四川地区流动重力观测及其在地震预测中的应用

王伟力 郑 兵 郝洪涛 温军军 刘宏伟 马伶俐 廖明辉

1 四川省地震局地壳形变观测中心,四川省雅安市上坝路139号,625000 2 中国地震局地震大地测量重点实验室,武汉市洪山侧路40号,430071 3 湖北省地震局,武汉市洪山侧路48号,430071

四川地处青藏高原东南缘南北地震带中段,境内以鲜水河断裂、龙门山断裂、安宁河-则木河断裂带为主的活动构造带呈“Y”字型分布。由于地理位置特殊、地质构造复杂,四川一直是中国大陆地震活动最为强烈的地区之一,历史上曾发生1536年西昌7.5级地震、1786年康定-泸定磨西7.8级地震、1933年叠溪7.5级地震、1973年炉霍7.6级地震、1976年松潘-平武7.2级地震等数次破坏性大地震。近年来,又先后发生2008年汶川8.0级地震、2013年芦山7.0级地震、2017年九寨沟7.0级地震等3次7级以上地震,以及2014年康定6.3级地震、2019年长宁6.0级地震、2022年泸定6.8级地震等6级以上地震,造成极其严重的生命和财产损失。因此,四川地区的地震活动及其孕震规律一直是近期研究的重点。

时变重力场含有丰富的地壳变动信息。近年来,学者们根据重力场变化特征进行了多次准确的中短期预测,流动重力观测已成为地震监测研究的重要手段之一。部分学者提出扩容模式[1]、闭锁剪力模式[2]等多种解释强震前重力场变化的特征模式,但地震物理过程极其复杂,这些模式尚不能完整解释震前重力场变化的具体机理,地震预测预报水平有待提高。本文从测网变迁、观测仪器情况、观测数据质量、映震效能、地震预测应用等多个方面,对四川流动重力观测及其地震预测应用案例进行系统梳理,借以阐述时变重力监测在地震趋势研判中的重要作用,以期为四川流动重力观测和发展应用提供参考依据。

1 四川重力测网

1.1 四川重力测网概况

四川流动重力测网是服务于地震监测预测的专用重力测量网。中国地壳运动观测网络(1998～2007年)、数字地震网络(2006～2007年)、中国大陆构造环境监测网络(2010年)等项目也在四川建立了服务于地震监测预测的国家重力测网,但该网与四川重力测网彼此独立运行。

四川流动重力测网发展和变迁可分为3个阶段:1)1976～1986年为建立建设阶段。1976年松潘-平武7.2级地震后,四川省地震局开始在龙门山和西昌-渡口地区开展重力测量;1976～1982年在鲜水河、安宁河-则木河、龙门山地震带及川滇藏结合部位布设405座重力标石,建立多个重力重复测量环(线)和4个跨断层短重力场地。2)1987～2009年为逐渐发展阶段。1987年起采用LCR-G仪器测量,四川测网由鲜水河断裂3个环(通称甘孜环)、西昌-会理1个环(西昌环)和成都地区1个环(成都环)以及若干支线构成,重力点沿断裂带密集分布。成都地区观测于1989年起中断,1996年重新增加覆盖龙门山断裂中部的独立测网。3)2010～2022年为发展完备阶段。汶川地震后,对测网进行全面优化改造,并逐渐与国家重力网拼接和整合,于2010-08形成完备的四川测网雏形。2014年依托“中国综合地球物理场观测”等项目,测网范围进一步扩大。2017年将炉霍-理塘联测成环,稻城-木里-盐源测线进一步延伸。2019～2020年对川西地区测点布局进行调整,测网范围扩大至川东北地区,至此形成范围广、绝对重力控制、相对重力联测的四川重力测网。四川重力测网历经数10 a的变迁,截至2022年由261个重力测点组成,其中81个为重力墩、水准重力墩、GNSS并置的测点,其余为建筑物点。四川地区重力测点大部分稳定,有35个重力墩或GNSS并置点已使用10 a以上,是较好的平差起算基准。已有研究表明,川滇地区流动重力测网可达到0.75°×0.75°的场源分辨率[3],具备监测5.0级以上地震的能力[4]。

1.2 使用仪器及观测概况

重力仪的一次项系数是重力计算的重要参数之一,其会随时间变化而变化[5],需要定期进行校正。1977年四川省地震局引进建立雅安格值标定场地,1979年又在成都龙泉驿建立长10 km的标定场地进行仪器标定。1987～2017年,一次项格值系数采用中国地震局管理组(下文简称管理组)定期标定结果。2018年起,除管理组定期标定外,每年作业前以郫县-姑咱绝对重力点为基线标定一次项系数。四川地区流动重力使用仪器和观测情况见表1。1976～1981年,使用ZSM-3型石英弹簧重力仪采用三程观测法每年观测1期;1982～1986年,使用美国沃尔登重力仪采用三程观测法每年观测1期。早期使用的ZSM-3型重力仪受气压、温度等因素影响较大,观测段差含有40 μGal的综合干扰。1987年起使用中国地震局提供的公用LCR-G型重力仪,执行重力测量规范及补充规定,段差均值中误差执行规范要求的±10 μGal。1987～2009年,采用长测线往返闭合方式进行观测,每年观测1～2期。

表1 使用仪器和观测概况

1.3 观测成果

1976～1988年观测手簿存储于四川省地震局档案室,1989～2022年观测资料以电子和纸质档案形式存储于四川省地震局地壳形变观测中心档案室。野外观测数据由2台仪器野外同步观测后记录。1987～2008年,采用手工方式记录,使用管理组提供的PC-1500程序及自研的LZCL程序进行固体潮改正、零漂改正等预处理。1991年起采用管理组提供的LGADJ程序分测网进行平差。2009年后野外资料记录和预处理采用管理组提供的Gravitation Measure程序,使用更新后的LGADJ程序进行整网平差。1991～2010年多采用拟稳方式平差,平差基准选择对结果影响较大。2010年以后,四川重力测网成型,平差时引入绝对重力点作为基准,严密解算各测点重力观测值。2012年对历史流动重力资料进行整理[6],纠正历史资料中经纬度和异常点错误,规范测点编号。自上一次整理以来,四川重力测网和测点又经历多次变动,因此整理2013～2022年流动重力数据以实现观测数据的整体拼接。

2 区域重力变化与前兆特征

2.1 与强震有关的重力变化特征

四川境内地震频发,1977年以来先后发生1981年道孚6.9级地震、1989年小金6.6级地震、1989年巴塘6.7级地震及3次余震、2001年雅江6.0级地震、2008年汶川8.0级地震及8次6.0级以上余震、2021年泸县6.0地震等,仅2022年就发生3次6.0级以上强震。受重力测网观测时空范围限制,道孚、巴塘、小金地震不在有效监测范围内,泸县地震和长宁地震发生在测网边缘的川东南工业活动区,因此选择四川测网观测时空范围内发生的汶川地震、芦山地震、康定地震、九寨沟地震、泸定地震为典型震例,重点阐述其震前的典型重力变化特征。

2.1.1 2008年汶川8.0地震

2008年汶川8.0级地震发生在成都测网监视范围内,获得震前1996～2008年相对重力观测资料。祝意青等[7]根据较大空间范围的区域性重力异常及伴生的重力变化高梯度带进行中期预测,同时发现重力变化与龙门山断裂构造活动存在密切联系,地震前川西高原重力变化显著,映秀和北川两个极震区附近的重力测点随时间呈剧烈波动上升变化。申重阳等[8]研究汶川8.0级地震区域重力场动态变化演化和孕震机理,结果表明,重力场动态演化可大体反映青藏高原物质东流的动态效应和汶川地震孕育的中长期(2～10 a)信息,8 a累积重力变化幅差最大约200 μGal,汶川大震孕育的显著重力标志为震中西南持续多年的正重力变化和出现较大规模的重力变化梯度带。

2.1.2 2013年芦山7.0地震

祝意青等[9]利用川西地区2010～2012年流动重力观测资料,研究震前区域重力场异常变化,发现测区内出现较大空间范围的区域性重力异常,沿龙门山断裂带南段形成重力变化高梯度带,四川宝兴-天全-康定-泸定-石棉一带重力差异变化达100 μGal以上。郑兵等[10]研究认为,芦山地震前3 a区域重力变化呈上升-加速上升-减速上升-加速下降-减速下降特征。郝洪涛等[11]结合芦山地震科学考察资料分析认为,芦山地震发生前龙门山断裂带两侧表现出显著的正、负高值异常,同时形成与活动断裂相关的大范围重力变化梯度带,与汶川地震前重力变化前兆特征一致。王林海等[12]利用贝叶斯平差方法处理川西地区流动重力观测资料,结果显示,芦山地震发生在重力变化梯度带零值线与龙门山断裂带交会部位附近。

2.1.3 2014年康定6.3级地震

郑兵等[13]利用流动重力资料研究分析2014年康定6.3级地震前后的重力变化特征,结果表明,地震前震区重力变化等值线出现类似于四象限的区域分布特征,发震位置在重力变化零值线转折、畸变附近区域,在重力变化减小后再增加的过程中发震。郝洪涛等[14]研究发现,康定地震典型前兆异常为震中附近的正重力变化以及震中出现重力变化高梯度带,震中区无明显异常,康定6.3级地震发生在梯度带的伸展弯曲部位。

2.1.4 2017年九寨沟7.0地震

刘芳等[15]利用布格重力异常数据及实测流动重力数据进行小波多尺度分解,得到不同深度场源特征的地壳介质横向不均匀性,结果表明,九寨沟地震发生在区域重力场的四象限分布中心位置。祝意青等[16]利用南北地震带2014～2017年流动重力观测资料系统分析区域重力场变化,结果表明,九寨沟地震前,测区内出现大规模的区域性重力异常,沿塔藏断裂带形成重力变化高梯度带,其中,甘肃玛曲及迭部、青海河南蒙古族自治县、四川若尔盖及九寨沟一带重力差异变化达100 μGal以上。九寨沟地震震中位于重力差异剧烈的等值线鞍部附近,在与断裂走向基本一致的重力变化高梯度带零值线上。上述分析佐证了重力场动态变化图像反映的前兆特征对强震地点预测的重要意义。

2.1.5 2022年泸定6.8地震

2022年四川芦山6.1级、马尔康6.0级地震发生后,郑兵[17]分析认为,康定地区重力异常区数值较大,重力变化梯度带密集且零值线走向不规则,“三岔口”地区积累的构造应力仍未完全释放。利用四川2019～2022年4期流动重力观测资料获取地震前重力场动态变化图像,结果见图1。

2021-09～2022-04,半年尺度重力场变化剧烈,且具有以鲜水河-则木河一线为边界的分区分布特征,西南川滇藏交界及丹巴-雅安-都江堰为主要的正值变化异常区域,道孚至四川盆地以负值变化为主。2021-02～2022-04,1 a尺度的重力变化具有与上期大致相同的分布态势,重力正值变化范围扩大,主要集中在丹巴-雅安-都江堰、雅江-石棉-西昌-宁南区域。该期出现较大面积的北西向负值变化带,负值变化极值出现在宜宾地区,该区域发生2021年泸县地震。2018-03～2022-04,4 a尺度的累积重力变化格局大致相同,但正变化明显增强。正负变化区域沿控震断裂分区分布,鲜水河断裂南段呈现显著的重力变化梯度带,石棉-泸定-康定一带重力差异变化达140 μGal,并在康定-石棉-雅安形成大规模的四象限对称中心。区域重力变化与汶川地震、芦山地震前的区域重力场变化特征基本一致。

2.2 典型重力前兆信息

以上震例分析表明,流动重力观测到如高梯度带、四象限分布、零值线拐弯等强震前显著的重力异常变化信息,虽然重力异常变化的表现形式不完全一致,但地震的发生与重力变化形态、量级及持续时间之间均存在相关关系。四川地区强、大地震震前重力场变化具有以下特征:

1)震前数年,控震断裂一侧出现大规模重力正异常变化,之后正变化范围和量级逐渐减小,甚至出现负变化,局部重力场呈加速增大-反向变化-发震特征,但出现反向变化后至发震时长难以预测。

2)震级大小与重力异常变化持续时间和异常覆盖范围正相关,汶川8.0地震孕震期达10 a以上,芦山7.0地震、九寨沟7.0地震及泸定6.8地震孕震期约为3～4 a。

3)震中区附近重力场变化出现正值变化高值异常,且具群体性分布特征,特别是较长时期的累积变化等值线图显示出震中附近出现正值变化高梯度带,强震发生于重力变化等值线局部异常、高梯度带及其拐弯处附近,临震前震中等值线则相对稀疏。

强震受区域应力场及主要活动断裂带控制,通常孕育并发生在活动断裂带应力高度积累部位,这些部位及其附近在孕震阶段存在显著的差异性构造运动,通常伴有明显的重力场变化[18]。从地震发生的能量累积和剪切破裂条件分析认为,地表重力变化,特别是正值持续变化,指示地壳内部物质聚集运动过程,有利于孕震阶段能量积累。四象限中心和高梯度带零值线拐弯处是地下物质膨胀和收缩的过渡地带,在优势剪应力作用下更容易发震。流动重力观测信号是由表及里的“场”兆信息,具有综合反映震源区及外围地区的深部构造运动及地表干扰信号的能力。重力场动态变化图像能够清晰地反映四川地区强震孕育和发生的动态变化过程,根据异常范围和量级、异常形态等重力异常特征,可为强震的中期预测提供潜在可能性。

3 地震预测效能

四川流动重力测网自2008年逐步完善以来,测网范围内共发生6.0级以上地震10次。利用四川地区的流动重力观测资料,对其中6次地震进行了准确的中期预测[19-22],详见表2。

从预测结果看,对发生在川滇菱形块体内部及边界带的汶川、芦山、康定、九寨沟、泸定等地震的中期预测较为成功,这些地震均发生在预测时间内,预测地点判定准确,预测准确达60%。2008年汶川8.0地震和2013年芦山7.0地震均发生在预测的龙门山断裂,汶川地震预测震中与宏观震中较一致,芦山地震预测震中与实际震中相距77 km;苏琴等[23]利用流动重力观测结合形变资料较准确地判定芦山地震三要素,同时提交短临预报卡;2014年康定地震发生在国家重力台网中心根据重力异常判定的道孚-石棉危险区内,发震地点、震级判定基本准确;对于2017年九寨沟地震,根据重力资料预测的震级、时间、地点基本准确,发震地点上预测意见已明确提及四川若尔盖、九寨沟一带;2022年芦山6.1级地震、泸定6.8级地震发生在管理组判定的年度地震危险区内,马尔康6.3级地震发生在危险区边缘,预测三要素基本准确。虽然观测到一些相关的重力异常变化信息,但漏报了2010年攀枝花6.1级地震、2019年长宁6.0级震群和2021年泸县6.0级地震,长宁地震、泸县地震发生在工业活动频繁、监测能力薄弱的四川测网边缘。以上预测事例表明,四川流动重力观测可为强震中长期预测提供重要依据,对发生在构造运动强烈的川滇菱形块体边界及内部的强震预测效果较好,取得了一定的减灾实效。

4 结 语

四川地区流动重力观测经历50余年发展,由局部分散的测网观测逐步形成覆盖范围广、绝对重力控制、相对重力联测的完善监测体系,具备监测5.0级以上地震的能力。对近年来发生的强震回溯研究表明,强震前区域重力场变化具有四象限分布、高梯度带、零值线拐弯等典型重力变化现象,这些重力现象是与强震孕育与发生相关的前兆异常,对地震预测指标体系建设具有重要参考意义。部分学者根据流动重力反映的异常范围、量级及持续时间等信息,结合区域地震构造背景,由“场”及“源”较好地判定了川滇菱形块体边界及内部发生的强、大震潜在的发震地点,并多次提出准确的预测意见,中期预测准确率达60%。利用流动重力观测资料融合区域地壳形变资料开展短临预测的成功案例,为地震预测实践提供了新思路。