2020年伽師MS6.4地震前后重力變化

楊 雄 祝意青 趙云峰 隗壽春 操 聰 呂宏斌 曾亞光

1 中國地震局第二監測中心,西安市西影路316號,710054

2020-01-19新疆喀什地區伽師縣發生MS6.4地震,震中位于77.21°E、39.83°N,震源深度16 km,震源機制解顯示為逆沖型。研究表明,本次地震發震構造為柯坪斷裂,該斷裂位于柯坪塔格推覆構造帶南緣,全長460 km,走向自西向東為EW-NEE,傾向NNW,為左旋走滑性質的逆沖斷裂[1-2]。

地震孕育過程伴隨著深部物質運移和構造活動,進而引起地表重力場發生變化[3-5],這種變化可以被流動重力監測到。祝意青等[6-8]基于震前不同時空尺度的重力場變化,對多次大震進行成功預測,表明時變重力場異常是與地震孕育發生相關的可靠性前兆異常之一。伽師MS6.4地震發生前,中國地震局第二監測中心根據2016～2019年南天山區域流動重力場觀測資料發現,在南天山西段與西昆侖交界區出現劇烈重力變化,且在烏恰、喀什、阿圖什一帶形成顯著的重力變化高梯度帶,兩側重力差異達100 μGal以上,基于該異常變化信息給出中期預測意見,認為2020年在新疆烏恰、喀什、阿圖什、阿克陶、英吉沙一帶(震中位于39.6°N、75.8°E附近)存在發生6～7級地震的可能?；诹鲃又亓τ^測資料的中期預測結果與實際發震位置(77.21°E,39.83°N)、震級和發震時間對應較好。因此,本文利用新疆地區2016～2020年伽師地震前后流動重力資料,深入分析伽師MS6.4地震前后重力變化特征與規律,捕捉與地震孕育有關的前兆信息,從而為該區域孕震環境、未來地震危險區判定和中短期預測提供參考。

1 重力測網與數據

流動重力測網是地震重力監測的基礎,布設合理的重力監測網是獲取高精度重力資料、捕捉地震前兆信息的前提。2020-01-19伽師MS6.4地震發生在天山地震帶上。1998年中國地震局已經在全國重點區域(如南北地震帶、天山地震帶)布設地震重力監測網,2005年新疆地震局在喀什-伽師地區布設40個流動重力測點(簡稱喀伽網),但其覆蓋范圍小、監測能力弱。為了能夠更加精確地監測天山地區重力變化,捕捉地震前兆信息,新疆地震局在2013年對原有測網進行優化改造,改造后的測網如圖1所示,共有90多個測點,覆蓋塔里木盆地、南天山和西昆侖等區域,測網中還有庫車、塔什庫爾干和烏什3個絕對重力控制點,極大提高了該區域測網的監測能力。

圖1 南疆重力測網分布

相對重力監測采用CG-5/CG-6相對重力儀,每年進行2次觀測,觀測精度優于10 μGal;絕對重力采用FG-5絕對重力儀進行觀測,觀測精度優于5 μGal。本文選取2016～2020年重力觀測數據,采用中國地震局開發的LGADJ程序進行經典平差計算,以獲得統一起算基準下的重力場變化,具體平差過程參考文獻[7-10]。各期的點值平差精度在10 μGal以內,說明本文數據可靠。

2 伽師地震前后區域重力異常動態變化

分析重力場不同尺度的動態變化特征,可以捕獲地震前不同時段的重力場差異,了解震前重力場演化過程。為此,本文分別繪制地震前后半年尺度與1 a尺度的重力差分變化圖以及2 a尺度的重力場累積變化圖。

2.1 重力場差分變化

2.1.1 半年尺度重力場變化

2018-04～09期間(圖2(a)),研究區重力場大致以39°N為界,南部塔里木盆地表現為劇烈負異常變化,北部柯坪推覆體表現為正負相間的波動性變化。整個研究區形成以伽師、巴楚為中心的四象限分布特征,南天山中部阿合奇附近呈現50 μGal負異常變化,南天山西南烏恰-阿圖什和東北阿克蘇-拜城一帶呈現30 μGal局部正異常變化,震中附近重力等值線與柯坪塔格推覆構造走向基本一致,2018-09-04伽師MS5.5地震發生在四象限中心附近,本期重力變化對此次MS5.5

圖2 伽師MS6.4地震前后半年尺度的重力場差分變化

地震具有較好的反應。

2018-09～2019-04期間(圖2(b)),研究區重力場總體呈現自北向南由負轉正的趨勢性變化,與上期反向。震中附近柯坪塔格推覆構造呈現負異常變化,變幅在50 μGal左右,南側塔里木盆地呈現正負相間變化特征,南天山西段與西昆侖交匯處呈現以英吉沙、伽師為中心的四象限變化特征,并沿烏恰、喀什和伽師一帶形成重力變化梯度帶,兩側重力變化差異達70 μGal,表明該區域地下物質差異運動顯著,對該區域地震孕育具有很好的指示意義。

2019-04～08期間(圖2(c)),研究區重力場較上期有所減弱,變幅在-30～40 μGal之間。震中附近區域變化相對較大,大致以柯坪斷裂為界,呈現一正一負的局部異常區,并出現與斷裂走向一致的重力變化高梯度帶,2020-01-19伽師MS6.4地震就發生在重力高梯度帶和重力變化零等值線附近,其他區域變化較為平緩。

2019-08～2020-04期間(圖2(d)),研究區重力場變化劇烈,變幅在-70～40 μGal之間,總體呈現以伽師、巴楚為中心的四象限變化特征,南側塔里木盆地和北側阿合奇分別表現為40 μGal和20 μGal正異常變化,東北阿瓦提、阿拉爾和西南阿圖什、喀什地區分別表現為-50 μGal和-70 μGal局部負異常變化,伽師MS6.4地震就發生在重力變化四象限中心附近。

2.1.2 1 a尺度重力場變化

2016-04～2017-04期間(圖3(a)),研究區重力變化以正異常為主,西南天山與塔里木盆地交界處呈現東西走向的重力變化高梯度帶,兩側重力差異達90 μGal,可能與2018年伽師MS5.5地震有關,北側柯坪塔格推覆構造大致以皮羌斷裂為界,東西兩側重力變化差異顯著,體現出該斷裂的分割作用。2018-09-04伽師MS5.5地震就發生在重力高梯度帶和重力變化零等值線上,重力場對此次地震也具有較好的反應。

圖3 伽師地震前后1 a尺度的重力場差分變化

2017-04～2018-04期間(圖3(b)),研究區重力變化劇烈,總體呈現以柯坪、阿瓦提為中心的四象限變化特征。西南天山與塔里木盆地交界處表現為約-70 μGal局部異常變化,與上期反向,南天山中部阿合奇一帶表現為40 μGal局部異常變化,并沿柯坪塔格推覆構造走向方向形成重力變化高梯度帶,2018年伽師MS5.5地震發生在負異常極值區附近,2020年伽師MS6.4地震發生在重力等值線拐彎處,靠近負異常區一側。

2018-04～2019-04期間(圖3(c)),研究區重力變化以負異常為主,南側塔里木盆地與北側柯坪塔格推覆構造附近均表現為劇烈負異常變化,天山西南喀什、麥蓋提和東北阿克蘇、拜城一帶呈現弱局部正異常,伽師MS6.4地震震中附近重力等值線走向與柯坪塔格推覆構造走向基本一致,且在震中附近形成重力變化高梯度帶。

2019-04～2020-04期間(圖3(d)),研究區重力呈現自南向北由正轉負變化,震中附近重力場與上期反向,呈現以伽師、巴楚為中心的四象限分布特征,南側塔里木盆地和西昆侖表現為40 μGal正異常變化,北側南天山中部阿合奇附近呈現弱局部正異常,震中東側柯坪、阿瓦提和西側喀什、阿圖什一帶表現為-60 μGal局部負異常變化。測區中部大致沿布倫口、英吉沙、巴楚一線形成貫穿測區的梯度帶,并在伽師、巴楚附近發生轉折,2020年伽師MS6.4地震發生在重力梯度帶轉折處和四象限中心附近。

2.2 2 a尺度重力累積變化

2016-04～2018-04期間(圖4(a)),研究區重力變化劇烈,自南向北呈現正負相間的異常變化,塔里木盆地西北部喀什、伽師和巴楚、麥蓋提附近分別表現為約-50 μGal和-70 μGal局部重力變化,南天山中部呈現60 μGal局部正異常變化。伽師MS6.4地震震中附近重力變化等值線走向與柯坪塔格推覆構造走向基本一致,并沿構造走向方向出現重力變化梯度帶,兩側最大差異達140 μGal以上,2020年伽師MS6.4地震發生在重力變化高梯度帶零等值線上。

圖4 伽師地震前后2 a尺度的重力場累積變化

2018-04～2020-04期間(圖4(b)),研究區呈現大范圍負重力異常變化,總體來看與上期反向,負異常變化從北部南天山一直延伸至塔里木盆地內部,在巴楚附近收縮為鞍狀,東西向貫穿整個研究區,柯坪附近表現為-100 μGal異常變化,塔里木盆地西北麥蓋提周圍表現為20 μGal異常變化,且在伽師-巴楚一線形成與柯坪斷裂走向一致的重力變化高梯度帶,兩側差異最大達120 μGal,2020年伽師MS6.4地震發生在重力梯度帶上。

3 重力時變與伽師地震

從半年尺度的重力場分析可以看出,2018-04～09震中附近重力場呈現四象限變化特征,可能與2018年伽師MS5.5地震的孕育發生有關;2018-09～2019-04重力場呈現自南向北由負轉正變化,震中負異常持續加強;2019-04～09重力場變化減弱,震中附近呈現與柯坪斷裂走向基本一致的重力變化梯度帶;2019-09～2020-04震中附近重力場呈現四象限分布特征及重力變化高梯度帶。半年尺度的重力場變化清晰地反映出2018年伽師MS5.5和2020年伽師MS6.4地震均發生在物質差異運動顯著的四象限中心附近。

從1 a尺度的重力場分析可以看出,2016-04～2017-04重力場呈現大范圍正異常變化,在震中附近形成東西走向的重力變化高梯度帶;2017-04～2018-04重力場呈現四象限變化特征,震中附近沿柯坪斷裂形成重力變化高梯度帶;2018-04～2019-04重力場呈現大范圍負異常變化,總體與上期反向,震中附近負異常持續增強;2019-04～2020-04重力場呈現四象限變化特征,東西向重力梯度帶貫穿整個測區,2020-01-19伽師MS6.4地震發生在四象限中心及重力梯度帶拐彎附近。1 a尺度的重力場變化較好地反映出2020年伽師地震前震區重力場經歷了“重力正異常區-四象限特征及沿柯坪斷裂的重力高梯度帶-反向變化發震”的演化過程。

從2 a尺度的重力場分析可以出,累積重力場變化更加劇烈,與構造關系更加緊密。具體來看:2016-04～2018-04期間,在發震斷裂柯坪斷裂兩側呈現劇烈的局部正負重力異常變化,最大差異達140 μGal以上,并沿柯坪斷裂形成重力高梯度帶,反映出該區域震前構造運動增強,導致斷裂兩側物質運移加強;2018-04～2020-04期間,柯坪斷裂呈現顯著的負重力變化,與上期相比斷裂兩側重力變化相反,可能反映出南天山向南推擠使柯坪塔格推覆構造內物質向塔里木盆地運移,震中附近形成與發震構造走向一致的重力高梯度帶。2020-01-19伽師MS6.4地震發生在物質增減差異運動劇烈的重力變化高梯度帶上。

強震大都發生在活動板塊邊界或活動斷裂帶上,2020-01-19伽師MS6.4地震發生在柯坪斷裂上,該斷裂屬于柯坪塔格推覆構造前緣斷裂,位于南天山與塔里木盆地碰撞前緣。由于受到印度板塊與歐亞板塊碰撞匯聚產生的巨大擠壓應力影響,塔里木盆地為相對完整的剛性地塊,塊體內部形變較小,整體向北運動俯沖至天山下方,促使天山隆升,塔里木盆地相對下降;同時南天山形變速率遠高于塔里木盆地,兩個塊體之間一升一降、一快一慢的相對運動,容易在塊體邊界產生應力積累,造成區域巖石破裂而發生地震[1]。重力場時變圖也顯示在柯坪塔格推覆構造附近呈現不同尺度的重力變化高梯度帶,其是物質密度增加與減少的過渡地帶,該處物質增減差異運動劇烈,易產生剪應力而發生破裂,進而誘發地震[7,11]。已有研究表明,與特定地震構造有關強震的發生,會引起地下應力的重新排列或分布,導致附近或相鄰斷裂應變積累出現非線性加速,從而促使潛在的強震提前發生[3,7,12]。2018-09-04伽師MS5.5地震發生在震源區下方的NE向隱伏斷裂上,發震斷裂與柯坪斷裂相鄰,時變重力圖對此次地震也具有較好的反應,認為2018年伽師地震的孕育發生及震后調整可能對2020年伽師地震具有一定的促震作用。地震震級與重力異常變化范圍、持續時間和變化量級密切相關,異常范圍越大、持續時間越長和變化量級越大,對應震級越大[6,11]。本次地震短期半年和1 a尺度重力場變化顯著,2 a尺度重力場更加劇烈,與祝意青等[6,13]的結論對應較好。

4 結 語

本文利用新疆地區2016～2020年流動重力資料,繪制地震前后不同尺度的重力場變化圖像,從重力角度系統分析區域重力變化特征與2020年伽師地震孕育發生的關系,獲得以下認識:

1)新疆地區重力變化與區域構造密切相關,在柯坪塔格推覆構造附近存在顯著的重力變化,表現為與地震孕育有關的多個局部重力異常區及沿柯坪斷裂出現重力變化高梯度帶,兩側差異達140 μGal左右,反映出柯坪斷裂附近構造應力場增強引起地下物質遷移。構造活動斷裂帶由于差異運動強烈使得構造變形非連續性最強,有利于應力的高度積累而孕育強震[8,13]。

2)動態差分重力場變化較好地反映出伽師地震前后重力場的階段性特征和規律,1 a尺度的重力場總體經歷了“重力正異常區-四象限特征及沿柯坪斷裂的重力高梯度帶-反向變化發震”的演化過程,這與以往研究中地震易發生在重力反向變化過程中的結論一致[7-8]。半年尺度的重力場顯示地震發生在物質差異運動顯著的四象限中心附近。短期重力場變化對2018-09-04伽師MS5.5地震也具有較好的反應。

3)利用流動重力資料對2020年伽師地震震中位置進行成功判定,進一步證實了區域重力場資料對未來強震震中位置判定具有獨特的優勢。強震易發生在與構造活動有關的重力變化正負異常過渡區的高梯度帶上、重力變化等值線拐彎處或四象限中心附近[7,11],2020年伽師地震就發生在重力變化高梯度帶、四象限中心附近。