川滇地區(qū)主要活動(dòng)斷裂運(yùn)動(dòng)特征及地震危險(xiǎn)性分析

田 曉 鄭洪艷 李臘月 張 超

1 中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津市耐火路7號(hào)，300180

川滇地區(qū)位于青藏高原東南緣，活動(dòng)斷裂眾多，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，是我國(guó)地震活動(dòng)最頻繁的地區(qū)之一[1-2]。受印度洋板塊碰撞及華南塊體的阻擋作用，川滇菱形塊體發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其東邊界鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶、小江斷裂帶表現(xiàn)為高速左旋走滑運(yùn)動(dòng)，這些斷裂控制著該地區(qū)的強(qiáng)震及大震活動(dòng)[3]。從20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始已有川滇地區(qū)跨斷層形變觀測(cè)的研究，目前已積累豐富的跨斷層觀測(cè)資料。利用跨斷層資料研究震前斷層形變異常特征一直是地震研究的重要內(nèi)容，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行相關(guān)研究[4-16]。部分學(xué)者利用跨斷層形變資料獲取了鮮水河斷裂帶的運(yùn)動(dòng)特征及其與地震的關(guān)系[4-9]，并提出多種分析斷層形變異常指標(biāo)的方法，如小波變換法[4-5]、主成分分析法[5-6]、灰色關(guān)聯(lián)度法[8-9]等。以往對(duì)川滇地區(qū)的研究主要集中在鮮水河斷裂帶，對(duì)其他地區(qū)的研究較少，且相關(guān)研究方法仍有改進(jìn)之處。因此，本文利用1980～2019年跨斷層形變資料，基于斷層三維運(yùn)動(dòng)模型和改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度方法研究川滇地區(qū)主要活動(dòng)斷裂的運(yùn)動(dòng)特征及地震危險(xiǎn)性。

1 數(shù)據(jù)和處理方法

選取川滇地區(qū)1980～2019-10跨斷層形變觀測(cè)資料進(jìn)行分析，其中四川省選取5處水準(zhǔn)基線綜合觀測(cè)場(chǎng)地和5處水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地，云南省選取11處水準(zhǔn)基線綜合觀測(cè)場(chǎng)地(圖1)，所有跨斷層場(chǎng)地每年均觀測(cè)12期。

圖1 川滇地區(qū)跨斷層場(chǎng)地分布Fig.1 Distribution of fault-crossing sites in Sichuan-Yunnan region

1.1 斷層運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

在弱形變情況下可近似認(rèn)為斷層兩盤(pán)為剛體，因此跨斷層場(chǎng)地的基線長(zhǎng)度和水準(zhǔn)高差變化量可反映斷層在水平和垂直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)測(cè)線與斷層的幾何關(guān)系，由測(cè)線上下盤(pán)兩點(diǎn)的基線長(zhǎng)度變化可推算出沿?cái)鄬幼呦虻乃阶呋喀和垂直于斷層走向的水平張壓量ΔD，由水準(zhǔn)高差變化可計(jì)算出斷層垂向變化量ΔH，計(jì)算公式[8-9,16]為：

(1)

式中，ΔL1和ΔL2分別為2條基線長(zhǎng)度的變化量，以伸長(zhǎng)為正；ΔH1和ΔH2分別為2條測(cè)線的水準(zhǔn)高差(由上盤(pán)測(cè)至下盤(pán))變化量；α1和α2分別為2條基線與斷層的夾角(斷層走向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至基線方向)；ΔS>0表示右旋，ΔS<0表示左旋；ΔD>0表示張性，ΔD<0表示壓性；ΔH>0表示正斷，ΔH<0表示逆斷。

計(jì)算時(shí)以半年為窗長(zhǎng)，即ΔL1、ΔL2為某半年觀測(cè)均值相對(duì)于前半年觀測(cè)均值的變化量，這樣既可反映強(qiáng)震前后的動(dòng)態(tài)演變，也可剔除或削弱可能與非構(gòu)造因素干擾有關(guān)的短暫尖點(diǎn)突跳，突出持續(xù)性較好的異常[8-9]。為更好地分析斷層運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期趨勢(shì)，計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)的累積活動(dòng)參量∑S、∑D和∑H，繪制累積活動(dòng)參量時(shí)序曲線，即可看出斷層的運(yùn)動(dòng)特征，其中曲線向下變化表示左旋、壓性、逆斷，向上變化表示右旋、張性、正斷。

1.2 改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度方法計(jì)算斷層活動(dòng)參量綜合指標(biāo)

基于灰色關(guān)聯(lián)度方法提取的斷層活動(dòng)參量綜合指標(biāo)可反映斷裂活動(dòng)總體趨勢(shì)及其動(dòng)態(tài)變化特征。由于跨斷層場(chǎng)地分散且測(cè)線短，場(chǎng)地條件、活動(dòng)水平和特性均存在差異，為分析斷裂總體活動(dòng)特性，首先需除去各場(chǎng)地自身觀測(cè)所得的斷層活動(dòng)本底水平(歸一化)。文獻(xiàn)[8-9]中本底水平為每處場(chǎng)地各分量(走滑、張壓、垂向)起測(cè)以來(lái)各年所有觀測(cè)值的絕對(duì)值均值與離散度之和，該本底水平對(duì)各場(chǎng)地來(lái)說(shuō)為統(tǒng)一值。由各場(chǎng)地的累積活動(dòng)參量除以本底水平即可獲得水平走滑、水平張壓和垂向變化無(wú)量綱的累積活動(dòng)參量，進(jìn)而提取綜合指標(biāo)。另外，從文獻(xiàn)[8-9]中綜合指標(biāo)時(shí)序曲線可以看出，鮮水河斷裂帶垂向參量存在明顯的季節(jié)性變化，其中南東段尤為明顯。

本文對(duì)本底水平的計(jì)算方法稍作改進(jìn)，計(jì)算各場(chǎng)地的季節(jié)本底水平，即各場(chǎng)地每個(gè)分量自起測(cè)以來(lái)各年同季節(jié)觀測(cè)值的絕對(duì)值均值與離散度之和，將不同季節(jié)的觀測(cè)值除以對(duì)應(yīng)季節(jié)的本底水平即可得到無(wú)量綱的累積活動(dòng)參量。該方法可排除季節(jié)變化的影響，理論上更合理。

在利用除去本底水平后的各場(chǎng)地?zé)o量綱的累積活動(dòng)參量提取綜合指標(biāo)時(shí)，不能簡(jiǎn)單求取均值，需賦予各場(chǎng)地相應(yīng)的權(quán)值，然后進(jìn)行加權(quán)綜合，該權(quán)值即為各場(chǎng)地對(duì)反映該斷裂區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的貢獻(xiàn)程度，即灰色關(guān)聯(lián)度值?；疑P(guān)聯(lián)度的具體計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[8-9]。

2 結(jié) 果

2.1 跨斷層觀測(cè)反映的斷裂運(yùn)動(dòng)特征

本文通過(guò)計(jì)算川滇地區(qū)21個(gè)跨斷層場(chǎng)地自起測(cè)以來(lái)每半年的斷層三維活動(dòng)量，獲取各場(chǎng)地?cái)鄬尤S累積活動(dòng)量，繪制時(shí)序曲線(圖2～4)，并在圖中標(biāo)注場(chǎng)地周?chē)?00 km范圍內(nèi)M≥6.0及400 km范圍內(nèi)M≥7.0地震(僅列出部分代表性地震)。對(duì)三維累積活動(dòng)量曲線采用分段線性擬合方法，獲取各場(chǎng)地?cái)鄬拥乃阶呋痛怪边\(yùn)動(dòng)速率(表1)。

圖2 鮮水河斷裂帶各場(chǎng)地?cái)鄬尤S累積活動(dòng)量時(shí)序曲線Fig.2 Time series curves of 3D accumulated activity of the sites at Xianshuihe fault zone

圖3 安寧河斷裂帶和則木河斷裂帶各場(chǎng)地?cái)鄬哟瓜蚶鄯e變化量時(shí)序曲線Fig.3 Time series curves of vertical accumulatedvariation of the sites at Anninghe fault zone and Zemuhe fault zone

由圖2可知，鮮水河斷裂帶北西段的侏倭場(chǎng)地表現(xiàn)為左旋、拉張、正斷運(yùn)動(dòng)，蘆山地震后左旋走滑運(yùn)動(dòng)明顯減緩，并伴有拉張加速變化；虛墟場(chǎng)地表現(xiàn)為左旋、逆斷運(yùn)動(dòng)，2004年后由壓性轉(zhuǎn)為張性運(yùn)動(dòng)，蘆山地震后出現(xiàn)左旋加速和拉張加速變化，2017年九寨溝M7.0地震后又轉(zhuǎn)為壓性運(yùn)動(dòng)；溝普?qǐng)龅乇憩F(xiàn)為左旋、逆斷運(yùn)動(dòng)，蘆山地震后由壓性轉(zhuǎn)為弱張性運(yùn)動(dòng)，九寨溝地震后又轉(zhuǎn)為弱壓性運(yùn)動(dòng)。南東段的龍燈壩和老乾寧場(chǎng)地均表現(xiàn)為左旋、拉張運(yùn)動(dòng)，正逆斷運(yùn)動(dòng)不明顯，蘆山地震后均存在拉張加速變化，老乾寧場(chǎng)地在蘆山地震前走滑分量出現(xiàn)明顯波動(dòng)加劇異常，震后出現(xiàn)逆向走滑并轉(zhuǎn)為右旋運(yùn)動(dòng)，九寨溝地震后由張性轉(zhuǎn)為壓性運(yùn)動(dòng)；折多塘場(chǎng)地表現(xiàn)為逆斷運(yùn)動(dòng)，汶川地震后出現(xiàn)逆斷加速變化。由表1可知，鮮水河斷裂帶南東段水平走滑和垂直運(yùn)動(dòng)速率均明顯小于北西段，表明南東段的活動(dòng)性明顯弱于北西段，同時(shí)由運(yùn)動(dòng)速率大小可以推斷，蘆山地震前南東段基本處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài)，震后閉鎖程度有所減弱，而北西段一直處于蠕滑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，與趙靜等[17]的反演結(jié)果一致。5處綜合場(chǎng)地對(duì)蘆山M7.0和九寨溝M7.0地震均有明顯的震前異常(轉(zhuǎn)折、加速)、同震(先加速轉(zhuǎn)折后快速恢復(fù))及震后趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化響應(yīng)，反映地震對(duì)斷層運(yùn)動(dòng)的變形及應(yīng)力積累、釋放調(diào)整等具有影響效應(yīng)。

由圖3可知，安寧河斷裂帶棉蟹場(chǎng)地在2014年魯?shù)镸6.5地震前表現(xiàn)為正斷運(yùn)動(dòng)，震后轉(zhuǎn)為逆斷運(yùn)動(dòng)。則木河斷裂帶爾烏場(chǎng)地表現(xiàn)為正斷運(yùn)動(dòng)，2009年姚安M6.0地震后出現(xiàn)正斷加速變化；寧南和湯家坪場(chǎng)地在2009年姚安M6.0地震前表現(xiàn)為逆斷運(yùn)動(dòng)，震后轉(zhuǎn)為正斷運(yùn)動(dòng)；爾烏和湯家坪場(chǎng)地在2014年魯?shù)镸6.5地震后由正斷轉(zhuǎn)為逆斷運(yùn)動(dòng)，2017年之后又轉(zhuǎn)為正斷運(yùn)動(dòng)。4處場(chǎng)地對(duì)周?chē)鄠€(gè)6級(jí)以上地震均表現(xiàn)出震前異常及震后趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化。

由圖4可知，云南小江斷裂帶尋甸場(chǎng)地表現(xiàn)為左旋、正斷運(yùn)動(dòng)，2011年前表現(xiàn)為張性運(yùn)動(dòng)，之后轉(zhuǎn)為壓性運(yùn)動(dòng)；宜良場(chǎng)地在2008年攀枝花M6.1地震前趨于穩(wěn)定，震后活動(dòng)性明顯增強(qiáng)，總體呈現(xiàn)右旋、拉張、逆斷運(yùn)動(dòng)。2014年魯?shù)镸6.5地震后小江斷裂帶的2個(gè)場(chǎng)地均趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出一定的閉鎖特征。楚雄斷裂帶楚雄場(chǎng)地基本趨于穩(wěn)定，2014年魯?shù)镸6.5和景谷M6.6地震前2～3 a出現(xiàn)左旋加速和拉張加速的異常變化，震后發(fā)生轉(zhuǎn)折并恢復(fù)穩(wěn)定，近年又出現(xiàn)左旋加速和拉張加速的異常變化。洱海斷裂下關(guān)場(chǎng)地表現(xiàn)為右旋、拉張運(yùn)動(dòng)，2014年景谷M6.6地震前為正斷運(yùn)動(dòng)，震后轉(zhuǎn)為逆斷運(yùn)動(dòng)。劍川斷裂劍川場(chǎng)地在1982年劍川M5.4地震后出現(xiàn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化，之后一直趨于穩(wěn)定，2014年盈江M6.1地震前 2 a 出現(xiàn)右旋加速異常變化，震后發(fā)生轉(zhuǎn)折，之后恢復(fù)穩(wěn)定。曲江斷裂峨山場(chǎng)地總體呈右旋、拉張運(yùn)動(dòng)，2014年景谷M6.6地震前總體表現(xiàn)為逆斷運(yùn)動(dòng)，震后轉(zhuǎn)為正斷運(yùn)動(dòng)；通海場(chǎng)地總體呈右旋、拉張、正斷運(yùn)動(dòng)，2003年大姚M6.2地震后出現(xiàn)右旋轉(zhuǎn)為左旋、壓性轉(zhuǎn)為張性的變化特征，2013年之后又轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚\(yùn)動(dòng)。石屏-建水?dāng)嗔咽翀?chǎng)地在2009年姚安M6.0地震前為壓性運(yùn)動(dòng)，震后轉(zhuǎn)為張性運(yùn)動(dòng)，近期又表現(xiàn)為壓性運(yùn)動(dòng)；建水場(chǎng)地在2009年姚安M6.0地震前總體趨于穩(wěn)定，震后活動(dòng)性明顯增強(qiáng)，尤其在2014年景谷M6.6地震前后變形較大，2016年出現(xiàn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化，近期表現(xiàn)為右旋加速、拉張加速變化。程海斷裂永勝場(chǎng)地和麗江斷裂麗江場(chǎng)地在1995年武定M6.5和1996年麗江M7.0地震前趨于穩(wěn)定，震后活動(dòng)性明顯增強(qiáng)，總體呈右旋走滑運(yùn)動(dòng)。

圖4 云南各場(chǎng)地?cái)鄬尤S累積活動(dòng)量時(shí)序曲線Fig.4 Time series curves of 3D accumulated activity of the sites in Yunnan

表1 川滇地區(qū)跨斷層資料反映的斷裂活動(dòng)性質(zhì)及活動(dòng)速率

2.2 斷層三維活動(dòng)量綜合指標(biāo)與地震關(guān)系

基于改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度方法提取斷層走滑、張壓、垂向活動(dòng)參量等綜合指標(biāo)，并繪制不同分段或不同斷裂的綜合指標(biāo)時(shí)序曲線(圖5～7)。

圖5 鮮水河斷裂帶綜合指標(biāo)時(shí)序曲線Fig.5 Time series curves of synthetic index of Xianshuihe fault zone

圖6 則木河斷裂帶綜合指標(biāo)時(shí)序曲線Fig.6 Time series curve of synthetic index of Zemuhe fault zone

圖7 云南地區(qū)綜合指標(biāo)時(shí)序曲線Fig.7 Time series curves of synthetic index of Yunnan

由圖5可知，鮮水河斷裂帶總體表現(xiàn)為左旋、拉張運(yùn)動(dòng)，并具有明顯的分段差異性運(yùn)動(dòng)特征，可能與斷層的幾何形態(tài)及巴顏喀拉塊體內(nèi)部次級(jí)塊體的差異運(yùn)動(dòng)有關(guān)[4]。蘆山地震前，鮮水河斷裂帶出現(xiàn)明顯的由張性轉(zhuǎn)為壓性的異常變化，震后出現(xiàn)拉張加速變化，這可能是粘彈性松弛效應(yīng)與構(gòu)造作用共同影響的結(jié)果[18]。由綜合指標(biāo)可以看出，鮮水河斷裂帶南東段目前存在一定的趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折異常變化。

由圖6可知，則木河斷裂帶表現(xiàn)為正-逆斷階段性變化，2009年姚安M6.0地震后由逆斷轉(zhuǎn)為正斷加速變化，2013年蘆山M7.0和2014年魯?shù)镸6.5地震發(fā)生在該變化期間；該斷裂之后轉(zhuǎn)為逆斷運(yùn)動(dòng)，2017年后又由逆斷轉(zhuǎn)為正斷加速變化，2019年長(zhǎng)寧M6.0地震發(fā)生在該變化期間。目前則木河斷裂帶表現(xiàn)為正斷加速變化，仍存在一定的地震危險(xiǎn)性。

由圖7可知，滇南(峨山、通海、石屏、建水)地區(qū)主要表現(xiàn)為拉張運(yùn)動(dòng)，滇西北(麗江、劍川、永勝、下關(guān))地區(qū)主要表現(xiàn)為右旋、拉張運(yùn)動(dòng)，近2 a滇南地區(qū)(曲江斷裂南段和石屏-建水?dāng)嗔?出現(xiàn)明顯的右旋加速、拉張加速和正-逆斷趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折等異常變化。

由綜合指標(biāo)時(shí)序曲線可知，發(fā)生在鮮水河斷裂帶、則木河斷裂帶、滇南和滇西北地區(qū)附近的多次6級(jí)以上地震在震前1～2 a或更短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)過(guò)加速、轉(zhuǎn)折、波動(dòng)加劇等異常變化，并在震后出現(xiàn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化，這可能與斷裂附近的強(qiáng)震孕育-發(fā)生、同震及震后調(diào)整影響有關(guān)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用1980～2019年跨斷層形變資料，基于斷層三維運(yùn)動(dòng)模型和改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度方法研究川滇地區(qū)主要活動(dòng)斷裂的運(yùn)動(dòng)特征及地震危險(xiǎn)性，得出以下結(jié)論：

1)鮮水河斷裂帶總體呈左旋、拉張運(yùn)動(dòng)，并具有明顯的分段差異性運(yùn)動(dòng)特征；則木河斷裂帶具有正-逆斷階段性變化特征；滇南和滇西北主要表現(xiàn)為拉張運(yùn)動(dòng)。

2)斷層三維累積活動(dòng)量和改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度綜合指標(biāo)對(duì)斷裂附近6級(jí)以上地震均具有明顯的震前異常(加速、轉(zhuǎn)折、波動(dòng)加劇)及震后趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化，可能與斷裂附近的強(qiáng)震孕育-發(fā)生、同震及震后調(diào)整影響有關(guān)。

3)通過(guò)跨斷層綜合指標(biāo)分析可知，川滇地區(qū)需要重點(diǎn)關(guān)注鮮水河斷裂帶南東段、則木河斷裂帶及滇南地區(qū)。