新疆及邻近地区重力场变化特征研究①

刘代芹，李 杰，王晓强，祝意青，方 伟

（1.新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国地震局第二监测中心，陕西 西安 710054）

0 引言

新疆及周边地区（西藏、甘肃、青海和宁夏）一直是中国大陆地震多发地区之一。近两年来，天山，昆仑山、阿尔金山一直处于活跃时期，6级地震频繁发生。2011年11月1日新疆巩留尼勒克交界处发生了MS6.0地震，时隔7个月，于2012年6月30日在北天山中段的和静、新源交界处发生了MS6.6地震，2012年8月12日在新疆于田县又发生了MS6.2地震。在新疆周边地区6级以上地震活动也比较活跃，2013年07月22日在甘肃省定西市岷县漳县交界发生MS6.6地震，8月12日西藏昌都地区左贡县、芒康县交界发生了生MS6.1地震；另外，就在本文撰写期间，位于人口稠密的乌鲁木齐市（2013年8月30日）发生了MS5.1地震。

重力场反映地球介质密度变化和各种环境（固体地球潮汐、内部热流、固体和液体）之间质量的交换、表面负荷和地震构造运动等，是地球动力学特征的最基本和最直接的物理量［1］，因此在地壳运动中，由于各种原因区域构造应力场发生强弱的变化时，重力场图像也会出现相应的时空变化。本文利用1998年以来全国地壳运动网、数字地震网和陆态网络重力观测数据，结合新疆及周边地区动力构造环境和强震活动，系统地分析新疆及周边地区的重力场演化特征，为新疆及周边地区地壳运动和动力学、地震等灾害预测研究提供基础研究成果。

1 点位分布和数据处理情况

本文整理了 1998、2000、2002、2005、2008 和2010年共6期全国地壳运动网、数字地震网和陆态网络重力观测数据，该数据由中国地震局、总参测绘局、中国科学院和国家测绘局等单位共同完成观测。为了系统地给出新疆及周边地区2～3年尺度的重力场动态变化图像，本文选取了新疆及周边部分地区（西藏、甘肃、青海和宁夏）网络重力数据。选取的监测网是由相邻监测点之间约100km间距，近100个重力观测点构成，其中4～6个绝对重力点，90余个相对重力点（图1），基本覆盖了新疆大部和西藏、甘肃、青海、宁夏部分地区。

图1 新疆及周边地区重力点位分布图Fig.1 Distribution of gravity points in Xinjiang and the circumjacent areas

数据处理采用了中国地震局攻关软件LGADJ，首先对每期数据进行平差计算，选取相对稳定且分布合理的点位作为拟稳点。在计算过程中，对少数存在误差较大的观测段差实行粗差剔除和降权处理，并合理确定各台仪器的先验方差，再利用绝对重力点位数据参与整体平差计算；绝对重力资料观测结果以5×10－8ms－2精度定权，相对重力联测资料的权则按仪器不同，在计算过程中迭代计算确定［2］。最终计算结果表明，各期结果的点值精度均为（8～12）×10－8ms－2，任意两期结果获得的重力变化精度在15×10－8ms－2左右，解算精度满足地震预报和重力场变化研究的需要。

2 重力场动态变化特征分析

本文首次利用1998、2000、2002、2005、2008和2010年共6期的重力数据，绘制了不同时段的重力变化图像，以便提取不同时间尺度的重力场动态变化信息。作者采用了两种方法对其进行剖析，一种是邻近两期的重力场动态变化图像，以突出观测区域不同时期重力场动态演化的差异信息；一种是长时间尺度重力场动态变化图像，以突出观测区域较长时期的重力场变化的累积信息或背景场特征［3－4］。

2.1 邻近两期重力场变化特征分析

从图2（a）可以清楚看出，1998～2000年重力变化总体显示与背景场（盆地正值变化、山区负值变化）一致的继承性，该区域塔里木盆地重力场变化出现正值区，四周重力变化为负值，即重力值减少。在新疆地区，零线位于伊宁、阿克苏、喀什、和田等地，且零线的分布恰恰位于阿尔金断层附近，把塔里木和阿尔金山分割开来，与本地区的构造分布非常一致。重力变化高梯度带位于和田以及整个昆仑山地区，且均呈现出负值区域，重力变化值达到近－50×10－8ms－2。新疆周边地区呈现零线的地区分别为拉萨、格尔木等地，西藏唐古拉山附近重力变化值较大，为＋74×10－8ms－2。新疆塔里木盆地重力场变化为正值，说明该地区重力处于增加过程，这是因为塔里木盆地位于天山、阿尔金山和昆仑山之间，且三者构造较活跃，构造应力较强，塔里木盆地处于下沉的趋势［5］是导致该地区物质重力增加的主要原因。而南天山西段、昆仑山地区重力变化出现负值区，说明该地区山体不断在抬升，导致地壳密度减小。

2000－2002年（图2（b））与1998－2000年相比重力场出现了大范围调整变化。研究区域中间部分呈现出了小范围的负值区，四周重力变化均为正值，即新疆若羌地区、和田地区以南到西藏拉萨，重力变化出现正值区。负值区域在乌鲁木齐—库尔勒地区，若羌、敦煌也出现了小范围的负值区，但其变化量不大。与1998－2000年相比，重力正值变化区在不断增强，且占主导地位，重力零线基本上与新疆天山构造走向一致，而在天山中段出现了重力变化正负交替的区域，本时段在该研究区域内重力变化最大的是库尔勒地区，变化量达到＋87×10－8ms－2。

图2 邻近两期重力场变化图像Fig.2 Gravity field change images between the adjacent two observation years

2002－2005年重力场变化（图2（c））呈现出北负南正的新格局，与2000－2002年重力变化相比较，新疆西部地区重力变化增加，除乌鲁木齐出现小范围的正值区域外，重力变化零值线沿着新疆伊犁河谷、库尔勒和敦煌一线，其以北地区重力变化均为负值区，以南地区重力场呈现正值分布，且从乌鲁木齐至阿勒泰重力迅速减少80×10－8ms－2。另外，在喀什、和田和拉萨均出现小范围零值区域，重力场变化的高梯度带位于乌鲁木齐附近。

2005－2008年（图2（d））重力场变化明显呈现四象限分布特征，东西地区重力场变化为负值区，南北为正值区，且正值变化纵向贯穿该区域。2005－2008年的重力场变化趋势是2002－2005年重力场衍生的结果，在2005年该地区就较好地呈现了重力场格局分布的新趋势，西部零线位于新疆伊宁、库尔勒和喀什等地，东部零线沿若羌到西藏地区。该区域重力变化最大的梯度带为新疆喀什、巴楚附近，重力正负差异最大变化值为－100×10－8ms－2。

2008－2010年（图2（e））与2005－2008年相比较，重力场出现了明显的反方向变化，即东西为正，南北为负值的格局，说明在该时间段内重力场受到了西南及邻区原正重力变化中心区经四周分异扩展后，在西藏块体北部、东西两侧形成贯通的负变化区。阿尔金山重力变化与昆仑山重力变化一样，均出现了大面积的负值区，精河—库尔勒—乌什—喀什一线以西形成重力正值变化条带，而重力变化最大的区域为西藏的洞错地区，变化量约为－140×10－8ms－2，说明该地区构造活动较剧烈。

2.2 长时间尺度重力变化特征分析

通过较长时间尺度重力场观测能较好地反应出该地区重力场累积变化的趋势，将观测时间段划分为两个，即1998－2005年和2005－2010年。通过图3（a）和图3（b）可以发现这两个时间段重力场变化趋势完全相反。1998－2005年重力场累积变化呈现了北东为负值区，南西为正值区，阿勒泰、克拉玛依和乌鲁木齐为小范围的正值区域。2005－2010年重力场则呈现了北东为正值区，南西为负值区，且阿勒泰、克拉玛依和乌鲁木齐附近同样出现反方向的负值区域。可见在这两个时段内该地区的构造应力处于一个先增加后减弱的过程。在重力场出现方向调整的过程中，即2005－2010年期间在该地区发生多次中强以上地震。

图3 长时间尺度重力变化图像Fig.3 Gravity field change images in long time scale

为了能更好地分析该地区重力总体累计变化趋势，本文还绘制了1998－2010年重力场累计变化图像（图3（c）），可以清楚看到，1998－2010年重力场变化趋势基本上与2005－2010年时间段重力变化一致，重力场向西南方向推移。从重力累积变化等值线来看，和田地区重力变化差异较为显著，在重力场变化转折部位分别于2012年3月9日在新疆洛浦发生 MS6.0地震（39.4°N，81.3°E），2012年8月12日在新疆于田发生 MS6.2地震（35.9°N，经82.5°E）。1998－2010年长时间段重力变化显示，在西昆仑和南天山交汇区域重力场变化梯度较大，说明该地区构造活动相对活跃，且山体重力变化为负值区域，重力变化的零线位于塔里木盆地和昆仑山东段交界边缘，基本与该地区构造动力运动分区基本一致；塔里木盆地重力场变化为正值，说明该地区重力处于增加过程，这是由于塔里木盆地三面受天山、阿尔金山和昆仑山挤压，构造应力较强，并且研究表明［5］塔里木盆地正处于下沉的趋势；而南天山西段、昆仑山地区重力变化出现负值区，说明该地区山体不断在隆升；阿尔金断裂带重力场正（西）负（东）交替出现；在天山地区，重力场将该地区纵向切割为三部分，南天山中东段和北天山东段重力场均零线变化，即重力场正负交替出现，而塔里木盆地的东北缘即南天山东段南侧，重力异常变化较明显，正负重力变化交替出现；北天山北缘的准噶尔盆地重力变化较平稳，虽然有重力零线出现，但重力变化较小（20×10－8ms－2）；阿勒泰地区重力累计变化甚微。

3 重力变化与大震活动的响应关系

地震是震源区介质发生的快速破裂错动或原断层的失稳，地震的孕育和发生不但受到区域构造控制，而且受十分复杂的深部动力学过程影响。与深部物质运移有关的重力场变化在一定程度上可以反映地壳内部震源的位置和范围。

通过分析新疆及周边地区的重力场演化过程可以发现该地区重力场变化的形态异常，重力变化空间梯度较大，因而测区内有6级以上的强震发生。受青藏高原，特别是帕米尔构造结挤压的影响，使天山再造山隆起，重力在不断减小，处于负值区；塔里木盆地向北偏西运动且处于下沉趋势，重力正值变化显示该区地壳物质因不断挤压而堆积。在1998－2005年天山地区重力变化主要表现为正值变化，2005－2010年之后呈现重力负值变化，可能说明压陷作用和向北扩张作用交替进行。2001年11月14日在新疆、青海交界的昆仑山布喀达坂峰附近，巴颜喀拉与柴达木活动地块的边界上发生了MS8.1地震（36.2°N，90.9°E），即昆仑山口西地震，该地震位于巨大重力负值变化区域，说明该区域地下介质存在较严重的质量亏损状态，可能与昆仑山口西MS8.1地震的孕育状态有关，此时较大的昆仑地震源应处于物质能量积累的最后阶段，其震源闭锁状态可能导致物质突然减弱［7］，天山块体北部及邻区因惯性作用和运动滞后性使地下物质继续向东向运动，这说明印度板块推挤青藏高原至昆仑断裂带附近往东及SEE运动加强。2008年3月21日新疆维吾尔自治区于田县发生了 MS7.3地震（35.6°N，81.6°E）地震前，震中出现明显的重力异常变化，震后反向恢复。当重力场出现反向调整时，往往会发生地震，2003年2月24日在新疆伽师（39.5°N，77.2°E）发生了6.8级地震，该地区重力场在震前重力场出现了大面积的反向调整（图2（a）、（b）），喀什坳陷受帕米尔向北推挤、天山向南逆冲以及塔里木顺时针旋转及陆内俯冲作用，是一个主要受挤压活动而变形强烈的地区。2008年玉田MS7.3、乌恰西MS6.8两个强震的发生，打破了重力场的有序变化，当区域应力场很弱或松弛时，则出现较为分散的重力变化图像。该地区重力场在区域应力场增强的情况下，均出现东升西降（或西升东降）的有序性变化。西昆仑—帕米尔高原应力场发生反向调整，区域重力场也随之出现西升东降的反向变化。

4 重力场变化与构造活动的关系

南北天山、昆仑山同时受到印度板块和欧亚板块的挤压，是受力较强烈的地区，容易积累大地震的能量。重力场变化包含了大量的构造活动信息，既有区域应力场作用下深大断裂活动，也有震源应力场作用下局部断裂活动的结果［8］。该地区10年多来的重力场时空动态变化表明，重力场出现异常，年变化量都在30×10－8ms－2以上。新疆南部重力场变化较显著的梯度带走向与柯枰断裂和南天山、昆仑山、阿尔金断裂构造活跃带走向基本一致，并在构造单元的边缘出现重力等值线形态的转折和密集，形成高梯度带，近年来发生的多次强震都是在此梯度带附近发生。在构造应力发生微弱变化时，很容易引起这些剩余质量的不规则重新运移和分布，对地表重力场产生影响。在重力作用于壳内物质的运移的方向上，如果受到阻挡，往往容易形成地表的大规模挤压、推覆、逆冲与走滑构造，天山、昆仑山、阿尔金地区断层属性基本上属于以逆冲与走滑为主［9］。

新疆及周边地区重力变化具有明显的分区特征，基本与该地区构造动力运动分区一致。不同区域因大地构造环境不同、岩石圈与深部结构与动力学条件不同、地质演化历史与先存构造格局不同，重力变化机制存在差异［2］。如天山现今地壳主要表现为快速缩短和隆升效应［10－11］，青藏高原区主要表现为挤压致密效应和高原隆升效应［2］。块体边界或过渡部位往往为重力梯级变化过渡带，如天山西段、昆仑山以及阿尔金山，从长时间尺度重力变化来看，2005年以前重力场变化出现了东负西正的格局，东移块体一般表现为负变化，说明该区域地壳不断隆升，物质运移造成物质亏损；2005年以后由于东流物质受到阻挡，负重力变化逐步向正重力变化发展。1998－2010年延续了2005－2010年，只是显示重力场正值区域在不断向西推移，负值区域逐渐缩小，而位于天山以北的准噶尔盆地重力变化相对较稳定。昆仑山、天山、阿尔金山地区环境应力场特征也表明了上述地区剪应力平均值偏高［12］，是由于印度洋板块对亚欧板块的碰撞作用，使塔里木盆地受到强烈挤压，这种挤压在西段尤为强烈，这是导致塔里木盆地周边震源错动活动的主要因素。塔里木盆地周边震源断错活动的主要原因从大的构造背景看，是该地区处于印度洋板块与欧亚板块碰撞的西北端，是中国大陆受板块运动作用最强烈的地区之一，也是地震活动最强烈的地区之一，是其区域构造应力场活动必然受制于两大亚板块的共同作用。印度板块对欧亚板块的挤压是帕米尔一带强烈构造变动的主要动力源，当印度板块与欧亚板块活动加强时，区域构造应力场也相对增强，地壳中的物质迁移将出现有序分布，相应的区域重力场也会出现有序变化。

5 结论与讨论

（1）新疆及周边地区重力场变化相对较大，无论是邻近两期还是较长时间尺度重力场变化图像都较好地表现出该区域多次出现较大范围的重力异常，且大震一般发生在重力变化转折、高梯度带附近以及构造交汇部位。

（2）新疆及周边地区重力场时空变化特征与地壳物质密度变化结构基本一致，较好地反映了该地区壳物质运移的基本过程。

（3）新疆及周边地区动态重力变化特征基本反映了新疆及周边地区动力构造运动的外部环境，研究区域重力变化特征具有明显的分区特征，基本与该地区构造分布基本一致。山体和盆地之间的重力变化有显著的区别。印度板块对新疆及周边地区的推挤作用尤为强烈。

（4）2012年全国网络重力观测任务只完成了对全国大部分地区（除了新疆、西藏）的观测，因而本文只采用了2010年以前的重力数据对新疆及周边地区给予分析。2013年各单位将对新疆及西藏地区重力监测网实施观测，作者希望通过获取上述两地区最新（2013年）的重力数据，以更好地分析新疆及周边地区的最新重力场变化特征，为该地区地震预报提供更可靠的基础依据。

新疆和西藏国土面积辽阔，人烟稀少，重力监测点位布设较稀少，而且由于最近几年西部基础建设与开发，重力点位在不同程度上遭到破坏，我们能明显体会到2010年观测的重力数据并不是那么完整和连续，极大地降低了重力网的监测能力。希望各部门加大重力点的保护和宣传工作，另外建议对破坏的重力点加以重新选埋，对一些监测能力较低的重力网型进行优化改造。

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