陳 麗，劉代芹,3，艾力夏提·玉山，李 瑞，丁 宇，趙 磊

(1.中國地震局烏魯木齊中亞地震研究所，新疆 烏魯木齊 830011; 2.新疆帕米爾陸內俯沖國家野外科學觀測研究站，新疆 烏魯木齊 830011; 3.中國科學技術大學地球和空間科學學院，安徽 合肥 230026)

地震與重力的關系是以地殼變形和密度(質量)變化而緊緊地聯(lián)系在一起的，對重力場動態(tài)變化進行深入分析，可以捕獲某些強震的有效前兆信息[1]。不同深度、不同密度、不同規(guī)模和不同形態(tài)的地質體疊加產(chǎn)生重力異常，淺部的密度異常信息以高頻信號為主，深部大規(guī)模的密度異常信息以低頻信號為主。因此，為了更好地對場源所引起的局部場異常進行分析研究，需要采用適當?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，進行重力場異常信息的分離[2-4]。1989年，Mallat S G首次提出多分辨率分析(Muti-Resolution Analysis)也稱小波多尺度分析，能夠將空間分解為不同分辨率的子空間系列，為重力異常的多尺度分解提供一種有利的工具[5-6]；侯遵澤等利用小波多尺度分解研究中國大陸布格重力異常[7]。張雙喜、陳兆輝等利用小波多尺度分解重點分析重力場變化與強震孕育的關系和規(guī)律[8-9]。利用小波多尺度變換方法，對南天山地區(qū)2018～2019年的重力場變化進行分離和解釋，并利用功率譜分析方法估算近似場源深度，為南天山地區(qū)構造運動和地震機理研究提供重力場的變化信息。

1 測區(qū)概況及重力數(shù)據(jù)處理

南天山地區(qū)是天山褶皺帶、塔里木盆地以及帕米爾高原等3個構造單元的銜接地帶，該地區(qū)活動斷裂發(fā)育，構造運動極為活躍。北面由多條逆斷層構成的柯坪塊體，沿柯坪斷裂容易發(fā)生破壞性地震；東南面是塔里木塊體，推擠作用力沿著天山由西向東逐漸減小；西面是西昆侖、帕米爾弧型構造與南天山西段的交匯區(qū)，以張性拉張作用為主。印度洋板塊不斷向歐亞板塊俯沖，昆侖山向天山推覆，致使帕米爾高原北部抬升，在山脈和盆地交界地段形成斷陷、褶皺等地形。南天山地區(qū)的斷裂主要以近東西向為主，數(shù)量多、規(guī)模大，沿著這些斷裂帶不斷發(fā)生中強地震[10-11]。2005年新疆維吾爾自治區(qū)地震局開展南天山地區(qū)流動重力觀測工作，每年對測點進行2期的重復觀測，2013年由前期的喀伽網(wǎng)優(yōu)化改造變?yōu)槟辖疁y網(wǎng)[12](圖1)。

圖1 新疆南天山地區(qū)流動重力測網(wǎng)

野外觀測時，2臺相對重力儀均采用專用的PDA進行解算。所有測段的觀測精度均要求往返測自差小于25×10-8m·s-2，互差小于30×10-8m·s-2(表1～2)。數(shù)據(jù)解算時，利用中國地震局軟件LGADJ[13]，選用湖北省地震局和中國地震局第二監(jiān)測中心提供的塔什庫爾干、烏什和庫車絕對觀測值為約束進行經(jīng)典平差計算。通過克里金方法對平差結果進行網(wǎng)格化，獲取相鄰2期的重力場變化[14]。利用小波多尺度分析將重力場變化的不同成分進行分離，分析不同尺度意義下的重力場變化特征，提取與地震相關的重力異常，并估算各階近似場源深度，解釋南天山地區(qū)的構造運動[15-16]。

表1 新疆南天山地區(qū)流動重力觀測精度統(tǒng)計

2 重力場時空變化特征及小波多尺度分解

2.1 重力場時空變化

通過定期的流動重力重復觀測或者定點重力連續(xù)觀測，可以捕捉到與震源變化有關的重力前兆信息[17-18]。為突出不同時期重力場動態(tài)演化的差異信息，利用南天山地區(qū)重力觀測數(shù)據(jù)的計算結果繪制伽師MS6.4地震半年尺度和多年尺度的重力變化圖像(圖2)。

圖2 南天山地區(qū)半年和多年尺度重力場變化圖像

表2 新疆南天山地區(qū)流動重力觀測點變化統(tǒng)計表

2019年4月～2019年8月半年尺度的觀測結果顯示，柯坪塊體及喀什—烏恰交匯區(qū)出現(xiàn)重力負值變化，阿克蘇—巴楚—葉城—塔什庫爾干沿線以北的塔里木盆地出現(xiàn)重力正值變化。和田地區(qū)為重力高值變化區(qū)域，最大量值約為+55×10-8m·s-2，阿合奇至巴楚為負值變化異常區(qū)，并在異常區(qū)的南北兩側沿柯坪斷裂和邁丹斷裂產(chǎn)生重力變化梯度帶。2020年1月19日伽師MS6.4地震位于負值變化異常區(qū)的西面重力變化梯度帶上，量值約為-20×10-8m·s-2。地震發(fā)生在柯坪塔格山前，震中位于柯坪斷裂西段，該地區(qū)活動斷裂非常發(fā)育，構造變形方式是以逆斷裂—褶皺帶為代表的山前薄皮推覆構造[19-21]。

一年尺度2018年8月～2019年8月重力場變化顯示，塔里木盆地南緣受青藏高原向北推擠作用，呈現(xiàn)重力正值變化，最大量值出現(xiàn)在和田地區(qū)，約為+60×10-8m·s-2。重力零等值線從皮山一帶向北延伸至巴楚、紅白山附近，阿克蘇、巴楚、英吉沙連線以北的南天山西段以負值變化為主，最大量值出現(xiàn)在伽師附近，約為-80×10-8m·s-2。巴楚一帶處于重力場轉換的高梯度帶，并沿著該區(qū)域斷裂構造線的走向展布，反映了重力變化受區(qū)域應力場作用，柯坪塊體為負值集中區(qū)。祝意青等[22]研究表明結合地震發(fā)生的實際構造活動情況，強震容易發(fā)生在重力變化正、負異常區(qū)過渡的高梯度帶上，高梯度帶顯示的是物質密度增加與減少的過渡地帶，物質增減差異運動劇烈，容易產(chǎn)生剪應力并首先破裂，從而誘發(fā)地震。伽師MS6.4地震位于重力場正、負轉換高梯度帶的西北面，且位于負變化高值集中區(qū)，量值約為-70×10-8m·s-2。

2017年8月～2019年8月2年尺度觀測結果顯示，重力場呈現(xiàn)大范圍的負值變化，庫車至阿克蘇以及和田至皮山一帶出現(xiàn)小面積的正值變化?？缕簤K體皮羌斷裂帶兩側重力值出現(xiàn)顯著異常變化，量值(-120～-140)×10-8m·s-2，伽師MS6.4地震位于負變化高值集中區(qū)。

2016年8月～2019年8月3年尺度重力場變化顯示，南天山地區(qū)整體以正值變化為主，南天山西段阿克蘇—阿合奇—喀什沿線區(qū)域呈現(xiàn)負值變化，和田—阿拉爾—庫車沿線以東也呈現(xiàn)重力負值變化。塔什庫爾干至英吉沙一帶變化達到+60×10-8m·s-2，巴楚西北方向的柯坪山區(qū)及喀什周邊重力值變化為-40×10-8m·s-2。伽師MS6.4地震震中位于負值區(qū)。

2.2 重力場小波多尺度分解

小波變換細節(jié)是對局部場重力異常的反映，主要體現(xiàn)的是淺部場源引起的高頻信息，小波變換逼近是對區(qū)域場重力異常的反映，主要體現(xiàn)的是深部場源引起的低頻異常信息。根據(jù)小波變換分析理論[23]假設二維重力異常場，

Δg(x,y)=f(x,y) .

(1)

重力分解表達式可簡化,

Δg=A4G+D1G+D2G+D3G+D4G.

(2)

式中，A4G為異常4階小波逼近，D1G～D4G為異常的1階到4階小波細節(jié)。

根據(jù)2018～2019年的重力觀測結果，利用小波變換將研究區(qū)重力異常進行1～4階小波分解，提取各階對應的地質信息。圖3顯示，1階和2階小波變換重力細節(jié)D1、D2異常圈閉范圍整體較小，分布較為分散，反映的是南天山地區(qū)上地殼淺層密度不均勻體的分布情況。隨著階次的增大，在D3中，許多弱小細節(jié)消失，連成較大異常，異常分布的規(guī)律性逐漸增強，反映的是南天山地區(qū)近地表和上地殼的重力變化，變化量值小于20×10-8m·s-2，這種變化可能與巖石密度不均勻和觀測誤差的綜合效應有關。4階小波細節(jié)D4顯示，重力變化等值線分布整體以東西向為主，與構造走向基本一致，異常分布也更為明顯和集中，巴楚至阿合奇一帶位于負值變化異常區(qū)，并在異常區(qū)的南北兩側沿柯坪斷裂和邁丹斷裂產(chǎn)生重力變化梯度帶，異常區(qū)量值約為40×10-8m·s-2，以英吉沙為中心出現(xiàn)四象限分布，重力變化較大的地區(qū)也是構造運動強烈地區(qū)，伽師MS6.4地震位于負值集中區(qū)。隨著階次的增加，等值線圈閉總體范圍在逐漸增大，主要反映的是地下物質由淺至深的密度變化。4階小波變化重力逼近A4說明南天山地區(qū)場源的區(qū)域動態(tài)變化，即深部物質流動的區(qū)域性變化。

圖3 2018～2019年南天山地區(qū)重力場小波分解細節(jié)圖和4階逼近圖

2.3 功率譜分析

1970年Spector and Grant[24]提出的一種重磁場數(shù)據(jù)處理方法——功率譜，借助重磁異常的對數(shù)功率譜分析，定量確定重磁異常的場源深度，

(1)

式中，h為場源埋深，r為圓頻率或波數(shù)，ln(r)被稱為異常波譜的徑向對數(shù)功率譜。徑向對數(shù)功率譜中可以獲得一條擬合的直線，利用直線的斜率可以求出場源的深度。

對2018～2019年南天山地區(qū)重力動態(tài)變化小波多尺度分解各階小波細節(jié)進行功率譜分析，可以進一步了解不同深度下重力異常的物理意義。圖4顯示2018～2019年南天山地區(qū) 1～4階小波細節(jié)場源的平均深度分別為3、5、9和12 km，隨著深度的增加，1、2、3階小波細節(jié)重力變化較小，4階小波細節(jié)變化和重力逼近變化較大。伽師MS6.4地震震源深度為16 km，重力變化主要來自深部構造活動的影響。從圖中可以看出，每一階小波細節(jié)的功率譜都有比較清楚的直線段，伴隨著小波細節(jié)階數(shù)不斷增加，功率譜直線段的斜率也在不斷增大，說明重力場小波細節(jié)的場源深度在不斷增加。與其他曲線相比，圖4(e)中功率譜曲線弧度變化較大，可以劃分3～4個切點，反映出區(qū)域重力場是不同深度重力源異常的疊加。

圖4 2018～2019年南天山地區(qū)1～4階小波細節(jié)功率譜圖

3 結論與討論

根據(jù)流動重力結果，半年尺度重力場變化圖像顯示伽師MS6.4地震前阿合奇至巴楚為負值變化異常區(qū)，并在異常區(qū)的南北兩側沿柯坪斷裂和邁丹斷裂產(chǎn)生重力變化梯度帶，伽師位于負值區(qū)。一年尺度重力場變化顯示巴楚一帶依然處于重力場轉換的高梯度帶，負值變化較大的區(qū)域出現(xiàn)在伽師附近，量值約為-80×10-8m·s-2。2020年1月19日伽師MS6.4地震前，伽師位于負變化的高值集中區(qū)。兩年尺度重力場變化顯示柯坪塊體皮羌斷裂帶兩側重力值出現(xiàn)顯著異常變化，量值(-120～-140)×10-8m·s-2，伽師MS6.4地震位于負變化的高值集中區(qū)。3年尺度重力場變化圖像顯示塔什庫爾干至英吉沙一帶變化達到+60×10-8m·s-2，伽師發(fā)生MS6.4地震，震中位于負值區(qū)。

隨著小波細節(jié)階次的增加，異常圈閉的總體范圍也在逐漸增大，主要反映了南天山地區(qū)地下物質由淺部到深部的密度變化。從2018～2019年的小波細節(jié)分解結果可知，4階小波變換重力細節(jié)顯示伽師MS6.4地震前巴楚至阿合奇一帶出現(xiàn)重力變化的高梯度帶，量值約為40×10-8m·s-2，地震位于負值集中區(qū)。綜合小波多尺度分解的結果并結合功率譜分析方法，獲取南天山地區(qū)各階小波變換重力細節(jié)的場源近似深度，給予重力場變化具體的物理意義，為探討南天山地區(qū)地震的孕育機理與地下構造和物質密度變化的關系和規(guī)律提供一種新的技術支持。