尼泊尔Ms8.1地震前我国西藏及周边区域的重力长期变化

2015-02-15 01:05康开轩刘少明郝洪涛邹正波

大地测量与地球动力学 2015年5期

康开轩李辉刘少明郝洪涛邹正波

1 中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉市洪山侧路40号，430071

2 中国地震局地壳应力研究所科技创新基地，武汉市洪山侧路40号，430071

地震前后重力变化过程具有明显的上升－下降－恢复特征，而强震的孕育具有10a或更长时间尺度的应力积累［1］。2015－04－25尼泊尔地震属于印度板块俯冲、碰撞欧亚大陆的动力作用结果，其孕震尺度的空间范围必然涉及印度板块与青藏高原的较大区域。本文搜集了尼泊尔Ms8.1地震前15a间我国西藏及周边地区的8期流动重力观测资料（图1），获取该区域长期重力变化分布特征，并初步探讨此次尼泊尔Ms8.1地震孕育的重力场较长期或背景性效应。

图1 研究区构造及重力测点分布Fig.1 Location of the relative and absolute gravity stations and faults geometry

1 数据处理与结果

本文综合使用地壳重力网5期、数字地震重力网1期和陆态重力网2期的观测资料，获取西藏及周边地区1998～2013每1～2a的相对重力变化。首先，为综合使用不同观测网络的资料，对历史数据的测点编号依据现行统一的编码规范进行清理；其次，利用WDD99 固体潮模型、基于Ferrell格林函数的海潮负荷模型及基于导纳原理的气压和温度改正模型，去除原始观测中的主要重力潮汐信号及由环境因素引起的区域重力非潮汐效应；最后，每期资料采用绝对重力基准控制下的相对重力联测的经典间接平差原理，建立基于重力段差观测值的平差函数模型和随机模型，利用最小二乘约束获得测网中各测点的平差最优解。相对重力联测网平差误差方程为：

式中，vij为Δgij＝gi－gj的误差，gi为i测点上读数的预处理重力值，为测点i的平差值，D为仪器的漂移改正数，ti为测点i的观测时刻。

绝对重力观测结果以5μGal精度定权，相对重力联测观测值的权重则按仪器型号的不同，在解算过程中迭代计算确定。相对重力仪弹簧零漂改正在网平差计算中作为未知参数通过整体平差解算，以获取合理的仪器漂移系数及漂移改正量。重力仪格值系数先作为未知参数在相关期的绝对重力测量控制下整体解算，获取合适的格值系数改正值，再对原始数据作相应的格值系数改正［2］。

测区中各相对联测点的相对重力变化由每期平差结果减去多期结果平均值获得，重力年变率由多期平差结果加权最小二乘回归拟合获得，权重采用各期数据平差后的测点重力值精度，年变率的精度由1－σ的标准差估算，相当于67%的置信度。解算结果表明，测区内重力年变率分布于－17～20μGal／a，平均年变率约为3.7μGal／a；年变率精度优于10μGal／a，分布于0.4～9.8μGal／a，大部分集中在3μGal／a附近，少数复测次数较少的测点年变率精度较低。拉萨绝对重力点年变率为－2.66±0.75μGal／a，与文献［3－5］的结果在给定误差范围内是一致的。图2给出了精度优于5μGal／a的重力年变率分布，可以看出，青藏高原西南边缘喜马拉雅地区及北部可可西里山－阿尔金山地区呈现明显的正重力变化特征，最大重力变化约11.21μGal／a。图3给出了狮泉河、于田等典型测点的时间序列，可以看出，这些测点的时间序列均表现出明显的线性变化特征，表明测点附近区域的长期重力变化在15a时间尺度上以线性上升趋势为主，反映了该区域逐年累积增加的重力背景效应。

图2 1998～2013我国西藏及周边区域的重力变化率Fig.2 The gravity annual rate in Tibet and its vicinity in the period of 1998－2013

图3 典型测点的时间序列Fig.3 The time series at typical gravity stations

2 讨论与分析

2.1 陆地水储量变化引起的区域重力效应

2.1.1 冰川储量变化

近50a来中国西部82.2%的冰川处于退缩和消融状态，冰川面积减少了4.5%，但退缩的幅度和比例不同，存在明显的区域差异：冰川末端退缩、物质平衡变化和面积变化的幅度在青藏高原边缘和周边地区要大于高原内部［6］。由图1 可见，我国西藏及周边区域的流动重力测点大多集中在高原内部，只有少数测点离冰川分布区较近。孙文科［4］认为，就长期重力变化而言，由冰川融化和高原降水引起的重力变化率应该是较小的，并且这些参数中的季节性变化可以通过长期观测取平均消除，它们对重力变化率的贡献同全球水平衡有关，应是一个微小的量。

2.1.2 高原湖泊水量变化

青藏高原高山地区冰川补给占主导的湖泊集中分布于藏南喜马拉雅地区和藏东南地区，这些冰湖近40a来面积和水位总体上呈迅速增加态势［7］。Zhang［8］对青藏高原111个湖泊2003～2009的高程变化研究表明，湖泊亚区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及整个青藏高原的湖泊水位变化速率分别为0.12、0.26、0.19、－0.11和0.2m／a（图4）。近30a来我国喜马拉雅山区冰湖总面积增大了29%，区域性的水量变化与湖泊面积变化相对应，藏北的湖泊水量以增加为主，高山地区冰川补给占主导的湖泊水位上升非常迅速［8－9］。湖泊水量的逐年增加是区域重力场变化的主要因素之一。比较图2、图4可知，研究区内重力变化率为正值的测点大多分布在湖泊水位上升的区域，这表明地面重力观测的重力变化信号中包含了测点周围湖泊水量逐年增加引起的重力变化。为研究与地震相关的地壳构造运动及深部物质运移的重力信号，必须扣除陆地水储量变化引起的重力效应。精细扣除这部分水负荷效应需要测点附近河流、湖泊、地下水和常年降水量等水文气象资料，由于目前缺乏上述资料，本研究将利用Zhang［8］给出的青藏高原主要湖泊区水位变化率，基于地表负荷响应的理论计算测区内湖泊水量变化引起的重力效应，并估算测区内各重力测点的水负荷重力效应改正量。

图4 青藏高原74个湖泊水位变化［8］Fig.4 Water level change of 74lakes of the Tibetan plateau［8］

陆地水储量变化对重力场观测的影响可分为3部分：1）陆地水质量变化引起的直接牛顿引力效应；2）陆地水质量负荷作用下的弹性地球形变效应；3）由于地球形变使地球内部质量重新分布产生的附加效应［10］。根据地表负荷响应的理论计算方法，P点t时刻的重力变化δg可由下列公式表示［11］：

其中，gN为直接牛顿引力效应；gE与格林函数相关，代表地球弹性变化引起的重力响应；地表质量负荷变化δg（P，t）与湖泊水位变化l（p，t）及水密度ρw＝1 000kg／m3直接相关，即δg（P，t）＝ρwl（p，t）；me为地球质量；g为地表平均绝对重力值；Pn（cosθ）为n阶勒让德多项式；hn、kn为负荷Love数；θ为观测点P与负荷单元p之间的角距离。

图5 扣除高原湖泊水负荷重力效应后的重力年变率分布Fig.5 The gravity annual rate with the hydrological loading effect removed

图5为扣除湖泊水负荷重力效应的各测点重力年变率分布。比较图2、图5可以看出，经湖泊水负荷改正后的重力年变率变化较大的测点均为靠近高原湖泊的测点。

2.2 尼泊尔地震震前我国西藏及周边区域的重力长期变化

巨大地震的孕育和发生过程中在震源区附近会产生物质迁移和质量再分布，重力场也会随之发生变化。青藏高原岩石圈活动的重力效应主要表现为两种机制：地表隆升和地下深部物质运移［3，5，12］。基于平均球形地球模型的垂直重力梯度约－3.08μGal／cm，结合近期多位学者［13－14］给出的青藏高原地区现今地壳垂直运动结果，用自由空气改正估算由地表垂直位移引起的重力变化约为－0.6～－1.5μGal／a。同地面观测到的重力变化率（图5）相比可知，由地壳垂直位移引起的重力变化量级很小。由此可以推断，在扣除陆地水负荷重力效应后，本文基于地面重力观测得到的西藏及周边地区的重力变化主要反映了该地区深部壳幔物质迁移和质量再分布。

图6为利用陆地水负荷改正后各测点的重力年变率经50km 平滑半径的高斯滤波后的重力长期变化空间分布。图6表明，我国西藏及周边区域的重力长期变化在空间分布上具有显著的不均匀性和重力变化分区现象，这与青藏高原复杂的变形构造和动力学系统密切相关。徐纪人［15］关于青藏高原构造运动特征与地震震源断层活动类型的研究表明，在青藏高原周缘海拔较低的地区，地震主要以逆断层型或者走滑断层型活动发生，显示出在印度板块向欧亚大陆挤压碰撞的作用下青藏高原不断隆升的构造运动特征；而在青藏高原中部高海拔地区构造运动趋势相反，促使不断隆升的青藏高原基本保持着重力均衡状态。图6给出的15a时间尺度长期重力变化分布表明，青藏高原周缘地区，尤其是青藏高原南段的喜马拉雅活动构造带和北段的阿尔金－昆仑断裂带呈明显的正重力变化趋势，变化范围约为2～12 μGal／a；高原中部的藏北地块及青南地块为大范围的负重力变化区，变化率集中分布在－2～－8 μGal／a。地面重力观测给出的青藏高原周缘地区和高原中部地区截然相反的重力长期背景变化趋势，可能与徐纪人［15］指出的青藏高原周缘与中部地区相反趋势的构造运动有关。占伟等［16］的研究表明，喜马拉雅主边界断裂存在大范围挤压应变积累，尼泊尔地震震源区处于近南北向挤压应变累积高值区的过渡区域。一般来说，区域物质运动质量的总体增加，其所携带的能量亦增加，有利于地震孕育积累。地震源于地壳深处，是介质应力应变能量积累到一定程度而造成的剪切破裂。大震的孕育往往伴随着能量的积累，比如地壳内部物质不断积聚变形运动，地表重力变化上升或正重力变化应是有利于能量积累的可能标志之一［17］。图6给出的喜马拉雅活动构造带显著的正重力变化趋势，反映了尼泊尔Ms8.1地震孕育的中长期时间尺度（15a）信息。大范围的正重力变化趋势可能和印度板块与欧亚板块存在的持续挤压变形引起地下物质重新分布与调整有关，反映了大震孕育过程中地壳变形和介质变化引起的震区周围应力与能量的累积。

图6 1998～2013我国西藏及周边区域的重力长期变化空间分布Fig.6 The spatial distribution of the gravity annual rate in Tibet and its vicinity in the period of 1998－2013

3 结语

流动重力典型测点的时间序列表现出明显的线性变化特征，表明测点附近区域的长期重力变化在15a时间尺度上以线性趋势为主，反映了区域重力逐年累积增加的背景效应。我国西藏及周边区域的重力长期变化在空间分布上具有显著的不均匀性和重力变化分区现象，这与青藏高原复杂的变形构造和动力学系统密切相关。喜马拉雅活动构造带在15a时间尺度上呈明显的正重力变化趋势，可能与印度板块与欧亚板块存在的持续挤压变形引起的地下物质重新分布与调整有关，反映了大震孕育过程中地壳变形和介质变化引起的震区周围应力与能量的累积。

本文中陆地水储量变化只考虑了冰川消融和高原湖泊水位变化引起的重力效应，更为严密的陆地水模型仍需考虑高原冻土、土壤含水层、地下水储量和年季降水变化等因素。除此之外，青藏高原冰后期回弹效应和地表剥蚀等因素也会引起重力场的变化，在后续研究中应予以详细探讨。

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