徐良葉 王伶俐 高 涵 牛 甜 喻世賢

1 云南省地震局，昆明市知春街249號(hào)，650200

2021-05-21云南大理州漾濞縣(25.67°N，99.87°E)發(fā)生6.4級(jí)地震，發(fā)震斷裂為維西-喬后斷裂西側(cè)一條NW走向、右旋走滑斷裂[1-2]，地震破裂方式為右旋走滑兼拉張[3]。從震前基線的異常變化能否發(fā)現(xiàn)地震的孕震前兆形變信息，對(duì)地震危險(xiǎn)性評(píng)估至關(guān)重要[4-6]。本文利用GAMIT/GLOBK軟件解算2019-05-20～2021-05-20云南及周邊54個(gè)GNSS基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，基于最小二乘配置法[7]求取云南地區(qū)速度場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)，并結(jié)合此次地震近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的GNSS基線長(zhǎng)度變化時(shí)間序列，分析地震前云南地區(qū)地殼形變特征。

1 速度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算

1.1 相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)

最小二乘配置方法的適用條件是要有足夠多的輸入數(shù)據(jù)且站點(diǎn)分布均勻，所以在應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算之前，采用克里金插值方法對(duì)云南區(qū)域的速度場(chǎng)進(jìn)行插值，再利用最小二乘配置法構(gòu)建速度場(chǎng)[8]。本文利用GAMIT/GLOBK 10.71軟件，引入中國(guó)及周邊十幾個(gè)IGS跟蹤站，與云南地區(qū)54個(gè)連續(xù)運(yùn)行GNSS基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算[9]?；贕AMIT基線解算得到單日松弛解，與SOPAC網(wǎng)站提供的全球IGS站單日松弛解聯(lián)合，利用GLOBK進(jìn)行網(wǎng)平差，再利用GLRED獲取站點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí)間序列，最后基于TISFIT分別獲取2019-05-20～2020-05-20、2020-05-21～2021-05-20云南地區(qū)在ITRF2014框架下的速度場(chǎng)(在第2個(gè)時(shí)間段剔除數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的SCYX站點(diǎn))，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，解算得到的水平速度E方向誤差在3 mm以內(nèi)，N方向誤差在2.5 mm以內(nèi)。

圖1 云南地區(qū)在ITRF2014框架下的速度場(chǎng)Fig.1 Velocity field in Yunnan under ITRF2014

基于計(jì)算得到的ITRF2014框架下的速度場(chǎng)，扣除歐拉旋轉(zhuǎn)矢量后，獲取漾濞6.4級(jí)地震前云南地區(qū)整體旋轉(zhuǎn)無(wú)基準(zhǔn)速度場(chǎng)，結(jié)果如圖2所示。對(duì)比圖2(a)和2(b)的速度場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，云南西邊界SSW向的運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，沿怒江斷裂帶呈發(fā)散性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其中YNRL站點(diǎn)由速率為6.6 mm/a的SE方向加速朝SW方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速率變?yōu)?1.6 mm/a，川滇藏交界處(云南西北部)NW方向的運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，可能是由于印度洋板塊NE向的擠壓增強(qiáng)，導(dǎo)致云南西邊界出現(xiàn)反向的加速運(yùn)動(dòng)；震中附近未發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)的異常運(yùn)動(dòng)；滇南地區(qū)的運(yùn)動(dòng)減弱，小江斷裂帶南端的運(yùn)動(dòng)依舊活躍，小江斷裂帶北端以北地區(qū)呈現(xiàn)一致性的北向運(yùn)動(dòng)，可能是由于川滇菱形塊體東邊界的N向運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)導(dǎo)致的；其他地區(qū)運(yùn)動(dòng)變化不明顯。

圖2 云南地區(qū)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)Fig.2 Relative motion velocity field in Yunnan

1.2 應(yīng)變場(chǎng)

利用克里金插值方法對(duì)云南地區(qū)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)進(jìn)行插值，基于最小二乘配置法建立云南地區(qū)的速度場(chǎng)[8]，然后對(duì)速度函數(shù)求偏導(dǎo)得到應(yīng)變張量，再進(jìn)一步求得區(qū)域地殼應(yīng)變特征參數(shù)(面膨脹率、最大剪應(yīng)變、最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變等)。

應(yīng)變計(jì)算公式為：

(1)

式中，λ、φ分別為經(jīng)度和緯度，R為地球平均曲率半徑，εφ、ελ、ελφ為應(yīng)變張量：

(2)

式中，ε1為最大主應(yīng)變，ε2為最小主應(yīng)變，εarea為面膨脹，rmax為最大剪應(yīng)變。

1.2.1 面膨脹率

漾濞6.4級(jí)地震前云南地區(qū)的面膨脹率如圖3所示，可以看出，2019-05～2020-05主要有4個(gè)面膨脹區(qū)和3個(gè)面壓縮區(qū)。面膨脹區(qū)有：中甸-木里一帶、越西-馬邊一帶、施甸-楚雄一帶、石屏-彌勒一帶，面膨脹區(qū)的最大值為38.4×10-11/a，出現(xiàn)在石屏-彌勒一帶，即小江斷裂帶與紅河斷裂帶相交的地區(qū)。從速度場(chǎng)(圖2(a))可以看出，彌勒-黃草壩-塔甸一帶的SSW向運(yùn)動(dòng)、通海地區(qū)的SE向運(yùn)動(dòng)造成石屏-彌勒一帶的拉張應(yīng)變積累。面壓縮區(qū)有：魚(yú)洞-元謀一帶、新平-瀾滄一帶、蒙自-金平一帶，面壓縮區(qū)最大值出現(xiàn)在蒙自-金平一帶，為-31.8×10-11/a，可能是小江斷裂帶南段的S向運(yùn)動(dòng)受阻所致。2020-05～2021-05主要有2個(gè)面膨脹區(qū)和2個(gè)面壓縮區(qū)，面膨脹區(qū)為：下關(guān)-耿馬一帶、墨江-黃草壩一帶，面膨脹區(qū)的最大值為12.8×10-11/a，與速度場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。從圖2(b)可看出，下關(guān)-施甸-耿馬一帶的SSW向運(yùn)動(dòng)和臨滄-雙柏一帶的NNE向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致下關(guān)-耿馬一帶拉張應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)，墨江-黃草壩一帶在原來(lái)面膨脹區(qū)(石屏-彌勒一帶)的基礎(chǔ)上向外延展了。面壓縮區(qū)為維西-喬后斷裂至騰沖-瑞麗一帶及以小江斷裂帶北端為中心的U形分布區(qū)域，面壓縮區(qū)最大值為-12.4×10-11/a。另外，可能是由于云南西邊界SSW向的運(yùn)動(dòng)受阻，導(dǎo)致維西-喬后斷裂至騰沖-瑞麗一帶的擠壓增強(qiáng)，而以小江斷裂帶北端為中心的U形分布區(qū)域擠壓應(yīng)變積累可能是由于小江斷裂帶北段的北向運(yùn)動(dòng)受阻所致。

對(duì)比圖3(a)與3(b)可明顯看出，漾濞6.4級(jí)地震前1 a(圖3(b))研究區(qū)域整體面膨脹率值下降至原來(lái)(圖3(a))的0.37倍左右，面膨脹率最大正值由38.4×10-11/a下降至12.8×10-11/a，面膨脹率最小負(fù)值由-31.8×10-11/a變?yōu)?12.4×10-11/a，說(shuō)明震前研究區(qū)域整體的應(yīng)變積累明顯減弱。此外，震中的北西和南東兩側(cè)形成清晰、規(guī)整且范圍較大的張、壓差異高梯度分布，震中即位于張、壓交替的零值線上，這與前人研究發(fā)現(xiàn)的中強(qiáng)地震往往發(fā)生在面膨脹率零值閉鎖區(qū)域的規(guī)律[10-12]一致。

圖3 云南地區(qū)面膨脹率Fig.3 Surface expansion rate in Yunnan

1.2.2 最大剪應(yīng)變率

漾濞6.4級(jí)地震前云南地區(qū)最大剪應(yīng)變率如圖4所示，可以看出，2019-05～2020-05研究區(qū)域整體的剪應(yīng)變積累較高，主要有3個(gè)剪應(yīng)變率高值區(qū)，即小江斷裂帶南端與紅河斷裂帶交會(huì)處、寧南-魚(yú)洞一帶及施甸-雙柏一帶，剪應(yīng)變率最大值為19.3×10-11/a，在小江斷裂帶南端與紅河斷裂帶交會(huì)處。從圖2(a)中也可明顯看出，小江斷裂帶南端與紅河斷裂帶交會(huì)處相對(duì)運(yùn)動(dòng)劇烈，導(dǎo)致該區(qū)域的剪切應(yīng)變積累較高。2020-05～2021-05研究區(qū)域也主要有3個(gè)剪應(yīng)變率高值區(qū)：沿維西-喬后斷裂分布及向其東部擴(kuò)展的地區(qū)、紅河斷裂帶北段以西擴(kuò)展的地區(qū)及沿小江斷裂帶分布地區(qū)，剪應(yīng)變率最大值為7.1×10-11/a，出現(xiàn)在維西-喬后斷裂及向其東部擴(kuò)展的地區(qū)。從圖2(b)中可看出，中甸-蘭坪-云龍-木里一帶左旋運(yùn)動(dòng)特征明顯，是造成該區(qū)域剪切應(yīng)變積累的原因，此外小江斷裂帶處于最大剪應(yīng)變率高值區(qū)，說(shuō)明其在該時(shí)段的剪切應(yīng)變與構(gòu)造背景相一致。

對(duì)比圖4(a)和4(b)可看出，中甸-麗江一帶的剪應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)并沿著維西-喬后斷裂向外擴(kuò)展，寧南-魚(yú)洞一帶的剪應(yīng)變明顯減弱，施甸-雙柏一帶的剪應(yīng)變范圍縮小至施甸-下關(guān)一帶，小江斷裂帶南端與紅河斷裂帶交會(huì)處的剪應(yīng)變明顯減弱并向北延伸至整個(gè)小江斷裂帶。整體來(lái)看，最大剪應(yīng)變率和面膨脹率的變化有相同之處。漾濞6.4級(jí)地震前1 a(圖4(b))，研究區(qū)域整體的最大剪應(yīng)變率急劇下降，剪應(yīng)變率最大值由19.3×10-11/a下降至7.1×10-11/a，剪應(yīng)變率最小值變化不大，震中的北西、南東兩側(cè)均處于最大剪應(yīng)變率高值區(qū)，地震發(fā)生在最大剪應(yīng)變率高值區(qū)邊緣。

圖4 云南地區(qū)最大剪應(yīng)變率Fig.4 Maximum shear strain rate in Yunnan

1.2.3 主應(yīng)變率

漾濞6.4級(jí)地震前云南地區(qū)主應(yīng)變率如圖5所示，可以看出，2019-05～2020-05研究區(qū)域的拉張應(yīng)變與擠壓應(yīng)變相間分布，川滇交界處、小江斷裂帶南段與紅河斷裂帶交界處的擠壓運(yùn)動(dòng)與拉張運(yùn)動(dòng)都比較活躍，與圖2(a)有較好的一致性，其中主應(yīng)變率最大值為38.5×10-11/a，為黃草壩-龍朋一帶NE向的拉張運(yùn)動(dòng)。從圖4(a)和5(a)可看出，主應(yīng)變率較大的區(qū)域與最大剪應(yīng)變高值區(qū)對(duì)應(yīng)，即小江斷裂帶南端與紅河斷裂帶交會(huì)處及寧南-魚(yú)洞一帶。2020-05～2021-05研究區(qū)域的整體應(yīng)變變形較弱，主應(yīng)變率最大值為12.8×10-11/a；維西-喬后斷裂及怒江斷裂帶北段的擠壓運(yùn)動(dòng)明顯，可能是云南西邊界地區(qū)SSW向運(yùn)動(dòng)受阻造成的。

對(duì)比圖5(a)和5(b)可看出，研究區(qū)域大部分地區(qū)的變形明顯減弱，其中維西-喬后斷裂至怒江斷裂帶北段一帶的擠壓增強(qiáng)，但擠壓變形的量值不大，震中附近的變形不明顯。

圖5 云南地區(qū)主應(yīng)變率Fig.5 Main strain rate in Yunnan

2 GNSS基線長(zhǎng)度變化時(shí)間序列分析

基線長(zhǎng)度不受參考框架本身漂移、旋轉(zhuǎn)和共模噪聲等因素的影響，能夠更客觀地反映地殼相對(duì)運(yùn)動(dòng)變化信息[4]。通過(guò)研究GNSS基線長(zhǎng)度時(shí)間序列發(fā)現(xiàn)，2011年日本9級(jí)地震前部分基線偏離長(zhǎng)趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)[13]，2019年夏河5.7級(jí)地震前發(fā)震斷裂的左旋速率減緩[14]，所以本文利用漾濞6.4級(jí)地震近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的GNSS基線長(zhǎng)度時(shí)間序列,探索震前基線的異常變化，分析此次地震前地殼的形變特征。

基于2011年以來(lái)GAMIT基線解算的結(jié)果[9,15]，在研究區(qū)域內(nèi)按EW向、NE向、NS向、NW向分別連接2個(gè)站點(diǎn)構(gòu)成基線(圖6)，并進(jìn)行分析識(shí)別偏離長(zhǎng)期背景趨勢(shì)的變化、破年變等信息。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，震前近場(chǎng)區(qū)域的GNSS基線長(zhǎng)度異常變化并不明顯，如基線YNYS-YNTC、YNYS-YNJD、YNTC-YNJD(圖7)；而遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的GNSS基線長(zhǎng)度變化存在異常信息，如基線KMIN-YNYM、YNLP-KMIN、YNLP-YNDZ、YNSM-YNLP(圖8)。

圖6 GNSS連續(xù)站分布Fig.6 Distribution of GNSS continuous stations

圖7 漾濞MS6.4地震近場(chǎng)區(qū)域GNSS基線長(zhǎng)度時(shí)間序列Fig.7 GNSS baseline length time series in the near-field region of Yangbi MS6.4 earthquake

圖8 漾濞MS6.4地震遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域GNSS基線長(zhǎng)度時(shí)間序列Fig.8 GNSS baseline length time series in the far-field region of Yangbi MS6.4 earthquake

由于2010年陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)建成試運(yùn)行，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，本文從2011年開(kāi)始分析GNSS基線長(zhǎng)度變化；另外，YNLP站點(diǎn)于2016-06建成運(yùn)行，研究與其相關(guān)的基線時(shí)，觀測(cè)時(shí)間從2017年開(kāi)始。從圖7可看出，漾濞6.4級(jí)地震前基線YNYS-YNTC、YNYS-YNJD的時(shí)間序列中并未發(fā)現(xiàn)有偏離長(zhǎng)期背景的趨勢(shì)變化和破年變等信息。基線YNTC-YNJD在漾濞6.4級(jí)地震時(shí)(2021-05-21)加速拉張，偏離背景趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)4 mm左右，可能是由地震引起的同震形變導(dǎo)致的，但震前該基線異常并不明顯。

如圖8所示，基線KMIN-YNYM的時(shí)間序列在2012-01～2016-09變化比較平穩(wěn)；2017-01～2021-01較前一時(shí)間段壓性活動(dòng)有所增強(qiáng)，但整體變化比較穩(wěn)定，2021-03-22以后加速拉張，2021-05-19背離趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)8.4 mm左右；震后加速運(yùn)動(dòng)有所減弱?；€YNLP-KMIN的時(shí)間序列在2017-01～2021-01的變化比較平穩(wěn)，一直呈緩慢的壓性運(yùn)動(dòng)；2021-03-22以后加速壓縮，2021-05-19背離趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)6.8 mm左右。本文認(rèn)為基線KMIN-YNYM、YNLP-KMIN時(shí)間序列的異常變化是由KMIN站點(diǎn)SE向的加速運(yùn)動(dòng)引起的。基線YNLP-YNDZ時(shí)間序列在2017-01～2021-01壓性運(yùn)動(dòng)和拉張運(yùn)動(dòng)都不明顯，變化比較平穩(wěn)；2021-03-22以后加速壓縮，2021-05-19背離趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)8.1 mm左右；震后壓性運(yùn)動(dòng)還在持續(xù)。基線YNSM-YNLP時(shí)間序列在2017-01～2019-06呈波動(dòng)變化，但幅度相對(duì)較??；2019-06～2020-06加速拉張；2021-03-22以后拉張運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，2021-05-19背離趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)7.8 mm左右。基線YNLP-YNDZ、YNSM-YNLP時(shí)間序列背離趨勢(shì)的異常變化說(shuō)明YNLP站點(diǎn)北向運(yùn)動(dòng)加速。此外，相關(guān)的工作人員于2021-05-19～05-20到KMIN站點(diǎn)和YNLP站點(diǎn)進(jìn)行了異常核實(shí)，排除了數(shù)據(jù)質(zhì)量、環(huán)境、儀器等干擾因素的影響，認(rèn)為兩站點(diǎn)的異常運(yùn)動(dòng)為真實(shí)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，可判斷震前區(qū)域應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，誘發(fā)了地震。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)GNSS速度場(chǎng)結(jié)果顯示，震前云南西邊界SSW向的運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，沿怒江斷裂帶呈發(fā)散性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，震中附近的近場(chǎng)速度值變化不大；

2)面膨脹率結(jié)果顯示，地震前研究區(qū)域整體的面膨脹率值下降至原來(lái)的0.37倍左右，震中位于張、壓交替的零值線上，即面膨脹區(qū)與面壓縮區(qū)之間，該區(qū)域正是中強(qiáng)地震易發(fā)區(qū)；

3)最大剪應(yīng)變率結(jié)果顯示，震前研究區(qū)域整體的最大剪應(yīng)變率急劇下降，地震發(fā)生在最大剪應(yīng)變率高值區(qū)邊緣；

4)主應(yīng)變率結(jié)果顯示，震前研究區(qū)域大部分地區(qū)的變形明顯減弱，其中維西-喬后斷裂至怒江斷裂帶北段一帶的擠壓增強(qiáng)，但擠壓變形的量值不大，震中附近變形變化不明顯；

5)GNSS基線長(zhǎng)度時(shí)間序列結(jié)果顯示，震前近場(chǎng)區(qū)域的GNSS基線異常變化不明顯，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的GNSS基線出現(xiàn)偏離長(zhǎng)期背景的趨勢(shì)異常變化。2021-03-22～05-19，基線KMIN-YNYM在趨勢(shì)壓縮背景下反向加速拉張，背離趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)8.4 mm；基線YNLP-KMIN在趨勢(shì)壓縮背景下加速壓縮，背離趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)6.4mm；基線YNLP-YNDZ在趨勢(shì)變形比較平穩(wěn)的背景下加速壓縮，背離趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)8.1 mm；基線YNSM-YNLP在趨勢(shì)拉張背景下加速拉張，背離趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)7.8 mm，可判斷震前區(qū)域應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，誘發(fā)了地震。

綜上所述，震前區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)的顯著變化有助于此次地震的發(fā)生，震前區(qū)域應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，促進(jìn)了此次地震的孕育。本文的震前區(qū)域地殼應(yīng)變、GNSS基線異常變化及發(fā)震地點(diǎn)可為研究孕震機(jī)制提供一定參考，由于本文使用的站點(diǎn)數(shù)據(jù)有限，所構(gòu)建的模型還有待改進(jìn)。此外，震前GNSS基線出現(xiàn)異常變化，雖然在一定程度上反映了區(qū)域地殼的形變變化，但產(chǎn)生這種變化的原因尚不清楚。