高精度絕對重力重復觀測可以獲得地殼內部場源的微伽級時變重力信號，為研究地殼內部孕震區介質環境變化提供獨特的物理場信息。許多大地震前，在大范圍的孕震區觀測到了高達數（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據的稀少性（缺乏足夠的測點或測期），這些微重力變化具有較大的不確定性，加之復雜地表因素的影響，震前重力信號的物理機制不明且存在爭議。

中國大陸構造環境監測網絡（簡稱“陸態網絡”）中絕對重力觀測網包含覆蓋中國大陸的101個重復觀測絕對重力基準站，極大的豐富了我國高精度絕對重力觀測數據，為地震重力監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日發生在青藏高原東北緣區域的門源Ms6.9強震，綜合利用震中周圍350km內的陸態網絡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據、重力站同址GPS垂直位移數據、水文模型數據以及歷史地震數據，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介質環境變化機制的關聯。得到以下認識：

(1) 在2022年門源地震前約5年，4個站點的絕對重力觀測呈現出空間顯著且時間同步的重力上升現象（圖1），最大速率為民勤站的3.94μGal/yr。這些站點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。故認為剩余重力變化（觀測重力扣除水文和垂直形變效應）來源于地殼內部質量變化。

圖1 門源地震震中周圍4個站點觀測的重力變化（左，黑點和灰點分別表示絕對重力觀測值和基于GLDAS模型的水文重力效應）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量源（震質源，圖2），其中心（震質中）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量源區（紅色圓圈所示），圓點表示2011-2021年歷史地震（M≥1.5）震中位置，圓點顏色表示發震時刻到門源6.9級地震的時間；(b)震中周圍區域（(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質量變化機制，研究了等效圓盤內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，圓盤內地震次數逐年增加（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域）的地震活動性在2017之后是減小的。進一步分析發現，圓盤內歷史地震震中的時空分布（圖4）符合流體遷移觸發理論。

圖3 研究區域（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。圓點表示事件的大??；(b)1.5至2.5級事件的累積曲線。(a)和(b)中的紅色和黑色實線分別表示圓盤內外的地震活動累積曲線；(c)每年1.5至2.5級地震的數量，紅色虛線表示2011-2015年圓盤內的平均值

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

(4)      綜合絕對重力數據、近地表過程數據、區域地殼結構及歷史地震數據，多證據表明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地震的發生，改變了孕震區的構造環境，有利于深部流體的運移（通常伴隨區域重力場上升，Liu et al., 2022），促進了巖石破裂（有效正應力和摩擦系數降低），進而導致了地震活動性增加并可能觸發大地震（圖5示意）。

圖5 深部流體運移與區域重力場變化及其震質源示意圖

研究結果表明，隨著絕對重力儀技術的發展和數據的豐富，高精度陸地時變重力觀測可為監測區域地殼流體環境，確定潛在強震風險區域提供獨特的地球物理方法。

研究成果于2022年12月在線發表于學術期刊《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)。該項研究得到了國家自然科學基金(U1939205, 42274117)和中國地震局地球物理研究所基本科研業務費專項(DQJB20K44)等項目的共同資助。

【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據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研究工作。Email: chenshi@cea-igp.ac.cn。