基于多參數的滇東南地區跨斷層異常分析*

苑爭一，牛安福，趙 靜，閆 偉

(中國地震臺網中心，北京 100045)

0 引言

云南地處印度板塊與歐亞板塊中國大陸碰撞帶東緣，地震活動頻度高、震級大、分布廣(皇甫崗等，2010)，是研究地殼運動與應變積累及其與強震關系的熱點區域(魏文薪等，2012；周海濤等，2017)。1982年初以來，先后在川滇菱形塊體西南、東南邊界帶上建立了多個跨斷層形變監測場地，用于監測大地形變，分析強震孕育過程中斷層形變的發展演變過程。隨著觀測數據的不斷積累，對跨斷層數據的處理與分析研究也逐步深入。張超等(1981，1987)詳細推導了利用跨斷層基線、水準數據計算斷層運動走滑、張壓、垂直升降三分量的計算公式，在此基礎上，多位學者分析了斷層運動時間演化特征及其與地震活動的關系。薄萬舉等(1997)利用信息合成的方法提取了斷層的趨勢及短期變化信息；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態演化特征與強震的關系；李瑞莎等(2009)論證了川滇地區斷層活動與地震的關系。另外，對預測指標的構建和應用研究也越來越多元和系統化，張晶等(2011)采用斷層三維立體模型計算了斷層三維運動參數，進而提出了斷層活動協調比的概念；李瑞莎等(2013)根據斷層協調比的概念，討論了起點變化對協調比計算結果的影響，提出了移動窗計算斷層活動協調比的方法以及離散度評定指標；張希等(2012)基于灰色關聯度指標，研究了鮮水河斷裂活動特性與大震的關系。

以往的研究大都基于單個指標進行單一尺度的區域地震危險性分析，本文對前人提出的多種跨斷層異常分析方法進行了整合，并重點對反應斷層應變狀態變化的斷層活動協調比指標進行了改進研究，在此基礎上梳理了云南地區最新的跨斷層數據，首先利用斷層活動異常頻次(劉強等，2010)分析整個云南地區的強震背景；并重點計算了滇東南區域的斷層運動年速率變化、斷層運動主成分信息合成、斷層運動協調比指標，并結合震例對該區域的強震危險性進行了綜合分析。

1 云南地區斷層活動異常頻次分析

近年來，云南地區多個跨斷層場地先后出現了大幅度的拉張、壓縮變化，斷層活動加劇，異常變化顯著。針對多個場地異常發展變化的群體性、同步性特征與強震孕育的關系，劉強等(2010)提出了斷層形變異常參數，其計算公式如下：

(1)

式中：n為所用資料的總年數減去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個月的觀測值；ti-1， j和ti， j為第i-1年和第i年的第j月觀測時間值；Ri， j為第i年第j個月的異常參數值。

筆者選取了持續時間較長、觀測較為完整的10個場地的水準觀測數據(表1)，計算了各測項的異常參數值，并以|Ri， j|>1作為異常閾值統計了斷層活動異常頻次變化(圖1)。從圖1可以看出：自1982年觀測以來，云南及周邊地區有4組6.5級以上強震發生，均發生在異常頻次較高的時段后(5組高頻異常后2年左右有4組對應了該區域的成組強震)，目前異常頻次較高且持續時間較長，整個云南地區的強震危險性背景較強。

表1 云南地區跨斷層場地概況(據劉強等，2010)

圖1 1982年2月—2018年8月云南地區斷層活動異常頻次與MS≥6.5強震對應關系

2 滇東南地區顯著跨斷層異常及滑動速率變化分析

如圖2所示，滇東南地區存在多項顯著的跨斷層觀測異常，例如石屏基線2-1、2-3自2010年起呈現持續拉張變化，目前轉平且伴有短期壓縮變化；石屏水準2-1、2-3自2013年起出現持續正斷活動，目前速率變緩且伴有短期逆斷活動變化；建水基線2-1在大幅拉張后出現回復趨勢；宜良基線1-2出現趨勢壓性異常并在低位震蕩變化；峨山水準1-2在正斷背景下出現顯著的逆斷變化。

為了消除年變的影響，進一步分析各場地速率變化異常特征，計算上述異常項的年滑動速率(每個月一個值)及年平均滑動速率(每年一個值)，如圖3所示。從圖中可見，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增大，表明楚雄—建水斷裂應變積累不斷增強，其他場地變化不明顯。

圖2 滇東南地區顯著跨斷層形變異常

Fig.2 The significant fault deformation anomalies in Southeast Yunnan

圖3 滇東南地區顯著跨斷層異常場地運動速率

3 滇東南區域斷層運動主成分信息合成

跨斷層觀測數據既包含斷層活動的構造信息，又包含季節、氣象和地下水資料等非構造的干擾信息，而這些干擾信息往往具有一定的相關性。主成分分析方法(PCA)能將多個具有相關性的指標(對應于多個觀測臺站數據)，分解成幾個相互獨立的綜合指標(信息不重疊，每個主成分可以單獨分析)，進而通過貢獻率加權重組，得到能夠反映區域構造運動特征的時間序列，在此基礎上更客觀地分析其變化和地震的關系。

在使用PCA對斷層運動數據進行信息合成之前，首先利用同臺的水準、基線數據及其與斷層的夾角信息計算斷層運動三分量，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個臺站，分別計算其三維運動分量。圖5結果顯示，整個研究區域的運動具有較好的一致性，以右旋張性運動為主，正斷運動顯著。

分別將垂直升降、走滑、張壓分量代入PCA模型，計算了斷層運動沿3個正交方向上的PCA運動合成，其中垂直升降量的PCA信息合成結果與云南地區的強震對應結果較好。如圖6所示，2007年6月3日云南寧洱6.4級地震、2014年10月7日云南景谷6.6級地震前，綜合指標出現明顯的臺階，具體表現為“正斷活動加劇—趨于平穩—發震”的形態演化特征，目前的計算結果顯示該類變化不突出，該區域斷層正斷活動加劇異常正在演化過程中。

圖4 滇東南地區斷層運動PCA合成臺站及震例選取范圍

圖5 滇東南地區7個場地斷層運動分解結果

圖6 滇東南地區垂向運動PCA合成

4 改進斷層運動協調比計算結果

張晶等(2011)從系統論的觀點出發，推導出能夠反應孕震及震后調整階段斷層運動相互協調程度和應變積累狀態不同的參數——斷層運動協調比，其計算公式如下：

(2)

式中：f1，f2，f3為斷層運動協調比；ΔP為張壓運動分量；ΔS為走滑運動分量；ΔH為垂直升降量。當斷層處于自由蠕動階段時，ΔS，ΔP，ΔH應為穩定值，協調比應為常數；當地殼應力狀態發生改變，斷層有顯著應變積累或斷層閉鎖時，斷層運動參數ΔS，ΔP，ΔH發生改變，偏離穩定值，協調比參數將會偏離常數，此時斷層活動的協調性較差。從以往的震例研究結果來看，該指標能夠及時捕獲斷層運動的突變信息，具有較好的映震效能。

但是該指標存在2個主要的問題：其一，計算三維運動分量的過程中，由于起點選擇的不同，結果將產生較大差異；其二，協調比比值方向的不同，在分子分母相差較大的情況下，會造成“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)對第一個問題進行了論證和改進，本文針對第二個問題提出了改進方案，在此基礎上計算了滇東南各個跨斷層場地的斷層運動協調比參數。

4.1 改進斷層運動協調比計算方法

斷層運動協調比是利用斷層運動的張壓、走滑、垂直升降量兩兩做比得到的參數，比值的大小反應了斷層應變狀態的變化，與比值的方向無關。利用式(2)計算得到的3個斷層運動協調比得到一個結果，我們把它稱為“正算”結果(圖7a)，并將比值方向倒置計算得到的計算結果稱之為“反算”結果(圖7b)，“正、反算”僅代表了比值的方向，理論上二者的結果應該相同。然而計算結果顯示，兩種圖像在震前的形態差別較大，圖7a顯示在震前具有顯著的“離散化”現象，而圖7b顯示不顯著。這是由于當分子和分母相差較大時，比值的方向對于異常的提取產生較大的影響，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 麗江臺斷層運動協調比正算(a)、反算(b)計算結果

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”問題，我們對計算結果進行“對數變換”，計算公式如下：

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動協調比；f0為穩定蠕滑狀態下的斷層運動協調比。

令F=f-f0+1，則

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

(4)

變換完成后的斷層運動協調比沿“穩定蠕滑協調比f0”對稱分布，計算結果與比值方向無關，以麗江臺為例，試算結果顯示(圖8)：麗江地震前具有顯著的“離散化現象”。

圖8 改進斷層運動協調比原理(a)及麗江臺斷層活動協調比正算結果(b)

4.2 滇東南地區斷層運動協調比異常分析

為了定量評價斷層運動協調比的離散化程度及隨時間的演化規律，我們定義累積離散度SDi(見式(4))，其計算公式如下：

(5)

式中：Yj為式(3)計算得到的j時刻的斷層運動協調比；SDi為i時刻的斷層運動協調比的累積標準差，當斷層運動偏離穩定蠕滑趨于“非協調”變化時，斷層運動協調比快速離散化，累積離散度呈現“斷差似變化”。

應用上述指標對云南地區的跨斷層觀測數據進行掃描計算，計算數據截至2018年7月。計算結果顯示，2018年8月13，14日通海2次5.0級地震前，滇東南地區的石屏和宜良臺的斷層運動協調比近期出現明顯的“離散化”異常，同時累積離散度也出現了顯著的“斷差”異常(圖9)，表明該區域斷層運動出現非穩態變化，發震緊迫性增大，雖然異常過程中發生了2018年8月13，14日的通海5.0級地震，但從異常的幅度和以往震例來看，目標地震的震級較小，強震背景顯著，該區域仍存在發生6級以上地震的可能。

圖9 云南地區改進斷層運動協調比(a)及累積離散度(b)異常

5 結論與討論

云南地區的斷層活動異常頻次計算結果表明，頻次高值與本地及周邊強震(M≥6.5)具有較好的對應關系，近年來該區域斷層運動異常顯著，具有較強的強震發震背景。2018年8月13，14日通海5.0級地震發生后，通過對滇東南各個場地的跨斷層觀測進行三維運動分解、PCA信息合成，筆者發現其計算結果與原始曲線變化具有較好一致性，均表明該區域自2012年以來，多個場地均出現顯著的拉張變化，區域正斷運動背景顯著；在此背景下，各異常臺站的運動速率的不同，顯示出同一構造區內不同斷層段的運動差異，這種運動差異有利于應變積累，可能對地震具有一定的觸發作用。此外，改進斷層運動協調比的計算結果顯示，石屏、宜良臺出現了顯著的應變狀態變化。

2018年8月13，14日通海5.0級地震前，滇東南地區存在多項顯著的跨斷層觀測趨勢異常，短期變化不顯著，盡管震前距離震中較近的石屏臺、宜良臺出現了顯著的斷層運動協調比異常變化，但結合以往震例分析結果表明，各項異常仍在演化過程中，且尚未達到以往6級以上地震前的異常幅度和持續時間。綜上，滇東南地區的斷層運動異常幅度較大、持續時間較長，2次通海5.0級地震震級較小，不能完全對應給該區域的多項異常，滇東南地區的應變積累還在持續，區域地震危險性仍在增強。