• 首页关于本刊投稿须知期刊订阅编委会期刊合作查询检索English
新疆喀什及邻近区域流动地磁和流动重力联合分析研究
新疆喀什及邻近区域流动地磁和流动重力联合分析研究
陈丽*, 刘代芹, 李杰, 艾力夏提·玉山, 李桂荣, 李瑞, 丁新娟, 孙小旭
(新疆维吾尔自治区地震局,乌鲁木齐 830011)
 [收稿日期]: 2016-08-09
摘要

利用2014-2015年南天山地区45个测点的2期流动地磁资料,分析喀什及邻近区域相邻两期岩石圈磁场的动态变化特征,同时,利用2014-2016年170个测点的4期流动重力资料,分析不同时间尺度的重力场动态变化信息。研究表明:皮山6.5级地震的发生对皮山一带的地磁矢量分布特征影响较大,总磁场强度、磁偏角和磁倾角均有变化;无论是半年尺度还是一年尺度的重力变化图像都显示乌恰一直处于重力变化的高梯度带;综合多手段的观测资料对震情形势的判定更为准确。



引言

由于流动重力观测受干扰较少,资料信度较高,故往往能够反映深部物质运移与变迁的信息(地震预报推进组,2001)。而应力积累及临震应力突变则可能引起地震孕育区及附近地区地下岩石磁性的改变,导致局部地磁场出现异常变化(熊仲华等,1997李琪等,2007苏树朋等,2009)。通过对区域岩石圈磁场的监测及变化的分析,可以提取出有关的震磁前兆异常信息,尤其是岩石圈磁场的局部异常时间变化,这是地震地磁监测的重要物理基础,也是开展震磁变化前兆信息研究的基本出发点(国家地震局科技监测司,1991徐文耀,2003许仪西等,2008杨福喜等,2010)。重力和地磁的定期重复观测可为中短期地震趋势预测提供判断依据。

喀什及邻近区域受力形式复杂:东南面受到塔里木盆地NNW向的挤压作用;北面是由多条逆断层组成的柯坪块体,破坏性地震沿柯坪断裂频频发生;西面受到天山、西昆仑与帕米尔弧交汇区的张性拉张作用,南北两侧同时受到印度板块和欧亚板块的挤压,是受力较强烈的地区,容易积累大地震的能量(刘代芹等, 2009, 2010)。2008年以来,喀什及邻近区域地震活动活跃,据统计5级以上的地震共发生了41次。在新疆喀什及邻近区域严峻的震情形势和地震频发的情况下,对地震前后地球物理场进行对比分析研究,能有效促进对地震发生的物理机制的理解与认识,为地震前兆异常的辨别提供宝贵的资料和经验。

1 资料概况与数据处理

2009年起,新疆维吾尔自治区地震局每年5—7月在南北天山地区开展流动地磁矢量观测。本文使用南天山地区45个地磁测点(图 1)2014—2015年2期资料进行喀什及邻近区域相邻期岩石圈磁场变化特征分析研究。所用资料包括每个测点的地磁总强度F、磁偏角D和磁倾角I,以及测点的地理方位角、经度、纬度与海拔高度,然后,通过FDI这3个分量解算出水平分量H、北向分量X、东向分量Y及垂直分量Z


图 1 南天山地区流动重力和地磁测点分布 Fig. 1 Distribution of mobile gravity and magnetic measuring points in the southern Tianshan area

由于地磁场随时间的变化而变化,需要将不同时期测量的地磁数据归算到某一特定时刻,经过归算后的地磁数据才具有对比分析的价值。地磁观测数据中包含地磁内源场和外源场2部分的变化。为消除地磁观测数据中所包含的地磁场日变化等外源场成分,需要进行日变化改正;为消除地磁观测数据中所包含的地球主磁场长期变化成分,需要进行长期变化改正。本文利用喀什和且末地磁台的分钟值数据进行改正,地磁长期变化采用“1995.0—2014.5、1995.0—2015.7中国地区地磁场非线性变化模型(NOC)”(顾左文等,2009陈斌,2011陈斌等,2011倪喆,2014倪喆等,2014)进行改正,归算年代为2010.0地磁标准年代。

为获取南天山地区的重力时空演化特征,新疆维吾尔自治区地震局于2005年布设流动重力观测点进行每年2期的重复观测,通过多年的改造和优化,形成了由7个小环构成的重力观测网,共计170个重力观测点,测点平均距离为20—40km(图 1)。

流动重力野外观测工作使用高精度CG5型重力仪。本次研究采用2014—2016年4期观测资料进行重力场时空变化特征分析,所有资料的观测精度均符合规范要求,即自差小于25×10-8m·s-2,互差小于30×10-8m·s-2,室内数据处理采用中国地震局攻关软件LGADJ,选取塔什库尔干、库车、乌什3个点的绝对重力值,利用经典约束平差对每期数据进行平差计算(祝意青等, 2004, 2015),再利用Kriging方法进行内插计算获得邻近2期的重力值变化数据(李辉等,2009申重阳等,2009)。

2 磁场、重力场变化特征分析
2.1 岩石圈磁场局部变化特征

笔者通过建立岩石圈磁场的变化模型绘制了喀什及邻近区域2013—2014年、2014—2015年水平矢量变化、垂直矢量变化和总磁场强度、磁偏角、磁倾角的等变线的空间分布图。从图 2中可以分析2013—2015年岩石圈磁场的局部变化特征。图中红色实线表示正值变化,蓝色实线表示负值变化,黑色实线为零等值线,绿色圆圈为地震。


图 2 2013—2015喀什及邻近区域岩石圈磁场变化分布图 Fig. 2 The lithosphere magnetic field in Kashi and its adjacent area during 2013—2015
2.1.1 水平矢量的空间变化

图 2(a)中显示2013—2014年水平矢量以英吉沙、且末为界,以北的区域基本为东西向分布,以南的区域以北西向分布为主,皮山至于田矢量方向由北东向转为北西向,乌什至柯坪一带、喀什至英吉沙一带、皮山至墨玉一带出现明显方向转折。图 2(b)为2014—2015年水平矢量变化分布图,水平矢量整体可分为3部分,库车至民丰以东的区域以北西向为主,以西区域至乌什、墨玉以南东向为主,乌什至墨玉以西的区域无规则分布,柯坪至巴楚一带、阿克陶至塔什库尔干一带、皮山一带出现明显方向转折,与2014年相比矢量方向转折区域向西南迁移,量级和范围有所减小。

2.1.2 垂直矢量的空间变化

图 2(c)中垂直矢量以库车、民丰为界,以西的区域方向整体向下,以东的区域方向整体向上,喀什至英吉沙一带出现明显方向转折。图 2(d)中显示2014—2015年垂直矢量整体向上,2015年7月3日皮山发生6.5级地震,震后与震前相比矢量方向发生改变,由向下变为向上。

2.1.3 总磁场强度的空间变化

图 2(e)中可以看出,负值区域被正值区域包围,喀什至英吉沙一带总强度处于正值高梯度带,皮山至墨玉一带处于负值高梯度带。从图 2(f)中可以看出,2014—2015年总强度整体呈正值变化,柯坪至巴楚一带处于零等值线附近的正值高梯度带,阿克陶至塔什库尔干一带处于零等值线附近,皮山一带与2014年相比由负值变化转为正值变化。

2.1.4 磁偏角的空间变化

图 2(g)中磁偏角正负值区域各占一半,负值区域被正值区域包围,喀什至英吉沙一带处于正值高梯度带,乌什至柯坪一带处于负值高梯度带,皮山至墨玉一带处于零值线附近。从图 2(g)中可以看出,2014—2015年磁偏角正负值区域各占一半,柯坪至巴楚一带、阿克陶至塔什库尔干一带处于正负值交界的零等值线附近,皮山一带由2014年的正值变为零等值线附近。

2.1.5 磁倾角的空间变化

图 2(i)中磁倾角整体以负值变化为主,喀什至英吉沙一带处于正值高梯度带,皮山至墨玉处于负值高梯度带。图 2(j)中2014—2015年磁倾角整体以正值变化为主,阿克陶至塔什库尔干一带处于正负值交界的零等值线附近,柯坪至巴楚一带处于零等值线附近的正值区域,皮山一带由2014年的负值变化转为正值变化。

综上所述,喀什及邻近区域的地磁矢量异常特征为:2015年与2014年相比,异常区域向西南方向偏移,范围和量级有所减小,总强度、磁偏角和磁倾角由整体以负值变化为主变为整体以正值变化为主。皮山6.5级地震前垂直矢量方向向下,位于总强度和磁倾角负值区域,位于磁偏角正值区域,地震后垂直矢量方向向上,位于总强度和磁倾角正值区域,磁偏角位于零等值线附近,皮山地震的发生对皮山一带的地磁矢量分布特征影响较大。

2.2 重力场时空变化特征

笔者利用南天山重力网优化改造后(2014—2016年)共4期的观测数据,根据计算结果绘制半年和一年不同尺度的重力变化图像(图 3图 4),以便提取不同时间尺度的重力场动态变化信息与地震活动性的关系。图中红色实线表示重力变化的零值线,黑色实线表示重力变化为正值(增加),黑色虚线表示重力变化为负值(减小),浅红色为区域断层,红色圆圈为地震。


图 3 半年尺度喀什及邻近区域重力场变化图像 Fig. 3 The variation of gravity field in Kashi and its adjacent region at the half-year scale

图 4 一年尺度喀什邻近区域重力场变化图像 Fig. 4 The variation of gravity field in Kashi and its adjacent region at one year scale
2.2.1 半年尺度重力变化图像

图 3(a)可以看出,研究区域重力场呈现出大范围的负值区域,且变化量不大,相对较稳定,重力变化零线分布在阿合奇以西、拜城和库车附近地区,在塔什库尔干和乌恰地区也出现了小范围的重力场零线,在重力场变化的零线附近于2015年1月10日发生了阿图什MS 5.1级地震。

从2014年8月至2015年4月的重力场变化图(图 3(b))中可以看出,除了在塔里木盆地中部和阿图什地区出现负值以外,其它地区均呈现正值变化,表明该区域地壳物质不断运移而集中,能量处于积累阶段。重力变化零线分布在阿克苏、乌什、阿合奇一带,喀什、麦盖提、皮山一带,塔什库尔干地区也出现零线分布。其中,在皮山地区的零线两侧分别有正负梯度带出现,2015年7月3日皮山MS 6.5地震发生在重力变化零线附近的正值高梯度带上。

通过2015年8月的观测资料获取的重力变化图像(图 3(c))可以看出,虽然2015年7月3日在皮山发生了6.5级地震,但重力场并未出现较大范围的反向调整,重力场变化继承上半年的变化趋势,并且大部分地区重力场有持续增强的趋势,重力变化零线也随之向南移动,沿着阿合奇、乌什和阿克苏地区重力场形成了封闭区域,而帕米尔地区的重力变化零线向西移动,沿着喀什以南、布伦口、塔什库尔干分布。由于物质运移、集中,致使塔里木盆地物质密度不断增加,从而也就表明该地区重力场变化为正值,但变化量不大。值得注意的是,在乌恰附近出现重力场高值集中区,变化值达到80×10-8m·s-2

2016年4月获得的最新观测资料显示(图 3(d)),半年尺度重力场变化主要以正值变化为主,南天山西段、塔里木盆地以及西南天山与西昆仑交汇地区均出现重力场正值变化,塔里木盆地南缘及西昆仑其它地区出现重力场负值变化。南疆地区重力场以巴楚和乌恰为中心向南北逐步减弱,最后沿着阿克苏、乌什一带,以及塔什库尔干、叶城一带分别出现2条几乎平行的零线。其中零线附近的乌什、阿合奇、乌恰、叶城、和田地区出现重力变化梯度带。虽然在塔吉克斯坦和阿富汗地区发生了几次7级地震,新疆境内乌恰至塔什库尔干地区的重力场异常得到一定减弱,但最新重力数据结果显示,该地区重力梯度带依然存在,最大变化量为40×10-8m·s-2左右。

从2014—2016年半年尺度重力变化图像中可以看出,乌恰、塔什库尔干一直处于重力变化零线附近,且乌恰在2015年4月—8月、2015年8月—2016年4月的半年尺度图像中均出现重力高梯度带,其出现的重力异常可能与2015年10月26日阿富汗兴都库什(36.5°N,70.8°E)MS 7.8和2015年12月7日塔吉克斯坦(38.2°N,72.9°E)发生的MS 7.4地震有关,2次地震都发生在帕米尔俯冲带上,其中阿富汗兴都库什MS 7.8地震距重力异常区约400km,塔吉克斯坦MS 7.4地震距塔什库尔干和乌恰之间出现的重力异常区约170km。

2.2.2 一年尺度重力变化图像

通过一年尺度(2013年8月—2014年8月)的重力场变化图显示(图 4(a)),重力场分布格局较清晰,南天山地区重力场处于不断减小的变化过程,即重力场为负值区域,根据重力场变化机理,表明了南天山地区受到了青藏高原、西昆仑构造应力的推挤,山体正处于不断隆升的过程。而且,在阿合奇以西地区重力变化呈现出小范围的闭合零线区域。无论是在半年还是一年为尺度的重力变化图像中都可以看出,在西昆仑与南天山西段交汇处重力场变化出现高梯度带,且在和田和库车附近呈现出重力变化零线区域,2015年1—7月在该区域重力变化的零线附近曾发生了2次5级以上中强地震,即2015年1月10月阿图什MS 5.0级和2015年7月3日皮山MS 6.5级地震。

从一年尺度(2014年8月—2015年8月)的重力变化图(图 4(b))可以看出,该时间段内的重力变化与2013年8月—2014年8月相比,重力场出现了大面积的调整过程,且重力变化的零线基本上沿着南天山、昆仑山山体和塔里木盆地边缘分布,从而表明该地区重力变化的机理与构造分布特征基本一致。在泽普和皮山地区零线变化呈现出异常的“突出”态势,这可能与皮山MS 6.5级地震的孕育有关。乌恰地区伴随着小范围的零线闭合区域,且处于高值梯度带,变化量到达50×10-8m·s-2。塔什库尔干附近区域重力场也出现了重力变化负值集中区域,而且重力演化过程基本与半年尺度的图 3(b)(c)一致,另在在南天山西段重力场变化出现了一个小范围的四象限分布。

通过一年尺度(2014年4月—2015年4月)的重力变化图(图 4(c))可以看出,重力场呈现大范围的负值区域,即重力场处于不断减小的变化过程,仅巴楚和塔什库尔干附近的重力变化为正值。零线沿着塔什库尔干、布伦口、喀什形成半闭合区域,塔里木盆地出现大范围的零线闭合区域,其中,巴楚周围出现正值高梯度带,并且伴随有重力变化零线环出现,阿克苏与拜城的中间区域也形成小范围的零线闭合区域。另外,塔什库尔干附近重力场也出现了重力变化正值集中区域。

从2015年4月—2016年4月一年尺度的重力场变化图(图 4(d))中可以看出,该时间段内的重力变化与2015年4月—2014年4月相比,重力场出现了大面积的调整过程,除了和田和塔什库尔干地区出现重力负值变化以外,其他区域均为重力正值变化。塔里木盆地重力场正值变化是该地区地壳形变的背景趋势,因其受到帕米尔高原的俯冲作用,同时在北边遇到南天山地区的阻挡,一直处于下沉趋势,其密度也随之不断增加,从而出现重力场正值变化。从量级来讲,巴楚、乌恰地区出现的重力场变化已达到50—80×10-8m·s-2

从2013—2016年一年尺度重力变化图像中看出,2014年以来乌恰一直处于重力变化高梯度带,巴楚也位于重力变化高梯度带,并伴有零线。受皮山6.5级地震的影响,皮山-和田区域的重力场变化位于零线区域,最新一期的结果显示重力变化零线近乎水平,虽然在塔吉克斯坦和阿富汗地区发生了几次7级地震,新疆境内乌恰至塔什库尔干地区的重力场异常依然存在。

3 结论与讨论

本文应用喀什及邻近区域2014—2015年45个地磁测点观测数据,分析相邻两期岩石圈磁场的动态变化特征,利用2014—2016年170个重力测点观测数据,分析不同时间尺度的重力场动态变化信息,结果表明:

(1)2015年喀什及邻近区域的地磁矢量异常区域与2014年相比向西南方向偏移,范围和量级有所减小,总强度、磁偏角和磁倾角由整体以负值变化为主变为整体以正值变化为主。

(2)皮山6.5级地震的发生对皮山一带的地磁矢量分布特征影响较大,地震前垂直矢量方向向下,位于总强度和磁倾角负值区域、位于磁偏角正值区域,地震后垂直矢量方向向上,总强度和磁倾角变为正值,位于磁偏角零等值线附近。

(3)从半年尺度重力变化图像中可以看出,乌恰、塔什库尔干一直处于重力变化零线附近,且乌恰在2015年4月—8月、2015年8月—2016年4月半年尺度图像中均出现重力高梯度带,从一年尺度重力变化图像中看出,2014年以来乌恰一直处于重力变化高梯度带,巴楚也位于重力变化高梯度带,并伴有零线。

(4)结合震例分析可知,2015年7月3日皮山6.5级地震位于流动地磁的异常区域内,利用流动地磁的异常区进行发震地点的判定有一定的指示意义。重力零线附近于2014年7月9日发生了麦盖提MS5.1级地震,2015年1月10日在重力场变化的高梯度和零线附近发生了阿图什MS 5.1级地震,2015年7月3日皮山MS 6.5级地震发生在重力高梯度带和零线附近,2015年12月7日吉尔吉斯斯坦MS 5.2级地震发生在重力高梯度带。

一般来说,局部磁异常场是极其稳定的,它产生的根源是地壳内磁性岩石的不均匀分布。但一些构造运动可以引起磁异常场的变化(徐文耀,2003)。2015年与2014年相比,总强度、磁偏角和磁倾角由整体以负值变化为主变为整体以正值变化为主,说明喀什及邻近区域存在某种构造运动,这些运动造成区域应力场发生了变化,从而引起地壳中岩石磁性发生改变,导致磁异常场的变化。重力场变化包含了大量的构造活动信息,既有区域应力场作用下深大断裂活动,也有震源应力场作用下局部断裂活动的结果(祝意青等,2003)。从年尺度的重力场的变化图中可以看出,重力变化以正值为主,整体具有增强的趋势,说明喀什及邻近区域的区域应力场发生改变,地壳物质因不断挤压而堆积。综合岩石圈磁场和重力场的变化可知,喀什及邻近区域的区域应力场发生了变化。

为提高地震震情形势研判的可靠性与准确性,笔者认为应综合应用多学科、多手段资料的研究结果。因此,综合流动地磁和流动重力的研究与分析结果对喀什及邻近区域异常区域的判定应更为准确。

致谢: 感谢新疆维吾尔自治区地震局流动地磁和流动重力野外工作人员的辛勤作业,感谢审稿专家为本文进一步完善提出了建设性意见与修改建议。
参考文献
陈斌, 2011. 自然正交分量方法在地震地磁监测中的应用[J]. 地震研究, 34(4): 466-469.
陈斌, 顾左文, 高金田, 等, 2011. 2005.0年代中国地区地磁场及其长期变化球冠谐和分析[J]. 地球物理学报, 54(3): 771-779.
地震预报推进组, 2001. 地球物理研究所中短期地震预测的回顾[J]. 地震地磁观测与研究, 22(4): 3-15.
顾左文, 陈斌, 高金田, 等, 2009. 应用NOC方法研究中国地区地磁时空变化[J]. 地球物理学报, 52(10): 2602-2612. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2009.10.020
国家地震局科技监测司, 1991. 中国地震预报方法研究:实用化研究论文集. 北京: 地震出版社: 271-307.
李辉, 申重阳, 孙少安, 等, 2009. 中国大陆近期重力场动态变化图像[J]. 大地测量与地球动力学, 29(3): 1-10.
李琪, 郭毅, 周锦屏, 等, 2007. 1979年普洱6.8级地震前地磁异常现象[J]. 震灾防御技术, 2(3): 317-321. DOI:10.11899/zzfy20070313
刘代芹, 王晓强, 李杰, 等, 2009. 新疆南天山地区重力场动态演化特征[J]. 西北地震学报, 31(2): 174-178.
刘代芹, 王晓强, 李杰, 等, 2010. 2009年阿合奇MS 5.5、阿图什MS 5.0地震前后重力场变化分析[J]. 内陆地震, 24(2): 144-148.
倪喆, 2014. 洱源5.5级地震前后地磁场变化异常特征分析[J]. 地震研究, 37(3): 426-432.
倪喆, 袁洁浩, 王粲, 等, 2014. 2014年云南鲁甸6.5级、永善5.0级地震前岩石圈磁场局部异常特征分析[J]. 地震研究, 37(4): 537-541.
申重阳, 李辉, 孙少安, 等, 2009. 重力场动态变化与汶川MS 8.0地震孕育过程[J]. 地球物理学报, 52(10): 2547-2557. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2009.10.013
苏树朋, 张跃刚, 史彦华, 等, 2009. 邢台5.4级地震前的流动重力和地磁异常初步研究[J]. 地震地磁观测与研究, 30(1): 56-63.
熊仲华, 刘运生, 1997. 地磁观测技术. 北京: 地震出版社: 182-191.
徐文耀, 2003. 地磁学. 北京: 地震出版社: 15-20.
许仪西, 陈新泽, 方韦华, 等, 2008. 福建沿海地区流动地磁测量对大于ML 4.0级震的映震能力分析[J]. 华南地震, 28(4): 149-155.
杨福喜, 陈斌, 杨欣, 等, 2010. 喀什-乌恰地区流动地磁测量数据处理及初步分析[J]. 内陆地震, 24(4): 352-358.
祝意青, 胡斌, 朱桂芝, 等, 2003. 河西地区重力场及其动态演化特征[J]. 大地测量与地球动学, 23(4): 44-48.
祝意青, 李辉, 朱桂芝, 等, 2004. 青藏块体东北缘重力场演化与地震活动[J]. 地震学报, 26(增刊): 71-78.
祝意青, 刘芳, 李铁明, 等, 2015. 川滇地区重力场动态变化及其强震危险含义[J]. 地球物理学报, 58(11): 4188-4196.


Mobile Magnetic and Gravity Survey in Kashi and Its Adjacent Regions
Chen Li*, Liu Daiqin, Li Jie, Ailixiati·Yushan, Li Guirong, Li Rui, Ding Xinjuan, Sun Xiaoxu
(Earthquake Administration of Xinjiang Uyghur Autonomous Region, Urumqi 830011, China)
Abstract

After Analyzing the dynamic variation characteristics of lithosphere magnetic in Kashi and its adjacent regions, by using 45 measuring points and two phases mobile geomagnetic data from 2014 to 2015 combining with 170 survey points and six stages of mobile gravity data from 2014 to 2016, we studied the dynamic change information of gravity field at different scales. The results show that the Pishan MS 6.5 earthquake has great influence on the distribution of magnetic vector in Pishan, in which total intensity, magnetic declination and magnetic inclination also has changed. In general, Wuqia was always in high gradient belt at all scale of gravity field change images. We conclude that integrating multi-means of data is more reliable in determining the tendency of earthquakes.



主办单位:中国地震台网中心
版权所有:《震灾防御技术》编辑部
地址:北京西城区三里河南横街5号,   邮编:100045
邮箱:zzfy2006@126.com   电话:59959251;59959139;59959495
访问人数:1081368
新疆喀什及邻近区域流动地磁和流动重力联合分析研究
陈丽*, 刘代芹, 李杰, 艾力夏提·玉山, 李桂荣, 李瑞, 丁新娟, 孙小旭
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20170220