基于GNSS觀測資料研究云南地殼形變與地震的關(guān)系*

洪 敏，邵德盛，王伶俐，李春光，張 勇

0 引言

云南位于印度板塊與歐亞板塊俯沖帶東側(cè)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)頻繁，地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重，為我國大陸其他地區(qū)所少見(毛玉平等，2003)，許多學(xué)者針對(duì)川滇地區(qū)的地震活動(dòng)進(jìn)行了研究。由于條件限制，目前對(duì)于云南省內(nèi)地震方面研究主要依靠地震學(xué)方法(劉虹，蘇有錦，2007;李永莉等，2010)，而地殼形變方法一直受到觀測資料收集難度大、周期長等因素的制約而未廣泛使用。隨著GPS連續(xù)觀測方式的逐步推廣應(yīng)用，這一情況正在逐步改善，十五期間“中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)”工程建成后，許多學(xué)者利用這些觀測資料對(duì)地震活動(dòng)做了比較系統(tǒng)的研究 (江在森等，2003;牛之俊等，2005)，這些研究為把握中國大陸的地殼運(yùn)動(dòng)背景提供了可靠依據(jù)，但由于站點(diǎn)稀疏，導(dǎo)致形變場存在空間分辨率不高。2012年，“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”建成并投入使用，增加了全國GNSS連續(xù)觀測站的數(shù)量，為GNSS觀測數(shù)據(jù)用于地震預(yù)報(bào)奠定了基礎(chǔ)，已有部分學(xué)者利用不同的方法基于GPS觀測結(jié)果分析了地殼運(yùn)動(dòng)與地震之間的關(guān)系 (張永志等，2010;張曉亮等，2006;李強(qiáng)等，2012)。本文以云南地區(qū)現(xiàn)有的GNSS觀測資料為基礎(chǔ)，分析省內(nèi)地殼運(yùn)動(dòng)與地震的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 資料情況

自“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目建設(shè)以來，云南省內(nèi)共建成GNSS連續(xù)觀測站點(diǎn)28個(gè)，自2010年2月開始，陸續(xù)進(jìn)入了試運(yùn)行階段，截至2010年5月底，80%以上的站點(diǎn)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，到2012年5月，共積累了兩年的觀測數(shù)據(jù)。在此期間，云南省內(nèi)及周邊共發(fā)生了4次M≥5.0的地震，分別是2011年3月10日盈江5.8級(jí)地震、2011年3月24日緬甸7.2級(jí)地震以及2012年6月20日和8月9日騰沖兩次5.2級(jí)地震，本文主要以這段時(shí)間的資料作為研究基礎(chǔ)。

1.2 GNSS觀測資料處理

GNSS數(shù)據(jù)處理使用美國麻省理工學(xué)院 (MIT)和加州大學(xué)圣地亞哥分校 Scripps海洋研究所(SIO)研制的GAMIT/GLOBK軟件，采用與全球IGS解算數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差的方法，平差過程中選用38個(gè)IGS核心站點(diǎn)為云南GNSS觀測網(wǎng)的參考基準(zhǔn)，把平差結(jié)果歸算到ITRF2000框架下。為了提高精度，在得到單日解的基礎(chǔ)上，選用4天的單日解結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合平差，得到每點(diǎn)4天的坐標(biāo)均值，提高了資料的可靠性。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，所有測站的觀測點(diǎn)位坐標(biāo)精度均優(yōu)于3 mm。

1.3 分析方法

雖然經(jīng)過了GAMIT/GLBOK軟件的處理，剔除了多項(xiàng)干擾因素的影響，但是由于數(shù)據(jù)解算過程復(fù)雜，影響解算結(jié)果的因素比較多，解算結(jié)果中仍然殘留著一些干擾噪聲，為了提高信噪比，獲取地殼運(yùn)動(dòng)的真實(shí)信息，對(duì)前期處理產(chǎn)出的點(diǎn)位坐標(biāo)成果進(jìn)行以下處理:

(2)扣除文山:云南地區(qū)的地殼介質(zhì)存在橫向不均勻性變化基準(zhǔn) (皇甫崗等，2010)，自西向東Q值逐漸增大。說明了云南東部地區(qū)地質(zhì)條件比較穩(wěn)定，由于華南塊體的穩(wěn)定性較好，而文山點(diǎn)位于華南塊體上，通過試算分析，認(rèn)為文山點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)基本能代表華南塊體的運(yùn)動(dòng)狀況，可以采用華南塊體基準(zhǔn)和文山基準(zhǔn) (王伶俐等，2012)。對(duì)同一時(shí)刻的各個(gè)測站的觀測值與文山點(diǎn)的觀測值求差，計(jì)算出省內(nèi)各個(gè)站點(diǎn)以文山為位移基準(zhǔn)的時(shí)間序列，并認(rèn)為該時(shí)間序列基本反映了云南省內(nèi)各個(gè)塊體相對(duì)于華南塊體的運(yùn)動(dòng)情況。

(3)地殼運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算:在以上處理的基礎(chǔ)上，通過給定一個(gè)起始時(shí)間，一個(gè)時(shí)間窗W2，對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的時(shí)間序列進(jìn)行同步采樣，并計(jì)算出位于時(shí)間窗兩端的數(shù)據(jù)的差值，代表了在這一時(shí)間窗內(nèi)地殼運(yùn)動(dòng)變化的速度。由此得到了以W2為周期的點(diǎn)位坐標(biāo)變化速度時(shí)間序列，并把這一時(shí)間序列進(jìn)行圖像顯示處理，得到了云南省內(nèi)2010年12月至2011年8月間的地殼運(yùn)動(dòng)速率等值線圖。

2 地殼形變與地震關(guān)系分析

板塊運(yùn)動(dòng)有其自身的規(guī)律，在地震活動(dòng)平靜期，可以獲得比較穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)速度，該速度可以認(rèn)為是正?；顒?dòng)背景。分析地殼運(yùn)動(dòng)與地震的關(guān)系需要兩個(gè)步驟，第一步明確正?；顒?dòng)背景，第二步查找地震前是否有與長趨勢相背離的異常運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，出現(xiàn)地殼運(yùn)動(dòng)反向也不一定意味著這一區(qū)域一定就會(huì)發(fā)生地震，但它能代表這一區(qū)域?yàn)閼?yīng)力增強(qiáng)明顯的地區(qū)，因此，該區(qū)域是否具有發(fā)震的危險(xiǎn)性還需結(jié)合斷層分布特征進(jìn)行分析，如果出現(xiàn)了背離長趨勢背景的地殼運(yùn)動(dòng)，但斷層周邊區(qū)域的運(yùn)動(dòng)一致性較好，那么，這一區(qū)域發(fā)生地震的危險(xiǎn)性不高。反之，如果斷層兩側(cè)運(yùn)動(dòng)一致性較差，則需要引起特別關(guān)注。

2.1 地殼運(yùn)動(dòng)背景

根據(jù)目前已有的資料總結(jié)區(qū)域內(nèi)點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，圖1為根據(jù)2010年5月至2012年5月云南省GNSS觀測資料計(jì)算的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)圖像。從圖中可以看出，云南省內(nèi)各站點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢基本一致，除滇西北的中甸、麗江等個(gè)別點(diǎn)位表現(xiàn)出南南東向運(yùn)動(dòng)之外，其他點(diǎn)基本都表現(xiàn)為南西向運(yùn)動(dòng)，且西向運(yùn)動(dòng)量自東向西有逐漸增強(qiáng)的趨勢。

圖1 云南IGS點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)圖Fig.1 Map of IGS points movement in Yunnan

2.2 短期形變特征分析

根據(jù)以上分析，云南省內(nèi)的區(qū)域運(yùn)動(dòng)在以文山為位移基準(zhǔn)的前提下，正常的運(yùn)動(dòng)方向應(yīng)該是南向和西向，如果部分點(diǎn)位出現(xiàn)了北向運(yùn)動(dòng)或者是東向運(yùn)動(dòng)，則可以認(rèn)為是異常。由于點(diǎn)位相對(duì)變化實(shí)際解算精度在單一方向上能夠達(dá)到±1.5 mm，大于該精度的變化量可以認(rèn)為是真實(shí)的。因此，以一個(gè)月為窗長進(jìn)行等值線圖的繪制，設(shè)定東向、北向運(yùn)動(dòng)為正值，用深色進(jìn)行填充，代表了異常區(qū)域。西向、南向運(yùn)動(dòng)為負(fù)值，代表正常運(yùn)動(dòng)，用淺色表示，運(yùn)動(dòng)方向反向交界線用加粗線條表示。

(1)盈江5.8級(jí)地震與區(qū)域形變關(guān)系分析

盈江地震的發(fā)震斷層為北東向斷裂，為了避免同震形變引起的區(qū)域形變速率異常，本文主要分析地震前的形變速度圖像，圖2為盈江5.8級(jí)地震前3個(gè)月 (2010－12－18～2011－02－17)的東西和南北分量變化時(shí)序。

圖2 2010年12月至2011年2月地殼形變變化時(shí)序圖(a)2010年12月東西分量;(b)2011年1月東西分量;(c)2011年2月東西分量;(d)2010年12月南北分量;(e)2011年1月南北分量;(f)2011年2月南北分量Fig.2 Time-sequence diagram of crustal deformation variation from Dec.，2010 to Feb.，2011(a)EW-component in Dec.，2010;(b)EW-component in Jan.，2011;(c)EW-component in Feb.，2011;(d)SN-component in Dec.，2010;(e)SN-component in Jan.，2011;(f)SN-component in Feb.，2011

從圖2可以看到，區(qū)域應(yīng)力變化所引起的形變傳遞過程比較清晰，2010年12月，云南省內(nèi)北東向推擠加強(qiáng)，除下關(guān)點(diǎn)以外，其他區(qū)域全部為東向運(yùn)動(dòng)，南北向運(yùn)動(dòng)的異常區(qū)域集中在云南西南角瑞麗一帶地區(qū)。2011年1月，該推擠力量有所減退，東向運(yùn)動(dòng)異常區(qū)域范圍縮小，主要分布在紅河斷裂以北地區(qū)，2011年2月，云南南部再次出現(xiàn)了明顯的北東向異常運(yùn)動(dòng)。

綜合分析，由于云南省內(nèi)長趨勢的應(yīng)力相對(duì)平衡狀態(tài)被打破，區(qū)域內(nèi)的主導(dǎo)應(yīng)力出現(xiàn)短期變化，導(dǎo)致了較大的區(qū)域形變異常。在2011年2月，騰沖、施甸一帶地區(qū)出現(xiàn)兩個(gè)分量零值線在施甸一帶相交的現(xiàn)象。根據(jù)這些現(xiàn)象可以推測，耿馬一帶再次受到明顯的北東向推擠，瑞麗、耿馬一帶呈現(xiàn)北東方向運(yùn)動(dòng)趨勢，而其北邊的騰沖、施甸一帶由于受來自東北方向的應(yīng)力作用，出現(xiàn)了南西向運(yùn)動(dòng)，使得這一地區(qū)在運(yùn)動(dòng)方向上出現(xiàn)了反向剪切，從耿馬至騰沖一帶的運(yùn)動(dòng)量差值達(dá)到了5 mm左右，在騰沖、施甸、瑞麗等地區(qū)形成了較大的剪切應(yīng)力，這可能成為了前期應(yīng)力積累釋放的誘因。因此，我們認(rèn)為2011年3月10日盈江5.8級(jí)地震與此形變異常存在因果關(guān)系。

(2)緬甸7.2級(jí)地震與區(qū)域形變關(guān)系分析

根據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)測定:2011年3月24日21時(shí)55分在緬甸 (20.8°N，99.8°E)發(fā)生MS7.2地震，震中位于緬甸撣邦 (Shan State)。斷層總體走向?yàn)镹EE向，斷層性質(zhì)為左旋走滑。

圖3 緬甸地震前和震后的地殼形變時(shí)序圖(a)2011年3月東西分量;(b)2011年4月東西分量;(c)2011年3月南北分量;(d)2011年4月南北分量Fig.3 Time-sequence diagram of crustal deformation variation before and after Myanmar MS7.2 earthquake(a)EW-component in Mar.，2011;(b)EW-component in Apr.，2011;(c)SN-component in Mar.，2011;(d)SN-component in Apr.，2011

由于該地震發(fā)生在境外，沒有理想的觀測點(diǎn)來解釋這一地震過程，但該地震震級(jí)較大，周邊地區(qū)應(yīng)該會(huì)有所反應(yīng)。圖2和圖3a、c為震前圖像，圖3b、d為震后圖像，震前思茅一帶地區(qū)有較長時(shí)間內(nèi)存在著北向運(yùn)動(dòng)異常，最大達(dá)1.6 mm。震后思茅地區(qū)出現(xiàn)了明顯的震后變形，思茅地區(qū)測點(diǎn)沿瀾滄江斷裂向西北方向運(yùn)動(dòng)，應(yīng)該是發(fā)震斷層的左旋走滑運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致其右盤產(chǎn)生了北北東向推擠的結(jié)果。

(3)2011年6月騰沖5.2級(jí)地震與區(qū)域形變關(guān)系分析

2011年6月20日發(fā)生騰沖5.2級(jí)地震，從圖4可以看出 (2011－04－17～2011－06－17)，2011年4～5月，受到緬甸地震的影響，震后思茅、墨江以及小江斷裂一帶仍然表現(xiàn)為東向運(yùn)動(dòng)，省內(nèi)大部分區(qū)域表現(xiàn)為北向運(yùn)動(dòng)。5～6月期間，思茅一帶地區(qū)的北向運(yùn)動(dòng)已經(jīng)消失，轉(zhuǎn)向了南向正常運(yùn)動(dòng)，而騰沖、施甸、瑞麗一帶地區(qū)出現(xiàn)了明顯的北向運(yùn)動(dòng)，視為異常，且從東西分量來看，在大盈江斷裂的兩側(cè)出現(xiàn)了明顯的反向剪切運(yùn)動(dòng)，因此，我們認(rèn)為此次騰沖5.2級(jí)地震前存在明顯的形變異常。

(4)2011年8月騰沖5.2級(jí)地震與區(qū)域形變關(guān)系分析

圖4 2011年6月騰沖5.2級(jí)地震前形變量等值線圖(a)2011年5月東西分量;(b)2011年6月東西分量;(c)2011年5月南北分量;(d)2011年6月南北分量Fig.4 Contour map of deformation before Tengchong M5.2 earthquake(a)EW-component in May.，2011;(b)EW-component in Jun.，2011;(c)SN-component in May.，2011;(d)SN-component in Jun.，2011

2011年8月10日，騰沖再次發(fā)生了5.2級(jí)地震。由震前形變量等值線圖 (2011－06－10～2011－08－09)(圖5)可以看到，西南方向的擠壓應(yīng)力在6月發(fā)生騰沖5.2級(jí)地震后仍然存在，省內(nèi)除景東、思茅一帶為正常運(yùn)動(dòng)以外，其他地區(qū)均為東北或東南向運(yùn)動(dòng)。7～8月期間，騰沖一帶地區(qū)的北向運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，省內(nèi)東向運(yùn)動(dòng)區(qū)域擴(kuò)大，大盈江斷裂兩側(cè)東向和北向運(yùn)動(dòng)量均出現(xiàn)差異。因此，北東向的應(yīng)力加強(qiáng)，導(dǎo)致小滇西地區(qū)的持續(xù)受壓，壓力對(duì)不同區(qū)域產(chǎn)生的形變量差異是這一地震發(fā)生的主要原因。

圖5 2011年8月騰沖5.2級(jí)地震前形變量等值線圖(a)2011年7月東西分量;(b)2011年8月東西分量;(c)2011年7月南北分量;(d)2011年8月南北分量Fig.5 Contour map of deformation before Tengchong M5.2 earthquake in Aug.，2011(a)EW-component in Apr.，2011;(b)EW-component in Jun.，2011;(c)NS-component in Apr.，2011(d)NS-component in Jun.，2011

3 結(jié)論

(1)點(diǎn)位移計(jì)算的形變場變化速率有著比較明確的物理意義，能比較直觀了解區(qū)域應(yīng)力變化及塊體活動(dòng)，為GNSS觀測資料在地震預(yù)測預(yù)報(bào)的工作中的應(yīng)用提供了思路。

(2)緬甸7.2級(jí)地震和盈江5.8級(jí)地震之間存在著關(guān)聯(lián)性，緬甸地震前由于川滇菱形塊體的南向運(yùn)動(dòng)受阻，使得川滇菱形塊體位于滇西南地區(qū)的力量傳遞通道阻塞，同時(shí)，瑞麗、施甸一帶由于印度板塊側(cè)向擠壓加強(qiáng)，阻止了應(yīng)力的西南向卸載通道，因此，來自菱形塊體的運(yùn)動(dòng)全部沿騰沖、云龍一帶向西傳遞，造成了剪切應(yīng)力積累，引起了盈江5.8級(jí)地震，隨后發(fā)生了緬甸7.2級(jí)地震，可以認(rèn)為都是由于緬甸地震前的南向運(yùn)動(dòng)阻力加強(qiáng)所誘發(fā)。

(3)從以上震例的分析來看，盈江、緬甸以及騰沖兩次的地震前，都曾出現(xiàn)了周邊區(qū)域運(yùn)動(dòng)方向背離長趨勢的情況，這一現(xiàn)象說明了該區(qū)域周邊應(yīng)力均衡性被打破，這是地震發(fā)生的誘因，此現(xiàn)象可以作為判定某一區(qū)域地震危險(xiǎn)性的一個(gè)重要的指標(biāo)。當(dāng)某些區(qū)域存在明顯的剪切運(yùn)動(dòng)或者差異運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要注意這一區(qū)域發(fā)生地震的危險(xiǎn)性，當(dāng)然，地震是否發(fā)生還需要考慮該差異運(yùn)動(dòng)與斷層分布的關(guān)系。

(4)云南省內(nèi)受到的區(qū)域應(yīng)力的作用過程比較復(fù)雜，不同方向的應(yīng)力對(duì)省內(nèi)各個(gè)區(qū)域所產(chǎn)生的影響也不盡相同，應(yīng)力的傳遞方式多種多樣，由于目前GNSS站運(yùn)行時(shí)間比較短，觀測數(shù)據(jù)積累不夠，對(duì)震例的總結(jié)也還不夠充分，需要在今后的工作中不斷的總結(jié)形變場變化與地震孕育之間的規(guī)律，才能更好的把握云南省內(nèi)地震的發(fā)生規(guī)律。

皇甫崗，陳颙，秦嘉政，等.2010.云南地震活動(dòng)性［M］．昆明:云南科技出版社.

江在森，馬宗晉，張希，等.2003.GPS初步結(jié)果揭示的中國大陸水平應(yīng)變場與構(gòu)造變形［J］．地球物理學(xué)報(bào)，46(3):352－358.

李強(qiáng)，游新兆，楊少敏，等.2012.中國大陸構(gòu)造變形高精度大密度GPS監(jiān)測—現(xiàn)今速度場［J］．中國科學(xué):地球科學(xué)，42(5):629－632.

李永莉，毛慧玲，王世芹，等.2010.云南地區(qū)強(qiáng)震前波速比、震源深度及中小地震活動(dòng)的特征［J］．地震研究，33(3):259－264.

劉虹，蘇有錦.2007.云南地區(qū)7級(jí)大震震源區(qū)地震活動(dòng)特征研究［J］．地震研究，30(1):18 －23.

毛玉平，韓新民，谷一山，等.2003.云南地區(qū)強(qiáng)震(M≥6)研究［M］．昆明:云南科技出版社.

牛之俊，王敏，孫漢榮，等.2005.中國大陸現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)速度場的最新觀測結(jié)果［J］．科學(xué)通報(bào)，50(8)，839－840.

王伶俐，邵德盛，洪敏，等.2012.云南省GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理參考框架研究［J］．地震研究，35(4):449－454.

張曉亮，江在森，王敏，等.2006.利用GPS連續(xù)站資料研究地殼運(yùn)動(dòng)與地震的關(guān)系［J］．大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，26(4):67－72.

張永志，吳小利，王衛(wèi)東，等.2010.基于GPS觀測的格林函數(shù)法研究汶川8.0級(jí)強(qiáng)震前構(gòu)造應(yīng)力場變化［J］．測繪學(xué)報(bào)，39(1):15－19.