徐東卓, 塔 拉, 羅三明, 朱文武, 王世進(jìn), 尹海權(quán)

(中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心, 天津 300180)

0 引言

云南地區(qū)位于南北地震帶南段,青藏高原的東南部,多個(gè)板塊拼聚于此,形成了現(xiàn)今構(gòu)造屬性復(fù)雜的大地格局。受板塊間強(qiáng)烈的互相作用,使得區(qū)域地殼形變明顯,歷史強(qiáng)震頻繁,且隨著南北地震帶中北段四川九寨溝7.0級(jí)地震的發(fā)生,南北帶可能存在應(yīng)力調(diào)整,而處于地震帶南段近年來缺少中強(qiáng)地震的云南地區(qū)震情形勢(shì)發(fā)展則愈加受關(guān)注。

跨斷層形變監(jiān)測(cè)應(yīng)用于地震研究與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)在我國(guó)已開展了四五十年,是一種歷史久、精度高、資料積累豐厚,且效果良好的大地測(cè)量方法之一[1-4]。在利用跨斷層監(jiān)測(cè)資料分析研究地殼形變、應(yīng)力積累変化、斷層活動(dòng)狀態(tài)和地震危險(xiǎn)性分析方面建立了許多可靠的理論、方法和模型[5-6],其中斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比方法在分析區(qū)域斷層活動(dòng)狀態(tài)、應(yīng)力應(yīng)變積累和地震危險(xiǎn)性上具有積極有效的作用[7]。本文基于云南地區(qū)11處跨斷層形變監(jiān)測(cè)場(chǎng)地資料,利用斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比方法來分析區(qū)域斷層的應(yīng)變狀態(tài)和震情,為九寨溝7.0級(jí)地震后該區(qū)域的地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)提供一定參考。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

云南地區(qū)位于青藏高原的東南緣,南北地震構(gòu)造帶的南段,川滇菱形地塊南部,大地構(gòu)造位置上處于揚(yáng)子板塊、松潘—甘孜地塊、蘭坪—思茅地塊、印度板塊等多個(gè)不同構(gòu)造單元的拼合匯聚地帶,經(jīng)歷了多期次大規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與巖漿活動(dòng),構(gòu)造屬性復(fù)雜。北西—南東走向斜貫全區(qū)的金沙江—紅河斷裂帶比較清楚地劃分出東西兩大部分(圖1)。東部主體屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的西緣或準(zhǔn)地臺(tái)古生代增生部分;西部則分屬唐古拉—昌都—蘭坪—思茅褶皺系和岡底斯—念青唐古拉褶皺系。新生代以來,伴隨著印度板塊和亞歐板塊之間強(qiáng)烈的持續(xù)至今的拼合作用,區(qū)域地殼形變和斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈,地震活動(dòng)頻繁,僅1970—2017年就發(fā)生6級(jí)以上強(qiáng)震30余次。很多學(xué)者對(duì)此區(qū)域開展了研究,并取得了大量成果[8-11]。

2 跨斷層監(jiān)測(cè)概況

云南地區(qū)的跨斷層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地自1982年一直持續(xù)觀測(cè)至今,已有30余年。現(xiàn)有的11個(gè)跨斷層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地均為水準(zhǔn)、基線配套場(chǎng)地,通過這種組合方式來共同監(jiān)測(cè)場(chǎng)地所跨斷層的三維運(yùn)動(dòng)變化。每個(gè)場(chǎng)地均布設(shè)有兩條測(cè)線與斷層正交和斜交,測(cè)線測(cè)邊從數(shù)十米到幾百米不等。水準(zhǔn)和基線測(cè)量使用的儀器及作業(yè)方式嚴(yán)格按照《國(guó)家一二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》執(zhí)行[12],保證了觀測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。11處流動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)地分別是楚雄、峨山、建水、劍川、麗江、石屏、通海、下關(guān)、永勝、宜良和羊街(圖1),主要分布于金沙江—紅河斷裂帶、小江斷裂帶、曲江斷裂帶及其次級(jí)斷裂(劍川斷裂、洱海斷裂、通海—峨山斷裂、建水—石屏斷裂、麗江斷裂)上(表1)。場(chǎng)地的觀測(cè)周期基本是每月1期,如遇震情,會(huì)半月加密1期,數(shù)據(jù)連續(xù)且完整。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

為保證數(shù)據(jù)的可靠性和可用性,將收集到的云南地區(qū)11處流動(dòng)跨斷層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地30余年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)整理,剔除誤差和干擾產(chǎn)生的不真實(shí)數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)格式做統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化處理。首先,去除跨斷層觀測(cè)數(shù)據(jù)中明確因人為或環(huán)境干擾引起的突跳變化,檢驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性,剔除重復(fù)的數(shù)據(jù);然后,對(duì)于周期觀測(cè)中因特殊原因缺測(cè)的數(shù)據(jù)采用線性插值法補(bǔ)齊,得到統(tǒng)一周期、可靠的形變數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析采用以下方法。

區(qū)域內(nèi)的跨斷層場(chǎng)地同時(shí)布設(shè)有基線和水準(zhǔn)測(cè)線,可采用以下3個(gè)公式來計(jì)算斷層活動(dòng)的三維活動(dòng)量:

圖1 研究區(qū)主要斷裂帶及跨斷層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地分布圖Fig.1 Distribution of main faults and cross-fault monitoring sites in the study area

表1 研究區(qū)跨斷層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地概況

(1)

其中:ΔH為水準(zhǔn)垂直變化量(以上盤相對(duì)于下盤的下降為正);ΔL為基線伸縮量(以伸長(zhǎng)為正);ΔS為斷層活動(dòng)水平走滑量(兩盤做順扭運(yùn)動(dòng)為正);ΔR為斷層活動(dòng)水平張壓量;α是由斷層線方向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至測(cè)線方向重合或者平行時(shí)的角度。當(dāng)ΔS為正值時(shí),表示右旋活動(dòng),ΔR為正值時(shí),表示張性活動(dòng);若均為負(fù)值則表示斷層活動(dòng)性質(zhì)相反[2]。

當(dāng)斷層活動(dòng)處于剛性無障礙自由蠕滑狀態(tài)時(shí),若引起斷層活動(dòng)的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景一成不變,則斷層活動(dòng)的蠕滑方向也不會(huì)產(chǎn)生變化,就會(huì)處于一種相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),其運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足以下關(guān)系式:

(2)

式中:C1、C2和C3為任意兩個(gè)活動(dòng)參量之比,均為常數(shù);分別將f1、f2和f3定義為斷層活動(dòng)三維參數(shù)之間的協(xié)調(diào)比。當(dāng)斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比偏離原來正常值時(shí),在排除了非構(gòu)造活動(dòng)干擾情況下認(rèn)為斷層活動(dòng)受阻,斷層蠕動(dòng)偏離了正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或產(chǎn)生閉鎖,表明斷層活動(dòng)存在一定的應(yīng)變積累。當(dāng)斷層突破了臨界值或者屈服強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生地震,震后隨著能量的釋放,斷層活動(dòng)又趨于剛性模式,協(xié)調(diào)比又回歸正常的穩(wěn)定形態(tài)[7]。

基于得出的云南地區(qū)跨斷層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的斷層三維活動(dòng)量參數(shù),利用程序計(jì)算得出了斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比參數(shù)(圖2),分析結(jié)果如下:

楚雄場(chǎng)地[圖2(a)]的斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比整體上表現(xiàn)出兩端趨勢(shì)平穩(wěn),協(xié)調(diào)一致的特征,顯示斷層活動(dòng)在這兩個(gè)時(shí)期均符合無障礙滑動(dòng)特征,無顯著應(yīng)變積累,為正常的斷層活動(dòng)狀態(tài)。在協(xié)調(diào)性不好、較為離散的中間時(shí)段,發(fā)生了多次5～6級(jí)以上的地震,協(xié)調(diào)比圖形變化與震例有較好的一致性。說明斷層在這一時(shí)段運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了不同于背景特征的改變,應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生異常變化?，F(xiàn)今來看,楚雄場(chǎng)地所監(jiān)控?cái)鄬舆\(yùn)動(dòng)狀態(tài)符合常態(tài),無異?；顒?dòng)特征。

峨山場(chǎng)地[圖2(b)]從圖形看,在1988—1998年期間,該場(chǎng)地的協(xié)調(diào)比出現(xiàn)背離趨勢(shì)的離散現(xiàn)象,且對(duì)應(yīng)了幾次6級(jí)以上震例。麗江7.0級(jí)地震前7年協(xié)調(diào)比開始出現(xiàn)離散現(xiàn)象,斷層應(yīng)力開始積累,震后3年內(nèi)同樣具備離散特征,之后協(xié)調(diào)比慢慢調(diào)整至正常水平,斷層活動(dòng)恢復(fù)正常?，F(xiàn)今來看,峨山場(chǎng)地所監(jiān)控?cái)鄬舆\(yùn)動(dòng)狀態(tài)符合常態(tài),無異常活動(dòng)特征。

建水場(chǎng)地[圖2(c)]的協(xié)調(diào)比圖像整體上較為分散,斷層活動(dòng)顯得雜亂無規(guī)律,但是在離散程度較高的時(shí)段內(nèi),還是對(duì)應(yīng)了5～6級(jí)地震的發(fā)生。這種無序雜亂的現(xiàn)象是由于非構(gòu)造因素造成,還是場(chǎng)地本身布設(shè)與斷層關(guān)系不清晰,還需進(jìn)一步研究。近期的建水場(chǎng)地協(xié)調(diào)比依然表現(xiàn)出一定程度的背離現(xiàn)象。

石屏場(chǎng)地[圖2(d)]從圖形上看,大體顯示出兩個(gè)時(shí)段的離散現(xiàn)象,前一時(shí)段(1997—2002年)對(duì)應(yīng)了幾次6級(jí)以上地震,斷層活動(dòng)強(qiáng)烈;后一時(shí)段的協(xié)調(diào)比失調(diào)從2015年開始,持續(xù)至今,斷層活動(dòng)表現(xiàn)出異常特征,應(yīng)變積累現(xiàn)象明顯。前一地震多發(fā)時(shí)段共持續(xù)5年,關(guān)注現(xiàn)今時(shí)段后三年的變化。

麗江場(chǎng)地[圖2(e)]的原始觀測(cè)曲線,在麗江7.0級(jí)地震前后發(fā)生巨幅變化,震前觀測(cè)曲線較為平穩(wěn),震后斷層活動(dòng)速率大幅抬升。在協(xié)調(diào)比圖像來看,同樣變化形態(tài)差異較大:震前的協(xié)調(diào)比出現(xiàn)偏離,離散化現(xiàn)象明顯,顯示斷層活動(dòng)存在顯著應(yīng)變積累和應(yīng)力集中;震后協(xié)調(diào)比迅速轉(zhuǎn)至正常軌道,恢復(fù)正常趨勢(shì),表明庫(kù)侖應(yīng)力得到較大釋放,斷層活動(dòng)回到正常水平,持續(xù)至今。

永勝場(chǎng)地[圖2(f)]整體協(xié)調(diào)比的離散變化與6.5級(jí)以上震例對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。在麗江7.0級(jí)地震前出現(xiàn)了兩個(gè)時(shí)段的協(xié)調(diào)比失調(diào)現(xiàn)象。第一時(shí)段出現(xiàn)在1988—1993年期間,未發(fā)生較大地震;第二時(shí)段(1995—1997年)出現(xiàn)在第一離散階段結(jié)束的兩年平穩(wěn)期后,并在此階段發(fā)生了麗江地震。1997年后協(xié)調(diào)比恢復(fù)正常趨勢(shì),斷層活動(dòng)也恢復(fù)正常狀態(tài)。近期該場(chǎng)地依然表現(xiàn)出平穩(wěn)協(xié)調(diào)的特征。

通海場(chǎng)地[圖2(g)]2002年前協(xié)調(diào)比表現(xiàn)出離散現(xiàn)象,說明斷層活動(dòng)加劇,存在應(yīng)變積累和應(yīng)力變化,并且對(duì)應(yīng)了多次6～7級(jí)地震。2002年后協(xié)調(diào)比恢復(fù)協(xié)調(diào)一致的正常變化趨勢(shì),斷層回到正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。近期,未出現(xiàn)異常離散現(xiàn)象。

劍川場(chǎng)地[圖2(h)]的協(xié)調(diào)比圖像顯示離散變化與震例有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。第一個(gè)離散時(shí)段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)應(yīng)了包括麗江地震在內(nèi)的多次6級(jí)以上地震;第二個(gè)離散階段從2008年持續(xù)至今,斷層活動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變,應(yīng)變積累顯著,后續(xù)值得關(guān)注。

羊街場(chǎng)地[圖2(i)]與宜良場(chǎng)地[圖2(j)]同處于小江斷裂帶,從兩者的協(xié)調(diào)比圖像來看,歷史震例與圖像離散現(xiàn)象均有不同程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。現(xiàn)今協(xié)調(diào)比較為平穩(wěn)一致,無明顯離散現(xiàn)象,說明斷層活動(dòng)維持正?；顒?dòng)狀態(tài)。下關(guān)場(chǎng)地[圖2(k)]的斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比時(shí)序圖像顯示,該場(chǎng)地歷史映震情況一般,現(xiàn)今f1、f2和f3各自協(xié)調(diào)比表現(xiàn)為平穩(wěn)一致,協(xié)調(diào)度較好的現(xiàn)象,斷層無應(yīng)變積累。

綜合每個(gè)場(chǎng)地的斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比結(jié)果來看:

(1) 通過斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比時(shí)序圖像來看,云南地區(qū)歷史上對(duì)6～7級(jí)以上地震映震情況較好的跨斷層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地有麗江、永勝、劍川、楚雄和建水。

(2) 從近期協(xié)調(diào)比特征來看,可將云南地區(qū)跨斷層流動(dòng)場(chǎng)地分為斷層活動(dòng)正常場(chǎng)地和異常場(chǎng)地。正常場(chǎng)地有楚雄、峨山、永勝、麗江、通海、羊街和宜良;異常場(chǎng)地包括建水、石屏和劍川。協(xié)調(diào)比時(shí)序曲線出現(xiàn)兩次或者多次離散現(xiàn)象,且都對(duì)應(yīng)了震例的場(chǎng)地,多次離散的間隔可作為下一次離散或者發(fā)震時(shí)間的參考。

圖2 跨斷層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地?cái)鄬踊顒?dòng)協(xié)調(diào)比時(shí)序圖Fig.2 Sequence diagram of fault motion coordination ratio of cross-fault monitoring sites

(3) 根據(jù)區(qū)域內(nèi)跨斷層場(chǎng)地的協(xié)調(diào)比顯示的現(xiàn)今斷層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為有應(yīng)變積累和無應(yīng)變積累。有應(yīng)變積累的斷裂有劍川斷裂、石屏—建水?dāng)嗔?無應(yīng)變積累的有小江斷裂、紅河斷裂、麗江斷裂、楚雄斷裂、程海斷裂和曲江斷裂等。

4 討論及結(jié)論

斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比參數(shù)可幫助判識(shí)斷層活動(dòng)的性質(zhì)。當(dāng)協(xié)調(diào)比處于正常水平、協(xié)調(diào)一致時(shí),斷層即表現(xiàn)為無應(yīng)變積累的自由蠕滑。反之,基線、水準(zhǔn)觀測(cè)曲線波動(dòng)并無太大異常,而協(xié)調(diào)比出現(xiàn)離散、偏離的顯著變化時(shí),可認(rèn)為是地震前兆異常,可能與地震活動(dòng)相關(guān)[7]。根據(jù)計(jì)算得出的斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比時(shí)序圖像結(jié)果,云南地區(qū)近期存在協(xié)調(diào)比出現(xiàn)離散、偏離的顯著變化異常的跨斷層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地有劍川、石屏和建水場(chǎng)地,存在應(yīng)變積累、斷層活動(dòng)出現(xiàn)異常的斷裂有劍川斷裂和石屏—建水?dāng)嗔选?/p>

通過區(qū)域跨斷層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的原始數(shù)據(jù)曲線和三維活動(dòng)量曲線來看,滇西北地區(qū)的劍川、下關(guān)和永勝以及滇中地區(qū)的峨山、石屏和建水場(chǎng)地均存在異常表現(xiàn)。楚雄、劍川和永勝場(chǎng)地所跨斷層在走滑和張壓特征上都表現(xiàn)出跟背景特征相背的現(xiàn)象。峨山、建水和通海場(chǎng)地所監(jiān)測(cè)的斷層在走滑性質(zhì)上與地質(zhì)背景相符,在張壓性質(zhì)表現(xiàn)出反向異常。通?！肷綌嗔熏F(xiàn)今運(yùn)動(dòng)特征表現(xiàn)出相同于地質(zhì)背景的右旋走滑和相反于地質(zhì)背景的拉張運(yùn)動(dòng)。石屏—建水?dāng)嗔呀ㄋ维F(xiàn)今依然是左旋走滑,但是張壓性質(zhì)發(fā)生反轉(zhuǎn),表現(xiàn)出張性運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)特點(diǎn)[13]。

云南地區(qū)2015年至今存在長(zhǎng)時(shí)間缺少4～5級(jí)以上中強(qiáng)地震的背景,不符合區(qū)域歷史以往地震活動(dòng)特征,現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力已積累較高。在印度板塊俯沖拼合到亞歐板塊之時(shí),其東北和西北的兩大犄角作為兩大強(qiáng)著力點(diǎn),直接造成了喜馬拉雅弧東西構(gòu)造結(jié)附近區(qū)域強(qiáng)烈的構(gòu)造變形和地震活動(dòng),并且東西構(gòu)造結(jié)的強(qiáng)震活動(dòng)具有一定準(zhǔn)同步特征。通過震例統(tǒng)計(jì),興都庫(kù)什地區(qū)發(fā)生7級(jí)以上中深源地震后,后期東構(gòu)造結(jié)—云南地區(qū)會(huì)對(duì)應(yīng)7級(jí)以上地震的發(fā)生。2016年興都庫(kù)什地區(qū)再次發(fā)生阿富汗7.1級(jí)地震,指示東構(gòu)造結(jié)—云南地區(qū)還會(huì)有7級(jí)地震發(fā)生的可能。緬甸弧的中深震與后期川滇地區(qū)7級(jí)地震也存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。2016年分別發(fā)生了中深源的MW6.9和MW6.8地震,指示后續(xù)云南地區(qū)仍存在強(qiáng)震的可能。

四川九寨溝7.0級(jí)地震發(fā)生對(duì)云南地區(qū)的地殼應(yīng)變可能會(huì)產(chǎn)生影響。九寨溝地震震中及極震區(qū)位于南北地震帶北段,東昆侖斷裂帶東端,此次地震分別距離汶川地震和蘆山地震有9年和4年有余,這三次強(qiáng)震均位于南北地震帶中北段,近些年該區(qū)域平均4～5年發(fā)生一次7級(jí)以上地震。然而具有相同動(dòng)力學(xué)背景的南段距離最近的麗江7.0級(jí)地震已有二十余年未發(fā)生7級(jí)以上地震,伴隨著九寨溝地震的發(fā)生,應(yīng)力可能會(huì)加速在南北地震帶南段積累。

綜合以上分析認(rèn)為:

(1) 通過斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比時(shí)序圖像來看,云南地區(qū)歷史上映震情況較好的跨斷層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地有麗江、永勝、劍川、楚雄和建水;近期存在異常的跨斷層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地有劍川、石屏和建水場(chǎng)地;存在應(yīng)變積累、斷層活動(dòng)出現(xiàn)異常的斷裂有劍川斷裂和石屏—建水?dāng)嗔选?/p>

(2) 結(jié)合跨斷層原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和三維活動(dòng)量結(jié)果,綜合認(rèn)為云南地區(qū)地殼形變異常區(qū)域分布在滇西北地區(qū)的劍川、下關(guān)和永勝以及滇中地區(qū)的峨山、石屏和建水附近。

(3) 結(jié)合地震活動(dòng)性資料,綜合認(rèn)為四川九寨溝7.0級(jí)地震后,南北地震帶南段應(yīng)力可能會(huì)加速積累,云南地區(qū)的中強(qiáng)震危險(xiǎn)性增加,應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注。