算近似场源深度，为南天山地区构造运动和地震机理研究提供重力场的变化信息。

1 测区概况及重力数据处理

南天山地区是天山褶皱带、塔里木盆地以及帕米尔高原等3个构造单元的衔接地带，该地区活动断裂发育，构造运动极为活跃。北面由多条逆断层构成的柯坪块体，沿柯坪断裂容易发生破坏性地震；东南面是塔里木块体，推挤作用力沿着天山由西向东逐渐减小；西面是西昆仑、帕米尔弧型构造与南天山西段的交汇区，以张性拉张作用为主。印度洋板块不断向欧亚板块俯冲，昆仑山向天山推覆，致使帕米尔高原北部抬升，在山脉和盆地交界地段形成断陷、褶皱等地形。南天山地区的断裂主要以近东西向为主，数量多、规模大，沿着这些断裂带不断发生中强地震[10-11]。2005年新疆维吾尔自治区地震局开展南天山地区流动重力观测工作，每年对测点进行2期的重复观测，2013年由前期的喀伽网优化改造变为南疆测网[12](图1)。

图1 新疆南天山地区流动重力测网

野外观测时，2台相对重力仪均采用专用的PDA进行解算。所有测段的观测精度均要求往返测自差小于25×10-8m·s-2，互差小于30×10-8m·s-2(表1～2)。数据解算时，利用中国地震局软件LGADJ[13]，选用湖北省地震局和中国地震局第二监测中心提供的塔什库尔干、乌什和库车绝对观测值为约束进行经典平差计算。通过克里金方法对平差结果进行网格化，获取相邻2期的重力场变化[14]。利用小波多尺度分析将重力场变化的不同成分进行分离，分析不同尺度意义下的重力场变化特征，提取与地震相关的重力异常，并估算各阶近似场源深度，解释南天山地区的构造运动[15-16]。

表1 新疆南天山地区流动重力观测精度统计

2 重力场时空变化特征及小波多尺度分解

2.1 重力场时空变化

通过定期的流动重力重复观测或者定点重力连续观测，可以捕捉到与震源变化有关的重力前兆信息[17-18]。为突出不同时期重力场动态演化的差异信息，利用南天山地区重力观测数据的计算结果绘制伽师MS6.4地震半年尺度和多年尺度的重力变化图像(图2)。

图2 南天山地区半年和多年尺度重力场变化图像

表2 新疆南天山地区流动重力观测点变化统计表

2019年4月～2019年8月半年尺度的观测结果显示，柯坪块体及喀什—乌恰交汇区出现重力负值变化，阿克苏—巴楚—叶城—塔什库尔干沿线以北的塔里木盆地出现重力正值变化。和田地区为重力高值变化区域，最大量值约为+55×10-8m·s-2，阿合奇至巴楚为负值变化异常区，并在异常区的南北两侧沿柯坪断裂和迈丹断裂产生重力变化梯度带。2020年1月19日伽师MS6.4地震位于负值变化异常区的西面重力变化梯度带上，量值约为-20×10-8m·s-2。地震发生在柯坪塔格山前，震中位于柯坪断裂西段，该地区活动断裂非常发育，构造变形方式是以逆断裂—褶皱带为代表的山前薄皮推覆构造[19-21]。

一年尺度2018年8月～2019年8月重力场变化显示，塔里木盆地南缘受青藏高原向北推挤作用，呈现重力正值变化，最大量值出现在和田地区，约为+60×10-8m·s-2。重力零等值线从皮山一带向北延伸至巴楚、红白山附近，阿克苏、巴楚、英吉沙连线以北的南天山西段以负值变化为主，最大量值出现在伽师附近，约为-80×10-8m·s-2。巴楚一带处于重力场转换的高梯度带，并沿着该区域断裂构造线的走向展布，反映了重力变化受区域应力场作用，柯坪块体为负值集中区。祝意青等[22]研究表明结合地震发生的实际构造活动情况，强震容易发生在重力变化正、负异常区过渡的高梯度带上，高梯度带显示的是物质密度增加与减少的过渡地带，物质增减差异运动剧烈，容易产生剪应力并首先破裂，从而诱发地震。伽师MS6.4地震位于重力场正、负转换高梯度带的西北面，且位于负变化高值集中区，量值约为-70×10-8m·s-2。

2017年8月～2019年8月2年尺度观测结果显示，重力场呈现大范围的负值变化，库车至阿克苏以及和田至皮山一带出现小面积的正值变化。柯坪块体皮羌断裂带两侧重力值出现显著异常变化，量值(-120～-140)×10-8m·s-2，伽师MS6.4地震位于负变化高值集中区。

2016年8月～2019年8月3年尺度重力场变化显示，南天山地区整体以正值变化为主，南天山西段阿克苏—阿合奇—喀什沿线区域呈现负值变化，和田—阿拉尔—库车沿线以东也呈现重力负值变化。塔什库尔干至英吉沙一带变化达到+60×10-8m·s-2，巴楚西北方向的柯坪山区及喀什周边重力值变化为-40×10-8m·s-2。伽师MS6.4地震震中位于负值区。

2.2 重力场小波多尺度分解

小波变换细节是对局部场重力异常的反映，主要体现的是浅部场源引起的高频信息，小波变换逼近是对区域场重力异常的反映，主要体现的是深部场源引起的低频异常信息。根据小波变换分析理论[23]假设二维重力异常场，

Δg(x,y)=f(x,y) .

(1)

重力分解表达式可简化,

Δg=A4G+D1G+D2G+D3G+D4G.

(2)

式中，A4G为异常4阶小波逼近，D1G～D4G为异常的1阶到4阶小波细节。

根据2018～2019年的重力观测结果，利用小波变换将研究区重力异常进行1～4阶小波分解，提取各阶对应的地质信息。图3显示，1阶和2阶小波变换重力细节D1、D2异常圈闭范围整体较小，分布较为分散，反映的是南天山地区上地壳浅层密度不均匀体的分布情况。随着阶次的增大，在D3中，许多弱小细节消失，连成较大异常，异常分布的规律性逐渐增强，反映的是南天山地区近地表和上地壳的重力变化，变化量值小于20×10-8m·s-2，这种变化可能与岩石密度不均匀和观测误差的综合效应有关。4阶小波细节D4显示，重力变化等值线分布整体以东西向为主，与构造走向基本一致，异常分布也更为明显和集中，巴楚至阿合奇一带位于负值变化异常区，并在异常区的南北两侧沿柯坪断裂和迈丹断裂产生重力变化梯度带，异常区量值约为40×10-8m·s-2，以英吉沙为中心出现四象限分布，重力变化较大的地区也是构造运动强烈地区，伽师MS6.4地震位于负值集中区。随着阶次的增加，等值线圈闭总体范围在逐渐增大，主要反映的是地下物质由浅至深的密度变化。4阶小波变化重力逼近A4说明南天山地区场源的区域动态变化，即深部物质流动的区域性变化。

图3 2018～2019年南天山地区重力场小波分解细节图和4阶逼近图

2.3 功率谱分析

1970年Spector and Grant[24]提出的一种重磁场数据处理方法——功率谱，借助重磁异常的对数功率谱分析，定量确定重磁异常的场源深度，

(1)

式中，h为场源埋深，r为圆频率或波数，ln(r)被称为异常波谱的径向对数功率谱。径向对数功率谱中可以获得一条拟合的直线，利用直线的斜率可以求出场源的深度。

对2018～2019年南天山地区重力动态变化小波多尺度分解各阶小波细节进行功率谱分析，可以进一步了解不同深度下重力异常的物理意义。图4显示2018～2019年南天山地区 1～4阶小波细节场源的平均深度分别为3、5、9和12 km，随着深度的增加，1、2、3阶小波细节重力变化较小，4阶小波细节变化和重力逼近变化较大。伽师MS6.4地震震源深度为16 km，重力变化主要来自深部构造活动的影响。从图中可以看出，每一阶小波细节的功率谱都有比较清楚的直线段，伴随着小波细节阶数不断增加，功率谱直线段的斜率也在不断增大，说明重力场小波细节的场源深度在不断增加。与其他曲线相比，图4(e)中功率谱曲线弧度变化较大，可以划分3～4个切点，反映出区域重力场是不同深度重力源异常的叠加。

图4 2018～2019年南天山地区1～4阶小波细节功率谱图

3 结论与讨论

根据流动重力结果，半年尺度重力场变化图像显示伽师MS6.4地震前阿合奇至巴楚为负值变化异常区，并在异常区的南北两侧沿柯坪断裂和迈丹断裂产生重力变化梯度带，伽师位于负值区。一年尺度重力场变化显示巴楚一带依然处于重力场转换的高梯度带，负值变化较大的区域出现在伽师附近，量值约为-80×10-8m·s-2。2020年1月19日伽师MS6.4地震前，伽师位于负变化的高值集中区。两年尺度重力场变化显示柯坪块体皮羌断裂带两侧重力值出现显著异常变化，量值(-120～-140)×10-8m·s-2，伽师MS6.4地震位于负变化的高值集中区。3年尺度重力场变化图像显示塔什库尔干至英吉沙一带变化达到+60×10-8m·s-2，伽师发生MS6.4地震，震中位于负值区。

随着小波细节阶次的增加，异常圈闭的总体范围也在逐渐增大，主要反映了南天山地区地下物质由浅部到深部的密度变化。从2018～2019年的小波细节分解结果可知，4阶小波变换重力细节显示伽师MS6.4地震前巴楚至阿合奇一带出现重力变化的高梯度带，量值约为40×10-8m·s-2，地震位于负值集中区。综合小波多尺度分解的结果并结合功率谱分析方法，获取南天山地区各阶小波变换重力细节的场源近似深度，给予重力场变化具体的物理意义，为探讨南天山地区地震的孕育机理与地下构造和物质密度变化的关系和规律提供一种新的技术支持。