2016年门源MS6.4地震前的区域重力场变化与定量参数分析

0 引言

2016年1月21日在青海省海北藏族自治州门源县(37.68°￣N，101.62°￣E)发生MS6.4地震，震源深度10km，震中位于河西地区冷龙岭断裂附近，该断裂由1组近平行的次级断裂组成，其西段活动年代为晚更新世晚期(何文贵等，2000)。该区域于2013年9月20日还发生过甘肃肃南—青海门源交界5.1级地震(徐钦等，2014)，震中附近的历史地震包括1986年青海门源北6.4级(徐纪人等，1986)和2003年甘肃民乐-山丹6.1级等地震(闵祥仪等，2003)。

“我让你依靠，让你靠，没什么大不了，别在想，想他的好，都忘掉……”不知道为什么，每次听到任贤齐演唱的《依靠》这首歌时，我的脑海里总会出现你那为情所困的无助样子，伤心的泪水悄悄地滑落在我的脸上。你看那满天数不尽的星星，就像我为你流的整夜的泪。

重力场是地球的基本物理场之一，重力场的非潮汐时-空动态变化有着充分、明确的物理意义，能够反映地球内部物质变化和变形过程，并与地壳深处孕育发生的地震紧密联系在一起(Kuo et al.，1993；顾功叙等，1997)。精确监视区域重力场的动态演化，并用于地震孕育、发展、发生过程的追踪，不仅具有可信的物理基础，而且被大量的震例证实是1种有效的中长期前兆监测手段(张国民等，2005；申重阳等，2009；李辉等，2009；祝意青等，2013；Chen et al.，2016)。

陈运泰等(1980)研究了1975年海城地震(MS7.3)和1976年唐山(MS7.8)地震前后的重力场变化，发现重力会伴随地震而变化，并且变化量级远比地面高程变化所能引起的重力变化大，并提出了深部物质迁移的可能性；2008年汶川地震(MS8.0)和于田地震(MS7.3)震中区及其附近观测到明显的区域性重力异常及重力变化高梯度带(祝意青等，2012)；陈石等(2014)通过分析鲁甸地震(MS6.5)震源区及周边三维密度结构，并结合一定时间尺度的流动重力测量获得的重力场变化，得出地震破裂带两侧分布的密度结构异常体形态有显著差异，且近震源区断层破裂面两侧的重力异常短期变化趋势明显相反，震前20月该区重力场年变化率小于汶川、玉树等地震给出的结果。这也说明地震的震级大小、震源机制及发震构造不同，产生的震前重力变化也是不同的，同时受地表高程变化、地下水及降雨等因素的影响，震前重力场信号是比较复杂的。目前地面流动重力测量的数据分析方法，通常基于相同测点多期的复测结果，利用平差后的点值获得0.5a、1a尺度或多年累积的重力变化特征，并以等值线变化的形式展示出来。这样异常的位置和幅度易因为测点分布空间不均匀、重力场时间变化量级与测量误差区别不显著和相对重力测量的误差传递等原因，受到一定的制约和影响(李辉等，2010；康开轩等，2015；陆汉鹏，2015)。为了解决这方面的问题，考虑到流动重力在野外测量时测段段差是最直接的观测量，本文基于重力段差变化提出了1种专用于分析流动重力数据的分析方法，并用显著性指标量G值等参数来描述1个测网的重力场变化程度。

图 1 河西重力测网及地震分布 Fig. 1 Map showing gravity survey network and earthquakes in the Hexi area.

1 构造背景与测网情况

本次地震所处的河西走廊位于青藏高原东北缘，祁连山脉与北山(合梨山与龙首山)之间，总体呈NWW走向，南北两侧均为深大断裂所控制。走廊盆地内主要发育NWW向和NNW向断裂带(李玉龙等，1988)。

地震系统的流动重力测量是以测定A、B两点间的重力段差作为最直接的观测量，采用2—3台相对重力仪进行A—B—A往返的联测方式；段差测量的误差主要以仪器的系统误差和多台仪器的互差为主，且每一个测段都是独立的观测量，避免了整网平差计算中因误差传递产生的不可忽略的累积误差。因此，将基于重力段差的分析方法和重力场的动态变化相结合共同分析区域重力变化特征及孕震机制具有更高的可靠性。

2 重力场变化的段差表示法和显著性指标量定义

本文选用河西重力测网2010—2015年每年第2期(9—10月份)共6期的测量平差结果和段差变化。平差的处理过程采用中国地震局实用化攻关推广的应用软件——LGADJ，选取测区内相对稳定的基岩测点进行统一的拟稳平差，各期的点值平均精度均优于15μGal。将相邻2期的平差结果做差得到2010—2015年间1a尺度的重力场时-空动态变化特征，按上一节描述的段差表示法得到1a尺度的测段段差变化的量值和方向，将同期重力场的动态变化和>￣3倍误差的段差变化结果投影到1张图中，如图3。

图 2 重力变化的段差表示法 Fig. 2 Expressions of segment differences in gravity changes. a的单位： MGal; b的单位： μGal

基于重力段差变化定义具备观测能力的重力变化异常指数G值：

(1)

式(1)中，N为有效测段数，dgi为第i个测段的重力变化，ei为第i个测段的观测误差。用重力变化指数G来判断是否存在可观测的区域重力场变化，当0<G<1时，体现了观测误差比测段变化更为显著，认为测网整体没有发生可以测量到的区域性重力变化；当G>1时，则体现了测段变化的主导作用，即有显著性的重力变化信号存在，并且当G突然大于测网的历史平均G值范围时，可认为有基于区域重力变化的地震危险背景。

根据观测到的异常显著程度定义发生显著重力变化的测段比例C值：

克鲁勃润滑剂为风电行业提供全面的润滑产品，涵盖发电机轴承、主轴轴承、偏航变桨轴承、开式齿轮、齿轮箱、滑环等主要部件。

(2)

Ni代表大于几倍误差的测段数，Ci为大于几倍误差变化的测段比例。在基于重力段差定量分析区域重力变化时，当C值特别是C2、C3出现显著性增大时，应关注研究区的构造活动增强趋势。

本文以2016年门源MS6.4地震为例，结合常规的重力场动态变化特征，初步探讨这种段差表示法和重力变化指标量在震前的变化趋势和显著性程度。

虽然很多早期研究强调O-GlcNAc修饰介导了心血管系统中葡萄糖毒性作用[3-5]，但研究表明，增加O-GlcNAc的水平对心血管系统中的心肌缺血/再灌注(ischemia reperfusion，I/R)具有显著的保护作用[6-8]。提高O-GlcNAc水平的方法包括启动己糖胺生物合成途径(hexosamine biosynthetic pathway，HBP)或抑制OGA的合成。O-GlcNAc介导的心脏保护作用的机制尚不清楚，是未来研究的重点。

3 方法应用

3.1 重力场变化及段差表示法

河西流动重力测网的地理范围为36.11°～39.41°￣N，99.44°～105.52°￣E，跨甘肃、青海、宁夏、内蒙古等4省区。全网共178个测点、188个测段，单程测线长3i700km(梁伟锋等，2014)。为了研究重力场动态变化与地震活动的关系，20世纪90年代以来由中国地震局第二监测中心开始使用LCR-G型相对重力仪(2012年起换为Burris相对重力仪至今)对河西地区进行重力监测，且不断地对测网进行加密和改造优化，目前已得到多期可靠的重力复测结果。在此基础上，已有多位学者对河西地区重力场的时空动态演化特征进行分析研究(祝意青等，2002，2003；朱桂芝等，2004；梁伟锋等，2014；郭树松等，2016)。

由于相对重力测量中段差相对于平差后的观测点重力值是更为直接的观测量，避免了求取观测点重力值过程中的误差传播和累积，因此本文提出描述重力场变化的段差表示法，它借鉴了GPS运动场的椭圆误差表示形式，如图2 所示，基本原理是： 将A、B两测点连线的中心点作为椭圆中心，椭圆两轴方向分别平行和垂直连线方向，分别按一定的比例尺，用垂直AB连线的轴长表示AB测段的重力段差大小(单位为mGal)，沿连线方向的半轴长表示该测段的测量误差(单位为μGal)，同时以椭圆中心为起点，用箭头的长短表示该测段段差2期之间的变化量，箭头指向段差增大重力增加的方向。这样，如果1条测线中大部分测段的段差增大方向一致则对该区域地下物质运移的方向具有一定的指向性，这也是该方法的主要特色之一。图2 中a和d所代表的即为段差变化大于测量误差的显著性重力变化情况。值得说明的是，虽然这种段差表示法中椭圆两轴的单位不一致，但我们通过不同的比例尺将任一测段的段差和两期变化量的大小投影在图中，使研究者更直观地了解这一测段的基本信息。

采用非线性最优控制的电流跟踪效果比较差，原因是该系统本身是线性系统，当采用非线性的控制方法之后，反而将控制变得更加复杂，效果反而不好。

图 3 河西地区2010—2015年重力场变化(单位： μGal)和段差表示法 Fig. 3 Maps showing changes of gravity(units in μGal)and the representation of segment differences from 2010 to 2015 in the Hexi area.

根据第2节中对重力场变化的显著性指标G和C值的定义，使用河西测网2009—2015年每年第2期(9—10月)的测量结果计算获得该区域整体的重力变化显著性程度，如图5 所示。由图5可看出，G和C值的变化曲线对该地区2009年以来的2次5级以上的地震都有所反映，特别是在此次门源MS6.4地震前，2个指标量都表现为大幅上升的变化趋势，基于重力段差变化的异常指数G值更是由2015年之前的30左右突升至200以上。2013年9月的门源5.1级地震前发生显著重力变化的测段比例C2、C3和异常指数G值相对于之前几期都存在较为明显的上升，震后又有所回落，但上升的幅度和量值比本次6.4级地震前的变化小得多。这也表明本文使用的重力变化指标量对不同震级的地震在震前孕育、能量积累的过程中观测到的异常显著性程度不同。因此，对区域性测网，可以建立G值和C值等定量指标，定量评价重力场可观测的变化水平，这也为地震的发生与重力变化之间可能存在的概率关系提供了一定的参考依据。

根据图3e，2015—2014年研究区的重力场和段差的变化都表现出更为显著的异常特征，重力变化高值区向NE移动，这与此次门源MS6.4地震所在的青藏高原东北缘是青藏高原向大陆内部扩展的前缘部位是较为一致的(袁道阳等，2004)。在震中附近武威—门源沿NW向祁连山断裂和冷龙岭断裂形成了正负差异达120μGal的重力高梯度带，且震中处于重力变化相对上升和下降的过渡地带，反映了沿断裂两侧地下物质明显的差异运动，特别是震中区域西北方向的祁连一带(图1 显示该区域重力测点分布较为密集)，段差表示法反映出在重力变化零值线附近更为明显的SN向差异变化，这种差异性运动有利于逆冲剪切力的形成和破裂的发生，与本次地震的发震机理存在一定的联系(胡朝忠等，2016)。

图3c所示，2013—2012年重力变化由西南向东北沿祁连山-海原大断裂呈现由正到负的过渡变化，相对于前2期发生反向。由于2013年9月20日发生的门源5.1级地震，而2013年第2期测量是从9月23日开始的，所以2013—2012年反映的是震后恢复变化，同时段差变化的异常显著性程度与2012—2011年相比有所降低，但研究区中部武威—古浪—天祝一带的段差表示法的箭头指向较吻合地揭示了重力变化增加的方向(图3c中红圈)。2013—2012年和2014—2013年2期的整体重力变化体现了青藏高原向NE向运移推挤的过程中，在震中区受到NW向一系列深大断裂的阻碍，随后物质在门源东南一侧聚集积累，并形成了1个重力变化高值区，2014—2013年的重力变化等值线整体走向与前3期不同，并没有表现出沿NW向受深大断裂带控制的迹象，同时重力段差的变化程度比前1期有所增强，间接表明在深部物质聚集累积的过程中，区域构造活动又开始变得活跃起来。

3.2 段差变化情况统计及误差分析

在上述河西地区重力场变化及段差表示法分析异常特征的基础上，论文又对多期的重力段差变化进行了较为详细的统计分析。表1 和图4 分别给出了2009—2015年间1a尺度流动重力测段段差的变化和误差情况及段差变化分布统计直方图，可看出整体测段的观测平均误差在10μgal以内，说明观测结果具有较高的可信度，并且能够对6级以上地震的孕震重力变化具有一定的反映。图4 显示在2014—2015年之前的5期中，段差变化基本都较为集中地分布在-￣30～30μGal范围内，最新1期的统计特征分布显示>±30μGal 的段差变化出现频次较前几期明显变大，表1 中最大和平均段差变化量也都在2014—2015年期的变化中达到最大值。这些基于重力段差变化的统计特征直观地反映出河西地区在门源MS6.4地震前整体具有较高的异常显示度。

表 1 2009—2015年重力段差变化统计情况(单位： μGal) Table1 Statistics of gravity segment differences 2009 to 2015

段差变化时间(公元年)观测最大误差观测最小误差观测平均误差最大段差变化量平均段差变化量2009—201014.500.716.2170.00142010—201115.241.417.9154.00162011—201214.140.716.9376.00202012—201313.040.516.1063.00142013—201415.890.517.2593.00232014—201518.031.126.49111.0038

图 4 2009—2015年年际段差变化统计特征 Fig. 4 Statistical features of annual segment differences from 2009 to 2015.

图 5 河西地区2009—2015年G和C值变化趋势 Fig. 5 Change trends of G and C values from 2009 to 2015 year in the Hexi area.

3.3 重力变化的显著性指标量

由图3a和b，在2012年武威4.9级和2013年门源5.1级地震前，整个测区以祁连-海原大断裂为界呈现东北正、西南负的重力变化特征，并沿该断裂形成重力梯度带。2012年5月的武威4.9级地震就发生在2011—2010年重力变化正、负梯级带的零值线附近。震后，2012—2011年的重力变化显示负异常区域向NE方向扩展。根据前文所述，段差表示法的箭头长短和方向分别表示测段段差的变化幅度和段差增加的方向，2013年门源5.1级地震前(2012—2011年)的段差结果显示在看似杂乱的箭头指示中也有一定的规律可循： 靠近震源区(图3b中红圈)的段差变化相对于其他区域更为显著，且较为一致地指向震源区，揭示了地震孕育过程中，物质能量的累积变化；在门源西北部祁连—张掖一带部分段差变化的指向与重力场等值线由负向正的增加方向一致。

需要说明的是，对于区域性测网，G和C值作为评价测网年度整体的重力变化显著性水平指标，并不能反映异常或地震危险位置，还需结合重力场时-空动态变化特征、构造特征及本文中所讲的段差表示法共同划定异常范围。

4 结论和讨论

本文基于流动重力段差变化设计了1种直观的段差表示方法，并定义了评价区域测网重力场变化显著性程度的G和C值定量化新参数，尝试将该方法应用于2016年1月21日门源MS6.4地震前多期重力年变化分析中，得到以下结论：

“亲爱的威尔，”年轻的女子用纸条回答说：“见到你的字条真高兴。我记得昨天我说的是‘不行’，但是我实在想不起是对谁说的了。”

(1)流动重力的段差测量方式及测段段差变化不易受测点空间分布、平差方法和相对重力测量的误差传递等因素的影响，具有比重力点值变化更高精度、更可靠的优点。

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(2)段差表示法的量值和方向对地下物质的运移方向有一定的指示意义，在2013年门源MS5.1地震和此次门源MS6.4地震前段差表示法对近震源区的物质能量累积有一定的指向性；最新1期的结果中(2015—2014年)，段差的变化程度和重力变化的显著性指标量G和C值都存在非常明显的增大趋势。表明本文的方法可以有效刻画区域重力场变化程度，可为地震重力前兆的定量描述提供1条新思路。

(3)此次门源MS6.4地震震源区处在2014—2015年重力变化沿NW向祁连山断裂和冷龙岭断裂形成的高梯度带上，且震中位于重力变化相对上升和下降的过渡区域，反映了沿断裂两侧地下物质明显的差异运动。根据重力场和段差的变化趋势分析认为本次地震的发震机理与青藏高原震块体向NE方向推挤生长过程中在震中区受NW向深大断裂的阻挡，应力积累导致构造活动加剧有关。

(4)由于地表重力变化不仅仅是地下物质密度变化的反映，近地表水变化和垂向高程变化也是影响重力段差的信号源。根据连续重力获取的非潮汐重力变化与降雨导致的地表水变化仅有μGal量级的对应关系(徐伟民等，2012；佘雅文等，2015)；目前高精度垂直运动观测主要通过区域水准观测来获取，但由于其观测周期长，无法与重力观测同步，只能利用有关水准测量成果粗略估算地表垂直运动对重力变化的影响。根据区域精密水准得到的地表垂向高程变化，研究区现今地壳垂直运动基本<￣10mm/a(张四新等，2001；李煜航等，2015)，其引起的地表重力变化较为有限，不足以解释地表看到的平均30μGal的重力段差变化，也表明了重力场变化主要是对地壳深部介质密度变化和物质迁移过程的反映。

同时也有研究发现肾结石可能是NAFLD的早期表现。一项对于体外超声波碎石患者的随访20年的研究显示，患者肥胖和超重的比例明显高于对照组[16]。NAM等[10]的研究也发现肾结石患者肝实质回声的衰减也明显低于非肾结石患者。

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