胡敏章 李 辉 刘子维 郝洪涛 王青华 郑 兵

1 中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉市洪山侧路40号，430079

2 云南省地震局形变测量中心，昆明市知春街249号，650000

3 四川省地震局测绘工程院，雅安市上坝路139号，625000

地震孕育和发生与地球内部的形变及物质迁移密切相关，地表观测的重力变化能在一定程度上反映地球内部形变和物质迁移现象。国内外学者对地震前后的重力变化进行研究［1－6］，并且有过成功的中期预测［7－8］。为更好地分析地震前后重力变化的区域特征，需要对离散的观测数据进行格网化。文献［5］以滇西地震试验场为例，研究反距离加权法、多面函数拟合法等在重力变化数据格网化中的应用。文献［9－10］根据重力网的分形特征确定适合的格网化参数，并分析中国地震重力监测体系的结构和能力。

本文研究川滇地区（99°～108°E，21°～32°N）最新建成的重力网分形特征，探讨其地震监测能力，并结合试验确定最佳格网化参数。根据2010～2013年流动重力观测数据，构建重力变化图像，并结合2010年以来的地震事件，分析重力变化特征及其与地震活动的关系。

1 研究区概况

本文研究区（图1蓝色方框内）地处我国南北地震带的南段。区域内遍布断裂带（图1红色实线），是我国地壳运动最剧烈、地震活动最频繁的地区之一。图1中红色圆点为2010～2014－04发生的Ms5.0以上地震震中，蓝色方块为Ms4.0～4.9地震震中。

为有效监测川滇地区地壳运动，自20 世纪70年代末，相关单位陆续在该地区建立了流动重力监测网。自1984年，中国地震局地震研究所与云南省地震局及德国汉诺威大学等单位合作，也在滇西建立了包括区域相对重力网、绝对重力网、微重力网和重力垂直梯度测线在内的综合高精度重复重力测网。此后，川滇地区重力网经过陆续改造、更新，形成图1所示覆盖范围较大、点位分布较均匀的测网（灰色小圆点为相对重力测点，黑色五角星为绝对重力测点）。中国地震局下属各单位在研究区域内，平均每年进行两期流动重力观测，包括绝对重力测量和相对重力联测。

图1 研究区断裂带、重力测点及地震分布概况（○为2014－08云南鲁甸Ms6.5地震和2014－10景谷Ms6.6地震震中位置）Fig.1 Distribution of fracture zone，gravimetric points and earthquakes over the studied region（The symbols“○”indicate the epicenters of Jinggu Ms6.6and Ludian Ms6.5earthquakes in Yunnan province）

2 数据处理

2.1 重力网平差

本文计算了川滇地区2010～2013年下半年（通常是9月左右）以及2013年芦山Ms7.0地震科考的流动重力观测数据。联合相对重力观测和同步绝对重力观测，进行经典平差计算，各期数据点值平均精度最小为11.5μGal，最大为17.65 μGal，平均值为13.38μGal。

2.2 重力变化分形特征及格网化

重力网经平差后获得各观测点的重力值，以某期观测结果为参考，通过作差可获得相应重力变化。由于观测数据是离散点值，需将离散数据进行格网化。可以通过研究重力网的分形特征来确定格网化时的格网尺寸，即格网距［9］。对于分形点集，分形维Df定义为：

本文采用经典方盒法对研究区分形维进行估算，计算格网距。方盒法把点集存在的区间依次划分为边长为r1，r2，r3，… 的若干小方块，统计各系列含有数据点的方块个数，记为n（r）。此时，在r的一定区间内，log（n（r））～log（r）呈直线状态。该直线段斜率的负值即为分形维Df，同时在曲线拐弯处确定相应格网距，如图2所示。研究区内重力网点集的分形维数为1.43～1.62，对应格网距为30～60km，数据点覆盖范围达1 000km以上（图1）。该重力网具备监测Ms5.0级以上地震的能力［10］。

图2 川滇地区重力网的分形维数与格网距Fig.2 The fractal dimension and grid space of the gravimetric network over Sichuan－Yunnan region

本文采用张力样条法进行数据格网化［11］。以2010～2011的重力变化为例，通过试算确定张力参数为0.3，格网距为20′（约37km），格网化结果如图3（a）所示，格网化结果未改变重力变化基本趋势（图3（b））。以未参与格网化的64个测点值为检核参考，根据格网化结果内插计算检核点数据，并与观测值作差，70%以上点值差在±30 μGal以内，标准差为15.84μGal，如图3（c）所示。选用上述格网化参数时，格网化结果与检核点之差的标准差最小，且保持了数据本身的变化趋势，说明本文数据格网化策略的有效性。

图3 重力网离散点数据的格网化结果（a）、实测值（b）以及检核点上格网化值与实测值之差（c）Fig.3 TGirding of the scatter data points in the gravimetric network（a），the observed data（b），and the differences between gridded and observed data on the checking points

3 研究区近年重力变化及其与地震活动的关系

根据中国地震台网统一地震目录，研究区内2010年至今Ms5.0 以上地震活动统计见表1。为尽量避免水储量变化等影响，本文仅采用下半年观测数据，作年际重力变化图（图4）。数据格网化方法和参数采用本文§2结果。

1）2011～2010年，重力变化受断裂带活动强烈控制，等值线总体呈南北走向，但局部细节非常丰富。沿红河断裂带自西向东，重力变化由正转负，并形成重力变化高梯度带；鲜水河断裂带上重力变化等值线走向垂直于断裂带，在炉霍附近形成幅度较小的正变化，自西北至东南，重力变化呈正－负－正交替变化趋势；龙门山断裂带重力变化等值线与断裂带走向平行，形成自西向东、重力变化由负到正的高梯度带，最大可达－90μGal～60 μGal，并一直往南发展，延伸至云南巧家附近，形成正、负交替变化形态和高梯度带；在龙门山－安宁河断裂带以东，也形成幅度较小的正、负交替变化和梯度带，可能与这一地区的Ms4.0～4.9地震活动有关。2011年至今发生的所有Ms5.0以上地震主要位于重力变化高梯度带上。

图4 川滇地区重力变化Fig.4 The gravity change over Sichuan－Yunnan region

表1 研究区2010年至今Ms5.0级以上地震活动Tab.1 Earthquakes withamplitude larger than Ms5.0 since 2010in the studied region

2）2012～2011年，重力变化总体上西部为负、东部为正。除研究区西北部外，其他变化幅度不大。值得注意的是，与2011～2010年相比，重力变化符号发生反转。在四川白玉以北，重力变化由负转正；在云南香格里拉周边，重力变化由正转负，且覆盖范围有所扩大；在研究区西南角以及东部地区，重力变化符号均发生反转。尤其值得注意的是，龙门山断裂带南段，即芦山及周边地区，重力变化打破了上期与断裂带平行的走势，负变化区跨越整个断裂带，并形成局部高－低相间的变化态势，成为2013－04－20芦山Ms7.0地震前重力场演化的明显信号。

3）2013～2012年重力变化的突出特点是龙门山－鲜水河断裂带交汇处以北的正变化，幅度达90μGal以上。它叠加了芦山地震震前重力演化最后阶段、同震变化以及震后调整等影响。南部地区重力变化较为散乱，分布着一些小范围、小幅度的正－负重力变化闭圈，显示芦山地震之后南部地区可能发生了一定的构造调整。

4）从2012～2010 累积的重力变化看（图4（d）），2013年发生的Ms5.0 以上地震均位于重力变化正－负转换的高梯度带上，且主要位于研究区北部。在巧家及以南地区，虽形成重力变化高梯度带，但近几年都未发生过Ms5.0以上地震，未来1～2a应予重点关注。

从2013～2011 两年累积重力变化看（图4（e）），研究区内有3个地点重力变化较明显，应予以关注：鲜水河断裂带东南端及其与龙门山断裂带的交汇地区，重力变化等值线总体走势与鲜水河断裂带平行，但仔细观察可以看到，其走向发生曲折变化，在道孚地区走向垂直于断裂带，2010－04－28发生过四川道孚Ms5.0地震，未来再次发生Ms5.0以上地震的可能性较大；云南巧家及周边地区形成重力变化高梯度带，并在过去4a内发生多次Ms4.0～4.9地震；研究区的西南部，形成了小范围、自西向东由负到正的重力变化高梯度带。

5）从2013～2010年累积重力变化看（图4（f）），重力变化最剧烈的地区依然是鲜水河及龙门断裂带的交汇地区。沿鲜水河断裂带，重力变化等值线垂直于断裂带走向，自西北至东南方向，重力变化依次为正－负－正；在安宁河断裂带以东地区，形成重力变化“四象限”形态，并于2014－04－05发生云南永善地震，东部重力变化高梯度带中期发生Ms5.0以上地震的可能性依然存在；云南巧家周边重力变化高梯度带等值线自西部的近东－西向发生近90°转向，变成南－北走向；研究区域西南部红河断裂带南段也存在重力变化梯度带，但重力变化幅度和覆盖范围都较小。

芦山Ms7.0地震对重力场演化产生了重要影响。图5（a）是震后科考数据与2012年下半年观测数据作差，称为准同震变化，它包括2012年下半年至震前的重力变化和芦山地震同震变化信息。图5（b）是2013年下半年观测数据与科考数据作差，蕴含了震后调整信息。

图5 芦山Ms7.0级地震的准同震重力变化（a）及震后调整（b）Fig.5 The quasi coseismic gravity chang（a）and the adjustment after the Lushan Ms7.0earthquake（b）

如图5（a），龙门山断裂带两侧重力变化与图4（d）较为一致，自西北向东南方向由负变正，只是断裂带东南部正变化范围有所扩大，而西北部负变化范围和量级缩小。由于图5（a）同时包含了震前重力演化和同震重力变化信息，因此不能给出同震重力变化的准确数值。但结合位错模型模拟结果［12］或许可以推断，除震中邻近地区外，芦山地震并未产生显著的同震重力变化。

图5（b）是芦山地震震后调整图像。震前龙门山断裂带两侧重力变化态势为西部负变化、东部正变化（图4（d））。震后断层上累积的应力应变得到一定程度的释放，重力变化呈现反向调整特性，即断裂带西部变为正变化、东部变为负变化，重力变化等值线走向平行于断裂带，且量级与图4（d）相近。综合震前累积变化和震后调整，3a累积重力变化的量级和范围均缩小了（图4（f）），但在四川道孚周边以及鲜水河、安宁河和龙门山断裂带交汇地带依然形成了明显的重力变化高梯度带，并且与图4（d）相较，道孚附近重力变化梯度加强了。

4 结 语

1）川滇地区重力网分形维数约为1.43～1.62，对应格网间距约30～60km，测点覆盖范围在南北和东西两个方向上均超过1 000km，具备监测研究区内Ms5.0以上地震的能力。

2）本文认为，采用张力样条插值方法进行重力变化数据格网化时，格网间距取20′（约37 km）、张力参数取0.3比较合适。

3）断裂带对研究区重力变化特征有很强的控制能力，2011年以来Ms5.0 以上地震主要发生在重力变化正－负转换的高梯度带上。

4）地震前后芦山及周边地区均有较为剧烈的重力变化。根据研究区域2a和3a尺度累积重力变化特征，认为鲜水河断裂带东南段、安宁河断裂带北段以及研究区西南部重力变化依然较强，对这些地区的震情应加强监测。

后记：在本文送审之际，研究区内于2014－08－03和10－07分别发生云南鲁甸Ms6.5和景谷Ms6.6级地震。从图4 的重力变化图看，2a尺度的震前重力累积变化对上述两个地震均有较强的反映。鲁甸地震前，2010～2012年（图4（d））云南巧家地区重力变化等值线走向呈南北向，并形成自西南向东北向、由小增大的重力变化梯度带；2011～2013年（图4（e））重力变化等值线走向发生变化，在震区南部形成近东西向等值线，并形成“负中心”。景谷地震前，2010～2012年（图4（d））震区正重力变化带呈东西走向，并在南、北两处均有负变化区域，形成“四象限”图形；2011～2013年（图4（e））重力变化等值线走向转为南北向，自西向东重力变化由负转正，且变化值较大。

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