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西南天山地区长时间尺度重力场变化特征
西南天山地区长时间尺度重力场变化特征
艾力夏提·玉山*, 刘代芹, 李杰, 李桂荣, 陈丽, 朱治国, 阿卜杜塔伊尔·亚森, 李瑞
(新疆维吾尔自治区地震局,乌鲁木齐 830011)
 [收稿日期]: 2017-11-13
摘要

利用西南天山地区2007至2016年共20期流动重力观测资料,分析该地区一年、两年尺度和累积重力变化特征,探讨区域构造活动、地震孕育发生与重力场变化特征的关系。结果表明:西南天山地区迈丹断裂带、柯坪塔格断裂带等大型断裂带影响该区域的重力场分布,使该地区较多出现NEE向的重力梯度分布特征。塔里木盆地和西南天山重力变化有明显的差异性,2个不同的构造块体在重力分布上呈现相对反向变化,塔里木盆地和西南天山地区的重力变化界线不在塔里木盆地边缘的山前地带,而较多出现在柯坪推覆体中北缘地带。西南天山地区的地震大部分发生在重力正值变化区域的零线附近,震中及附近地区重力异常分布与构造特征有较好的一致性。在活动断裂带附近同时出现重力变化零线以及与断裂走向一致的重力变化高梯度带,可作为中短期前兆异常。



引言

天山是中亚地区地震最活跃的区域。21世纪初以来,在该区域内发生过8级地震1次,7级地震5次及多次6级地震。西南天山的天山褶皱带、帕米尔构造弧与塔里木块体3个构造单元的衔接地带是整个南天山地震带中构造运动最为强烈的地区。西南天山东南是北北西向的顺时针挤压天山的塔里木块体,其推挤作用力沿着天山由西向东逐渐减小;向西是南天山西段、帕米尔弧型构造与西昆仑的交汇区,该区以张性拉张作用为主。南天山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,容易积累发生中强地震的能量(邓起东等,2000沈军等,2006)。地震前后地下应力应变状态的变化会改变地表重力场的分布,陈运泰等(1980)经研究发现,1975年海城地震和1976年唐山地震前后的重力场变化不仅是由高程变化所引起,高程变化无法解释如此大量级的重力场变化分布,由此提出了地球深部物质迁移的可能性,认为地球内部物质迁移导致地壳密度的变化,从而改变地表重力场分布,并最早将“物质运移”的概念用于解释地震前观测到的重力场变化的物理机制。由于地球内部密度不同,地壳内物质受到的重力作用也不同,这必然引起地壳内部能量积累的不平衡,同时在应力作用下的地壳内物质运移在受到阻挡后,形成挤压、推覆、逆冲与走滑构造,为地震孕育发生创造条件。流动重力测量反映区域重力场的非潮汐变化信息,地壳内部的物质迁移、地壳构造和地震的形成过程等都可以在流动重力复测结果中反映出来,地表重力场的变化,则能较好地反映地壳厚度的差异、地壳密度的变化和深部物质迁移等构造活动信息(贾民育等,2000祝意青等,2001a)。因此,流动重力测量是了解地壳内部构造活动的有效手段之一。

1 测网布局与数据处理
1.1 测区地质概况与测网布局

西南天山位于塔里木板块北缘,地质构造复杂,区内的断层构造发育,主要构造线方向为北东东—近东西走向,以多条北东东走向、北北西倾向、倾角变化较大的逆断层为主体(董云书,2010)。一方面,印度板块向欧亚板块碰撞挤压造成该地区有多条逆断层;另一方面,塔拉斯-费尔干纳断裂南段使得该地区兼有走滑断层,这两方面造成西南天山地区上地壳(0—50km)地震频繁。此外,塔里木盆地向天山南缘的俯冲又造成该地区发生深部地震(100—200km)(于湘伟等,2010)。研究区内有柯坪塔格断裂、迈丹-喀拉铁克断裂以及皮羌断裂等一系列断裂带,迈丹-喀拉铁克断裂带走向北东东,断面倾向北西,倾角40°—80°(陈杰等,2011),作为一条岩石圈尺度大断裂,迈丹-喀拉铁克断裂带在晚更新世末期有较明显的垂直运动,该断裂带上M 5—6强震的震源机制解显示其现今活动以逆冲为主,震源多在10—18km深度的中上地壳内(Allen等,1999)。柯坪塔格断裂位于西南天山柯坪塔格推覆体的前缘,以NW走向的皮羌断裂为界,分为东西两端,总体走向NEE,该断裂由发育在倒转背斜南翼的多条向南逆冲的北倾断裂组成,地表多为顺层的高角度(倾角50°—70°)北倾断层。皮羌断裂位于柯坪塔格推覆构造中部,北起皮羌以北,南至柯坪塔格推覆体前缘,总体走向NNW,倾向E或W,地表出露长度约70km(闵伟等,2006)。2007—2016年在西南天山流动重力测网范围内共发生了11次5级以上地震(表 1),从地震震源机制解来看,这些地震大部分都属于逆冲性地震。

表 1 西南天山地区5级以上地震(2007—2016年) Table 1 Earthquakes with M≥5.0 in southwestern Tianshan (from 2007 to 2016)

2005年新疆维吾尔自治区地震局在南天山喀什-伽师及邻近地区建立了由40个流动监测点构成的流动重力测网(图 1),并从2005年开始每年至少进行两期重复观测(王晓强等,2007)。2007年,为了更好掌握南天山地区流动重力场变化趋势,新疆维吾尔自治区地震局在原有的喀什-伽师监测网基础上,把监测范围扩展到乌什、柯坪、阿克苏一带,形成了覆盖西南天山地区的流动重力监测网(艾力夏提·玉山等,2014)。


图 1 西南天山重力观测网分布与历史地震 Fig. 1 Distribution of gravity observation network and historical earthquakes in southwestern Tianshan
1.2 数据处理与方法

本文以2007年布设的流动重力测网为基准,对2007—2016年观测的共20期流动重力观测资料进行处理,研究该区域10年来的重力场变化特征。研究范围包括南天山西段的阿克苏、克州、喀什等地区。野外观测使用2种型号的高精度重力仪,2007—2010年为2台LCR型重力仪,2010以后的数据均使用2台CG5型高精度重力仪进行采集,所有测段观测值均符合规范要求,即往返测自差小于25μGal,互差小于30μGal。平差计算采用中国地震局攻关软件LGADJ进行。在平差计算时,利用各期观测数据对仪器的一次项系数进行了重新计算,平差方法采用拟稳平差方法,选取塔里木盆地内部比较稳定且周围环境没有干扰因素的4个点作为拟稳点进行平差计算。最终平差计算结果显示,各期平差结果的点值精度为5—10μGal,解算精度满足重力场变化特征研究的需求。得到平差结果后,对个别被破坏转移的点以及周围环境有较大变化的点进行删除。最后分别计算研究区一年、两年尺度和累积重力变化量,利用克里格插值法对重力变化量进行内插,计算得到整个研究区重力变化等值线图。结合历年在测区内发生的地震震例和区域地质构造,分析西南天山地区不同时间尺度的重力场变化特征。

2 重力场变化特征

利用各年度上半年的重力场变化值分别绘制了研究区一年、两年尺度的重力变化差分图(图 23),以及2007—2010年共4年的上半年观测数据平差结果平均值作为基准的累积重力变化图(图 4)。图中黑色实线代表重力变化正值等值线;虚线代表重力变化负值等值线;红线代表断层;红点代表观测时期结束后1年内发生的地震;右下角的数字代表差分的2期观测年月(Ref为基准)。


图 2 西天山地区一年尺度重力场变化等值线图 Fig. 2 Annual gravity changes in southwestern Tianshan

图 3 西南天山地区两年尺度重力场变化等值线图 Fig. 3 Two-year scale gravity changes in southwestern Tianshan
2.1 重力场一年尺度变化特征

采用同时间段的2期观测数据绘制一年尺度重力变化图能够降低水文、温度和季节等外界因素的影响。从图 2中可以看到,2007—2008年西南天山地区重力变化呈现四象限分布,塔里木盆地和南天山与西昆仑交汇的乌恰地区出现重力正值变化,而西南天山地区沿着迈丹断裂的乌什、阿合奇等地出现重力负值变化,在喀什、英吉沙等地区也出现重力负值区。柯坪塔格断裂以及塔里木盆地重力场为正值变化,重力变化极值位于喀什、乌恰地带,变化量达到60μGal。2009年2月20日和2009年4月22日,在重力场变化零线附近的正值区分别发生了柯坪5.2级地震和阿图什5.0级地震。2008—2009年重力变化较小,变化量在40μGal以内。2009—2010年西南天山地区再次出现了重力场四象限布局,除了塔里木盆地处于重力正值变化以外,其他区域的重力变化与2007—2008年的分布相反,阿合奇、英吉沙等地区为正值变化,巴楚、阿图什、乌恰等地区为负值变化。重力场正值变化区中的柯坪塔格断裂附近出现了与断裂走向一致的重力负值变化带。2011年1月1日在乌恰以南的重力变化负值高梯度带发生了5.1级地震。2010—2011年西南天山地区重力场变化再次进入平静,以阿合奇、喀什、麦盖提为界,出现东边为正值变化、西边为负值变化的现象,整个区域变化量在30μGal以内。2011年8月11日在伽师附近的重力正值变化区域发生了阿图什-伽师交界5.8级地震;2011年12月1日在莎车县附近发生了5.2级地震。这2次地震发生前,在震中及附近地区没有出现太大的重力场变化现象。2011—2012年研究区重力场继承了前期的变化趋势,即以阿合奇、喀什、麦盖提为界,东边为正值变化、西边为负值变化,在变化量级上正负值变化继续增大,达到了±60μGal。在柯坪块体内出现的重力正值变化高梯度带上发生了2次5.2级地震,这2次地震发生在重力变化高梯度带的零线附近。此外,2012年6月1日在乌恰以北的重力场负值变化区域内发生了5.0级地震。2012—2013年整个区域出现了重力场反向调整,变化量级也较大,重力变化零线沿着南天山和西昆仑与塔里木盆地交界带分布,盆地为负值变化,山区为正值变化。2013年12月1日在柯坪塔格断裂上发生了5.3级地震。2013—2014年研究区的重力场变化比较平静,变化趋势返回到东正西负的变化态势。虽然2期观测期的重力场变化不是很大,但2014年7月9日在麦盖提县境内发生了5.1级地震,2015年1月10日在重力变化零线上发生了阿图什5.0地震。2014—2015年重力零线沿着阿合奇、阿图什、英吉沙以东的区域往南延伸,重力变化量在40μGal之内。2015—2016年整个区域重力场变化有所增强,西南天山和西昆仑山区出现重力负值变化,而塔里木盆地及边缘地区处于重力变化正值区,此外,在乌恰以北地区出现小范围的重力正变化梯度带。

2.2 重力场两年尺度变化特征

图 3重力变化图显示,2008—2010年沿着迈丹-喀拉铁克断裂带出现正值变化,而柯坪塔格断裂以及塔里木盆地地区呈现为重力负值变化,重力场变化最大值在40μGal左右。2010—2012年研究区的重力场发生了反向转变,迈丹-喀拉铁克断裂带以负值变化为主,柯坪塔格断裂以及塔里木盆地地区为正值变化。此外,在南天山西段与西昆交汇的乌恰地区以及西昆仑山前地带出现大范围的重力负值变化。在正负值变化交替的零线附近发生了2次5.2级地震。2012—2014年整个研究区再次出现了反向调整变化,迈丹-喀拉铁克断裂带出现重力正值变化,而南边的柯坪塔格断裂和塔里木盆地出现重力负值变化,西昆仑地区的重力场也变为正值变化,变化量在40μGal左右。同样在重力场正负值交替地带的零线附近发生了阿图什5.0级地震,在重力场负值区的塔里木盆地内发生了麦盖提5.1级地震。2014—2016年重力场分布没有出现反向调整的现象,南天山西段的乌什、阿合奇、巴楚一带的重力负值变化继续往西南延伸,喀什、英吉沙地区虽然还是呈现正值变化,但量级上有所减少。

2.3 重力场累积变化特征

在计算西南天山重力场累积变化时,需要选取某观测值作为累积变化计算基准,而选择单一观测期的重力值作为基准,有可能把该观测期的误差带进整个累积变化中。因此,我们采用研究区前4期上半年(2007年5月、2008年4月、2009年4月、2010年3月)观测数据的平均值作为重力累积变化计算的基准,分别绘制了2011—2016年上半年共6年的重力场累积变化图(图 4)。


图 4 西南天山地区重力场累积变化等值线图 Fig. 4 Accumulated gravity changes in southwestern Tianshan

从2011年1年累积的变化图(图 4(a))中可以看到,整个测区重力变化不是很大,除在乌恰地区出现重力负值变化以外,其他大部分地区表现出重力正值变化特征。2年累积的重力场分布图(图 4(b))显示,乌恰地区的重力负值变化往东南扩展至英吉沙、莎车地区,伽师以及巴楚地区的重力正值变化继续增强,在柯坪塔格断裂一带的重力正值变化达到了60μGal,2012年在测区内发生了3次5级地震,使得重力场有了大范围的变化。3年累积重力场分布图(图 4(c))中,测区内出现了反向调整,以皮羌断裂为界,东边呈现为重力负值变化,西边地区呈现为重力正值变化。4年累积重力场分布(图 4(d))基本保持了3年累积变化特征,但在重力变化量级上有减弱的趋势。到了第5年(图 4(e)),喀什以东地区的重力场负值区与巴楚地区的重力负值区贯通,形成了沿着柯坪塔格断裂的负值变化区。2016年乌恰、英吉沙等地区出现的重力正值变化往东扩展到皮羌断裂一带(图 4(f))。值得注意的是,喀什东北方向的喀拉铁克断裂附近(76°—77°E)出现的重力正值变化特征,2011年该地区出现了重力变化正值高梯度带,2011年8月在该异常区内发生了阿图什5.8级地震。2012年的重力变化图上,该异常依然存在,且变化量有所增强,2013年3月在该异常区东缘发生了5.2级地震。虽然在该地区发生了2次5级地震,但2013年的重力场分布图上,该异常区并没有消失,反而继续增强,而这一年没有地震发生。2014年该区域的重力异常基本保持2013年的形状,2015年1月在异常区边缘再次发生了5.0级地震。2015年该异常区往北移动并有所减弱,到2016年该异常完全消失。

3 重力场变化与构造、地震的关系

通常重力场变化大小与深部构造密切相关,这种构造的物性差异通常会表现出明显的重力异常变化特征(陈石等,2011),南天山同时受到印度板块和欧亚板块的挤压,能量易于积累,是受力较强烈的地区。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的深大断裂活动,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10年来西南天山重力场的分布情况来看,重力变化梯度带走向与南天山以及迈丹-喀拉铁克断裂和柯坪塔格断裂等断裂带走向一致。西昆仑以及南天山与西昆仑交汇的乌恰地区较多出现近南北向重力场分布,这种分布与西昆仑的断裂走向基本一致。西南天山发育有迈丹断裂、喀拉铁克断裂带和柯坪塔格断裂等一系列NEE走向的逆冲断裂,其中迈丹断裂除逆冲性质外,还具有明显的左旋走滑运动特征(陈建波,2008),通过长时间尺度的重力变化特征发现,迈丹-喀拉铁克断裂带的重力场分布与柯坪塔格断裂的重力场分布经常呈现相互反向变化,重力正负变化的过渡带基本位于柯坪推覆体的中北缘地带,这种重力场分布特征表明,柯坪推覆体和迈丹-喀拉铁克断裂带之间地壳密度存在明显的差异。刘启元等(2000)在该区域开展了上地幔地震波速结构的研究,通过30台地震仪组成的平面宽频带流动地震台观测数据研究得到,塔里木盆地地壳厚度为40—52km,地壳结构比较简单,而北侧西南天山前陆冲断带(柯坪塔格推覆构造)之下莫霍界面的深度迅速增加到60—76km,地壳结构变得较为复杂。此外,南侧地壳相对较薄,沉积盖层较厚;而北侧地壳厚度明显增大,沉积盖层较薄,地壳内部存在明显变形,边界断裂一直影响到地壳底部。由此可见,南天山西段,尤其是塔里木盆地到迈丹断裂之间的区域,包括柯坪推覆体一带的重力场变化分区特征与该区域的构造分布特征有较好的对应关系。

地震是震源区介质发生的快速破裂错动或原断层的失稳,地震的孕育和发生不但受到区域构造控制,而且受十分复杂的深部动力学过程影响(刘代芹等,2014)。前人的研究成果表明,地震发生前在活动断裂带附近出现局部重力异常和重力变化高梯度带,如1995年永登MS 5.8地震和2000年景泰MS 5.9地震发生前,在发震断层附近出现局部重力异常,即沿着断层走向两侧出现重力变化正负高梯度带(祝意青等, 1999, 2001b)。2016年门源MS 6.4地震发生前出现了较好的中期前兆性异常,区域重力场变化先出现大尺度空间范围的与断裂构造带走向基本一致的重力变化高梯度带,后呈现震中附近地区的局部重力异常特征(祝意青等,2016)。通过分析西南天山地区2007—2016年共10年的重力场变化特征以及这期间在研究区内发生的11次5级地震可以发现,在南天山西段发生的8次地震中有7次地震发生前震中及附近地区呈现重力正值变化态势,有4次地震发生在重力正负变化过渡带的零线附近(一年差分变化)。这些地震的发震属于逆冲性地震,震中区附近分布有多条北东东向的逆断层,震中也是重力场正负变化过渡带区域,这很可能是因为断层的震前蠕动(Okubo,1991Sun,2004Fu等,2008)引起地表形变与重力场发生响应的变化。从研究区重力场累积变化图像可以看出,2011年在西南天山地区皮羌断裂至喀什地区出现的重力异常一直延续到2015年,在这期间异常区内除了2014年没有发生地震以外,其他年份都发生了5级地震,异常区的形状近似椭圆形,南北由迈丹断裂和塔里木盆地西北缘、东西由皮羌断裂和费尔干纳断裂(延伸部分)所包围,长轴平行于迈丹、喀拉铁克等断裂走向,短轴平行于皮羌和费尔干纳断裂的走向,该异常区南北两侧的迈丹断裂和柯坪塔格断裂为逆冲断裂,而东西两侧的皮羌断裂和费尔干纳断裂为走滑断裂,在这种特殊构造背景下重力场出现与构造分布一致的局部重力异常有中短期地震前兆异常的参考价值。

4 结论

(1)西南天山地区较多出现与该区构造特征一致的重力场分布,即迈丹-喀拉铁克断裂带、柯坪塔格断裂以及周围的NEE走向断裂影响该区域的重力场分布,经常呈现NEE向的重力梯度分布特征。西南天山地区的近东西向重力场分布大部分情况下在南天山—西昆仑交汇地区出现弯曲,在西昆仑呈现近南北向分布,这种分布特征与该地区的构造一致,说明西南天山地区的重力场受构造活动的影响较为显著。

(2)塔里木盆地和西南天山重力变化有明显的差异性,2个不同的构造块体在重力分布上呈现相对反向变化,反向正负变化交替出现。塔里木盆地和西南天地区的重力变化界线不在塔里木盆地边缘的山前地带,而较多出现在柯坪推覆体中北缘地带,这种分布与该地区莫霍面的深度和地壳结构有一定的关系。由此可见,重力场大范围的分布特征能够反映深部构造特征。

(3)西南天山地区的地震较多发生在重力正值变化区域的零线附近,西南天山地区重力场分布与构造特征有较好的一致性。在活动断裂带附近出现与断裂走向一致的重力变化高梯度带,同时伴随有重力变化零线,可作为中短期前兆异常加以关注。

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Variation Characteristics of Long Period Gravity Field in Southwestern Tianshan
Ailixiati·Yushan*, Liu Daiqin, Li Jie, Li Guirong, Chen Li, Zhu Zhiguo, Abudutayier·Yasen, Li Rui
(Earthquake Agency of Xinjiang Uyghur Autonomous Region, Urumqi 830011, China)
Abstract

By using the 20-year data observed from 2007 to 2016, we analyzed the gravitational variations characteristics of in one and two year scale in the southwestern Tianshan area, in order to study the relationship between gravitational field changes to structural features, generation and occurrence of earthquakes. Our results show that the regional faults such as Maidan fault and Kepingtage fault, have great effect on the gravitational field distribution in southwestern Tianshan area, resulting in the preferred NEE direction of gravitational gradient distribution. There exists obvious difference of gravitational change between northwestern Tianshan and Tarim basin, in which the two different structural blocks have opposite changes in gravitational field. The boundary of gravitational change between Tarim basin and southwestern Tianshan mostly lays on the middle-north part of Keping nappe instead of in the edge of Tarim basin. There exists a consistency between gravitational anomalies and structural distribution where the earthquakes in the southwestern Tianshan area mainly along the positive gravity change zone with near zero line. Such local anomalies can be taken as the mediate-short term precursor of earthquakes in the region.



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西南天山地区长时间尺度重力场变化特征
艾力夏提·玉山*, 刘代芹, 李杰, 李桂荣, 陈丽, 朱治国, 阿卜杜塔伊尔·亚森, 李瑞
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20180214