2023年8月6日山东平原发生 MS5.5 地震, 此次地震是山东地区40a以来发生的最大地震。震前山东省地震局在震中附近开展了每年2期的流动重力观测, 观测到了震前4a的重力场时空变化。文中利用流动重力观测资料, 系统分析了2019年9月以来的区域重力场变化特征, 并结合形变场、 震源机制解、 动力环境等探讨了震前重力变化与发震机理。结果表明: 1)2022-05—2023-04震中南部重力正值变化>50μGal, 区域直径>160km, 震中两侧正负差异变化>70μGal; 震中重力变化平稳, 处于“闭锁”状态。2)区域重力场变化与水平形变场、 震源机制解、 同震位移场的空间分布具有对应性——震源机制解的压缩区和同震位移场的流入区、 沉降区对应了震前的面压缩区与重力下降区; 震源机制解的膨胀区和同震位移场的流出区、 隆升区, 对应了震前的面膨胀区与重力上升区。3)此次地震前重力变化异常的主要原因是深部流体物质迁移, 次要原因是上地壳形变产生的重力效应。
文中推导并给出了基于非格网分布的起伏面扰动重力或重力异常解算区域扰动重力梯度场模型的数值计算公式。基于澳大利亚West Arnhem Land地区的格网重力数据, 以频谱域(二维快速傅里叶变换)解算的扰动重力梯度全张量作为“基准值”, 然后利用基于推导公式的最小二乘配置方法(LSC)对相同区域非规则范围的重力数据进行扰动重力梯度模型解算, 将结果作为“评估值”。对比“基准值”与“评估值”之差, 研究发现: 1)基于推导公式的最小二乘配置方法解算得到的扰动重力梯度值与频谱域方法得到扰动梯度“基准值”各分量在空间形变变化上是一致的; 2)统计扰动重力梯度各分量的差值 Δ δ Γ x x f f t - l s c 、 Δ δ Γ x y f f t - l s c 、 Δ δ Γ x z f f t - l s c 、 Δ δ Γ y y f f t - l s c 、 Δ δ Γ y z f f t - l s c 和 Δ Γ z z f f t - l s c , “基准值”与“评估值”差值的标准差分别为5.54E、 5.30E、 1.85E、 6.55E、 2.09E和9.67E(1E=1×10-9s-2), 远低于国际上实测重力梯度与解算模型差值的研究结果。最后, 基于云南地区实测地表差分重力值, 文中首次给出了该区域半波长约20km的重力梯度场年际变化模型。文中的思路和方法提高了广泛分布的重力数据(主要为重力异常和扰动重力)的使用效率, 可为地球物理学、 地质学研究更好地理解和解释重力数据、 重力梯度数据及其与场源的关系提供数据基础。
为研究2019年四川长宁地震前后地壳内部物质的运移过程, 文中利用流动重力和GNSS资料对地震前后的重力变化特征、 地壳垂直形变及其关系进行了深入分析。地震震中处于重力变化正、 负异常的梯度带上, 并在地震前后呈现明显反向。小波多尺度分解表明, 浅部的离散性局部变化特征明显, 深部的趋势变化特征显著。震中周边4个站点的重力变化与地壳垂直形变的关系与近似规律不一致。长宁震区长期的动力是青藏高原的物质在深部向四川盆地南边界运移的结果。在震中及周边区域的地表浅层可能存在一些空洞或气囊等空间, 在地震前后出现气体、 液体或高密度物质流失和填充的现象。结合前人对长宁地震发震机制的研究成果分析认为, 该区域的采盐、 采气及废水回注等因素可能是触发四川长宁地震的原因之一。
文中基于绝对重力控制下的木兰山基线场2018年和2022年的重力观测资料, 研究了一次项系数在不同读数段的分布规律、木兰山基线场的重力场分布和近期重力变化特征。结果表明: 相对重力仪不同读数段的一次项系数存在差异, 武汉-宜昌测段(子测段)的一次项系数与武汉-绿葱坡测段(总测段)的差异可达4.809‰, CG-6型与CG-5型重力仪的结果较为一致, 2类重力仪间无系统偏差; 总测段的一次项系数是各子测段一次项系数的加权平均结果, 其相应的权因子为子测段与总测段的重力段差比值; 木兰山基线场的最大重力段差(G01-G03)为102.176mGal, 各测点的重力值平均精度为4.8μGal; 2018-2022年木兰山基线场测点的重力变化区间为5.9~12.8μGal, 重力场整体呈正变化, 测段重力变化区间为-4.8~6.9μGal。测点周边环境变化、地表垂直运动、地表水储量变化对地表实测重力变化均产生了一定影响。综合上述各项改正后的测点和测段重力变化均值较实测值相应减小了38.2%和50.8%, 改正后的重力变化结果更为精准, 但其不确定度相应增加了2.5%和2.8%。综合分析测点和测段的重力场动态变化可有效提取异常信息, 为地震重力监测提供更精确的数据支持。
文中基于滇西地震实验场1986-2014年间近30a的流动重力观测资料, 研究了该地区重力场的长期变化背景。结果表明, 重力场长期变化背景以负变化为主, 年平均变化率约为-1.24×10-8m/s2; 空间分布上, 重力场变化的剧烈程度与断裂带分布和历史强震活动存在密切关联, 红河断裂北段、 龙蟠-乔后断裂对本地区的重力场变化和地震活动分布具有明显的边界作用。结合地壳垂直形变、 地壳结构和区域动力学背景对重力场变化机理进行分析, 重力场整体负变化趋势可能反映下地壳物质流引起的地表隆升和地壳增厚, 而重力场变化空间分布的细节则与区域动力学背景下具体断裂带的活动特性以及相关的局部性物质分布变化有关。
地表地质调查与深部地球物理探测结果表明, 红河断裂带北、 中段地壳结构与变形具有显著的横向差异性。为检测其地壳现今深部物质迁移和变形特征, 文中利用红河断裂带北、 中段2013—2019年3条流动重力剖面的观测资料, 经分析和去除地表垂直运动、 地表水循环、 剥蚀和冰川均衡调整引起的重力效应, 获取了地壳深部物质迁移引起的趋势性重力变化信息。结果表明, 红河断裂带近期的重力动态变化具有分段性特征: 北段、 中段和中南段剖面的平均变化率为(-0.39±1.30)μGal/a、 (0.16±1.57)μGal/a和(0.29±1.25)μGal/a, 北段剖面以红河断裂为界, NE侧呈负变化、 SW侧呈正变化, SW侧相对NE侧以(3.1±0.55)μGal/a·100km的重力变化率增加, 反映出青藏高原物质东流背景下深部物质跨越红河断裂带后受澜沧江刚性块体阻挡、 质量不断累积的特征; 中段剖面断裂带区域的重力变化率比两侧低, 体现了红河断裂的深部控制作用; 中南段剖面的重力整体呈正变化, 反映了印支、 华南块体与川滇菱形地块间相互侧向挤压、 深部物质累积的性质。基于重力变化反演的莫霍面变形结果表明: 近期红河断裂带的莫霍面平均以0.54cm/a的速率持续隆升, 北段、 中段和中南段的平均变形速率为-0.06cm/a、 1.36cm/a、 0.32cm/a, 在一定程度上反映出区域非均衡构造运动作用; 北段莫霍面自东向西由下沉逐渐转为隆升; 中段东侧隆升、 西侧下沉; 中南段变形速率低且两侧差异小; 红河断裂带区域的变形速率明显低于两侧地块, 体现了其对地壳深部变形较强的边界控制作用。文中的研究结果可为青藏高原东南缘断裂活动性研究提供新的约束。
文中利用小波多尺度分析方法对青藏高原东南缘WGM2012布格重力异常进行5阶分解, 得到了该区域不同深度上的布格重力异常子集, 并据此研究了该区域的地壳构造、 物质运动及其孕震环境。结果表明: 2、 3阶小尺度重力异常反映了该地区的强震主要发生在高重力梯级带及活动地块边界上, 对比分析各尺度重力异常, 发现地震孕育不仅受控于中、 上地壳的断裂地块构造, 也与深部地壳的密度变化有关, 这种地壳深、 浅部相互作用的动力学过程可能是川滇地区地震孕育的重要条件; 4阶中尺度重力异常显示松潘-甘孜地块的东南缘存在1个低布格重力异常圈闭, 与巴颜喀拉地块地壳中存在着较厚的低速、 低阻层的观测结果一致, 推测可能与该地块东部岩石圈厚度大、 下地壳温度较高、 中下地壳部分岩体在高温下熔融有关。在攀枝花地区存在1个高布格重力异常圈闭, 推测可能是在攀西古裂谷时期, 深部高密度物质上涌过程中在中下地壳的物质残留所致; 5阶大尺度重力异常显示在川滇菱形块体呈区域性负重力异常, 为青藏高原东南缘 “下地壳流”的存在提供支持证据。
同震重力变化可为位错模型的检验和约束提供新数据。 文中利用指数函数和阶跃函数法分析了玛多MS7.4地震震中距≤800km的5个重力台的同震重力信号。 结果显示: 观测和位错模型模拟结果的方向一致性好, 只是量级存在差异。 通过对同震重力变化精度的讨论, 同震重力变化和GNSS垂直位移的比较, 九寨沟MS7.0、 玛多MS7.4同震重力变化空间分布的分析, 以及漾濞MS6.4地震对同震重力变化影响的改正, 分析认为: 震中距为175km的玛沁台记录到(2.9~4.0)×10-8m·s-2 的同震重力变化; 震中距为763km的中甸台在改正了漾濞地震的影响后记录到1.09×10-8m·s-2 的同震重力变化; 松潘台记录的9.1×10-8m·s-2 的重力变化信号中应包含其他因素的影响; 林芝台的负变化规律和位错模型模拟结果方向一致。 综合文中的观测结果认为, 玛多MS7.4地震能够在175~800km的远场范围内产生约(0.5~4.0)×10-8m·s-2 的同震重力变化信号。 该结果可为未来中强地震远场产生的同震重力变化量级的判定提供参考。
文中利用国家重大科学工程 “大陆构造环境监测网络” 2010-2020年云南境内及周边区域10个基准站的绝对重力观测资料, 初步获得了各基准站的重力基准及其动态变化。 其中, 9个测站的3个不同时间尺度和时段的重力变化趋势结果显示重力变化先增后减, 转折发生于2014年前后, 在重力变化增大至转折点时, 先后发生了2014年鲁甸MS6.5、 盈江MS6.1和景谷MS6.6地震, 随后至2021年漾濞MS6.4地震发生之前重力一直呈减小趋势, 昆明站的情况则正好相反。 文中研究表明, 云南及邻近区域内重力场变化幅度大、 速度快、 升降转换周期短, 且变化趋势一致。 其重力场变化机制可能是由青藏高原受印度板块推挤向NE运移, 后受四川盆地阻挡, 青藏高原下的地壳物质转向SE的云南及邻近区域的运动所主导。
2021年5月21日云南大理白族自治州漾濞县发生了3次较强地震, 最高震级为M6.4, 造成巨大经济损失和人员伤亡。 为厘清漾濞地震的发震构造与孕震环境, 文中将已有的高精度重力数据、 流动重力测网点数据和EGM2008模型数据融合为2.5km点距的高精度网格数据, 并以漾濞地震为中心, 提取了2条长重力剖面和10条短重力剖面, 采用归一化梯度成像方法获取研究区内三维地壳成像特征, 重点分析了漾濞震区沿红河断裂北段、 维西-巍山断裂、 永胜-宾川断裂和洱源-鹤庆断裂等的深浅接触关系及其深部孕震环境。 结果表明: 1)重力归一化梯度陡变带的倾角、 倾向与地质上的中大型断裂吻合较好, 如怒江断裂、 澜沧江断裂、 红河断裂、 安宁河断裂和则木河断裂等; 2)中下地壳重力归一化梯度连续性较好, 且中上地壳为高低转换带时, M≥6.0地震频发, 特别是维西-巍山断裂、 永胜-宾川断裂及红河断裂北段交会的区域; 3)漾濞地震震中附近, 上地壳存在归一化梯度高低强变形带且相互靠拢, 在深度约15km处会聚, 震中投影与维西-巍山断裂及其次生断裂在深度约10km处交会, 且地壳20km以下重力归一化梯度值连续性较好, 推断漾濞3次地震的发震构造为维西-巍山断裂及其次生断裂。 文中结果对地震发震机制和发震地点的判定具有非常重要的科学意义和参考价值。
