漾濞MS6.4地震前后的重力变化特征及其孕震含义分析

黄江培 曹 颖 刘 东 郑秋月 陈政宇 王青华

(云南省地震局，昆明 650201)

0 引言

2021年5月21日云南省漾濞县发生MS6.4 地震，该地震打破了云南自2014年以来近7a的MS>6.0地震平静。该地震的发震构造目前尚存争议，一种观点认为是维西-乔后断裂，另一种观点认为是维西-乔后断裂西侧的一条隐伏断裂——杨克场-沙河断裂(李传友等，2021)，2种观点都认为发震构造为右旋走滑型断裂(于书媛等，2021)。重力观测能够反映地下物质的密度变化，其动态变化能较好地反映强震孕育、 发展、 调整过程的重力变化特征，特别是在6级以上地震的孕育发生过程中，重力异常变化较为明显，是可靠的前兆物理参数之一(顾功叙等，1997； Kuoetal.，1999； 李辉等，2009； Zhuetal.，2010，2012，2018； Shenetal.，2012； Fuetal.，2014； Chenetal.，2016； 祝意青等，2020)。20世纪60年代，有学者发现地球重力场变化与地震存在某种对应关系，如在1964年美国阿拉斯加M8.5大地震和1964年6月16日日本新潟县M7.5地震前后均发现重力存在变化(Barnes，1966； Fujii，1966)。此后，在1965—1977年日本松代震群发生期间、 1968年新西兰因南格华地震前后及1971年美国圣费尔南多地震前后也测量到重力变化。至此，揭开了利用重力变化数据分析并研究地震的新篇章。

自20世纪70年代起，中国学者也针对地震前后的重力变化数据开展了分析探索，笔者收集到的最早研究分析地震前后重力变化的文献为《重力变化与海城地震》(卢造勋等，1978)。不久之后，陈运泰等(1980)针对1975年海城地震和1976年唐山大地震前后的重力变化进行了分析研究，并给出了重力变化与地下物质联系的一些解释。自20世纪80年代起，重力与地震的相关性作为一个新兴的地震研究方向，吸引了众多学者投入到相关研究中。云南地区是天然的地震研究场所，不少学者对云南大地震与重力场变化的相关性进行了研究，并指出1988年11月6日云南省西南部发生的澜沧M7.6和耿马M7.2地震存在一个1985—1993年重力上升到下降的过程，地震即发生于重力变化转向的时刻(唐伯雄等，1990； 吴国华等，1995)。1996年2月3日丽江M7.0地震前，震中附近地区的重力变化幅度不大，呈下降变化； 而震中外围地区的重力呈现显著的上升变化特征，震后重力变化幅值变小(吴国华等，1997)。针对当时的观测仪器精度水平，李辉等(2000)探讨了将滇西重力异常变化限制为20×10-8m/s2的合理性； 申重阳等(2003)通过重力数据反演获取了滇西主要活动断裂运动简化模型的时间变化分布，证实丽江M7.0地震前的重力观测数据包含重要的前兆信息。近年来的研究也证明相对重力时变数据具备反映MS>5.0地震的能力(王青华等，2019)。

21世纪以来，CG-5型相对重力仪被引入地震重力观测工作中。CG-5型石英弹簧相对重力仪采用自动倾斜补偿、 高精度温度控制、 电子读数等先进技术，标称精度可达5×10-8m/s2，在动态观测过程中的实际精度一般可达(8～10)×10-8m/s2，已成为当前流动重力观测的主要仪器设备之一。实际观测中，其每小时漂移可达几十甚至上百微伽，且经过多年研究发现CG-5相对重力仪在短时间内的零点漂移线性度较高(邢乐林等，2010)，但在长时间范围内则并非线性的(隗寿春等，2016； Chenetal.，2019； 王林海等，2020)，利用传统最小二乘平差方法对耗时几个月的整期观测漂移做线性处理的适用性有待商榷。因此，本文对数据进行解算时利用非线性方法处理漂移并进行平差。

本文收集了云南2015—2021年的相对重力观测数据，采用基于贝叶斯原理的参数估计方法(Chenetal.，2019； 王林海等，2020)，解算过程中引入绝对重力点数据作为控制参数，预先给出绝对重力点值的先验误差，将仪器的格值系数及日漂移率作为未知参数，加入二阶平滑矩阵以约束日漂移率的离散度，通过贝叶斯原理及ABIC评价准则获取最优参数值，并解算每个观测点值的最优解，由此获取多年时变重力的点值序列。通过多年的时变重力数据，根据“以场求源、 场源结合”的指导思想，将数据划分为不同的“时空域”： “时间域”分为1年期差分和多年期累计变化，1年期差分自2015年起以1a为间隔获取变化趋势，多年期累计变化以发震时刻向前倒推，获取2年期到5年期的变化趋势； “空间域”以震中为中心，分别采用200km、 100km、 50km及25km为半径收集测点的点值变化序列，采用“分层处理，逐级分析”的方法分析研究震前重力变化特征。本文所得结果可反映本次地震前地下物质的密度变化情况，可为孕震区地质构造运动的孕震含义提供有效解释，并对下一步可能发生中强震区域的探讨及预判提供参考。

1 数据来源及测点提取

云南省自1985年进行第1期流动重力监测开始，已有30多年的重力观测历史。最初，“滇西实验场流动重力测网”、 “曲靖—昆明—南华流动重力测线”项目共设置了100余个观测点，此后在2010年“云南省政府十项重点工程”项目的支持下扩建了56个。2014年，中国地震局监测司“中国大陆综合地球物理场”项目启动，云南流动重力监测网增加了30个测点。2018年中国地震局重力学科组根据属地原则对测区进行重新规划，云南省地震局负责整个云南行政区域内的重力测量工作，与四川省、 贵州省有3处联结，东联贵州盘州、 威信，北接攀枝花，西至乡城，目前整个测网共包括251个测点(图 1)，正常情况下重力测网每年重复观测2期。漾濞MS6.4 地震发生于测网中西部，位于原滇西测网内。该区测点较多，历史数据丰富，可追溯至20世纪80年代； 测网还包括昆明、 大理、 丽江3个绝对重力点，每年定期观测1次。解算时，引入绝对点数据作为控制，以保证历史数据的起算基准一致。

图 1 云南地震相对重力观测网Fig. 1 Seismic relative gravity observation network in Yunnan Province.

已有学者对中国大陆众多地震进行了统计分析，提出了重力异常映震指标的定量统计关系，如表1 所示。

表 1 重力变化异常范围、 异常量级与震级之间的关系统计Table1 Statistics on the relationship between gravity variation anomaly range，anomaly magnitude and magnitude

由于本次地震的震级为MS6.4 ，根据表1 可知，重力场异常的范围>200km，即以震中为中心的异常范围半径>100km(即长直径的1/2)。云南测区SN、 EW向跨度均超过800km，如果选取整个测区的数据绘制重力变化趋势图，则非本次地震异常区域的重力场变化会对震中附近的变化趋势造成挤压，甚至使后者淡化； 如果选择的绘制区域过小，则无法反映本次地震的异常范围。本文选择200km为半径(图 1 中最大圆圈的范围)提取测点绘制重力变化趋势图，共包括91个测点。同时，为逐步逼近震中以分析重力测点的点值变化序列，分别以100km、 50km、 25km为半径设置缓冲区提取测点，分别包括39个、 16个、 4个测点。此外，将200km半径范围内的测点按照“四象限”方位开展分组分析(表2)。

表 2 不同半径范围内的测点分布Table2 Distribution of measuring points in different radius ranges

2 震前异常分析

2.1 1年期差分

本文均采用相同的绝对重力点作为基准解算多年数据，以保证观测数据的起算基准一致，从而使不同测期的观测数据具备可比性。云南的雨季与旱季降水量差距明显，地下水变化明显，并对相对重力观测数据造成影响，上、 下半年数据之间的可比性不强。多年来，上半年的野外观测工作基本在3—6月份完成，下半年基本在7—10月份完成。由于观测时间基本一致，可以认为重力数据受地下水的影响是一致的，即上、 下半年各自的观测数据具备可比性。本次漾濞MS6.4 地震发生于上半年，发震前刚刚完成了2021年上半年的相对重力观测，本研究采用上半年的观测数据进行对比，以获得1年期的重力变化趋势(图 2)。

图 2 1年期重力场差分变化图Fig. 2 One-year differential change chart of gravity field.

从1年期变化来看，2015—2016年震中附近的重力场变化趋势微弱； 2016—2017年震中东、 西侧重力下降，南、 北两侧重力上升； 2017—2018年震中附近重力下降，震中东、 西及其北部重力明显上升； 2018—2020年连续2a没有明显的重力变化，重力变化零值线主要沿红河断裂带分布； 2020—2021年沿震中附近形成了1个约60×10-8m/s2差异的“四象限”特征，主要沿红河断裂带出现重力负变化，沿红河断裂带法线方向为重力正变化。

2.2 多年期累积变化

由于2015—2016年震中附近没有明显变化，故多年期累计变化从2016年开始计算，分别分析震前2年期到5年期的累计变化特征(图 3)。从震前2年期和3年期结果来看，2019—2021年震中附近的重力场变化形成1个NW-SE向重力减弱、 NE-SW向重力增强的“四象限”特征，重力变化的差异值约为40×10-8m/s2，变化趋势与2018—2021年3年期的结果一致，但3年期的变化趋势较强，重力变化的差异值约为60×10-8m/s2，重力变化梯度带的走向与红河断裂带基本一致。震前4年期和5年期的重力场变化特征主要表现为南、 北存在高梯度带，震前4年期的数据特征明显强于震前5年期。

综合1年期差分及多年期累计的重力场变化趋势来看，本次地震的能量聚集始于2017年，2017—2018年为地质活动活跃期，2019年及2020年处于“平静期”，变化不明显，但仍然处于调整期，导致1年期、 2年期和3年期累计变化的“四象限”趋势逐步增强； 2020—2021年重力呈现整体下降趋势，分析认为是地下物质出现“逃逸”状态所致，处于能量释放期，地震即发生于能量释放期。

图 3 多年期重力场累积变化图Fig. 3 Multi-year cumulative change chart of gravity field.

2.3 重力点值时变序列

重力场差分及累计变化趋势图可以较好地显示空间域内重力场的变化特征，而时间域内的变化可以通过点值时变序列图进行描述。本文将200km及100km半径范围内的测点按照四象限分布进行分组并绘制时变序列图(图 4，5)，由于50km及25km半径范围内测点较少，不进行分组绘制(图 6，7)。

图 4 200km范围内点值的时变序列图Fig. 4 Time-varying sequence chart of gravity point values within 200km.

图 5 100km范围内点值的时变序列图Fig. 5 Time-varying sequence chart of gravity point values within 100km.

图 6 50km范围内点值的时变序列图Fig. 6 Time-varying sequence chart of gravity point values within 50km.

以2016年上半年测期的数据为基础，此后每个测期与其的差值为时变点值，绘制时变序列图(图 4)。从图 4 可以看出，震中200km范围内的91个测点存在明显的分象限变化趋势，每个象限分组内的变化趋势基本一致，不过存在一部分离散变化的测点。 重力点值于2017—2019年发生明显变化，NE和SE向在该时期出现反向变化； 如图 5 所示，100km半径范围内39个测点各象限分组变化的趋势高度一致，NE和SE向在2017—2019年期间也出现了反向变化，2019年上半年后变化趋势基本一致； 从50km半径范围的结果(图 6)来看，2017—2019年存在一些反向变化的测点，2019年上半年后各方向的测点变化趋于一致； 从震中25km范围的结果来看，4个方向的测点变化虽然在量级上存在差异，但变化趋势完全一致，表明震中附近测点的变化趋于同步、 高度一致。

从图 4—6可以看出，在2017—2018年期间，震中附近的重力场出现了明显变化，根据国家统计局公布的数据显示，2017年、 2018年的水资源总量为2202.6和2206.5亿m3，并没有发生突变，故可排除地下水引起重力突变的可能。从图 7 来看，25km半径范围的区域应该是孕震过程中的一个应力“闭锁”区域，该区域内各方位的重力变化趋势一致。

图 7 25km范围内点值的时变序列图Fig. 7 Time-varying sequence chart of gravity point values within 25km.

3 孕震含义及震后分析

3.1 震源机制解

截至本文投稿，笔者收集到的资料显示，漾濞MS6.4 地震的发震构造为维西-乔后断裂带西侧的一条隐伏断裂，该断裂带为右旋走滑型，根据USGS(1)https： ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000e532/moment-tensor。及防灾科技学院Seismology课题组推送的震源机制解参数绘制的震源机制解沙滩球如图 8 所示。从图中可以看出，该地震SN向压缩、 EW向膨胀； 最新的三维同震形变场研究显示，同震位移SN向震中挤压、 EW向外溢出，垂直位移SN向表现为下降、 EW向表现为抬升。

图 8 漾濞 MS6.4 地震的震源机制解Fig. 8 Focal mechanism solution of Yangbi MS6.4 earthquake.

图 9 震前震后(2021-03—2021-06)的变化趋势图Fig. 9 Variation trend before and after the earthquake(2021-03—2021-06).

结合震前重力1年期(图2f)、 2年期(图3a)、 3年期(图3b)的分析可知，震前3a以来，重力变化特征均出现沿着红河断裂带的“四象限”特征，即SN向重力为负变化、 EW向重力为正变化，可以理解为SN向密度减小或物质外溢，EW向密度增加或物质聚集。发震时刻物质外溢的区域表现为外部物质回流、 地表沉降，以填补孕震期间的物质空虚； 物质聚集的区域表现为物质外溢及地表抬升，为前期压缩区的回弹效应所致。

3.2 震后重力变化分析

地震发生后，中国地震局及时组织中国地震局第一监测中心、 云南省地震局、 湖北省地震局等单位对发震区域进行震后相对重力复测，将震后(2021年6月)的复测结果与震前(2021年3月)观测数据进行比对得到的变化趋势(图 9)显示，震后相对重力均出现了与震前反向的变化，变化量的绝对值大于震前1年期变化，接近震前3年期(图3b)的累计变化，说明本次地震有效释放了震前累计的能量。

4 讨论与结论

4.1 讨论

(1)通过重力变化趋势可以看出，震前3年期到震前1年期的数据总体变化趋势是一致的，且随着累计时间的增加变化趋势加强。整体变化趋势的走向均与红河断裂带一致，笔者认为此次地震的孕震构造应该为红河断裂带。但此前有学者研究表明，2021年漾濞MS6.4 地震的发震构造为红河断裂带西侧的隐伏断裂——杨克场-沙河断裂。但孕震构造与发震构造不一定相同，当孕震过程聚集的能量未达到孕震构造的破裂临界但超过附近某个地质结构较弱的构造时，该构造就会提前破裂。

(2)震中附近25km半径范围内的重力点变化趋势高度一致，震中附近可能处于“联动”状态，该结论是否能应用于地震预测的震中判断中，值得进一步研究。

(3)关于震中附近的“联动”现象，笔者认为地震前发震构造并没有发生明显的地下物质相对移动，或没有明显断裂，因此发震位置具体是“隐伏”断裂还是本次地震造成的一个“新”断裂，尚有待讨论。

4.2 结论

本文应用最新的时变重力贝叶斯平差方法对重力数据进行解算，根据“以场求源、 场源结合”的指导思想，采用“分层逼近，逐级分析”的方法，系统分析了2021年5月21日漾濞MS6.4 地震不同“时空域”的重力变化特征，并尝试分析其孕震含义，得到以下结论：

(1)漾濞地震震前出现了重力异常，且出现异常的时间较久，地震发生前4a就开始出现能量聚集现象。

(2)震中200km半径范围内的重力点值变化基本具有一致性，100km半径范围内的重力点值变化具有高度一致性，说明本次地震孕震时期的重力异常范围达200km以上，与前人经验统计的研究成果一致(胡敏章等，2019)。

(3)本次地震的地质活动活跃时期为震前3a，而后有长达2a的平静期，在地震发生前0.5a震中附近出现了重力点值整体下降的现象，符合“地震能量先聚集后扩散，地震发生于扩散时期”的地震学常识，但本次地震前出现了1个平静期。

(4)震前1年期、 2年期及3年期的重力场变化趋势图均出现了“四象限”现象，且逐步增强。

(5)震前重力场变化趋势的“四象限”与USGS及Seismolog课题组推送的震源机制解及同震位移场变化总体一致，说明重力场的“四象限”变化特征会出现于走滑型断层的孕震阶段，且震前的重力变化在可一定程度上揭示地震的发震机制。

(6)震后的重力变化趋势与震前完全反向，是震前地下物质挤压聚集的释放恢复所致。由此，我们认为本次地震有效释放了该区域的孕震能量，短时间内再次发生MS>6.0地震的可能性不大。