云南地区及邻域卫星重力变化及其与区域大震的关系①

焦佳爽, 张永志, 张凯南, 姜永涛, 槐岩珂

(1.长安大学地质与测绘工程学院,陕西 西安 710000; 2.南阳师范学院,河南 南阳 473061)



云南地区及邻域卫星重力变化及其与区域大震的关系①

焦佳爽1, 张永志1, 张凯南1, 姜永涛2, 槐岩珂1

(1.长安大学地质与测绘工程学院,陕西 西安 710000; 2.南阳师范学院,河南 南阳 473061)

摘要:利用GRACE卫星重力场数据,计算并分析云南地区及邻域2003—2014年的卫星重力场变化特征,获得3个特征点上的月重力变化时间序列;结合该地区2003—2014年发生的MS5以上地震分布,探讨区域卫星重力变化与区域大震的关系。结果表明:云南地区及邻域卫星重力场变化对区域MS5以上地震有一定的反映,地震多发生在区域重力变化的高梯度带上,地震发生前后,区域出现与地震相对应的特征性卫星重力变化,可能是对壳幔物质调整的反映;区域大震前后,不同震区特征点的重力变化特征存在差异,说明分断层、分区域的重力场变化研究对地震预测有重大意义。

关键词:云南地区及邻域; GRACE; 卫星重力变化; 地震; 断裂带

0引言

云南紧邻印度板块向欧亚板块中国大陆的侧向俯冲带,且处于我国南北地震带南段,已有研究表明,该区域地震活动与重力场变化特征密切相关[1-6]。

GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)双星系统由美国宇航局NASA和德国空间飞行中心DLR联合研制,其提供的时变重力场是探究地球内部物质迁移的重要依据。GRACE能探测到MS9.0以上剪切型地震和MS7.5以上张裂型地震产生的同震重力变化[7]。2006年研究人员利用GRACE数据首次探测到2004年苏门答腊MS9.1地震的同震重力变化,其峰值达±15×10-8ms-2[8]。此后有部分学者利用GRACE时变重力场模型,研究了与地震相关的重力变化。周新等[9]对GRACE数据进行了有效处理,成功提取出2010年智利MW8.8地震的同震重力变化信号,表明GRACE具有检测出M<9 地震量级的能力;段虎荣等[10]利用GRACE卫星数据研究了汶川地震前后的重力场变化,并用地壳膨胀模型理论解释了同震卫星重力的负变化现象;邹正波等[11]计算了中国大陆及周缘地区在汶川地震前后两年的GRACE卫星重力变化,得出卫星重力变化能揭示汶川地震对中国大陆的影响这一结论;徐海军等[12]利用GRACE卫星数据对印度MS6.8地震区域重力场变化特征进行研究,证实强震就发生在重力变化高梯度带内;姜永涛等[13]计算了青藏高原东缘多个时间尺度卫星重力场变化,分析了3次大于MS7大震与卫星重力场变化特征的关系;对于日本MW9.0地震,几位学者也分别利用GRACE数据做了不同方面的研究[14-17]。

本文利用GRACE卫星最新重力场模型,计算并分析云南地区及邻域长期的卫星重力场变化特征,探讨区域卫星重力变化与区域大震的关系。

1区域概况

云南地区及邻域处于印度板块与欧亚板块碰撞带的东缘,地壳运动剧烈,地震活动水平高且与活动块体关系密切[18]。该地区在20世纪共发生5级以上地震333次,其中7级以上大震13次,仅20世纪70年代以来发生的7级以上地震就多达8次,是研究地震活动性的理想场所[19-20]。云南区域现今的断裂构造格局由青藏高原的东向挤出环境所奠定,在这种地壳运动背景下[21-22]形成了云南地区特殊的地形地貌。

图1为云南地区地形与现今活跃的主要断裂带示意图[23]。图1标注了2003—2014年该地区发生的MS5以上地震(http://earthquake.usgs.gov/),这些地震主要发生在在三块区域,即怒江断裂南段与龙陵—澜沧断裂交汇处的西北面;丽江—小金河断裂带、红河断裂、则木河断裂和小江断裂所共同围成的区域;大凉山断裂带东方向与马边断裂西南方向的附近区域。

2重力场变化计算方法

2.1重力场变化计算原理

在椭球面上,利用GRACE重力场模型计算时变重力变化的表达式为:

(1)

图1　云南地区地形(单位:m)Fig.1　Topography in Yunnan region and its adjacent areas (Unit:m)

2.2GRACE去相关性滤波

GRACE卫星观测的仅仅是地球的中长波重力变化,高频信号的精确性非常低,重力场模型中的高频噪音信号很多,在时变重力场图像上表现为南北条带异常,因此在使用GRACE重力场模型前,须对位系数进行去相关和平滑处理。

本文所使用的是ICGEM(http://icgem.gfz-potsdam.de/ICGEM/ICGEM.html)提供的已经过DDK5处理的GFZ Release 05数据,其有效性已被证实[24]。DDK5是德国地学中心Kusche研究出的一个卷积矩阵较为简单的去相关平滑方法[25]。该方法考虑在反演月重力场模型过程中,GRACE轨道数据和星间距离测量数据存在的信号协方差和误差协方差矩阵,通过“惩罚加权”来建立月重力场模型的去相关滤波矩阵,但由于该矩阵的滤波系数太多,考虑去相关滤波矩阵系数的特点[26],最终简化得出了一个“次卷积”去相关滤波核。

3重力场计算及其特征

3.1区域自由空气重力异常

图2为利用最新高阶重力场模型EIGEN-6C4[27]计算得出的云南地区自由空气重力异常。通过图2和图1的对比可以发现,区域地形与自由空气重力异常有很好的对应关系,且在断裂带附近多会出现重力变化异常现象,其中澜沧江断裂、怒江断裂、红河断裂、安宁河断裂、大凉山断裂和马边断裂的负重力异常现象尤为显著。这种现象说明云南区域断层多位于重力变化异常区,其原因一方面可能是断裂带及其毗邻区地面起伏对重力异常结果产生影响,另一方面,断层的阻隔作用使得壳幔物质运动受阻,断裂带成为一个地壳密度异常带。

3.2区域年差分重力变化

为了尽量避免季节性因素对区域差分重力场的影响,本文以最大限度选取每年的共有月重力场。具体在计算2003—2014年的差分重力场变化时,采用每年2、4、5、7、11和12月份的GRACE平均重力场模型计算(其中2012年5月份的数据有缺失,用当年6月份的数据代替;2014年的数据只有7个月份的,选取1、3、4、5、8和9月份),GRACE月重力场模型经过去相关滤波DDK5处理。由于GRACE双星系统对位系数C20项不敏感,因此在计算中用人卫激光测距得到的C20项作为替代。计算结果见图3。

图2　云南地区自由空气重力异常(单位:10-5 ms-2)Fig.2　Free air gravity anomalies in Yunnan region and its adjacent areas (Unit:10-5 ms-2)

图3　区域年度差分时变重力场(单位:10-8 ms-2)Fig.3　Regional annual differentiated temporal gravity field (Unit:10-8 ms-2 )

4.3区域大震与重力变化关系

从图3可以看出,保山次级块体在2003—2004年呈重力正值变化,且形成了垂直于大盈江断裂的重力变化梯度带;2006年重力变化梯度带由垂直变为平行于大盈江断裂,并以大盈江断裂为中心形成了重力正负变化的高梯度带,说明此期间西北部壳幔物质加速南移,使保山次级块体南部的腾冲次级块体在2007年出现重力正值变化的高值区,2008年8月21日发生的盈江县MS5.9地震可能是由这种物质高速流动而诱发的断层破裂。2009—2011年南北壳幔物质呈强烈交替运动,在重力变化高梯度带上发生了2011年3月10日盈江县MS5.8地震。2013年保山次级块体向东挤压,保山次级块体与滇中次级块体交界处形成的重力变化高梯度上发生了2次震源错动方式为正断层类型的MS5以上地震(2013年3月3日洱源县MS5.4地震和2013年8月31日德钦县、得荣县交界处MS5.6地震)。

2003—2004年滇中次级块体呈重力正值变化,而2005—2006年重力负值变化剧烈,2007年又呈重力正值变化,2008—2009年呈连续的重力负值变化。这种地壳间反复的挤压与松弛运动,最终触发了处在重力变化高梯度带南华—楚雄—建水断裂上的姚安县2009年7月9日MS5.7地震。

云南地区的东部位于滇东块体的西缘,2004年滇东块体向西挤压,在重力正负变化的高梯度带上发生了2004年8月10日鲁甸MS5.6地震。重力负值变化区在震后向西扩张,这可能是地震使原本的阻隔作用减少,壳幔物质加速西移,在这一过程中发生了2005年8月5日会泽MS5.0地震。2009—2011年滇中次级块体与滇东次级块体交界处的重力变化梯度带一直垂直于小江断裂的走向,2012年重力变化梯度带由垂直变为平行,该重力变化的高梯度带上发生了2012年9月7日昭通MS5.6地震。此区域的重力变化梯度带于2014年再次平行于小江断裂走向,2014年8月3日在小江断裂带上发生了鲁甸MS6.2大震,这种现象可能说明临震前形成的平行于断裂带的重力变化梯度带有利于地震破裂的发生[28],2014年4月4日发生的邵通MS5.4地震也有类似的重力变化现象。

4三个特征点的月重力变化序列

为精确了解云南地区地震高发区域的重力场变化情况,本文在这3个区域(怒江断裂南段与龙陵—澜沧断裂交汇处的西北面;丽江—小金河断裂带、红河断裂、则木河断裂和小江断裂所共同围成的区域;大凉山断裂带东方向与马边断裂西南方向的附近区域)内各选择一个特征点,如图1中A、B、C所示。每个特征点的经度和纬度分别为其所属区域内2003—2014年所发生的MS5以上地震震中位置的平均值,即A(97.9°E,24.8°N)、B(101.5°E,25.8°N)和C(103.8°E,27.6°N)(图1)。

本文利用ICGEM发布的2003—2014年共131个月的GRACE月重力场模型,通过计算获取3个特征点位跨度为12年的月重力变化时间序列,并将3个地震高发区2003—2014年发生的大于MS5地震标在对应的图上(图4)。分析发现3个特征点的重力异常变化存在一定差异。

(1) 特征点A(97.9°E,24.8°N)位于怒江断裂南段与龙陵—澜沧断裂交汇处的西北面。该区域的盈江县先后发生了2008年8月21日MS6.0地震、2011年3月10日MS5.5地震、2014年5月23日MS5.8地震和2014年5月30日MS5.9地震。观察这4次地震发生月份A点的重力异常变化值,发现这些变化值都很小,趋近于0。其中2008年8月21盈江县MS6.0地震发生前期重力变化速率较大,在地震前一个月重力变化达到增量约11×10-8ms-2,形成了一个小的峰值,并于地震后的几个月又恢复相对稳定的波动,这说明地震使震前地壳运动所积累的能量得到了释放,同时也印证了地震发生后的位场恢复理论[29],这与图3中结果相对应。

(2) 特征点B(101.5°E,25.8°N)位于丽江—小金河断裂带、红河断裂、则木河断裂和小江断裂所共同围成的区域。该区域发生了2003年7月21日大姚MS6.0地震、2003年10月16日大姚MS5.6地震、2008年8月30日川滇交汇处会理县MS5.9级地震、2008年8月31日会理县MS5.5地震和2009年7月9日会理县MS5.7地震。该地区发震月份的重力异常变化具有统一性,即发震月份的重力异常变化都为正且重力变化量都约为5×10-8ms-2,每一个月份都处在波峰的位置。其中2003年10月16日大姚MS5.6地震发生后的一个月负重力变化量较大,达到-9.3×10-8ms-2,这可能是震后其区域地壳松弛造成的。

(3) 特征点C(103.8°E,27.6°N)位于大凉山断裂带东方向与马边断裂西南方向的附近区域。该区域发生了2004年8月10日昭通MS5.1地震、2012年9月7日彝良县MS5.6与MS5.3地震、2014年4月4日永善县MS5.4地震和2014年8月3日鲁甸县MS6.2地震。该区域重力变化无明显特征,原因可能是它紧挨川滇菱形块体东侧,川滇菱形块体东边界是对于菱形块体活动最为敏感的条带,重力场变化极为复杂,难以从一个点位分析出其特征。但是可以发现彝良县MS5.6与MS5.3地震发生前一个月的重力场变化与2008年8月21盈江县MS6.0地震发震前的重力变化相似。

图4　三个特征点2003—2014年的月重力变化时间序列(单位:10-8 ms-2)Fig.4　Time series of monthly gravity changes at three points from 2003 to 2014 (Unit:10-8 ms-2 )

5结论

本文利用GRACE月重力场模型,计算并分析云南地区的卫星重力场动态演化过程,最后分析了卫星重力变化与区域大震的关系,得出主要结论如下:

(1) 云南地区的区域地形与自由空气重力异常有很好的对应关系,且断裂带附近多出现负重力异常现象,其中澜沧江断裂、怒江断裂、红河断裂、安宁河断裂、大凉山断裂和马边断裂的负重力异常现象尤为显著。

(2) 从云南地区2003—2014年的逐年差分时变重力场变化图像发现,地震多发生在区域重力变化的高梯度带上,且出现了与地震相对应的特征性卫星重力变化,反映了与地震相关的壳幔物质的挤压与松弛运动。

(3) 3个地震高发区特征点上的重力变化特征与地震的对应关系各不相同。A点的重力变化值在地震发生月份都处于低值;B点发震月份的重力异常变化特征具有统一性,即发震月份都为重力正变化且量值约为5×10-8ms-2,同时每一个发震月份都处在重力变化波峰位置;C点的重力变化无明显特征,原因可能是这一区域紧挨块体活动最复杂的川滇菱形块体东边界,重力变化极为复杂,难以从一个点分析出其变化特征。

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Satellite Gravity Changes in Yunnan and Adjacent Regions and Its Relation with Regional Strong Earthquakes

JIAO Jia-shuang1, ZHANG Yong-zhi1, ZHANG Kai-nan1, JIANG Yong-tao2, HUAI Yan-ke1

(1.SchoolofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an710000,Shaanxi,China;2.NanyangNormalUniversity,Nanyang473061,Henan,China)

Abstract:Yunnan is one of the main seismic activity areas in China.It lies close to the subduction zone where the Indian plate moves towards the Eurasian plate and belongs to the southern section of the north-south seismic belt in China.Historical earthquake activity in this area shows that earthquakes of high frequency and large magnitude occur.The Yunnan region and its adjacent areas are ideal locations for the study of seismicity.Existing research shows that regional seismic activity is closely related to gravity field changes that are mainly caused by geological activities such as crustal deformation and fault material change.Such changes reflect crustal movement and the associated processes involved in large earthquakes.Therefore,gravity changes can be used to predict earthquakes.The GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) binary star system,jointly developed by NASA and the DLR,provides a time-varying gravity field and thus important information for the exploration of Earth's interior materials.GRACE satellite observations clearly reflect the motion of the Earth’s plates and expand the scope of gravity anomaly seismic observations that can be used for long-term forecasts of earthquakes.In this paper,we use gravity field data from GRACE satellites to calculate and analyze the satellite gravity field variation characteristics from 2003 to 2014 in the Yunnan region and its adjacent areas.We also obtained the monthly gravity change sequence of three feature points,and in this study we analyze their change characteristics by combining the distribution of M≥5 earthquakes from 2003 to 2014 in the study area.Results show that the MS≥5 earthquakes in the Yunnan region and adjacent areas are reflected in satellite images of gravity field changes,and that large earthquakes often occur on the high gradient zone of regional gravity changes.The earthquake zone often shows a corresponding change in satellite gravity characteristics both before and after large earthquakes,which may reflect crust-mantle material adjustment.The corresponding earthquake gravity change characteristics of the three points are different,which may indicate that research into the gravity field changes in various regions and faults is significant for earthquake prediction.

Key words:Yunnan region and its adjacent areas; GRACE; satellite gravity change; earthquake; fault

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0260

中图分类号:P315.72+6

文献标志码:A

文章编号:1000-0844(2016)02-0260-09

作者简介:焦佳爽(1990-), 男,在读硕士生,主要从事卫星重力研究。E-mail:jiaojiashuang@foxmail.com。

基金项目:国家自然科学基金项目(41374028,41274083,41304013);陕西省教育厅自然科学科研项目(12JK0798)

收稿日期:①2015-05-11