楊建文 葉 泵 陳 佳 高 瓊 張華英

1 中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場大理中心，云南省大理市濱海大道，671000 2 云南大理滇西北地殼構(gòu)造活動(dòng)野外科學(xué)觀測(cè)研究站，云南省大理市濱海大道，671000

地震前兆是近年來各國進(jìn)行地震預(yù)報(bào)的基本途徑之一[1]。從觀測(cè)事實(shí)出發(fā)來探尋地震預(yù)報(bào)的可能性，是現(xiàn)階段經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)[2]。而GNSS觀測(cè)以其物理意義清晰、資料可靠、描述大地形變精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

GNSS揭示的地殼形變動(dòng)態(tài)分布特征與強(qiáng)震的關(guān)系一直是研究熱點(diǎn)[3]。江在森等[4]基于GPS計(jì)算結(jié)果，對(duì)應(yīng)變場空間分布與強(qiáng)震的關(guān)系進(jìn)行研究，認(rèn)為強(qiáng)震通常發(fā)生在最大剪應(yīng)變率的高值區(qū)或邊緣地帶；洪敏等[5]基于云南省早期的28個(gè)GNSS連續(xù)站數(shù)據(jù)，對(duì)地震事件與地殼形變之間的關(guān)系進(jìn)行研究認(rèn)為，當(dāng)部分點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)方向背離長期趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)背景時(shí)，發(fā)生地震的危險(xiǎn)性較大；付虹等[2]對(duì)2014年發(fā)生的3次M≥6.0地震前的面應(yīng)變分布特征進(jìn)行研究認(rèn)為，構(gòu)造區(qū)局部擠壓增強(qiáng)可能是地震短臨階段區(qū)域構(gòu)造變形最重要的特征之一。

隨著中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、云南省政府10項(xiàng)重點(diǎn)工程、中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場等項(xiàng)目的推進(jìn)，云南地區(qū)形變觀測(cè)能力得到顯著增強(qiáng)，為地震機(jī)制和物理機(jī)制研究、地震異常識(shí)別等提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)表明，強(qiáng)震的孕育、發(fā)生及震后調(diào)整的過程中通常會(huì)伴隨較為明顯的地殼形變，對(duì)強(qiáng)震前的地殼形變特征進(jìn)行研究，可加深對(duì)地震孕育過程的認(rèn)識(shí)。本文以2012年以來云南地區(qū)發(fā)生的7次M≥5.7地震為樣本，基于云南地區(qū)GNSS連續(xù)觀測(cè)資料，分別對(duì)7次地震前的應(yīng)變場分布特征進(jìn)行研究，總結(jié)其共性和差異。該工作的開展對(duì)地震前兆探測(cè)及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

GNSS資料來源于中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)平臺(tái)提供的站點(diǎn)位移時(shí)間序列原始數(shù)據(jù)，研究時(shí)段為2012-01～2018-12，研究范圍(21°～29°N，97°～107°E)內(nèi)共包含43個(gè)GNSS連續(xù)觀測(cè)站。研究時(shí)段內(nèi)共發(fā)生7次M≥5.7地震(剔除余震)，相關(guān)地震參數(shù)見表1，震中分布及GNSS站點(diǎn)分布見圖1。由圖1可知，7次M≥5.7地震主要位于滇西北、滇東北和滇南等地區(qū)。由表1中震源機(jī)制解可知，7次地震主要為走滑型地震。

表1 地震相關(guān)參數(shù)

圖1 GNSS連續(xù)觀測(cè)站、地震震中分布及格網(wǎng)劃分結(jié)果Fig.1 The distribution of GNSS continuous observation stations,earthquake epicenters and grid division

考慮到GNSS連續(xù)觀測(cè)站分布的不均勻性，首先采用克里金插值法對(duì)點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行1°×1°格網(wǎng)化插值(圖1)，獲取均勻分布于80個(gè)格網(wǎng)的位移時(shí)間序列，然后通過位移時(shí)間序列求取區(qū)域應(yīng)變場[6-8]。應(yīng)變場具體解算方法詳見文獻(xiàn)[6]。

通過應(yīng)變場解算可獲取3個(gè)狀態(tài)分量：反映東西與南北方向拉張與收縮的正應(yīng)變?chǔ)舩和εy、東西與南北方向的剪應(yīng)變?chǔ)脁y[4,6]。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算9個(gè)應(yīng)變參數(shù)，包括面應(yīng)變、最大剪應(yīng)變、主應(yīng)變等[4]。其中，面應(yīng)變?chǔ)群妥畲蠹魬?yīng)變?chǔ)胢ax的計(jì)算公式為[4,6]：

(1)

式(1)可確定區(qū)域內(nèi)任意時(shí)段的面應(yīng)變、最大剪應(yīng)變參數(shù)。截取任意起止時(shí)間可獲取該時(shí)段內(nèi)的累積應(yīng)變量，通過滑動(dòng)結(jié)束時(shí)間可進(jìn)一步獲取應(yīng)變場變化結(jié)果[6,8]。

2 震前應(yīng)變場分布特征

應(yīng)變張量是用來反映純形變的參數(shù)，能夠全面表征形變的性質(zhì)與強(qiáng)度[4]。應(yīng)變參數(shù)實(shí)際上是對(duì)不同方式形變信息的一種客觀分離，研究地殼形變與強(qiáng)震的關(guān)系，需要分別對(duì)多個(gè)應(yīng)變參數(shù)的空間分布進(jìn)行研究[4]。面應(yīng)變可直接表征區(qū)域擠壓(收縮)或拉張(膨脹)的強(qiáng)弱，反映該區(qū)域的應(yīng)變累積狀態(tài)，而最大剪應(yīng)變是反映剪切應(yīng)變強(qiáng)度的參數(shù)。震源機(jī)制解研究表明，云南地區(qū)7次M≥5.7地震多為走滑型地震，地震破裂類型多含剪切破裂，震前應(yīng)變累積中包含一定量的剪切應(yīng)變累積，因而強(qiáng)震發(fā)生前最大剪應(yīng)變會(huì)表現(xiàn)出一定的異常特征。因此，分別提取面應(yīng)變和最大剪應(yīng)變信息可揭示云南地區(qū)M≥5.7地震前的應(yīng)變場分布特征。

以7次強(qiáng)震前1 d為截止時(shí)間，分別計(jì)算震前6個(gè)月(180 d)的面應(yīng)變、最大剪應(yīng)變累積變化值，繪制應(yīng)變分布圖(圖2、圖3)?？紤]到寧蒗M5.7和彝良M5.7、盈江M6.1和魯?shù)镸6.5、魯?shù)镸6.5和景谷M6.6地震間的時(shí)間間隔小于6個(gè)月，獲取的后者應(yīng)變累積變化值中除含有后一次地震孕震變化外，可能也包含前一次地震孕育-發(fā)生的影響過程。為更好地進(jìn)行應(yīng)變場動(dòng)態(tài)變化分析，本文分別在寧蒗M5.7和彝良M5.7、盈江M6.1和魯?shù)镸6.5、魯?shù)镸6.5和景谷M6.6地震間(間隔時(shí)間中點(diǎn))增加面應(yīng)變和最大剪應(yīng)變累積的變化結(jié)果。

圖2 云南地區(qū)M≥5.7地震前面應(yīng)變分布Fig.2 Surface strain distribution before M≥5.7 earthquakes in Yunnan area

圖3 云南地區(qū)M≥5.7地震前最大剪應(yīng)變分布Fig.3 Maximum shear strain distribution before M≥5.7 earthquakes in Yunnan area

2.1 面應(yīng)變

圖2為7次M≥5.7地震前的面應(yīng)變分布圖，圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)閿D壓變形區(qū)，紅色為拉張變形區(qū)。由圖2(a)可知，在2012-06-24寧蒗5.7級(jí)地震前，在滇西南的下關(guān)-景東-墨江一帶存在較為明顯的面應(yīng)變拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達(dá)4.0×10-8，寧蒗5.7級(jí)地震發(fā)生在顯著拉張區(qū)以北的面拉張變化高梯度帶上。由圖2(c)可知，在2012-09-07彝良5.7級(jí)地震前，云南地區(qū)同時(shí)存在顯著的面擠壓和面拉張區(qū)，在滇南的臨滄-思茅-勐海和彌勒-蒙自-金平一帶分別存在2個(gè)顯著的面擠壓區(qū)，最大累積面應(yīng)變達(dá)-3.5×10-8；在麗江-永勝-攀枝花-寧南一帶也存在較為明顯的面擠壓區(qū)，累積面應(yīng)變達(dá)-2.0×10-8，彝良5.7級(jí)地震就發(fā)生在面擠壓變化的梯度帶上。瑞麗-騰沖-施甸一帶存在顯著的面拉張區(qū)，最大累積面應(yīng)變達(dá)4.0×10-8；廣西百色一帶也存在較為明顯的面拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達(dá)3.5×10-8。由圖2(a)～2(c)可知，從寧蒗M5.7地震到彝良M5.7地震，云南地區(qū)的面應(yīng)變存在較為明顯的變化過程，其中滇南地區(qū)最為顯著，在彝良5.7級(jí)地震前形成強(qiáng)擠壓和強(qiáng)拉張并存的格局。此外，下關(guān)-景東-墨江一帶的面拉張也存在明顯的減弱趨勢(shì)。由圖2(d)可知，在2013-08-31德欽5.9級(jí)地震前，滇西北及鄰區(qū)的中甸-鄉(xiāng)城一帶存在較為明顯的面應(yīng)變拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達(dá)2.0×10-8，德欽5.9級(jí)地震發(fā)生在面應(yīng)變拉張區(qū)的高梯度帶上；麗江-云龍-施甸-耿馬一帶存在較為明顯的面擠壓區(qū)，累積面應(yīng)變達(dá)-2.0×10-8。

由圖2(e)可知，在2014-05-30盈江6.1級(jí)地震前，云南地區(qū)面應(yīng)變異常較為突出，滇西南及鄰區(qū)存在強(qiáng)擠壓和強(qiáng)拉張并存的格局，在瀾滄-思茅-勐海一帶存在顯著的面拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達(dá)9.5×10-8；瑞麗-耿馬一帶存在顯著的面擠壓區(qū)，累積面應(yīng)變達(dá)-4.5×10-8，盈江6.1級(jí)地震則發(fā)生在面擠壓變化的高梯度帶上。此外，越西-冕寧-鹽源和東川-鳳凰山-通海一帶也存在較為明顯的面擠壓區(qū)，滇南的金平-蒙自-文山一帶存在較為明顯的面拉張區(qū)。由圖2(g)可知，在2014-08-03魯?shù)?.5級(jí)地震前，滇東北及鄰區(qū)的越西-喜德-寧南-會(huì)澤-東川-彌勒一帶存在明顯的面擠壓區(qū)，累積面應(yīng)變達(dá)-3.5×10-8；滇南的金平-蒙自-文山一帶存在較為明顯的面拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達(dá)3.5×10-8，魯?shù)?.5級(jí)地震則發(fā)生在面擠壓變化的高梯度帶上。由圖2(i)可知，在2014-10-07景谷6.6級(jí)地震前，云南地區(qū)面應(yīng)變累積顯著，滇西南存在強(qiáng)擠壓和強(qiáng)拉張并存的格局，瑞麗-騰沖一帶存在明顯的面拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達(dá)5.0×10-8；臨滄-思茅-勐海一帶存在明顯的面擠壓區(qū)，累積面應(yīng)變達(dá)-4.5×10-8，景谷6.6級(jí)地震發(fā)生在面擠壓的高值區(qū)。另外，會(huì)澤-東川-彌勒和文山-蒙自-金平一帶分別存在2個(gè)較為明顯的面擠壓區(qū)，最大面應(yīng)變?yōu)?3.0×10-8。由圖2(e)～2(i)可知，從盈江M6.1地震到魯?shù)镸6.5地震再到景谷M6.6地震，云南地區(qū)的面應(yīng)變存在較為明顯的動(dòng)態(tài)演化過程，整個(gè)過程中面擠壓變化最為明顯，冕寧-寧南-會(huì)澤-東川-彌勒和景東-瀾滄-思茅一帶的面擠壓存在由弱到強(qiáng)的變化過程。滇西南的施甸-耿馬-瀾滄-勐海一帶的面應(yīng)變經(jīng)歷了強(qiáng)-弱-強(qiáng)的變化過程。由圖2(j)可知，在2018-09-08墨江5.9級(jí)地震前，滇西南存在強(qiáng)擠壓和強(qiáng)拉張并存的格局，瑞麗-騰沖一帶存在明顯的面拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達(dá)4.5×10-8；臨滄-瀾滄-勐海一帶存在明顯的面擠壓區(qū)，累積面應(yīng)變達(dá)-4.5×10-8，墨江5.9級(jí)地震發(fā)生在面擠壓變化的高梯度帶上。此外，越西-喜德-寧南-會(huì)澤和鄉(xiāng)城-中甸-麗江一帶分別存在較為明顯的面擠壓區(qū)和面拉張區(qū)。

2.2 最大剪應(yīng)變

圖3為7次M≥5.7地震前最大剪應(yīng)變分布圖。由圖3(a)可知，在2012-06-24寧蒗5.7級(jí)地震前，滇東北及鄰區(qū)的冕寧-寧南-東川一帶和滇南的瀾滄-思茅-墨江-金平一帶存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變分別達(dá)3.0×10-8和5.0×10-8，寧蒗5.7級(jí)地震就發(fā)生在冕寧-寧南-東川高值區(qū)最大剪應(yīng)變變化的梯度帶上。由圖3(c)可知，在2012-09-07彝良5.7級(jí)地震前，鄉(xiāng)城-木里-冕寧-喜德-馬邊、瑞麗-騰沖-施甸、彌勒-通海-新平-墨江-思茅和廣西的百色等地存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達(dá)5.5×10-8，彝良5.7級(jí)地震則發(fā)生在第一個(gè)高值區(qū)最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。由圖3(a)～3(c)可知，從寧蒗M5.7地震至彝良M5.7地震，云南地區(qū)存在顯著的最大剪應(yīng)變累積過程，其中以鄉(xiāng)城-木里-冕寧-喜德-馬邊和瑞麗-騰沖-施甸等地變化最為明顯。由圖3(d)可知，在2013-08-31德欽5.9級(jí)地震前，永勝-木里-喜德-寧南-東川-通海一帶存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達(dá)3.5×10-8，德欽5.9級(jí)地震則發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。由圖3(e)可知，在2014-05-30盈江6.1級(jí)地震前，在滇西南的施甸-耿馬-瀾滄-勐海一帶存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達(dá)10.0×10-8，盈江6.1級(jí)地震則發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的梯度帶上。此外，會(huì)澤-東川-彌勒-文山和鄉(xiāng)城-中甸-麗江一帶也存在較為明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)。

由圖3(g)可知，在2014-08-03魯?shù)?.5級(jí)地震前，會(huì)澤-東川-鳳凰山-通海-蒙自一帶存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達(dá)5.0×10-8，魯?shù)?.5級(jí)地震則發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。同時(shí)，鄉(xiāng)城-木里-冕寧-喜德-馬邊一帶也存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)。由圖3(i)可知，在2014-10-07景谷6.6級(jí)地震前，瑞麗-騰沖-施甸-耿馬一帶存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達(dá)6.0×10-8，景谷6.6級(jí)地震就發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。另外，木里-冕寧-越西和元謀-鳳凰山-通海-蒙自-文山一帶存在較為明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)。由圖3(e)～3(i)可知，從盈江M6.1地震到魯?shù)镸6.5地震再到景谷M6.6地震，云南地區(qū)的最大剪應(yīng)變存在較為明顯的動(dòng)態(tài)演化過程，瑞麗-騰沖-施甸-耿馬一帶的最大剪應(yīng)變經(jīng)歷了強(qiáng)-弱-強(qiáng)的變化過程。值得注意的是，整個(gè)變化過程中木里-冕寧-越西和元謀-鳳凰山-通海-蒙自-文山一帶的最大剪應(yīng)變累積一直存在。由圖3(j)可知，在2018-09-08墨江5.9級(jí)地震前，瑞麗-騰沖-施甸-耿馬一帶存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達(dá)6.0×10-8，墨江5.9級(jí)地震就發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。此外，木里-鹽源-寧南-會(huì)澤一帶也存在較為明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達(dá)4.0×10-8。

3 討 論

前文已對(duì)7次M≥5.7地震前的面應(yīng)變和最大剪應(yīng)變分布特征進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)7次地震前的應(yīng)變場信息作進(jìn)一步總結(jié)(表2、表3)。

表2 云南地區(qū)M≥5.7地震前面應(yīng)變相關(guān)信息

表3 云南地區(qū)M≥5.7地震前最大剪應(yīng)變相關(guān)信息

由表2可知，7次M≥5.7地震前，云南地區(qū)存在顯著的面應(yīng)變變化趨勢(shì)，多數(shù)情況下存在強(qiáng)擠壓和強(qiáng)拉張并存的格局，除德欽5.9級(jí)地震和魯?shù)?.5級(jí)地震外，其他地震前累積面應(yīng)變均超過±4.0×10-8。從震前累積面應(yīng)變量值與地震震級(jí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系看，兩者之間并無明顯關(guān)聯(lián)。從地震發(fā)生的位置看，除彝良5.7級(jí)地震和景谷6.6級(jí)地震外，其他地震均發(fā)生在面應(yīng)變變化的高梯度帶上，7次M≥5.7地震中有5次發(fā)生在面擠壓區(qū)，占比71%；有2次發(fā)生在面拉張區(qū)，占比29%；3次M≥6.0地震均發(fā)生在面擠壓區(qū)。因此，面應(yīng)變(特別是面擠壓)變化的高梯度帶可作為研判未來M≥5.7地震發(fā)震地點(diǎn)的重要區(qū)域。

由表3可知，7次M≥5.7地震前，云南地區(qū)存在顯著的最大剪應(yīng)變變化趨勢(shì)，除德欽5.9級(jí)地震外，其他地震前累積最大剪應(yīng)變均超過5.0×10-8。值得注意的是，震前累積最大剪應(yīng)變量值與地震震級(jí)并無直接關(guān)聯(lián)。從地震發(fā)生的位置看，多數(shù)地震發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。因此，最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶可作為研判未來M≥5.7地震發(fā)震地點(diǎn)的重要區(qū)域。

面應(yīng)變和最大剪應(yīng)變都是重要的應(yīng)變場參數(shù)，基于反映不同形變信息的多種應(yīng)變參數(shù)來分析應(yīng)變場空間分布與強(qiáng)震地點(diǎn)的關(guān)系，可避免單一應(yīng)變結(jié)果的局限性。研究表明，7次M≥5.7地震多發(fā)生在面應(yīng)變(特別是面擠壓)和最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上，這些區(qū)域通常會(huì)伴隨較大的應(yīng)變場變化信息，強(qiáng)震發(fā)生的可能性更大。

強(qiáng)震的孕育與發(fā)生過程復(fù)雜多樣，不同類型和相同類型的地震在不同介質(zhì)環(huán)境中的孕育過程也存在差異，目前對(duì)強(qiáng)震孕育過程的認(rèn)知還十分有限，汶川大地震使我們意識(shí)到從大時(shí)空尺度來獲取大地震孕育過程中異常信息的重要性[9]。GNSS連續(xù)觀測(cè)站數(shù)量的增加以及觀測(cè)資料和震例的進(jìn)一步積累，可為獲取強(qiáng)震前更加精細(xì)的應(yīng)變場分布特征和總結(jié)更多震例提供理論基礎(chǔ)，這對(duì)于進(jìn)一步探索GNSS資料在強(qiáng)震預(yù)測(cè)中的應(yīng)用、提高異常識(shí)別能力、推進(jìn)指標(biāo)體系建設(shè)都具有重要意義。

4 結(jié) 語

1)7次M≥5.7地震前，云南地區(qū)存在顯著的面應(yīng)變變化趨勢(shì)，多數(shù)情況下存在強(qiáng)擠壓和強(qiáng)拉張并存的格局，累積面應(yīng)變一般超過±4.0×10-8，地震多發(fā)生在面應(yīng)變(特別是面擠壓)變化的高梯度帶上。

2)7次M≥5.7地震前，云南地區(qū)存在顯著的最大剪應(yīng)變變化趨勢(shì)，累積最大剪應(yīng)變一般超過5.0×10-8，地震多發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。

3)基于GNSS連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取的面應(yīng)變和最大剪應(yīng)變參數(shù)物理意義明確，能定量表征區(qū)域擠壓或拉張強(qiáng)弱和區(qū)域剪切應(yīng)變強(qiáng)度。其變化高梯度帶可作為研判未來M≥5.7地震發(fā)震地點(diǎn)的重要區(qū)域。

致謝：本文GNSS數(shù)據(jù)來源于中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)平臺(tái)(http:∥www.cgps.ac.cn)，數(shù)據(jù)分析軟件由云南省地震局洪敏高級(jí)工程師提供，在此一并表示感謝。