2020年伽师MS6.4地震前后重力变化

杨 雄 祝意青 赵云峰 隗寿春 操 聪 吕宏斌 曾亚光

1 中国地震局第二监测中心,西安市西影路316号,710054

2020-01-19新疆喀什地区伽师县发生MS6.4地震,震中位于77.21°E、39.83°N,震源深度16 km,震源机制解显示为逆冲型。研究表明,本次地震发震构造为柯坪断裂,该断裂位于柯坪塔格推覆构造带南缘,全长460 km,走向自西向东为EW-NEE,倾向NNW,为左旋走滑性质的逆冲断裂[1-2]。

地震孕育过程伴随着深部物质运移和构造活动,进而引起地表重力场发生变化[3-5],这种变化可以被流动重力监测到。祝意青等[6-8]基于震前不同时空尺度的重力场变化,对多次大震进行成功预测,表明时变重力场异常是与地震孕育发生相关的可靠性前兆异常之一。伽师MS6.4地震发生前,中国地震局第二监测中心根据2016～2019年南天山区域流动重力场观测资料发现,在南天山西段与西昆仑交界区出现剧烈重力变化,且在乌恰、喀什、阿图什一带形成显著的重力变化高梯度带,两侧重力差异达100 μGal以上,基于该异常变化信息给出中期预测意见,认为2020年在新疆乌恰、喀什、阿图什、阿克陶、英吉沙一带(震中位于39.6°N、75.8°E附近)存在发生6～7级地震的可能。基于流动重力观测资料的中期预测结果与实际发震位置(77.21°E,39.83°N)、震级和发震时间对应较好。因此,本文利用新疆地区2016～2020年伽师地震前后流动重力资料,深入分析伽师MS6.4地震前后重力变化特征与规律,捕捉与地震孕育有关的前兆信息,从而为该区域孕震环境、未来地震危险区判定和中短期预测提供参考。

1 重力测网与数据

流动重力测网是地震重力监测的基础,布设合理的重力监测网是获取高精度重力资料、捕捉地震前兆信息的前提。2020-01-19伽师MS6.4地震发生在天山地震带上。1998年中国地震局已经在全国重点区域(如南北地震带、天山地震带)布设地震重力监测网,2005年新疆地震局在喀什-伽师地区布设40个流动重力测点(简称喀伽网),但其覆盖范围小、监测能力弱。为了能够更加精确地监测天山地区重力变化,捕捉地震前兆信息,新疆地震局在2013年对原有测网进行优化改造,改造后的测网如图1所示,共有90多个测点,覆盖塔里木盆地、南天山和西昆仑等区域,测网中还有库车、塔什库尔干和乌什3个绝对重力控制点,极大提高了该区域测网的监测能力。

图1 南疆重力测网分布

相对重力监测采用CG-5/CG-6相对重力仪,每年进行2次观测,观测精度优于10 μGal;绝对重力采用FG-5绝对重力仪进行观测,观测精度优于5 μGal。本文选取2016～2020年重力观测数据,采用中国地震局开发的LGADJ程序进行经典平差计算,以获得统一起算基准下的重力场变化,具体平差过程参考文献[7-10]。各期的点值平差精度在10 μGal以内,说明本文数据可靠。

2 伽师地震前后区域重力异常动态变化

分析重力场不同尺度的动态变化特征,可以捕获地震前不同时段的重力场差异,了解震前重力场演化过程。为此,本文分别绘制地震前后半年尺度与1 a尺度的重力差分变化图以及2 a尺度的重力场累积变化图。

2.1 重力场差分变化

2.1.1 半年尺度重力场变化

2018-04～09期间(图2(a)),研究区重力场大致以39°N为界,南部塔里木盆地表现为剧烈负异常变化,北部柯坪推覆体表现为正负相间的波动性变化。整个研究区形成以伽师、巴楚为中心的四象限分布特征,南天山中部阿合奇附近呈现50 μGal负异常变化,南天山西南乌恰-阿图什和东北阿克苏-拜城一带呈现30 μGal局部正异常变化,震中附近重力等值线与柯坪塔格推覆构造走向基本一致,2018-09-04伽师MS5.5地震发生在四象限中心附近,本期重力变化对此次MS5.5

图2 伽师MS6.4地震前后半年尺度的重力场差分变化

地震具有较好的反应。

2018-09～2019-04期间(图2(b)),研究区重力场总体呈现自北向南由负转正的趋势性变化,与上期反向。震中附近柯坪塔格推覆构造呈现负异常变化,变幅在50 μGal左右,南侧塔里木盆地呈现正负相间变化特征,南天山西段与西昆仑交汇处呈现以英吉沙、伽师为中心的四象限变化特征,并沿乌恰、喀什和伽师一带形成重力变化梯度带,两侧重力变化差异达70 μGal,表明该区域地下物质差异运动显著,对该区域地震孕育具有很好的指示意义。

2019-04～08期间(图2(c)),研究区重力场较上期有所减弱,变幅在-30～40 μGal之间。震中附近区域变化相对较大,大致以柯坪断裂为界,呈现一正一负的局部异常区,并出现与断裂走向一致的重力变化高梯度带,2020-01-19伽师MS6.4地震就发生在重力高梯度带和重力变化零等值线附近,其他区域变化较为平缓。

2019-08～2020-04期间(图2(d)),研究区重力场变化剧烈,变幅在-70～40 μGal之间,总体呈现以伽师、巴楚为中心的四象限变化特征,南侧塔里木盆地和北侧阿合奇分别表现为40 μGal和20 μGal正异常变化,东北阿瓦提、阿拉尔和西南阿图什、喀什地区分别表现为-50 μGal和-70 μGal局部负异常变化,伽师MS6.4地震就发生在重力变化四象限中心附近。

2.1.2 1 a尺度重力场变化

2016-04～2017-04期间(图3(a)),研究区重力变化以正异常为主,西南天山与塔里木盆地交界处呈现东西走向的重力变化高梯度带,两侧重力差异达90 μGal,可能与2018年伽师MS5.5地震有关,北侧柯坪塔格推覆构造大致以皮羌断裂为界,东西两侧重力变化差异显著,体现出该断裂的分割作用。2018-09-04伽师MS5.5地震就发生在重力高梯度带和重力变化零等值线上,重力场对此次地震也具有较好的反应。

图3 伽师地震前后1 a尺度的重力场差分变化

2017-04～2018-04期间(图3(b)),研究区重力变化剧烈,总体呈现以柯坪、阿瓦提为中心的四象限变化特征。西南天山与塔里木盆地交界处表现为约-70 μGal局部异常变化,与上期反向,南天山中部阿合奇一带表现为40 μGal局部异常变化,并沿柯坪塔格推覆构造走向方向形成重力变化高梯度带,2018年伽师MS5.5地震发生在负异常极值区附近,2020年伽师MS6.4地震发生在重力等值线拐弯处,靠近负异常区一侧。

2018-04～2019-04期间(图3(c)),研究区重力变化以负异常为主,南侧塔里木盆地与北侧柯坪塔格推覆构造附近均表现为剧烈负异常变化,天山西南喀什、麦盖提和东北阿克苏、拜城一带呈现弱局部正异常,伽师MS6.4地震震中附近重力等值线走向与柯坪塔格推覆构造走向基本一致,且在震中附近形成重力变化高梯度带。

2019-04～2020-04期间(图3(d)),研究区重力呈现自南向北由正转负变化,震中附近重力场与上期反向,呈现以伽师、巴楚为中心的四象限分布特征,南侧塔里木盆地和西昆仑表现为40 μGal正异常变化,北侧南天山中部阿合奇附近呈现弱局部正异常,震中东侧柯坪、阿瓦提和西侧喀什、阿图什一带表现为-60 μGal局部负异常变化。测区中部大致沿布伦口、英吉沙、巴楚一线形成贯穿测区的梯度带,并在伽师、巴楚附近发生转折,2020年伽师MS6.4地震发生在重力梯度带转折处和四象限中心附近。

2.2 2 a尺度重力累积变化

2016-04～2018-04期间(图4(a)),研究区重力变化剧烈,自南向北呈现正负相间的异常变化,塔里木盆地西北部喀什、伽师和巴楚、麦盖提附近分别表现为约-50 μGal和-70 μGal局部重力变化,南天山中部呈现60 μGal局部正异常变化。伽师MS6.4地震震中附近重力变化等值线走向与柯坪塔格推覆构造走向基本一致,并沿构造走向方向出现重力变化梯度带,两侧最大差异达140 μGal以上,2020年伽师MS6.4地震发生在重力变化高梯度带零等值线上。

图4 伽师地震前后2 a尺度的重力场累积变化

2018-04～2020-04期间(图4(b)),研究区呈现大范围负重力异常变化,总体来看与上期反向,负异常变化从北部南天山一直延伸至塔里木盆地内部,在巴楚附近收缩为鞍状,东西向贯穿整个研究区,柯坪附近表现为-100 μGal异常变化,塔里木盆地西北麦盖提周围表现为20 μGal异常变化,且在伽师-巴楚一线形成与柯坪断裂走向一致的重力变化高梯度带,两侧差异最大达120 μGal,2020年伽师MS6.4地震发生在重力梯度带上。

3 重力时变与伽师地震

从半年尺度的重力场分析可以看出,2018-04～09震中附近重力场呈现四象限变化特征,可能与2018年伽师MS5.5地震的孕育发生有关;2018-09～2019-04重力场呈现自南向北由负转正变化,震中负异常持续加强;2019-04～09重力场变化减弱,震中附近呈现与柯坪断裂走向基本一致的重力变化梯度带;2019-09～2020-04震中附近重力场呈现四象限分布特征及重力变化高梯度带。半年尺度的重力场变化清晰地反映出2018年伽师MS5.5和2020年伽师MS6.4地震均发生在物质差异运动显著的四象限中心附近。

从1 a尺度的重力场分析可以看出,2016-04～2017-04重力场呈现大范围正异常变化,在震中附近形成东西走向的重力变化高梯度带;2017-04～2018-04重力场呈现四象限变化特征,震中附近沿柯坪断裂形成重力变化高梯度带;2018-04～2019-04重力场呈现大范围负异常变化,总体与上期反向,震中附近负异常持续增强;2019-04～2020-04重力场呈现四象限变化特征,东西向重力梯度带贯穿整个测区,2020-01-19伽师MS6.4地震发生在四象限中心及重力梯度带拐弯附近。1 a尺度的重力场变化较好地反映出2020年伽师地震前震区重力场经历了“重力正异常区-四象限特征及沿柯坪断裂的重力高梯度带-反向变化发震”的演化过程。

从2 a尺度的重力场分析可以出,累积重力场变化更加剧烈,与构造关系更加紧密。具体来看:2016-04～2018-04期间,在发震断裂柯坪断裂两侧呈现剧烈的局部正负重力异常变化,最大差异达140 μGal以上,并沿柯坪断裂形成重力高梯度带,反映出该区域震前构造运动增强,导致断裂两侧物质运移加强;2018-04～2020-04期间,柯坪断裂呈现显著的负重力变化,与上期相比断裂两侧重力变化相反,可能反映出南天山向南推挤使柯坪塔格推覆构造内物质向塔里木盆地运移,震中附近形成与发震构造走向一致的重力高梯度带。2020-01-19伽师MS6.4地震发生在物质增减差异运动剧烈的重力变化高梯度带上。

强震大都发生在活动板块边界或活动断裂带上,2020-01-19伽师MS6.4地震发生在柯坪断裂上,该断裂属于柯坪塔格推覆构造前缘断裂,位于南天山与塔里木盆地碰撞前缘。由于受到印度板块与欧亚板块碰撞汇聚产生的巨大挤压应力影响,塔里木盆地为相对完整的刚性地块,块体内部形变较小,整体向北运动俯冲至天山下方,促使天山隆升,塔里木盆地相对下降;同时南天山形变速率远高于塔里木盆地,两个块体之间一升一降、一快一慢的相对运动,容易在块体边界产生应力积累,造成区域岩石破裂而发生地震[1]。重力场时变图也显示在柯坪塔格推覆构造附近呈现不同尺度的重力变化高梯度带,其是物质密度增加与减少的过渡地带,该处物质增减差异运动剧烈,易产生剪应力而发生破裂,进而诱发地震[7,11]。已有研究表明,与特定地震构造有关强震的发生,会引起地下应力的重新排列或分布,导致附近或相邻断裂应变积累出现非线性加速,从而促使潜在的强震提前发生[3,7,12]。2018-09-04伽师MS5.5地震发生在震源区下方的NE向隐伏断裂上,发震断裂与柯坪断裂相邻,时变重力图对此次地震也具有较好的反应,认为2018年伽师地震的孕育发生及震后调整可能对2020年伽师地震具有一定的促震作用。地震震级与重力异常变化范围、持续时间和变化量级密切相关,异常范围越大、持续时间越长和变化量级越大,对应震级越大[6,11]。本次地震短期半年和1 a尺度重力场变化显著,2 a尺度重力场更加剧烈,与祝意青等[6,13]的结论对应较好。

4 结 语

本文利用新疆地区2016～2020年流动重力资料,绘制地震前后不同尺度的重力场变化图像,从重力角度系统分析区域重力变化特征与2020年伽师地震孕育发生的关系,获得以下认识:

1)新疆地区重力变化与区域构造密切相关,在柯坪塔格推覆构造附近存在显著的重力变化,表现为与地震孕育有关的多个局部重力异常区及沿柯坪断裂出现重力变化高梯度带,两侧差异达140 μGal左右,反映出柯坪断裂附近构造应力场增强引起地下物质迁移。构造活动断裂带由于差异运动强烈使得构造变形非连续性最强,有利于应力的高度积累而孕育强震[8,13]。

2)动态差分重力场变化较好地反映出伽师地震前后重力场的阶段性特征和规律,1 a尺度的重力场总体经历了“重力正异常区-四象限特征及沿柯坪断裂的重力高梯度带-反向变化发震”的演化过程,这与以往研究中地震易发生在重力反向变化过程中的结论一致[7-8]。半年尺度的重力场显示地震发生在物质差异运动显著的四象限中心附近。短期重力场变化对2018-09-04伽师MS5.5地震也具有较好的反应。

3)利用流动重力资料对2020年伽师地震震中位置进行成功判定,进一步证实了区域重力场资料对未来强震震中位置判定具有独特的优势。强震易发生在与构造活动有关的重力变化正负异常过渡区的高梯度带上、重力变化等值线拐弯处或四象限中心附近[7,11],2020年伽师地震就发生在重力变化高梯度带、四象限中心附近。