魯?shù)镸S6.5地震前昆明地震臺定點形變觀測異常分析

常玉巧錢文品楊仁華姚休義

1）中國云南650204昆明基準地震臺

2）中國昆明650224云南省地震預(yù)報研究中心

魯?shù)镸S6.5地震前昆明地震臺定點形變觀測異常分析

常玉巧1）錢文品1）楊仁華1）姚休義2）

1）中國云南650204昆明基準地震臺

2）中國昆明650224云南省地震預(yù)報研究中心

2014年8月3日魯?shù)镸S6.5地震前，昆明地震臺形變觀測4個分量出現(xiàn)短臨異常，排除降雨干擾，結(jié)合發(fā)震斷裂性質(zhì)及相關(guān)研究，分析定點形變異常與該地震前地殼活動的內(nèi)在聯(lián)系。分析認為，魯?shù)?.5級地震前1—2個月，昆明地震臺定點形變觀測資料異常較為顯著，洞體應(yīng)變NS分量異常突出，是定點形變投入觀測以來的顯著異常；形變觀測資料異常特征與魯?shù)榈卣鸢l(fā)震斷裂性質(zhì)吻合較好；NS分量和EW向分量較好記錄了此次魯?shù)榈卣餘NW—SSE向包谷垴—小河左旋走滑斷裂和NEE—SWW向破裂斷層的震前活動過程。

魯?shù)?.5級地震；定點形變；異常；包谷垴—小河斷裂

0 引言

地震是地殼介質(zhì)在構(gòu)造應(yīng)力長期作用下，某些特殊部位能量長期積累和突然釋放的結(jié)果（張燕等，2009）。地震孕育經(jīng)歷了應(yīng)變能線性積累、非線性積累和巖石破裂3個階段（馮建琴等，2013）。研究表明，大震前發(fā)震斷層往往出現(xiàn)預(yù)滑動（周碩愚等，2009；馮建琴等，2013），是大地震斷層大破裂前的慢破裂或預(yù)位移，也是地震前兆異常的物理基礎(chǔ)（朱航，2003）。預(yù)滑動引起的地殼活動被地震前兆儀器記錄，通過分析各種地震觀測數(shù)據(jù)，提取有關(guān)異常，進而分析地震發(fā)生的可能性。

定點形變觀測精度高，資料連續(xù)完整，較好記錄了地殼運動的動態(tài)過程，同時保存了各種與地震相關(guān)的前兆異常信息（張燕等，2009；史繼平等，2015）。對可能屬于地震短臨階段的異常記錄進行深入研究，有助于推進地震短臨預(yù)測研究進展（楊又陵等，2004）。

對昆明基準地震臺（以下簡稱昆明臺）定點形變（SS-Y型洞體伸縮儀和DSQ型水管傾斜儀）觀測資料進行分析，發(fā)現(xiàn)多次中強地震前存在值得關(guān)注的異?，F(xiàn)象?，F(xiàn)以2014年8月3日16點30分魯?shù)镸S6.5地震為例，重點分析昆明臺洞體伸縮儀和水管傾斜儀兩套定點形變觀測儀器記錄的地震前兆異常，并探討異常與該地震的內(nèi)在聯(lián)系，以期通過分析定點形變觀測資料，初步識別地震短臨異常，為地震預(yù)測提供參考。

1 觀測背景

1.1 臺站背景參數(shù)

昆明臺位于昆明北郊黑龍?zhí)豆珗@北側(cè)沖溝東部，設(shè)有測震、形變和地下流體測項，定點形變于2007年7月投入觀測，觀測資料能清晰記錄到形變固體潮。昆明臺東距小江活動斷裂帶約40 km，西離普渡河—西山左旋走滑斷裂60 km，南為云南山字型前弧地震帶，東側(cè)出露近NS走向的黑龍?zhí)丁俣勺笮呋瑪嗔眩▓D1）。昆明臺臺基系二疊系石灰?guī)r，基巖完整而堅硬，全長150 m，觀測條件優(yōu)良。最長徑深47 m，覆蓋層厚度30—50 m，植被為灌木和雜木。儀器室溫度年變化小于0.5℃，日變化小于0.1℃，氣壓年變化小于20 hPa，相對濕度大于93%。形變山洞安裝水管儀和伸縮儀，具體參數(shù)見表1。

圖1　昆明臺地震構(gòu)造位置（據(jù)程佳等，2014）Fig.1 The seismotectonic setting of Kunming Seismic Station（modified from Cheng Jia et al，2014）

表1　昆明臺形變儀器基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of deformation instrument at Kunming Seismic Station

1.2 觀測資料

對比分析昆明臺定點形變觀測資料，認為形變數(shù)據(jù)曲線年度正常變化形態(tài)符合正弦規(guī)律（圖2），具有正常年變規(guī)律，觀測資料基本可靠。年變規(guī)律反映了太陽輻射導(dǎo)致的地層膨脹與收縮隨季節(jié)更替而變化，表現(xiàn)為傾斜變化和伸縮變形，從而被地面儀器所記錄（孫毅等，2003）。

2014年云南省地震活動性顯著增強，發(fā)生9次5.0級以上地震，其中6.0級以上地震3次（圖3）。對昆明臺水管傾斜和洞體伸縮測項的觀測資料形態(tài)進行系統(tǒng)分析，認為中強地震前1—2個月，形變觀測資料會出現(xiàn)不同程度的固體潮畸變、階躍、趨勢轉(zhuǎn)折、加速變化或破年變等地震前兆異常（圖3）。

圖2　昆明臺2011—2014年洞體應(yīng)變觀測曲線Fig.2 Observation curve of the extensometer at Kunming Seismic Station from the year 2011 to 2014

圖3　昆明臺2014年定點形變觀測整點值與中強地震（a）洞體NS分量；（b）水管EW分量Fig.3 Hourly observation curve of deformation for moderate earthquake at Kunming Seismic Station in 2014

2 形變觀測異常分析

2014年8月3日16時30分云南省魯?shù)榭h發(fā)生MS6.5地震，震中（27.1°N，103.3°E），震源深度12 km。昆明臺位于震中SSW向，震中距約225 km，該地震前定點形變短期異常顯著。

2.1 水管傾斜觀測異常

2.1.1 EW分量。魯?shù)镸S6.5地震發(fā)生前，水管儀EW分量于2014年7月1日開始加速上升，8—11日變緩，12日—13日階躍約135 ms，13—18日轉(zhuǎn)而下降，19日恢復(fù)正常年變形態(tài)，見圖4（a）。以上變化表明，震前17—35天（2014年7月1日—18日），昆明地區(qū)地殼微觀運動表現(xiàn)為：7月1日東傾加速，13—18日轉(zhuǎn)折為短暫西傾，19日恢復(fù)正常，15天后發(fā)生地震。

圖4　2014年6月1日—8月10日水管傾斜觀測分鐘值曲線Fig.4 Minutely value of water tube tilt meter from June 1 to August 10 in 2014

2.1.2 NS分量。水管儀NS分量2014年6月6日—7月12日破年變，加速下降（南傾），7月13日—26日緩慢回升（北傾），7月27日出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，在緩慢下降過程（7天后）發(fā)生地震，見圖4（b）。

2014年6—7月昆明臺水管儀NS、EW分量異常表明，昆明地區(qū)地殼應(yīng)力處于不平衡狀態(tài)，應(yīng)力調(diào)整引起觀測數(shù)據(jù)異常。

2.2 洞體應(yīng)變觀測異常

2014年昆明臺洞體應(yīng)變觀測資料異常顯著，且與中強地震具有較好的對應(yīng)關(guān)系。特別是魯?shù)镸S6.5地震前，洞體應(yīng)變NS分量異常突出［圖3（a）］。

2.2.1 EW分量。2014年6月27日—7月4日洞體EW分量短暫破年變，加速壓縮，7月5日—14日出現(xiàn)拉伸量高達2 766×10-10的階躍，15日—29日曲線趨于平緩，基本停駐在同一水平，30日后恢復(fù)正常年變，緩回升，5天后于8月3日魯?shù)榘l(fā)生地震［圖5（a）］。

2.2.2 NS分量。昆明臺洞體NS分量觀測曲線2014年5月相繼出現(xiàn)兩次破年變異常，5月下旬盈江相繼發(fā)生中強地震3次：5月24日5.6級地震、5月30日5.1級、6.1級地震［圖3（a）］；6月觀測曲線未恢復(fù)正常年變，不時出現(xiàn)小幅階躍；7月觀測曲線形態(tài)表現(xiàn)為顯著的固體潮畸變、大幅度階躍、頻繁趨勢轉(zhuǎn)折等異常，其中：7月7日出現(xiàn)2 765×10-10的階躍，7月12日—17日出現(xiàn)5 512×10-10大幅階躍，并快速回落，曲線嚴重畸變，兩次大幅階躍及回落過程形成兩個較大尖峰異常，是昆明臺定點形變投入觀測以來的顯著異常［圖5（b）］。

圖5　2014年6月1日—8月10日洞體應(yīng)變觀測分鐘值曲線Fig.5 Minutely value of cave strain at Kunming Seismic Station from June 1 to August 10 in 2014

2.3 降雨干擾

由降雨量分布可知，昆明每年6—10月為雨季豐水期［圖6（c）］。將2011—2013年昆明臺水管傾斜NS分量和洞體應(yīng)變NS分量觀測曲線與降雨量曲線對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，隨著降雨量的增加，昆明臺形變觀測略有加速變化，但能很快恢復(fù)年變，且降雨量增加引起的形變觀測變化通常具有一致性，即同向性（圖6）。2014年昆明臺洞體形變觀測異常比較突出，幅度較往年大，甚至反復(fù)無常。與往年降雨對其影響的程度相比，基本沒有一致性，更無規(guī)律可言，見圖6。

在魯?shù)?.5級地震發(fā)生前，昆明臺形變觀測異常出現(xiàn)的6—7月間，昆明地區(qū)正值雨季，累計降雨量達230.5 mm，當時把異常歸因于降雨。6月28日和7月12日降雨量相近，分別為33.5 mm和36.7 mm。然而，觀察形變各分量曲線形態(tài)，發(fā)現(xiàn)6月28日強降雨對形變觀測資料影響程度有限（圖7）。因此，筆者認為，7月7日和7月12日的強降雨雖然對形變觀測有一定影響，但不可能造成大幅異常。綜合分析認為，觀測數(shù)據(jù)異常很大程度上是地殼微觀活動體現(xiàn)，即屬于地震前兆異常。

圖6　2011—2014年昆明臺形變觀測曲線與同期降雨量（a）洞體NS分量；（b）水管NS分量；（c）降雨量Fig.6 The relation of deformation and precipitation at Kunming Seismic Station from 2011 to 2014

圖7　2014年6月1日—8月10日洞體NS分量觀測曲線與同期降雨量（a）洞體NS分量；（b）降雨量Fig.7 The relation of NS component of cavity strain and precipitation of Kunming Seismic Station from June 1 to August 10， 2014

2.4 形變異常與地震活動性對比

2014年云南中強地震活動性顯著增強，為分析形變異常與地震活動的對應(yīng)關(guān)系提供了有利條件。為了探討昆明臺形變資料映震能力，選取2014年5月30日盈江6.1級地震、8月3日魯?shù)?.5地震、8月17日永善5.0級地震和10月7日景谷6.6級地震進行形變異常對比分析（圖8）。

通過對比分析，由圖4可見，以上4次中強地震前昆明臺形變資料均出現(xiàn)相應(yīng)異常，具體表現(xiàn)為：①水管儀NS分量出現(xiàn)加速變化，在加速過程或加速后恢復(fù)階段發(fā)震，見圖8（a）；②地震多發(fā)生在水管儀EW分量加速上升過程中，魯?shù)榈卣鹎斑€出現(xiàn)了明顯階躍異常，見圖8（b）；③洞體NS分量在地震前1個月內(nèi)，均出現(xiàn)1次或多次伸縮交替變化，曲線上升與下降幅度不盡相同，大致與震級正相關(guān)，見圖8（c）；④洞體EW分量在地震前30—40天，均出現(xiàn)幅度相當?shù)碾A躍異常，階躍量約（2 300—3 500）×10-10，見圖8（d）。

目前無定量方法確定形變異常與地震的對應(yīng)關(guān)系，但形變異常的映震效果顯而易見。通過以上定性及半定量分析，認為昆明臺形變資料的映震能力較強，對云南省中強地震映震效果較好。

圖8　形變異常與地震活動對比（a）水管NS分量；（b）水管EW分量；（c）洞體NS分量；（d）洞體EW分量Fig.8 The relation of deformation anomalies and earthquake activity

2.5 魯?shù)榈卣甬惓Ｌ卣?/p>

2014年8月3日魯?shù)?.5級地震前，昆明臺定點形變觀測數(shù)據(jù)異常較為顯著，洞體NS分量異常尤為突出。水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)在此次地震前1月左右出現(xiàn)了明顯異常。

魯?shù)?.5級地震前約1個月，昆明臺水管儀EW分量開始加速東傾，其間出現(xiàn)短暫西傾后恢復(fù)，15天后發(fā)生地震。水管儀NS分量震前2個月出現(xiàn)破年變異常，加速南傾，其間經(jīng)歷短期恢復(fù)和破年變，恢復(fù)過程中發(fā)生地震。由此可知，2014年6—7月昆明地區(qū)地殼應(yīng)力處于不平衡狀態(tài)，水管儀觀測數(shù)據(jù)異?？赡苁菓?yīng)力調(diào)整的微觀表現(xiàn)。

相對于水管傾斜觀測，洞體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)異常較為顯著。洞體應(yīng)變EW分量震前1個月出現(xiàn)短暫破年變的階躍，恢復(fù)階段發(fā)生地震；洞體應(yīng)變NS分量觀測曲線震前1個月開始出現(xiàn)顯著的固體潮畸變、大幅度階躍、頻繁趨勢轉(zhuǎn)折等異常，伴隨2次大幅階躍，并快速回落，是昆明臺定點形變投入觀測以來的顯著異常。

水管儀傾斜數(shù)據(jù)記錄地殼運動的垂直分量，而洞體應(yīng)變資料反映地殼運動的水平分量。昆明臺形變資料顯示，洞體應(yīng)變資料異常較水管傾斜資料顯著，究其原因，可能與其所指示的未來地震活動性質(zhì)息息相關(guān)。

根據(jù)目前的研究成果，多數(shù)觀點認為，魯?shù)?.5級地震的主震斷裂為包谷垴—小河斷裂，該斷裂是一條高角度左旋走滑斷裂（房立華等，2014；徐錫偉等，2014；張勇等，2014，2015）?？梢?，發(fā)震斷裂活動以走滑為主，垂向滑動量較小，即水平運動占據(jù)主導(dǎo)地位。可見，發(fā)震斷裂性質(zhì)與昆明臺形變觀測資料異常特征吻合較好，以上異常與此次地震關(guān)系密切，可以作為前兆異常信息進行深入研究。

3 形變異常區(qū)域構(gòu)造意義

2014年8月3日魯?shù)?.5級中強地震余震分布復(fù)雜，其發(fā)震斷裂和破裂過程極具爭議（張勇等，2014）。中國地震局發(fā)布此次地震發(fā)震構(gòu)造圖及相關(guān)研究指出，地震發(fā)生在南北地震帶中南段安寧河—則木河—小江斷裂帶東側(cè)NE向昭通—蓮峰斷裂帶內(nèi)，發(fā)震構(gòu)造為NW向包谷垴—小河斷裂，該斷裂切割NE向昭通—魯?shù)閿嗔眩瑸槠浯渭墮M向斷裂（圖1）。主震及4級強余震震源機制結(jié)果顯示，主破裂面為NW向節(jié)面，主震斷裂——包谷垴—小河斷裂發(fā)生高傾角左旋走滑從而引發(fā)地震。

張勇等（2015）對余震體波資料進行反演，認為此次魯?shù)榈卣鹗窃贜W向主壓應(yīng)力與NE向主張應(yīng)力的統(tǒng)一應(yīng)力場下發(fā)生的兩條共軛斷層先后破裂的復(fù)雜地震事件。破裂首先發(fā)生在NEE—SWW向（走向257°）右旋走滑斷層上，而后沿NNW—SSE向（走向162°）包谷垴—小河左旋走滑斷裂發(fā)生主破裂。NNW—SSE向斷層以東形成向北的推擠作用，以西主震破裂形成向南的拉伸作用。兩條共軛斷層上的破裂相對獨立擴展，NEE—SWW向斷層的破裂主要向淺地表處延伸，而NNW—SSE向斷層上的破裂則朝地表和SSE向傳播。

昆明臺與震中連線走向近NS向（偏東），與昆明臺形變的NS分量基線近于平行（圖1）。結(jié)合前述定點形變異常的特征，推測昆明臺定點形變NS、EW向分量動態(tài)分別記錄了此次魯?shù)榈卣餘NW—SSE向和NEE—SWW向破裂斷層的震前活動過程。認為此次魯?shù)?.5級地震過程中，包谷垴—小河左旋走滑斷裂和昭通-魯?shù)閿嗔讯加谢顒拥目赡?。這一結(jié)果很好的支持了張勇等（2015）的研究結(jié)果。昆明臺洞體應(yīng)變NS向異常幅度最大且最不穩(wěn)定，顯示了較為復(fù)雜的應(yīng)力調(diào)整過程，說明該方向地殼活動較為劇烈，NNW—SSE向包谷垴—小河斷裂破裂釋放大量地震矩可能與此有關(guān)。魯?shù)榈貐^(qū)區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場表現(xiàn)為水平作用為主的SEE—SE方向壓應(yīng)力作用（樊躍新等，2007）。昆明臺洞體應(yīng)變EW分量震前加速拉伸，與區(qū)域壓應(yīng)力為主的應(yīng)力場相悖，指示區(qū)域性地殼應(yīng)力場局部出現(xiàn)反轉(zhuǎn)異常，地殼變形由壓縮轉(zhuǎn)為伸展。

4 結(jié)論

2014年8月3日魯?shù)?.5級地震前，昆明臺定點形變觀測資料出現(xiàn)前兆異常，結(jié)合發(fā)震構(gòu)造破裂和區(qū)域應(yīng)力特征，分析二者之間內(nèi)在聯(lián)系。

（1）魯?shù)?.5級地震發(fā)生前約2個月，昆明臺形變觀測出現(xiàn)明顯前兆異常，洞體NS分量異常較突出，且形變異常特征與此地震發(fā)震斷裂性質(zhì)一致性較好。

（2）強降雨對形變觀測有一定影響，大幅異?？赡転榈貧の⒂^活動表現(xiàn)，甚至可能是地震前兆異常。

（3）昆明臺定點形變NS、EW分量動態(tài)較好記錄了此次魯?shù)榈卣餘NW—SSE向和NEE—SWW向破裂斷層的震前活動過程。洞體應(yīng)變EW分量震前加速拉伸，指示地殼變形由壓縮轉(zhuǎn)為伸展，而其NS分量突出異常是地殼活動加劇變化的表征，可能與發(fā)震斷裂活動有關(guān)。

（4）地震發(fā)生前昆明臺洞體應(yīng)變整體趨勢上升，局部異常突出、伸縮交替顯著，可能與復(fù)雜的發(fā)震斷裂活動有關(guān)。

定點形變觀測較好記錄了地殼運動的動態(tài)過程，同時保存了諸多地震前兆異常信息。綜合分析各類定點形變觀測異常性質(zhì)及分布特征，將識別出的異常轉(zhuǎn)換為可能的構(gòu)造活動形式，乃至反推地殼應(yīng)力狀態(tài)，并與常見發(fā)震活動斷裂及區(qū)域應(yīng)力場對比，可為地震預(yù)測提供有力依據(jù)。

山東省地震局李杰研究員和中國地震局地震研究所呂品姬副研究員給予諸多指導(dǎo)，并提出寶貴修改意見，在此表示感謝。

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Abstract

In order to find abnormality with Ludian MS6.5 earthquake occurred on August 3，2014.We analyze observational data of fix-point deformation include water tube tiltmeter and extensometer at Kunming Seismic Station which has NS and EW components.The result showed that there was an obvious abnormality about 1—2 months before earthquake.The NS component of extensometer presented process of rising and falling sharply，which has recorded the process of rupture of NNW—SSE Baogunao—Xiaohe fault which appear to left-lateral strike—slip faulting and NEE—SWW fault before earthquake combined with EW component.We thought the obvious abnormality of water tube tiltmeter and extensometer related to Ludian earthquake.

About abnormal characteristics of deformation data before Ludian MS6.5 earthquake at Kunming Seismic Station

Chang Yuqiao1），Qian Wenpin1），Yang Renhua1）and Yao Xiuyi2）
1） Kunming Fiducial Seismic Station，Yunnan Province 650204，China
2） Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，China

Ludian MS6.5 earthquake，fix-point deformation，abnormality，Baogunao —Xiaohe fault

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.021

常玉巧（1988—），女，助理工程師，2013年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（北京），獲構(gòu)造地質(zhì)學(xué)碩士學(xué)位，主要從事前兆觀測與預(yù)報研究工作。E-mail： 349797655@qq.com