2021年漾濞6.4級地震前地殼形變分析

徐良葉 王伶俐 高 涵 牛 甜 喻世賢

1 云南省地震局，昆明市知春街249號，650200

2021-05-21云南大理州漾濞縣(25.67°N，99.87°E)發(fā)生6.4級地震，發(fā)震斷裂為維西-喬后斷裂西側(cè)一條NW走向、右旋走滑斷裂[1-2]，地震破裂方式為右旋走滑兼拉張[3]。從震前基線的異常變化能否發(fā)現(xiàn)地震的孕震前兆形變信息，對地震危險性評估至關(guān)重要[4-6]。本文利用GAMIT/GLOBK軟件解算2019-05-20～2021-05-20云南及周邊54個GNSS基準站的觀測數(shù)據(jù)，基于最小二乘配置法[7]求取云南地區(qū)速度場及應(yīng)變場，并結(jié)合此次地震近場及遠場區(qū)域的GNSS基線長度變化時間序列，分析地震前云南地區(qū)地殼形變特征。

1 速度場和應(yīng)變場計算

1.1 相對運動速度場

最小二乘配置方法的適用條件是要有足夠多的輸入數(shù)據(jù)且站點分布均勻，所以在應(yīng)變場計算之前，采用克里金插值方法對云南區(qū)域的速度場進行插值，再利用最小二乘配置法構(gòu)建速度場[8]。本文利用GAMIT/GLOBK 10.71軟件，引入中國及周邊十幾個IGS跟蹤站，與云南地區(qū)54個連續(xù)運行GNSS基準站觀測數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算[9]?；贕AMIT基線解算得到單日松弛解，與SOPAC網(wǎng)站提供的全球IGS站單日松弛解聯(lián)合，利用GLOBK進行網(wǎng)平差，再利用GLRED獲取站點的坐標時間序列，最后基于TISFIT分別獲取2019-05-20～2020-05-20、2020-05-21～2021-05-20云南地區(qū)在ITRF2014框架下的速度場(在第2個時間段剔除數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的SCYX站點)，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯觯馑愕玫降乃剿俣菶方向誤差在3 mm以內(nèi)，N方向誤差在2.5 mm以內(nèi)。

圖1 云南地區(qū)在ITRF2014框架下的速度場Fig.1 Velocity field in Yunnan under ITRF2014

基于計算得到的ITRF2014框架下的速度場，扣除歐拉旋轉(zhuǎn)矢量后，獲取漾濞6.4級地震前云南地區(qū)整體旋轉(zhuǎn)無基準速度場，結(jié)果如圖2所示。對比圖2(a)和2(b)的速度場可以發(fā)現(xiàn)，云南西邊界SSW向的運動增強，沿怒江斷裂帶呈發(fā)散性運動狀態(tài)，其中YNRL站點由速率為6.6 mm/a的SE方向加速朝SW方向運動，運動速率變?yōu)?1.6 mm/a，川滇藏交界處(云南西北部)NW方向的運動增強，可能是由于印度洋板塊NE向的擠壓增強，導(dǎo)致云南西邊界出現(xiàn)反向的加速運動；震中附近未發(fā)現(xiàn)站點的異常運動；滇南地區(qū)的運動減弱，小江斷裂帶南端的運動依舊活躍，小江斷裂帶北端以北地區(qū)呈現(xiàn)一致性的北向運動，可能是由于川滇菱形塊體東邊界的N向運動增強導(dǎo)致的；其他地區(qū)運動變化不明顯。

圖2 云南地區(qū)相對運動速度場Fig.2 Relative motion velocity field in Yunnan

1.2 應(yīng)變場

利用克里金插值方法對云南地區(qū)的相對運動速度場進行插值，基于最小二乘配置法建立云南地區(qū)的速度場[8]，然后對速度函數(shù)求偏導(dǎo)得到應(yīng)變張量，再進一步求得區(qū)域地殼應(yīng)變特征參數(shù)(面膨脹率、最大剪應(yīng)變、最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變等)。

應(yīng)變計算公式為：

(1)

式中，λ、φ分別為經(jīng)度和緯度，R為地球平均曲率半徑，εφ、ελ、ελφ為應(yīng)變張量：

(2)

式中，ε1為最大主應(yīng)變，ε2為最小主應(yīng)變，εarea為面膨脹，rmax為最大剪應(yīng)變。

1.2.1 面膨脹率

漾濞6.4級地震前云南地區(qū)的面膨脹率如圖3所示，可以看出，2019-05～2020-05主要有4個面膨脹區(qū)和3個面壓縮區(qū)。面膨脹區(qū)有：中甸-木里一帶、越西-馬邊一帶、施甸-楚雄一帶、石屏-彌勒一帶，面膨脹區(qū)的最大值為38.4×10-11/a，出現(xiàn)在石屏-彌勒一帶，即小江斷裂帶與紅河斷裂帶相交的地區(qū)。從速度場(圖2(a))可以看出，彌勒-黃草壩-塔甸一帶的SSW向運動、通海地區(qū)的SE向運動造成石屏-彌勒一帶的拉張應(yīng)變積累。面壓縮區(qū)有：魚洞-元謀一帶、新平-瀾滄一帶、蒙自-金平一帶，面壓縮區(qū)最大值出現(xiàn)在蒙自-金平一帶，為-31.8×10-11/a，可能是小江斷裂帶南段的S向運動受阻所致。2020-05～2021-05主要有2個面膨脹區(qū)和2個面壓縮區(qū)，面膨脹區(qū)為：下關(guān)-耿馬一帶、墨江-黃草壩一帶，面膨脹區(qū)的最大值為12.8×10-11/a，與速度場相對應(yīng)。從圖2(b)可看出，下關(guān)-施甸-耿馬一帶的SSW向運動和臨滄-雙柏一帶的NNE向運動導(dǎo)致下關(guān)-耿馬一帶拉張應(yīng)變增強，墨江-黃草壩一帶在原來面膨脹區(qū)(石屏-彌勒一帶)的基礎(chǔ)上向外延展了。面壓縮區(qū)為維西-喬后斷裂至騰沖-瑞麗一帶及以小江斷裂帶北端為中心的U形分布區(qū)域，面壓縮區(qū)最大值為-12.4×10-11/a。另外，可能是由于云南西邊界SSW向的運動受阻，導(dǎo)致維西-喬后斷裂至騰沖-瑞麗一帶的擠壓增強，而以小江斷裂帶北端為中心的U形分布區(qū)域擠壓應(yīng)變積累可能是由于小江斷裂帶北段的北向運動受阻所致。

對比圖3(a)與3(b)可明顯看出，漾濞6.4級地震前1 a(圖3(b))研究區(qū)域整體面膨脹率值下降至原來(圖3(a))的0.37倍左右，面膨脹率最大正值由38.4×10-11/a下降至12.8×10-11/a，面膨脹率最小負值由-31.8×10-11/a變?yōu)?12.4×10-11/a，說明震前研究區(qū)域整體的應(yīng)變積累明顯減弱。此外，震中的北西和南東兩側(cè)形成清晰、規(guī)整且范圍較大的張、壓差異高梯度分布，震中即位于張、壓交替的零值線上，這與前人研究發(fā)現(xiàn)的中強地震往往發(fā)生在面膨脹率零值閉鎖區(qū)域的規(guī)律[10-12]一致。

圖3 云南地區(qū)面膨脹率Fig.3 Surface expansion rate in Yunnan

1.2.2 最大剪應(yīng)變率

漾濞6.4級地震前云南地區(qū)最大剪應(yīng)變率如圖4所示，可以看出，2019-05～2020-05研究區(qū)域整體的剪應(yīng)變積累較高，主要有3個剪應(yīng)變率高值區(qū)，即小江斷裂帶南端與紅河斷裂帶交會處、寧南-魚洞一帶及施甸-雙柏一帶，剪應(yīng)變率最大值為19.3×10-11/a，在小江斷裂帶南端與紅河斷裂帶交會處。從圖2(a)中也可明顯看出，小江斷裂帶南端與紅河斷裂帶交會處相對運動劇烈，導(dǎo)致該區(qū)域的剪切應(yīng)變積累較高。2020-05～2021-05研究區(qū)域也主要有3個剪應(yīng)變率高值區(qū)：沿維西-喬后斷裂分布及向其東部擴展的地區(qū)、紅河斷裂帶北段以西擴展的地區(qū)及沿小江斷裂帶分布地區(qū)，剪應(yīng)變率最大值為7.1×10-11/a，出現(xiàn)在維西-喬后斷裂及向其東部擴展的地區(qū)。從圖2(b)中可看出，中甸-蘭坪-云龍-木里一帶左旋運動特征明顯，是造成該區(qū)域剪切應(yīng)變積累的原因，此外小江斷裂帶處于最大剪應(yīng)變率高值區(qū)，說明其在該時段的剪切應(yīng)變與構(gòu)造背景相一致。

對比圖4(a)和4(b)可看出，中甸-麗江一帶的剪應(yīng)變增強并沿著維西-喬后斷裂向外擴展，寧南-魚洞一帶的剪應(yīng)變明顯減弱，施甸-雙柏一帶的剪應(yīng)變范圍縮小至施甸-下關(guān)一帶，小江斷裂帶南端與紅河斷裂帶交會處的剪應(yīng)變明顯減弱并向北延伸至整個小江斷裂帶。整體來看，最大剪應(yīng)變率和面膨脹率的變化有相同之處。漾濞6.4級地震前1 a(圖4(b))，研究區(qū)域整體的最大剪應(yīng)變率急劇下降，剪應(yīng)變率最大值由19.3×10-11/a下降至7.1×10-11/a，剪應(yīng)變率最小值變化不大，震中的北西、南東兩側(cè)均處于最大剪應(yīng)變率高值區(qū)，地震發(fā)生在最大剪應(yīng)變率高值區(qū)邊緣。

圖4 云南地區(qū)最大剪應(yīng)變率Fig.4 Maximum shear strain rate in Yunnan

1.2.3 主應(yīng)變率

漾濞6.4級地震前云南地區(qū)主應(yīng)變率如圖5所示，可以看出，2019-05～2020-05研究區(qū)域的拉張應(yīng)變與擠壓應(yīng)變相間分布，川滇交界處、小江斷裂帶南段與紅河斷裂帶交界處的擠壓運動與拉張運動都比較活躍，與圖2(a)有較好的一致性，其中主應(yīng)變率最大值為38.5×10-11/a，為黃草壩-龍朋一帶NE向的拉張運動。從圖4(a)和5(a)可看出，主應(yīng)變率較大的區(qū)域與最大剪應(yīng)變高值區(qū)對應(yīng)，即小江斷裂帶南端與紅河斷裂帶交會處及寧南-魚洞一帶。2020-05～2021-05研究區(qū)域的整體應(yīng)變變形較弱，主應(yīng)變率最大值為12.8×10-11/a；維西-喬后斷裂及怒江斷裂帶北段的擠壓運動明顯，可能是云南西邊界地區(qū)SSW向運動受阻造成的。

對比圖5(a)和5(b)可看出，研究區(qū)域大部分地區(qū)的變形明顯減弱，其中維西-喬后斷裂至怒江斷裂帶北段一帶的擠壓增強，但擠壓變形的量值不大，震中附近的變形不明顯。

圖5 云南地區(qū)主應(yīng)變率Fig.5 Main strain rate in Yunnan

2 GNSS基線長度變化時間序列分析

基線長度不受參考框架本身漂移、旋轉(zhuǎn)和共模噪聲等因素的影響，能夠更客觀地反映地殼相對運動變化信息[4]。通過研究GNSS基線長度時間序列發(fā)現(xiàn)，2011年日本9級地震前部分基線偏離長趨勢運動[13]，2019年夏河5.7級地震前發(fā)震斷裂的左旋速率減緩[14]，所以本文利用漾濞6.4級地震近場及遠場區(qū)域的GNSS基線長度時間序列,探索震前基線的異常變化，分析此次地震前地殼的形變特征。

基于2011年以來GAMIT基線解算的結(jié)果[9,15]，在研究區(qū)域內(nèi)按EW向、NE向、NS向、NW向分別連接2個站點構(gòu)成基線(圖6)，并進行分析識別偏離長期背景趨勢的變化、破年變等信息。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，震前近場區(qū)域的GNSS基線長度異常變化并不明顯，如基線YNYS-YNTC、YNYS-YNJD、YNTC-YNJD(圖7)；而遠場區(qū)域的GNSS基線長度變化存在異常信息，如基線KMIN-YNYM、YNLP-KMIN、YNLP-YNDZ、YNSM-YNLP(圖8)。

圖6 GNSS連續(xù)站分布Fig.6 Distribution of GNSS continuous stations

圖7 漾濞MS6.4地震近場區(qū)域GNSS基線長度時間序列Fig.7 GNSS baseline length time series in the near-field region of Yangbi MS6.4 earthquake

圖8 漾濞MS6.4地震遠場區(qū)域GNSS基線長度時間序列Fig.8 GNSS baseline length time series in the far-field region of Yangbi MS6.4 earthquake

由于2010年陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)建成試運行，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，本文從2011年開始分析GNSS基線長度變化；另外，YNLP站點于2016-06建成運行，研究與其相關(guān)的基線時，觀測時間從2017年開始。從圖7可看出，漾濞6.4級地震前基線YNYS-YNTC、YNYS-YNJD的時間序列中并未發(fā)現(xiàn)有偏離長期背景的趨勢變化和破年變等信息?；€YNTC-YNJD在漾濞6.4級地震時(2021-05-21)加速拉張，偏離背景趨勢運動4 mm左右，可能是由地震引起的同震形變導(dǎo)致的，但震前該基線異常并不明顯。

如圖8所示，基線KMIN-YNYM的時間序列在2012-01～2016-09變化比較平穩(wěn)；2017-01～2021-01較前一時間段壓性活動有所增強，但整體變化比較穩(wěn)定，2021-03-22以后加速拉張，2021-05-19背離趨勢運動8.4 mm左右；震后加速運動有所減弱。基線YNLP-KMIN的時間序列在2017-01～2021-01的變化比較平穩(wěn)，一直呈緩慢的壓性運動；2021-03-22以后加速壓縮，2021-05-19背離趨勢運動6.8 mm左右。本文認為基線KMIN-YNYM、YNLP-KMIN時間序列的異常變化是由KMIN站點SE向的加速運動引起的?；€YNLP-YNDZ時間序列在2017-01～2021-01壓性運動和拉張運動都不明顯，變化比較平穩(wěn)；2021-03-22以后加速壓縮，2021-05-19背離趨勢運動8.1 mm左右；震后壓性運動還在持續(xù)。基線YNSM-YNLP時間序列在2017-01～2019-06呈波動變化，但幅度相對較小；2019-06～2020-06加速拉張；2021-03-22以后拉張運動增強，2021-05-19背離趨勢運動7.8 mm左右?；€YNLP-YNDZ、YNSM-YNLP時間序列背離趨勢的異常變化說明YNLP站點北向運動加速。此外，相關(guān)的工作人員于2021-05-19～05-20到KMIN站點和YNLP站點進行了異常核實，排除了數(shù)據(jù)質(zhì)量、環(huán)境、儀器等干擾因素的影響，認為兩站點的異常運動為真實的構(gòu)造運動，可判斷震前區(qū)域應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，誘發(fā)了地震。

3 結(jié) 語

1)GNSS速度場結(jié)果顯示，震前云南西邊界SSW向的運動增強，沿怒江斷裂帶呈發(fā)散性運動狀態(tài)，震中附近的近場速度值變化不大；

2)面膨脹率結(jié)果顯示，地震前研究區(qū)域整體的面膨脹率值下降至原來的0.37倍左右，震中位于張、壓交替的零值線上，即面膨脹區(qū)與面壓縮區(qū)之間，該區(qū)域正是中強地震易發(fā)區(qū)；

3)最大剪應(yīng)變率結(jié)果顯示，震前研究區(qū)域整體的最大剪應(yīng)變率急劇下降，地震發(fā)生在最大剪應(yīng)變率高值區(qū)邊緣；

4)主應(yīng)變率結(jié)果顯示，震前研究區(qū)域大部分地區(qū)的變形明顯減弱，其中維西-喬后斷裂至怒江斷裂帶北段一帶的擠壓增強，但擠壓變形的量值不大，震中附近變形變化不明顯；

5)GNSS基線長度時間序列結(jié)果顯示，震前近場區(qū)域的GNSS基線異常變化不明顯，遠場區(qū)域的GNSS基線出現(xiàn)偏離長期背景的趨勢異常變化。2021-03-22～05-19，基線KMIN-YNYM在趨勢壓縮背景下反向加速拉張，背離趨勢運動8.4 mm；基線YNLP-KMIN在趨勢壓縮背景下加速壓縮，背離趨勢運動6.4mm；基線YNLP-YNDZ在趨勢變形比較平穩(wěn)的背景下加速壓縮，背離趨勢運動8.1 mm；基線YNSM-YNLP在趨勢拉張背景下加速拉張，背離趨勢運動7.8 mm，可判斷震前區(qū)域應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，誘發(fā)了地震。

綜上所述，震前區(qū)域應(yīng)變場的顯著變化有助于此次地震的發(fā)生，震前區(qū)域應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，促進了此次地震的孕育。本文的震前區(qū)域地殼應(yīng)變、GNSS基線異常變化及發(fā)震地點可為研究孕震機制提供一定參考，由于本文使用的站點數(shù)據(jù)有限，所構(gòu)建的模型還有待改進。此外，震前GNSS基線出現(xiàn)異常變化，雖然在一定程度上反映了區(qū)域地殼的形變變化，但產(chǎn)生這種變化的原因尚不清楚。