2013年四川芦山Ms7.0地震前的重力变化

祝意青，闻学泽，孙和平，郭树松，赵云峰

1中国地震局第二监测中心，西安 710054

2大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉 430077

3中国地震局地震预测研究所，北京 100036

4四川省地震局，成都 610000

1 引 言

2013年4月20日，四川省雅安市芦山县发生MS7.0级地震，震源深度约13km.这是继2008年四川汶川MS8.0级大地震后在NE向龙门山断裂带上发生的又一次强烈地震.芦山地震前，中国地震局系统在四川开展过多期流动重力观测，并基于观测到的重力异常变化，提出中期预测意见1），具体如下：发震时间：2013年；发震地点：川西宝兴、天全、康定、泸定、石棉一带（以30.2°N，102.2°E为中心，半径100km范围内）；震级：6级左右.可以看出，基于流动重力观测的分析做出的中期预测，与2013年4月20日四川芦山发生的MS7.0级地震（30.3°N，103.0°E）对应较好，尤其是在地点的预测上，预测的危险区中心位置距离中国地震台网测定的芦山7.0级地震震中相距不到80km.在此之前的相关研究表明，基于流动重力观测资料曾对2008年四川汶川8.0级地震做出一定程度的中期预测［1－3］，预测危险区的中心位于汶川映秀至北川之间，即位于汶川地震主破裂带的中心，距离中国地震台网测定的汶川地震震中小于75km.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，这在地震三要素预测中尤为重要.因此，系统分析研究2013年四川芦山MS7.0地震前的重力场时空变化特征，对认识强震的蕴育发生规律，捕捉地震前兆，开展强震中期预测的应用研究具有现实意义.

本文拟利用川西地区2010—2012年期间的流动重力观测资料，系统分析了区域重力场变化及其与2013年4月20日四川芦山7.0级地震发生的关系.

2 重力观测与资料处理

自1986年起，地震系统采用高精度LCR－G型重力仪在川西地区开展每年1期的流动重力测量，承担观测任务的是四川省地震局测绘工程院.考虑到早期的川西重力测网主要沿鲜水河一安宁河一则木河断裂带布设，大都是支线联测，整个测网形态对主要活动构造带的覆盖面较窄，对区域重力变化的空间控制能力较差［4］，从而难以满足强震监测预报的需要［5－6］，2008年汶川地震后，地震系统加强流动重力观测，对全国地震重点危险区进行每年2期的重力测量，并对南北地震带地区（含川西）和大华北地区的重力网进行优化改 造［7－8］.其中，2010年起 对川西重力测网进行了改造、扩建与完善，形成覆盖整个川西主要构造带的、新的重力监测网（图1）.2013年芦山7.0级地震发生在2010年优化改造后的重力监测网区域内.本文主要分析2010年以来川西地区的重力场变化.

对资料的处理：①对新优化的川西测网的流动重力观测资料，采用《LGADJ》程序进行自由网平差，以获得测网中心基准下的重力变化.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.③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.各期资料的平差精度见表1.各测点重力测值的平均精度均优于10×10－8m·s－2，反映观测资料质量可靠.

图1 川西地区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 western Sichuan region

表1 川西地区重力测量资料情况（LCR－G型重力仪）Table 1 Information of the gravity survey in western Sicuan region（using LCR－G gravity meter）

3 芦山地震前的区域重力场动态图像

3.1 重力场差分动态变化图像

2010年以来，四川地震局每年对川西重力网进行2期观测.图2是研究区相邻两期区域重力场的差分图像.分析图2表明：

①2010－09—2011－03期间，研究区重力变化总体表现为自西向东由负向正的态势.测区中部的九龙—石棉—雅安一带重力的空间变化最为剧烈，并在九龙、雅安附近形成一负一正两个重力变化异常区，最大差异变化达120×10－8m·s－2，并在两异常区之间的康定—石棉之间沿鲜水河断裂带南形成一北北西向的重力变化高梯度带（图2a）.

②2011－03—2011－10期间，研究区重力场总体态势由上期的自西向东由负向正的趋势变化转为自南向北由负向正的趋势变化.大致以冕宁为界，测区南部主要表现为重力负值的趋势变化，测区北部则表现为多个＋30×10－8m·s－2局部重力异常变化，其中，九龙地区由上期局部负值异常转为局部正值异常，峨边地区重力持续正值异常变化.仔细分析，还可发现此期间测区南部重力变化也较为剧烈，并在盐源、巧家一带出现重力变化高梯度带，2012年6月24日四川盐源5.7级（27.7°N，100.7°E）和2012年9月7日云南彝良5.7级（27.5°N，104.0°E）地震发生在这一重力变化高梯度附近，反映本期重力场的变化对这两次中强地震的发生也有一定程度的反映（图2b）.

③2011－10—2012－05期间，重力变化表现出一种新的态势，反映分区变化.以冕宁、峨边一线为界，测区南部主要表现自西向东由正向负的趋势变化，盐源、巧家一带上期出现的近东西向的重力变化高梯度带发生了转向，变为西昌、巧家近南北向的重力变化高梯度带，2012年6月盐源5.7级和2012年9月彝良5.7级地震发生在重力高梯度带发生转折的时段.测区北部，康定、雅安以北地区重力变化较为剧烈，雅江、小金地区出现重力负值变化异常区，都江堰出现重力正值变化异常区，并沿北北西向的马尔康（或称抚边河）断裂带和北东向的龙门山断裂带南段出现重力变化高梯度带（图2c）.

④2012－05—2012－10期间，研究区重力变化显著，重力变幅在－80～40×10－8m·s－2之间，总体变化态势表现为自北向南由负向正的趋势，且在趋势性变化中于雅安附近地区出现两个局部点的低值异常变化.与前一时段相比，雅安地区以及龙门山断裂带几乎不存在明显的重力变化，显示出区域重力场时－空变化中的局部“硬化”现象（图2d）.

图2 川西不同时段的重力场差分动态变化图像（单位：10－8 m·s－2）（a）2010－09—2011－03；（b）2011－03—2011－10；（c）2011－10—2012－05；（d）2012－05—2012－10.Fig.2 Maps of gravity change patterns between two adjacent observation campaigns in western Sichuan（Contours are in 10－8 m·s－2）

3.2 重力场累积动态变化图像

为了分析研究区较长时段的区域重力场累积变化特征，我们以2010年9月川西网观测资料为时间基准，分别绘制了各测期相对首期的区域重力场累积变化动态图像（图3）.分析图3表明：

①2010－09—2011－03期间，区域重力场空间变化情况同图2a时段的特征，突出特点之一是2013年芦山7.0级地震的孕育部位处于雅安重力变化正异常区北界附近沿龙门山断裂带南段的重力变化梯度带上（图3a）.

②2010－09—2011－10期间，区域重力变化表现为康定以北重力正值变化较为平缓，康定以南重力变化总体态势表现为自西向东由负向正，并在雅安、峨边地区产生＋60×10－8m·s－2以上的重力变化局部异常区；冕宁、峨边一带重力差异变化最大达110×10－8m·s－2，并在龙门山断裂带南段和石棉、昭觉、巧家附近沿鲜水河断裂带南段形成重力变化高梯度带.与此同时，盐源、巧家一带出现的重力剧烈变化及近东西向的重力变化高梯度带，可能是2012年四川盐源5.7级和云南彝良5.7级地震前的反映（图3b）.

③2010－09—2012－05期间，整个测区重力变化剧烈而又复杂，具有分区现象.以冕宁、峨边一线为界，测区南部主要表现自南向北由负向正的趋势性变化，并在盐源附近出现局部重力异常变化，这可能是2012年6月盐源5.7级地震前的反映.测区北部重力变化较为复杂，雅江、小金地区出现重力负值变化异常区，都江堰、峨边分别出现2个重力正值变化异常区，并在马尔康—芦山之间地区沿北北西向的马尔康（抚边河）断裂带、在芦山—康定之间地区沿北东向龙门山断裂带南段、以及在康定—石棉之间地区沿北北西向鲜水河断裂带南段出现重力变化高梯度带（图3c）.至此，区域重力场的变化较清楚反映了2013年芦山地震前龙门山断裂带南段及其以南的活动块体边界带发生了引起地表重力变化效应的构造运动或形变（图3（a、b、c））.

④2010－09—2012－10期间，研究区重力变化非常显著，变化总体态势表现为自西向东由负向正的趋势，变幅在－50～80×10－8m·s－2之间.其中，区域性重力异常表现为与测区主要活动断裂带走向基本一致的重力变化高梯度带，并在康定北、雅安及都江堰等地区产生可能与地震孕育发生有关的多点局部重力异常区.2013年4月20日芦山7.0级地震发生在沿北北西向马尔康断裂（抚边河）以及沿北东向龙门山断裂带南段出现的重力变化高梯度带的汇合区附近，即在雅安和都江堰两个重力正变化异常区过渡带之间的重力高梯度带拐弯部位附近.这与已有研究关于强震中期危险区位置与重力异常区关系的认识基本一致［9－12］，即强震一般发生在重力变化的局部异常、高梯度带以及梯度带的拐弯部位.

4 重力变化与芦山7.0级地震

以上分析区域重力场差分动态图像（图2）可以发现，2013年4月20日芦山7.0级地震前测区的重力变化具有一定的分区性，以北纬28°为界，测区北部2010－09—2011－03期间区域重力场主要表现为自西向东由负向正的有序性变化，并在芦山地震的震中区附近出现＋60×10－8m·s－2的重力变化异常区及重力变化梯度带；2010－11—2011－10期间，九龙地区重力变化由上期负值转为正值，震中及其附近的峨边地区持续重力正值变化，雅安地区重力变化较低；2011－10—2012－05期间沿马尔康（抚边河）断裂和龙门山断裂南段出现重力变化梯度带，并在小金、都江堰和康定出现多个局部重力变化异常区，芦山震中位于多个异常区伴生的重力变化梯度带的转弯部位；2012－05—2012－10期间区域重力场出现自西向东由负向正的趋势性变化，并在震中地区出现低值变化的局部重力异常.重力场差分动态图像较好地反映了芦山7.0级地震前震中附近的重力变化，是一个由“重力正值异常区→重力异常区变化持续增加→沿相关活动构造带出现重力变化梯度带→局部“硬化”的重力异常”的演化过程.另外，区域重力场的变化对测区南部2012年发生的四川盐源5.7级和云南彝良5.7级也有一定程度的反映.

分析区域重力场累积动态图像（图3）可以看出，2010－09—2012－10期间的累积重力场（图3d）的异常变化可分为三级.一级变化为自西向东、从川西高原向四川盆地由负向正的趋势性变化，主要反映芦山7.0级地震前区域应力场增强引起的大空间尺度重力场的有序性变化；二级变化表现为一级场变化中较大范围的重力异常区（雅江至小金地区的重力负异常区、峨边至雅安地区的重力正异常区），以及区域重力场趋势变化中的大型突变，即研究区内沿马尔康（抚边河）断裂、龙门山断裂带南段和安宁河活动断裂带出现的延伸长、变幅大的重力变化梯度带.重力场的一、二两级异常变化的总体空间格局与研究区布格重力背景场的异常变化同向［13－14］，从而应是区域与深部构造运动、物质变迁以及地块／块体差异构造运动的结果，较好地反映了芦山地震前研究区内地壳构造运动强烈，并以继承性运动为主［9－10］.重力场三级异常变化为二级变化中的较大范围正、负重力异常区中的相对起伏，以及二级变化中的区域性重力梯度带中具有不同梯度的段落.例如，川西高原除了整体表现出大面积的重力负异常区（二级变化）外，还在区内出现康定和小金2个局部的、不同值的重力负异常区（三级变化）；四川盆地除了整体表现出大面积的重力正异常区（二级变化）外，也在区内出现雅安和都江堰2个局部的、不同值的重力正异常区（三级变化），芦山震中位于正、负重力异常区伴生的与龙门山断裂带走向基本一致的重力变化高梯度带上、重力变化等值线拐弯的地区，较好地反映了强震中期危险地点与区域重力场的局部异常、高梯度带及其拐弯、交汇部位有关［9－11］.此外，芦山震中还处在雅安和都江堰两个重力正变化异常区的过渡带之间的相对低值变化地区，表明震中区附近在震前存在重力变化的相对闭锁.

图3 川西重力场累积变化动态图像（单位：10－8 m·s－2）（a）2010－09—2011－03；（b）2010－09—2011－10；（c）2010－09—2012－05；（d）2010－09—2012－10.Fig.3 Maps showing dynamic patterns of cumulated gravity change relative to the first campaign in western Sicuan（Contours are in 10－8 m·s－2）

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，从而触使那里潜在强震提前发生［15－17］.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.从图3d可以看出，芦山7.0级地震发生在都江堰和雅安两个局部重力异常区的过渡带之间，其中，都江堰出现的＋70×10－8m·s－2重力变化异常区及伴生的重力变化高梯度带，应是汶川8.0级大震后恢复调整的效应.因此，我们认为，2008年汶川8.0级地震孕育发生和震后恢复调整，对川西地区重力场动态变化以及对2013年芦山7.0级地震的发生具有重要影响，即有一定的促震作用.

5 结论与讨论

2013年4月20日四川芦山MS7.0级地震发生在NE向龙门山断裂带南段.本文已给出震前3年的区域重力场变化图像，并初步分析了区域与震区附近的重力场演化特征及其与芦山地震的关系，获得的主要认识有：

（1）2013年芦山地震前，位于2008年汶川震中附近的都江堰地区出现汶川大震后恢复调整变化的局部重力异常，在龙门山断裂带南段出现沿断裂带分布的重力变化高梯度带及剧烈差异运动.这表明汶川8.0级地震后、芦山7.0级地震前的主要构造变形与能量积累在龙门山断裂带南段上，汶川8.0级地震的恢复调整对芦山7.0级地震孕育发生具有一定的促进作用.

（2）川西重力网的流动重力观测资料显示2013年芦山7.0级地震前出现较好的中期前兆性变化图像，即区域重力场变化既呈现大尺度空间范围的有序性又有相对小尺度的局部集中性（图3d），芦山地震发生在雅安重力变化正异常区（反映能量的积累）及沿龙门山断裂南段出现的重力变化高梯度带（反映有利于地震破裂的部位）上.

（3）流动重力资料对2008年汶川8.0级大震和2013年芦山7.0级强烈地震震中地点的判定，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，并考虑地震构造活动情况（大震易发生在活动块体边界活动构造带内）.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.芦山7.0级地震发生在龙门山断裂带南段重力变化高梯度带发生弯曲的部位.

本文的工作得到四川地震局测绘工程院同仁们的支持和帮助，谨此致谢.

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