基于多參數(shù)的滇東南地區(qū)跨斷層異常分析*

苑爭(zhēng)一，牛安福，趙 靜，閆 偉

(中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045)

0 引言

云南地處印度板塊與歐亞板塊中國(guó)大陸碰撞帶東緣，地震活動(dòng)頻度高、震級(jí)大、分布廣(皇甫崗等，2010)，是研究地殼運(yùn)動(dòng)與應(yīng)變積累及其與強(qiáng)震關(guān)系的熱點(diǎn)區(qū)域(魏文薪等，2012；周海濤等，2017)。1982年初以來(lái)，先后在川滇菱形塊體西南、東南邊界帶上建立了多個(gè)跨斷層形變監(jiān)測(cè)場(chǎng)地，用于監(jiān)測(cè)大地形變，分析強(qiáng)震孕育過(guò)程中斷層形變的發(fā)展演變過(guò)程。隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的不斷積累，對(duì)跨斷層數(shù)據(jù)的處理與分析研究也逐步深入。張超等(1981，1987)詳細(xì)推導(dǎo)了利用跨斷層基線、水準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算斷層運(yùn)動(dòng)走滑、張壓、垂直升降三分量的計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上，多位學(xué)者分析了斷層運(yùn)動(dòng)時(shí)間演化特征及其與地震活動(dòng)的關(guān)系。薄萬(wàn)舉等(1997)利用信息合成的方法提取了斷層的趨勢(shì)及短期變化信息；李臘月等(2013，2014)利用主成分分析的方法綜合分析了首都圈跨斷層形變資料；焦青和周俊萍(1998)利用跨斷層資料分析了斷層位移速率的動(dòng)態(tài)演化特征與強(qiáng)震的關(guān)系；李瑞莎等(2009)論證了川滇地區(qū)斷層活動(dòng)與地震的關(guān)系。另外，對(duì)預(yù)測(cè)指標(biāo)的構(gòu)建和應(yīng)用研究也越來(lái)越多元和系統(tǒng)化，張晶等(2011)采用斷層三維立體模型計(jì)算了斷層三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)而提出了斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比的概念；李瑞莎等(2013)根據(jù)斷層協(xié)調(diào)比的概念，討論了起點(diǎn)變化對(duì)協(xié)調(diào)比計(jì)算結(jié)果的影響，提出了移動(dòng)窗計(jì)算斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比的方法以及離散度評(píng)定指標(biāo)；張希等(2012)基于灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)，研究了鮮水河斷裂活動(dòng)特性與大震的關(guān)系。

以往的研究大都基于單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行單一尺度的區(qū)域地震危險(xiǎn)性分析，本文對(duì)前人提出的多種跨斷層異常分析方法進(jìn)行了整合，并重點(diǎn)對(duì)反應(yīng)斷層應(yīng)變狀態(tài)變化的斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比指標(biāo)進(jìn)行了改進(jìn)研究，在此基礎(chǔ)上梳理了云南地區(qū)最新的跨斷層數(shù)據(jù)，首先利用斷層活動(dòng)異常頻次(劉強(qiáng)等，2010)分析整個(gè)云南地區(qū)的強(qiáng)震背景；并重點(diǎn)計(jì)算了滇東南區(qū)域的斷層運(yùn)動(dòng)年速率變化、斷層運(yùn)動(dòng)主成分信息合成、斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比指標(biāo)，并結(jié)合震例對(duì)該區(qū)域的強(qiáng)震危險(xiǎn)性進(jìn)行了綜合分析。

1 云南地區(qū)斷層活動(dòng)異常頻次分析

近年來(lái)，云南地區(qū)多個(gè)跨斷層場(chǎng)地先后出現(xiàn)了大幅度的拉張、壓縮變化，斷層活動(dòng)加劇，異常變化顯著。針對(duì)多個(gè)場(chǎng)地異常發(fā)展變化的群體性、同步性特征與強(qiáng)震孕育的關(guān)系，劉強(qiáng)等(2010)提出了斷層形變異常參數(shù)，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：n為所用資料的總年數(shù)減去1；i表示年(i=1，2，…，n)；j表示月(j=1，2，…，12)；mi-1， j和mi， j分別為第i-1年和第i年的第j個(gè)月的觀測(cè)值；ti-1， j和ti， j為第i-1年和第i年的第j月觀測(cè)時(shí)間值；Ri， j為第i年第j個(gè)月的異常參數(shù)值。

筆者選取了持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、觀測(cè)較為完整的10個(gè)場(chǎng)地的水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)(表1)，計(jì)算了各測(cè)項(xiàng)的異常參數(shù)值，并以|Ri， j|>1作為異常閾值統(tǒng)計(jì)了斷層活動(dòng)異常頻次變化(圖1)。從圖1可以看出：自1982年觀測(cè)以來(lái)，云南及周邊地區(qū)有4組6.5級(jí)以上強(qiáng)震發(fā)生，均發(fā)生在異常頻次較高的時(shí)段后(5組高頻異常后2年左右有4組對(duì)應(yīng)了該區(qū)域的成組強(qiáng)震)，目前異常頻次較高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，整個(gè)云南地區(qū)的強(qiáng)震危險(xiǎn)性背景較強(qiáng)。

表1 云南地區(qū)跨斷層場(chǎng)地概況(據(jù)劉強(qiáng)等，2010)

圖1 1982年2月—2018年8月云南地區(qū)斷層活動(dòng)異常頻次與MS≥6.5強(qiáng)震對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 滇東南地區(qū)顯著跨斷層異常及滑動(dòng)速率變化分析

如圖2所示，滇東南地區(qū)存在多項(xiàng)顯著的跨斷層觀測(cè)異常，例如石屏基線2-1、2-3自2010年起呈現(xiàn)持續(xù)拉張變化，目前轉(zhuǎn)平且伴有短期壓縮變化；石屏水準(zhǔn)2-1、2-3自2013年起出現(xiàn)持續(xù)正斷活動(dòng)，目前速率變緩且伴有短期逆斷活動(dòng)變化；建水基線2-1在大幅拉張后出現(xiàn)回復(fù)趨勢(shì)；宜良基線1-2出現(xiàn)趨勢(shì)壓性異常并在低位震蕩變化；峨山水準(zhǔn)1-2在正斷背景下出現(xiàn)顯著的逆斷變化。

為了消除年變的影響，進(jìn)一步分析各場(chǎng)地速率變化異常特征，計(jì)算上述異常項(xiàng)的年滑動(dòng)速率(每個(gè)月一個(gè)值)及年平均滑動(dòng)速率(每年一個(gè)值)，如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，建水基線2-1拉張年平均速率，以及石屏基線2-3壓縮年平均速率持續(xù)增大，表明楚雄—建水?dāng)嗔褢?yīng)變積累不斷增強(qiáng)，其他場(chǎng)地變化不明顯。

圖2 滇東南地區(qū)顯著跨斷層形變異常

Fig.2 The significant fault deformation anomalies in Southeast Yunnan

圖3 滇東南地區(qū)顯著跨斷層異常場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)速率

3 滇東南區(qū)域斷層運(yùn)動(dòng)主成分信息合成

跨斷層觀測(cè)數(shù)據(jù)既包含斷層活動(dòng)的構(gòu)造信息，又包含季節(jié)、氣象和地下水資料等非構(gòu)造的干擾信息，而這些干擾信息往往具有一定的相關(guān)性。主成分分析方法(PCA)能將多個(gè)具有相關(guān)性的指標(biāo)(對(duì)應(yīng)于多個(gè)觀測(cè)臺(tái)站數(shù)據(jù))，分解成幾個(gè)相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)(信息不重疊，每個(gè)主成分可以單獨(dú)分析)，進(jìn)而通過(guò)貢獻(xiàn)率加權(quán)重組，得到能夠反映區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征的時(shí)間序列，在此基礎(chǔ)上更客觀地分析其變化和地震的關(guān)系。

在使用PCA對(duì)斷層運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息合成之前，首先利用同臺(tái)的水準(zhǔn)、基線數(shù)據(jù)及其與斷層的夾角信息計(jì)算斷層運(yùn)動(dòng)三分量，即走滑ΔS、張壓ΔP和垂直升降量ΔH(張超，1981)。選取圖4矩形框中的楚雄、峨山、建水、石屏、通海、尋甸、宜良7個(gè)臺(tái)站，分別計(jì)算其三維運(yùn)動(dòng)分量。圖5結(jié)果顯示，整個(gè)研究區(qū)域的運(yùn)動(dòng)具有較好的一致性，以右旋張性運(yùn)動(dòng)為主，正斷運(yùn)動(dòng)顯著。

分別將垂直升降、走滑、張壓分量代入PCA模型，計(jì)算了斷層運(yùn)動(dòng)沿3個(gè)正交方向上的PCA運(yùn)動(dòng)合成，其中垂直升降量的PCA信息合成結(jié)果與云南地區(qū)的強(qiáng)震對(duì)應(yīng)結(jié)果較好。如圖6所示，2007年6月3日云南寧洱6.4級(jí)地震、2014年10月7日云南景谷6.6級(jí)地震前，綜合指標(biāo)出現(xiàn)明顯的臺(tái)階，具體表現(xiàn)為“正斷活動(dòng)加劇—趨于平穩(wěn)—發(fā)震”的形態(tài)演化特征，目前的計(jì)算結(jié)果顯示該類變化不突出，該區(qū)域斷層正斷活動(dòng)加劇異常正在演化過(guò)程中。

圖4 滇東南地區(qū)斷層運(yùn)動(dòng)PCA合成臺(tái)站及震例選取范圍

圖5 滇東南地區(qū)7個(gè)場(chǎng)地?cái)鄬舆\(yùn)動(dòng)分解結(jié)果

圖6 滇東南地區(qū)垂向運(yùn)動(dòng)PCA合成

4 改進(jìn)斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比計(jì)算結(jié)果

張晶等(2011)從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)出發(fā)，推導(dǎo)出能夠反應(yīng)孕震及震后調(diào)整階段斷層運(yùn)動(dòng)相互協(xié)調(diào)程度和應(yīng)變積累狀態(tài)不同的參數(shù)——斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：f1，f2，f3為斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比；ΔP為張壓運(yùn)動(dòng)分量；ΔS為走滑運(yùn)動(dòng)分量；ΔH為垂直升降量。當(dāng)斷層處于自由蠕動(dòng)階段時(shí)，ΔS，ΔP，ΔH應(yīng)為穩(wěn)定值，協(xié)調(diào)比應(yīng)為常數(shù)；當(dāng)?shù)貧?yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，斷層有顯著應(yīng)變積累或斷層閉鎖時(shí)，斷層運(yùn)動(dòng)參數(shù)ΔS，ΔP，ΔH發(fā)生改變，偏離穩(wěn)定值，協(xié)調(diào)比參數(shù)將會(huì)偏離常數(shù)，此時(shí)斷層活動(dòng)的協(xié)調(diào)性較差。從以往的震例研究結(jié)果來(lái)看，該指標(biāo)能夠及時(shí)捕獲斷層運(yùn)動(dòng)的突變信息，具有較好的映震效能。

但是該指標(biāo)存在2個(gè)主要的問(wèn)題：其一，計(jì)算三維運(yùn)動(dòng)分量的過(guò)程中，由于起點(diǎn)選擇的不同，結(jié)果將產(chǎn)生較大差異；其二，協(xié)調(diào)比比值方向的不同，在分子分母相差較大的情況下，會(huì)造成“零值線”附近的異常判讀，使得“正反比”的圖像差別較大。李瑞莎等(2013)對(duì)第一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了論證和改進(jìn)，本文針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題提出了改進(jìn)方案，在此基礎(chǔ)上計(jì)算了滇東南各個(gè)跨斷層場(chǎng)地的斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比參數(shù)。

4.1 改進(jìn)斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比計(jì)算方法

斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比是利用斷層運(yùn)動(dòng)的張壓、走滑、垂直升降量?jī)蓛勺霰鹊玫降膮?shù)，比值的大小反應(yīng)了斷層應(yīng)變狀態(tài)的變化，與比值的方向無(wú)關(guān)。利用式(2)計(jì)算得到的3個(gè)斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比得到一個(gè)結(jié)果，我們把它稱為“正算”結(jié)果(圖7a)，并將比值方向倒置計(jì)算得到的計(jì)算結(jié)果稱之為“反算”結(jié)果(圖7b)，“正、反算”僅代表了比值的方向，理論上二者的結(jié)果應(yīng)該相同。然而計(jì)算結(jié)果顯示，兩種圖像在震前的形態(tài)差別較大，圖7a顯示在震前具有顯著的“離散化”現(xiàn)象，而圖7b顯示不顯著。這是由于當(dāng)分子和分母相差較大時(shí)，比值的方向?qū)τ诋惓５奶崛‘a(chǎn)生較大的影響，零值線附近的離散信息被壓制，隱藏在背景變化里，異常信息被“壓縮”。

圖7 麗江臺(tái)斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比正算(a)、反算(b)計(jì)算結(jié)果

Fig.7 The results of the forward(a)and reverse calculations(b)of the FCR in Lijiang station

為了避免上述的“比值方向性”問(wèn)題，我們對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行“對(duì)數(shù)變換”，計(jì)算公式如下：

Y=lgΔ[f-(f0-1)]=lg(f-f0+1)

(3)

式中：f為利用原始公式求得的斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比；f0為穩(wěn)定蠕滑狀態(tài)下的斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比。

令F=f-f0+1，則

lg(F)=-lg(1/F)

(4)

變換完成后的斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比沿“穩(wěn)定蠕滑協(xié)調(diào)比f(wàn)0”對(duì)稱分布，計(jì)算結(jié)果與比值方向無(wú)關(guān)，以麗江臺(tái)為例，試算結(jié)果顯示(圖8)：麗江地震前具有顯著的“離散化現(xiàn)象”。

圖8 改進(jìn)斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比原理(a)及麗江臺(tái)斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比正算結(jié)果(b)

4.2 滇東南地區(qū)斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比異常分析

為了定量評(píng)價(jià)斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比的離散化程度及隨時(shí)間的演化規(guī)律，我們定義累積離散度SDi(見(jiàn)式(4))，其計(jì)算公式如下：

(5)

式中：Yj為式(3)計(jì)算得到的j時(shí)刻的斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比；SDi為i時(shí)刻的斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比的累積標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)斷層運(yùn)動(dòng)偏離穩(wěn)定蠕滑趨于“非協(xié)調(diào)”變化時(shí)，斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比快速離散化，累積離散度呈現(xiàn)“斷差似變化”。

應(yīng)用上述指標(biāo)對(duì)云南地區(qū)的跨斷層觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)截至2018年7月。計(jì)算結(jié)果顯示，2018年8月13，14日通海2次5.0級(jí)地震前，滇東南地區(qū)的石屏和宜良臺(tái)的斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比近期出現(xiàn)明顯的“離散化”異常，同時(shí)累積離散度也出現(xiàn)了顯著的“斷差”異常(圖9)，表明該區(qū)域斷層運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)變化，發(fā)震緊迫性增大，雖然異常過(guò)程中發(fā)生了2018年8月13，14日的通海5.0級(jí)地震，但從異常的幅度和以往震例來(lái)看，目標(biāo)地震的震級(jí)較小，強(qiáng)震背景顯著，該區(qū)域仍存在發(fā)生6級(jí)以上地震的可能。

圖9 云南地區(qū)改進(jìn)斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比(a)及累積離散度(b)異常

5 結(jié)論與討論

云南地區(qū)的斷層活動(dòng)異常頻次計(jì)算結(jié)果表明，頻次高值與本地及周邊強(qiáng)震(M≥6.5)具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，近年來(lái)該區(qū)域斷層運(yùn)動(dòng)異常顯著，具有較強(qiáng)的強(qiáng)震發(fā)震背景。2018年8月13，14日通海5.0級(jí)地震發(fā)生后，通過(guò)對(duì)滇東南各個(gè)場(chǎng)地的跨斷層觀測(cè)進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)分解、PCA信息合成，筆者發(fā)現(xiàn)其計(jì)算結(jié)果與原始曲線變化具有較好一致性，均表明該區(qū)域自2012年以來(lái)，多個(gè)場(chǎng)地均出現(xiàn)顯著的拉張變化，區(qū)域正斷運(yùn)動(dòng)背景顯著；在此背景下，各異常臺(tái)站的運(yùn)動(dòng)速率的不同，顯示出同一構(gòu)造區(qū)內(nèi)不同斷層段的運(yùn)動(dòng)差異，這種運(yùn)動(dòng)差異有利于應(yīng)變積累，可能對(duì)地震具有一定的觸發(fā)作用。此外，改進(jìn)斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比的計(jì)算結(jié)果顯示，石屏、宜良臺(tái)出現(xiàn)了顯著的應(yīng)變狀態(tài)變化。

2018年8月13，14日通海5.0級(jí)地震前，滇東南地區(qū)存在多項(xiàng)顯著的跨斷層觀測(cè)趨勢(shì)異常，短期變化不顯著，盡管震前距離震中較近的石屏臺(tái)、宜良臺(tái)出現(xiàn)了顯著的斷層運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)比異常變化，但結(jié)合以往震例分析結(jié)果表明，各項(xiàng)異常仍在演化過(guò)程中，且尚未達(dá)到以往6級(jí)以上地震前的異常幅度和持續(xù)時(shí)間。綜上，滇東南地區(qū)的斷層運(yùn)動(dòng)異常幅度較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，2次通海5.0級(jí)地震震級(jí)較小，不能完全對(duì)應(yīng)給該區(qū)域的多項(xiàng)異常，滇東南地區(qū)的應(yīng)變積累還在持續(xù)，區(qū)域地震危險(xiǎn)性仍在增強(qiáng)。