高精度絕對重力重復(fù)觀測可以獲得地殼內(nèi)部場源的微伽級時變重力信號，為研究地殼內(nèi)部孕震區(qū)介質(zhì)環(huán)境變化提供獨(dú)特的物理場信息。許多大地震前，在大范圍的孕震區(qū)觀測到了高達(dá)數(shù)（十）微伽/年的絕對重力信號變化（Chen et al., 2016; Zhang et al., 2020）。然而，由于絕對重力觀測數(shù)據(jù)的稀少性（缺乏足夠的測點(diǎn)或測期），這些微重力變化具有較大的不確定性，加之復(fù)雜地表因素的影響，震前重力信號的物理機(jī)制不明且存在爭議。

中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”）中絕對重力觀測網(wǎng)包含覆蓋中國大陸的101個重復(fù)觀測絕對重力基準(zhǔn)站，極大的豐富了我國高精度絕對重力觀測數(shù)據(jù)，為地震重力監(jiān)測提供了寶貴的信息。

中國地震局地球物理研究所賈路路副研究員等人針對2022年1月8日發(fā)生在青藏高原東北緣區(qū)域的門源Ms6.9強(qiáng)震，綜合利用震中周圍350km內(nèi)的陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)4個絕對重力站（民勤站、西寧站、蘭州站和德令哈站）的十余年、28期次的絕對重力觀測數(shù)據(jù)、重力站同址GPS垂直位移數(shù)據(jù)、水文模型數(shù)據(jù)以及歷史地震數(shù)據(jù)，探討了此次地震前震中周圍的重力變化特征及其與孕震區(qū)介質(zhì)環(huán)境變化機(jī)制的關(guān)聯(lián)。得到以下認(rèn)識：

(1) 在2022年門源地震前約5年，4個站點(diǎn)的絕對重力觀測呈現(xiàn)出空間顯著且時間同步的重力上升現(xiàn)象（圖1），最大速率為民勤站的3.94μGal/yr。這些站點(diǎn)的重力上升不能被近地表水文變化和地殼垂直形變合理解釋。故認(rèn)為剩余重力變化（觀測重力扣除水文和垂直形變效應(yīng)）來源于地殼內(nèi)部質(zhì)量變化。

圖1 門源地震震中周圍4個站點(diǎn)觀測的重力變化（左，黑點(diǎn)和灰點(diǎn)分別表示絕對重力觀測值和基于GLDAS模型的水文重力效應(yīng)）以及同址GPS站地表垂直位移變化（右）

(2) 基于剩余重力速率，利用MCMC方法反演了重力剩余信號的等效圓盤質(zhì)量源（震質(zhì)源，圖2），其中心（震質(zhì)中）位于此次門源地震震中西北172km處。圓盤半徑為174.9±31.7km, 厚度為1.9±0.6km, 深度為10.2±1.2 km。

圖2 (a)門源地震震中周圍絕對重力站(黑色菱形所示)剩余重力變化的等效質(zhì)量源區(qū)（紅色圓圈所示），圓點(diǎn)表示2011-2021年歷史地震（M≥1.5）震中位置，圓點(diǎn)顏色表示發(fā)震時刻到門源6.9級地震的時間；(b)震中周圍區(qū)域（(a)中紫色方框）歷史地震震級頻度圖

(3) 為探討等效源的殼內(nèi)質(zhì)量變化機(jī)制，研究了等效圓盤內(nèi)外的歷史地震活動性（圖3）。2016年門源6.4級地震（其震中與本次6.9級地震震中相距約40km）之后，圓盤內(nèi)2017-2021年的地震頻率高于2011-2015年的，2017年之后地震頻率逐年增加，1.5-2.5級小震（圖3b）尤為顯著。自2017年以來，圓盤內(nèi)地震次數(shù)逐年增加（圖3c），類似于觀測到的絕對重力變化。這與深部流體運(yùn)移引起的地震活動性變化相似。而圓盤外（圖2a中的方框減去圓盤區(qū)域）的地震活動性在2017之后是減小的。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，圓盤內(nèi)歷史地震震中的時空分布（圖4）符合流體遷移觸發(fā)理論。

圖3 研究區(qū)域（圖2中紫色方框）地震活動性。(a)震級≥1.5的事件的累積曲線。圓點(diǎn)表示事件的大?。?/span>(b)1.5至2.5級事件的累積曲線。(a)和(b)中的紅色和黑色實(shí)線分別表示圓盤內(nèi)外的地震活動累積曲線；(c)每年1.5至2.5級地震的數(shù)量，紅色虛線表示2011-2015年圓盤內(nèi)的平均值

圖4 等效圓盤內(nèi)歷史地震震中與震質(zhì)中距離及其發(fā)震時間的關(guān)系。(a)第一象限；(b)第二象限；(c)第三象限；(d)第四象限

(4)      綜合絕對重力數(shù)據(jù)、近地表過程數(shù)據(jù)、區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)及歷史地震數(shù)據(jù)，多證據(jù)表明2022年門源Ms6.9地震之前很可能存在深部流體上涌和遷移過程。推測2016年Ms6.4地震的發(fā)生，改變了孕震區(qū)的構(gòu)造環(huán)境，有利于深部流體的運(yùn)移（通常伴隨區(qū)域重力場上升，Liu et al., 2022），促進(jìn)了巖石破裂（有效正應(yīng)力和摩擦系數(shù)降低），進(jìn)而導(dǎo)致了地震活動性增加并可能觸發(fā)大地震（圖5示意）。

圖5 深部流體運(yùn)移與區(qū)域重力場變化及其震質(zhì)源示意圖

研究結(jié)果表明，隨著絕對重力儀技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)的豐富，高精度陸地時變重力觀測可為監(jiān)測區(qū)域地殼流體環(huán)境，確定潛在強(qiáng)震風(fēng)險區(qū)域提供獨(dú)特的地球物理方法。

研究成果于2022年12月在線發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Tectonophysics》 (Jia Lulu, Chen Shi*, Wang Linhai, Xiang Longwei, Lu Hongyan and Shi Wen, 2023. Gravity yearly transient change around the epicenter of 2022 Ms6.9 Menyuan earthquake, China and seismotectonic implications. Tectonophysics, 846: 229676. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2022.229676)。該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金(U1939205, 42274117)和中國地震局地球物理研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(DQJB20K44)等項(xiàng)目的共同資助。

【作者簡介】

賈路路(第一作者)，男，中國地震局地球物理研究所重力與地殼形變研究室副研究員，主要從事時變重力數(shù)據(jù)處理分析及場源解釋研究工作。Email: jialulu@cea-igp.ac.cn。

陳石(通訊作者)，男，中國地震局地球物理研究所重力與地殼形變研究室研究員，主要從事重磁位場方法與地球動力學(xué)研究工作。Email: chenshi@cea-igp.ac.cn。