垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率在川滇地區(qū)的應(yīng)用1

張　超 王世進(jìn) 王　寧 王生文 徐佳垚

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垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率在川滇地區(qū)的應(yīng)用1

張超 王世進(jìn) 王寧 王生文 徐佳垚

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

本文在研究形變趨勢(shì)累計(jì)率的基礎(chǔ)之上，對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了局部改進(jìn)，將跨斷層場(chǎng)地布設(shè)較多的川滇地區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，利用精密水準(zhǔn)測(cè)量分析該地區(qū)的垂直形變異常強(qiáng)度，并結(jié)合川滇地區(qū)震例開(kāi)展研究。分析發(fā)現(xiàn)強(qiáng)震發(fā)生前后一段時(shí)期，震中附近形變異常強(qiáng)度幾乎保持一致，但在震前（1、2個(gè)月左右）會(huì)發(fā)生較大改變，震后逐步恢復(fù)到與震前相同的情況；強(qiáng)震主要發(fā)生在形變異常強(qiáng)度值變化較大區(qū)域附近。垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率在中短期的映震效果較好。

垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率跨斷層測(cè)量精密水準(zhǔn)形變異常強(qiáng)度

引言

跨斷層形變測(cè)量是通過(guò)觀測(cè)布設(shè)在斷層兩側(cè)控制點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系，以監(jiān)測(cè)斷層（上、下盤(pán)）的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于控制點(diǎn)布設(shè)的位置，跨斷層測(cè)量能更容易、更直接地觀測(cè)到斷層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況。很多學(xué)者對(duì)跨斷層測(cè)量進(jìn)行了研究。張超（1981）將斷層上、下盤(pán)作為剛性塊體，從幾何學(xué)的角度進(jìn)行了研究，利用基線觀測(cè)數(shù)據(jù)、水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)得到斷層三維運(yùn)動(dòng)情況。薄萬(wàn)舉等（1998）在此基礎(chǔ)上，對(duì)八寶山斷裂帶上的跨斷層場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了處理，對(duì)該地區(qū)的斷層運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在一定區(qū)域內(nèi)跨斷層測(cè)量對(duì)異常形變監(jiān)測(cè)和震情預(yù)測(cè)研究有重要意義。張興飛（1992）針對(duì)跨斷層形變測(cè)量的特點(diǎn)，構(gòu)建了基于混合回歸理論的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理模型，該模型對(duì)地震前兆有較好的反映。焦青等（1998）利用華北和南北地震帶跨斷層流動(dòng)水準(zhǔn)和定點(diǎn)水準(zhǔn)觀測(cè)資料，研究了斷層垂直位移速率異常的空間分布以及震源區(qū)的逼近情況，發(fā)現(xiàn)通過(guò)研究斷層垂直位移速率預(yù)測(cè)地震是一種可行方法。張希等（2013）將自適應(yīng)控制理論引入斷層流動(dòng)形變分析中，通過(guò)構(gòu)建慢時(shí)變前兆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)5個(gè)典型場(chǎng)地資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其異常識(shí)別、異常分類(lèi)的判定較原始曲線更為直觀，與以往的形變指標(biāo)相比也有所改進(jìn)。張晶等（2011）從斷層受力運(yùn)動(dòng)方向入手，對(duì)斷層在一定外力作用下的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了不同的組合，形成斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比理論，分析了斷層活動(dòng)性質(zhì)和應(yīng)變積累狀態(tài)，對(duì)地震中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)有一定的參考意義。

基于跨斷層測(cè)量的研究基本上都是通過(guò)計(jì)算斷層的三維運(yùn)動(dòng)情況，然后對(duì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行發(fā)掘，發(fā)現(xiàn)異常，這些方法的最終目的都是為了尋找或確定某條斷層或某個(gè)場(chǎng)地附近斷層的運(yùn)動(dòng)變化機(jī)理，進(jìn)而開(kāi)展地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作。本文在該領(lǐng)域?qū)＜已芯康幕A(chǔ)上，深入研究垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率（陳兵等，2000），對(duì)其反映的物理機(jī)制以及區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)在中強(qiáng)震發(fā)生前后的變化規(guī)律進(jìn)行了進(jìn)一步研究，并得到了一些有用的結(jié)論。

1　基本原理

垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率是通過(guò)垂直形變時(shí)變曲線建立的一種可較明確地量化趨勢(shì)變化的判定方法。此方法以斷層總體速率變化絕對(duì)量為基礎(chǔ)，再根據(jù)斷層總的垂直活動(dòng)量判斷斷層運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，而且具有表征孕震應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空動(dòng)態(tài)演化的物理意義。

首先通過(guò)公式（1）獲得斷層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率（上盤(pán)相對(duì)下盤(pán)，上升為正）：

表示觀測(cè)值序列號(hào)，t為觀測(cè)序列所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，y表示t時(shí)刻上盤(pán)相對(duì)下盤(pán)觀測(cè)的高差值，v表示t時(shí)刻相鄰2期斷層的相對(duì)垂直形變速率。

為了排除干擾因素，更真實(shí)地計(jì)算斷層上、下盤(pán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，本文在計(jì)算斷層相對(duì) 運(yùn)動(dòng)速率時(shí)，首先將不同年份（序號(hào)為）相同月份（序號(hào)為）的速率值取平均得到，然后再在此基礎(chǔ)上，用每一年每一期的速率值（）減去每一期對(duì)應(yīng)的平均值獲取，稱之為總體性去周期，其中為年。具體見(jiàn)式（2）、（3）：

其中為參與計(jì)算測(cè)線的總觀測(cè)年數(shù)。

該想法啟發(fā)于大地水準(zhǔn)面的確定。與相鄰年同期觀測(cè)數(shù)據(jù)做差或較短觀測(cè)期間不同時(shí)間段（年）中相同期（年中月）取平均值獲取相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率的傳統(tǒng)方法相比，這樣做能夠更好地消除因環(huán)境等因素引起的長(zhǎng)短周期影響。

總體去周期后，那么以起算時(shí)刻（序號(hào)為，場(chǎng)地起始觀測(cè)年份<起算年份<最后觀測(cè)年份）至計(jì)算時(shí)刻（序號(hào)為、0所對(duì)應(yīng)年份和相應(yīng)的月份）這一時(shí)間段斷層總體垂直速率變 化量如下：

其中，一般情況下=-10。

依據(jù)（4）、（5）式，計(jì)算垂直形變趨勢(shì)性的量化標(biāo)準(zhǔn)，即（6）式，垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率。

如果斷層運(yùn)動(dòng)速率v為恒值，那么==0，即c為0/0型。為使c與實(shí)際物理情況相符，此情況下規(guī)定c=1。

另外，速率絕對(duì)幅度的大小及積累時(shí)間的長(zhǎng)短與相應(yīng)的地震強(qiáng)度和復(fù)發(fā)周期有關(guān)。強(qiáng)震孕育到一定程度后，會(huì)出現(xiàn)閉鎖、微破裂、預(yù)滑移等現(xiàn)象，必然對(duì)斷層形變的大小和方向產(chǎn)生影響，從而反映到c值的異常變化。

2　跨斷層觀測(cè)場(chǎng)地情況

基于以上原理，本文以川滇地區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，利用布設(shè)在重要斷裂帶上的跨斷層場(chǎng)地的水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了分析。

以下為川滇地區(qū)跨斷層流動(dòng)場(chǎng)地水準(zhǔn)資料觀測(cè)情況。各個(gè)場(chǎng)地、各條測(cè)線的觀測(cè)情況如表1，川滇地區(qū)跨斷層流動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)地分布情況如圖1。

表1　川滇地區(qū)在測(cè)流動(dòng)跨斷層場(chǎng)地情況表

續(xù)表

①說(shuō)明：例如下關(guān)測(cè)段12，即表示從上盤(pán)控制點(diǎn)1到下盤(pán)控制點(diǎn)2；2x-1x表示上盤(pán)2號(hào)新控制點(diǎn)到下盤(pán)新1號(hào)控制點(diǎn)，x代表新點(diǎn)。

上述場(chǎng)地中部分測(cè)線因場(chǎng)地環(huán)境改變或觀測(cè)墩（點(diǎn)）遭破壞等情況而停測(cè)或更改觀測(cè)路線的測(cè)段，以及未跨過(guò)斷層的測(cè)段并未列出。另外由于一些新建場(chǎng)地的觀測(cè)時(shí)間距現(xiàn)在較近，故這些場(chǎng)地的相關(guān)信息也未列出。

川滇地區(qū)跨斷層觀測(cè)場(chǎng)地多數(shù)建于20世紀(jì)80年代，主要分布在鮮水河斷裂帶、龍門(mén)山斷裂帶、安寧河-則木河斷裂帶以及小江斷裂帶等幾大斷裂帶上，其場(chǎng)地分布見(jiàn)圖1。場(chǎng)地位置用五角星標(biāo)注。

3　實(shí)驗(yàn)分析

川滇地區(qū)的觀測(cè)場(chǎng)地主要位于南北地震帶上，而南北地震帶是我國(guó)地震高發(fā)地區(qū)，擁有豐富的震例（劉辛中等，2015），因此作者選取該地區(qū)地震為樣本進(jìn)行分析。另外為彌補(bǔ)云南、四川跨斷層場(chǎng)地觀測(cè)周期不同以及因外界環(huán)境等因素造成的數(shù)據(jù)不全對(duì)計(jì)算的影響，在數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了3次樣條插值處理。其中，為獲取地震前后川滇地區(qū)垂直形變趨勢(shì)較為真實(shí)的變化情況，盡量選擇發(fā)震時(shí)間前后各個(gè)場(chǎng)地都有觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，對(duì)受外界條件影響或在核實(shí)異常過(guò)程中認(rèn)為存在質(zhì)量問(wèn)題的觀測(cè)數(shù)據(jù)不予采用，也盡量避免因插值造成的不必要誤差。

由于篇幅原因，基于第2章所列觀測(cè)場(chǎng)地的觀測(cè)資料僅對(duì)汶川地震、蘆山地震前后c值變化所反映的規(guī)律分別進(jìn)行討論，其中起算時(shí)間分別選為1998、2003年。

圖2中，（a）與（d）分別為汶川地震發(fā)生前4個(gè)月、震后2個(gè)月的垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率，（b）與（c）為地震發(fā)生前2個(gè)月、震后1個(gè)月的垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率?？梢钥闯觯氪ǖ卣鸢l(fā)生在垂直形變趨勢(shì)變化較大的區(qū)域附近，而地震前后，發(fā)震地附近的垂直形變趨勢(shì)發(fā)生較大改變（矩形框示意范圍），反映其附近斷層垂直形變異常強(qiáng)度改變較大。地震發(fā)生前2個(gè)月形變趨勢(shì)表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)平緩，即形變異常強(qiáng)度變小，而震后則逐漸恢復(fù)到與震前相同的情況。作者認(rèn)為，這種情況說(shuō)明發(fā)震地附近震前斷層的“正?！边\(yùn)動(dòng)趨勢(shì)受阻，導(dǎo)致斷層附近出現(xiàn)更為明顯的閉鎖現(xiàn)象，為地震的發(fā)生提供了必要條件。相關(guān)文獻(xiàn)（趙靜等，2012）也給出了類(lèi)似的觀點(diǎn)，進(jìn)一步說(shuō)明跨斷層水準(zhǔn)能夠較有效地反映地震前兆。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，作者發(fā)現(xiàn)在汶川地震發(fā)生后2個(gè)月（圖2（d））川滇地區(qū)的垂直形變異常強(qiáng)度與汶川地震發(fā)震前（圖2（b））的垂直形變異常強(qiáng)度極為相似，而通過(guò)查詢中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的地震目錄可以發(fā)現(xiàn)，在汶川地震發(fā)生2個(gè)多月后，即2008年7月24日，汶川主震震中東北方約250km處的廣元發(fā)生了6.0級(jí)強(qiáng)余震（鄭勇等，2009；溫瑞智等，2009）。需要說(shuō)明的是，川滇地區(qū)跨斷層觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間主要集中在每個(gè)觀測(cè)月的中上旬，故圖2（d）顯示的為廣元地震發(fā)生前該地區(qū)的垂直形變異常強(qiáng)度，這從另一個(gè)方面（形變學(xué)）說(shuō)明跨斷層手段所反映的垂直形變異常強(qiáng)度具有較好的映震能力。

圖3中，（a）、（b）分別為該地區(qū)發(fā)震前6個(gè)月和1個(gè)月的垂直形變趨勢(shì)圖，（c）、（d）為震后1個(gè)月和2個(gè)月的垂直形變趨勢(shì)圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)蘆山地震的發(fā)震地同樣處于垂直形變趨勢(shì)變化較大（即垂直形變異常強(qiáng)度值變化較大，主要集中在震中東南方向，矩形框示意范圍）的地區(qū)附近。川滇地區(qū)2012年9月份與2013年5月、6月的垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率幾乎保持一致，而該地區(qū)2013年3月較2012年9月的垂直形變累計(jì)率發(fā)生了較大改變，即斷層垂直形變異常強(qiáng)度值改變較大，隨即2014年4月20日在該區(qū)域便發(fā)生S6.7蘆山地震。

總的來(lái)說(shuō)，垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率在以下2方面有較好的效果：①?gòu)牡卣鸢l(fā)生的位置上來(lái)看，發(fā)震地一般都處于斷層形變異常強(qiáng)度值改變較大的地區(qū)，地震發(fā)生前斷層附近的垂直形變異常強(qiáng)度有突然變緩或加劇的趨勢(shì)；②從地震前后應(yīng)變能變化的角度研究，地震發(fā)生前應(yīng)變能大量累積，地震發(fā)生后得到釋放，但還處于平衡自適應(yīng)階段，震后一段時(shí)間應(yīng)變能達(dá)到平衡，使其與震前相當(dāng)，較好地反映了地震孕震、發(fā)震以及震后平靜期的應(yīng)變能變化過(guò)程（許昭永等，2015）。

4　討論

通過(guò)分析川滇地區(qū)的震例，得到了幾方面認(rèn)識(shí)：從時(shí)間角度看，地震發(fā)生前后，川滇地區(qū)跨斷層場(chǎng)地附近垂直形變異常強(qiáng)度幾乎維持不變；從空間位置角度看，地震（中強(qiáng)震）主要發(fā)生在垂直形變異常強(qiáng)度較大地區(qū)或者其邊緣及附近；從震級(jí)角度來(lái)看，較大震級(jí)的地震在震前的異常形變強(qiáng)度值變化比較小震級(jí)地震更為明顯，但目前缺少更為確切的依據(jù)，需要開(kāi)展進(jìn)一步研究?？傮w來(lái)說(shuō)，垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率在時(shí)間和空間上對(duì)中短期地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能夠發(fā)揮不錯(cuò)的效果，但對(duì)于短臨預(yù)報(bào)，由于數(shù)據(jù)采集頻率以及跨斷層場(chǎng)地分布情況的影響，該手段的有效性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。另外，該方法需要足夠的監(jiān)測(cè)場(chǎng)地密度，否則僅從單個(gè)跨斷層場(chǎng)地的垂直形變趨勢(shì)變化速率以及趨勢(shì)變化幅度分析，會(huì)因缺少斷層運(yùn)動(dòng)的整體性判斷而更加難以獲得真實(shí)的空間異常變化特征，因此對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的幫助可能較小。地震發(fā)生過(guò)程是應(yīng)變能積累-釋放-再積累的過(guò)程，因此在選用垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率方法時(shí)，起算時(shí)間的選擇也是不可忽略的因素之一。

致謝：感謝2位審稿人對(duì)本文的悉心指導(dǎo)，提出的建議對(duì)本文質(zhì)量提升有很大幫助。本文所使用的跨斷層觀測(cè)數(shù)據(jù)為一線觀測(cè)人辛苦所得以及兄弟單位慷慨提供，在此一并感謝。

薄萬(wàn)舉，謝覺(jué)民，郭良遷，1998．八寶山斷裂帶形變分析與探討．地震，18（1）：63—68．

陳兵，江在森，胡斌，2000．?dāng)鄬有巫冓厔?shì)變化研究——垂直形變趨勢(shì)累積率c值．地震地磁觀測(cè)與研究，21（1）：50—55．

焦青，周俊萍，1998．跨斷層垂直位移速率的動(dòng)態(tài)演化特征與強(qiáng)震的關(guān)系．地震，18（3）：265—273．

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The Application of the Accumulation Rate of Vertical Deformation Trend in the Sichuan-Yunnan Region

Zhang Chao, Wang Shijin, Wang Ning, Wang Shengwen and Xu Jiayao

(The First Crust Monitoring and Application Center, CEA, Tianjin 300180, China)

Based on the study of the cumulative rate of vertical deformation trend, the data processing method is modified partially, and the Sichuan-Yunnan region with more cross-fault site is taken as experimental area. The intensity of vertical deformation anomalies from precision leveling is analyzed. The results show that the intensity of deformation anomalies near the epicenter remains almost the same in a period before and after the occurrence of strong earthquakes, but the great change may take place one and two months before and after the earthquake. Then, it would gradually recover to the original situation. We also found that strong earthquakes occur mainly near the regions where the values of anomalous intensity change greatly. The reflect effect of accumulative rate of the vertical deformation tendency is good in the short to medium term.

The accumulation rate of vertical deformation trend; Cross-over fault measurement; Precise leveling; Intensity of deformation anomalies

1基金項(xiàng)目 科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)（2015FY210400），中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心主任基金（FMC2015006），中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、科研三結(jié)合課題（CEA-JC/3JH163703）共同資助

2016-07-11

張超，男，生于1987年。碩士研究生，助理工程師。主要從事區(qū)域地殼形變數(shù)據(jù)處理與方法等研究。E-mail：875011229@qq.com

張超，王世進(jìn)，王寧，王生文，徐佳垚，2017．垂直形變趨勢(shì)累計(jì)率在川滇地區(qū)的應(yīng)用．震災(zāi)防御技術(shù)，12（2）：329—337． doi：10.11899/zzfy20170209