云南區域強震活動中短期異常的共性特征及應用研究*

付 虹，洪 敏，王光明，胡小靜，李 祥，李智蓉，劉自鳳

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.江川縣防震減災局，云南 江川 652600)

0 引言

在地震預測工作中，實際情況比理想模型要復雜得多，最主要的原因是發震機理還不清楚，沒有得到可以用于預測的實用模型。前人針對地震發震機理進行了大量的研究，從早期的彈性回跳(Reid，1910)，到深部物質上涌(Zhao，2001)等假說，在不斷認識地震成因的同時，以期得到可以用于預測的實用模型，進而解決地震預測問題。但在使用現成的理論模型進行實際地震預測中，未見成功預測的實例。近期有專家指出，一直以來都沒有一個通過實踐證明可用于預測的實用模型，能夠用來指導實際地震預測；在多數情況下，無法用明確的模型或者數據生成器進行地震預測，寄希望于建立“動力學模型”或 “物理模型”的觀點，其實是在研究物理機制，而不是在研究預測科學，脫離了預測的本意(蔣長勝，2020)。這或許也說明了利用實用模型進行預測之路還較為遙遠，從實際出發進行預測研究更符合現實。

地震前兆的探測研究是地震預測的基礎，是近幾十年來各國研究者孜孜以求的地震預報的一條基本途徑(張國民，1993)，對于地震預測研究者來說，從觀測事實出發來探尋地震預測的可能性是現階段經驗預測的基礎。前人對已發生的地震進行了大量的總結，就單一的破壞性地震總結而言，截至2019年，正式出版的14冊《中國震例》，對1966—2012年發生在中國大陸的270多次5級以上地震，按照5級地震200 km、6級地震300 km、7級地震500 km統計范圍的原則進行了資料收集，并對其地震活動和地球物理觀測資料進行了分析和總結。不少學者通過這些震例總結給出異常的統計特征(鄭兆苾等，2006；付虹等，2008)，不斷增加認識，是現階段實際地震預測需要繼續完成的工作。陳立德等(2000，2008)通過對20世紀七八十年代川滇地區大震異常進行總結，歸納了大震的6條共性特征：震源區平靜震前存在空區空段、外圍活躍震源平靜、短臨階段有“巨變”異常、短臨階段異常數量增加以及異常臺站不連續性和異常外早內晚(這兩個特征無法用于地震預測)，并對這些特征進行了物理解釋，這些特征在云南區域的地震預測工作中一直被應用和檢驗。但隨著時間的推移以及觀測技術的不斷更新，地震預測實踐中不斷有新的現象出現，本文擬從云南區域強震前觀測到的現象出發，突出強震孕育共性特征的階段性，探討云南區域有動力學含義的階段異常共性特征，為實現中短期強震預測跟蹤和機理研究，提供更好的借鑒。

震級和頻度關系lgN=a-bM(Gutenberg，Richter，1944)，是地震學中最經典的統計公式，它表征了大小地震的比例關系；小地震頻次增多時，更大地震發生概率增加。因此本文的地震學參數計算主要圍繞中小地震進行。經過“八五”攻關研究后，研究者提出了比較多的地震學參數計算方法，這些參數里很多具有相關性(韓渭賓等，2001，2003)。筆者認為在云南區域最有效的參數是地震頻度，其次b值因與巖石的應力和介質狀態有關(吳開統等，1986)，b值降低，表明應力增強，物理意義清楚。因此，選用地震頻度和b值回溯強震前近場區的地震參數演化特征。

地球物理觀測資料在短臨階段的作用是不可忽視的，當它出現“巨幅”異常時，可以把時間縮短到70 d內(陳立德等，2008)，這主要是根據模擬觀測時期得到的結論，數字化時代的觀測資料是否還存在類似現象？2011年以來，云南區域的GNSS固定觀測臺站開始產出資料，并逐步開展了基于GNSS觀測資料的區域地殼形變-應變特征研究，引入GNSS資料用于短臨階段的地震預測探索，進一步發揮GNSS資料在長中短臨地震預報體系中的作用，是本文研究的重點。本文擬以強震前近場區(指震中附近半徑100 km或2°×2°范圍內的區域)的中小地震為主，輔以地球物理觀測資料，探討大地震的階段性。

1 資料選取

云南區域的歷史地震記載在1900年以前有大量的遺漏，M≥6.8強震在20世紀以來有相對完備的記載和記錄，5級中等地震在20世紀30年代開始才有比較完整記錄，歷史地震記載主要遺漏地區是滇西南地區(皇甫崗，李忠華，2010)。在經濟發達、人口稠密的昆明、通海和大理一帶的歷史地震記載相對較早，20世紀以來5級地震遺漏相對也較少。參考云南區域1900年以來的強震活動性，可以將6.8級地震作為區域地震活躍、平靜期的劃分震級(付虹等，1997；蘇有錦等，2001；皇甫崗，秦嘉政，2006)，本文選取1900年以來M≥6.8強震作為研究樣本(表1)。從表1可見，在20世紀30年代以前的樣本中，沒有滇西南地區的，因此強震前中等地震活動的完整性基本可信。

表1 1900年以來云南省M≥6.8地震一覽表

云南的地震觀測臺網從1964年開始建立，但大部分臺站是1970年通海地震以后建的。1971年以來云南地震觀測臺網基本能控制云南省內3.0級以上的地震(劉麗芳等，2012)。因此強震附近的中小地震計算，1971年后下限震級使用3.0級以上是合理的。

2 地震活動的階段特征

活動斷裂的閉鎖段是未來的潛在震源區(武艷強等，2018)這是共識，研究閉鎖段成為地震中長期預測常用的方法之一，是尋找潛在震源區的好方法，對指導抗震設防有非常好的實用價值，但對于常規地震中短期預測跟蹤，判定閉鎖段的發震時間，能用的判據并不是很多。地震學方法通過研究震前中小地震活動的地震學異常，提取中短期階段的判據，追蹤強震孕育進入中短期階段的時間，增強了強震預測的重要環節。

2.1 M≥6.8強震前的中等地震活動特征

在所有M≥6.8地震前，其震中附近150 km范圍內的中等地震活動大致可以分為3種情況：①M≥6.8地震前出現7～14年的M≥5中等地震平靜(圖1)；②出現7年以上的平靜后，發生1次中等地震活動，之后又平靜3～4年，發生主震(圖2a，b)；③出現7年以上的平靜后，中等地震活躍一段時間，再發生強震(圖2c，d)。只有1976年的龍陵7.3，7.4級和1979年普洱6.8級地震前，震中周圍沒有出現7年以上的中等地震平靜。

圖1 1900年以來云南區域M≥6.8地震前中等地震的活動圖像

由圖2可見：①對于同一構造區長時間平靜后直至M≥6.8強震發生前，中等地震活動方式有較好的重復性，如1913和1970年的2次通海地震，1941和1988年的2組瀾滄耿馬地震前，中等地震活動均為平靜后，于震前3～4年發生1次中等地震，再發生強震的模式(圖2a，b)；②強震叢集發生，長時間平靜后10年內又發生多次強震，如1995年孟連7.3級地震，在后續強震前，通常有中等地震活躍(圖2c)；③平靜后震中附近150 km內中等地震持續活動數年，再發生主震，如1974年大關7.1級地震(圖2d)，主震前中等地震會出現叢集活動(圖3a)。

圖2 M≥6.8強震前震中附近中等地震活動時間進程

對于中等地震活躍后再發生的強震，從空間和時間上相對更容易引起關注。如圖3所示，1974年大關7.1級地震和1995年孟連7.0級、1996年麗江7.0級地震前2～3年開始，震中附近均有中等地震開始形成條帶或中等地震叢集活動。按照云南區域M≥6.8地震活躍期和平靜期的劃分(付虹等，1997)，1970年的通海7.8級地震和1988年的瀾滄、耿馬7.4，7.2級地震屬于云南區域第3和第4活躍期的首發地震，從表1可見，除首發地震外，1970年以來所有的M≥6.8地震前，均出現了中等地震活躍。

圖3 M≥6.8強震前中等地震叢集活動示意圖

表1所示異常特征為：①震前震中附近出現過7～14年平靜的地震；②出現過中等地震異常活躍的地震。從表1可見，約86%的強震前，震中附近出現過7～14年的平靜。在具備發生大震可能性的地區，出現長時間的中等地震平靜的區域可以作為未來發生強震的潛在危險區。

1900年以來云南強震活躍期的首發地震，都在通海和瀾滄、耿馬地區，這2個區的首發強震都是長時間平靜后，發生1次中等地震活動，再平靜3～4年后，發生主震，發生中等地震后可以把預測時間縮短到3～4年。在這2個地區分別發生了2組首發強震事件，且中等地震在大震前的活動模式有較好的重復性。在瀾滄、耿馬地區長時間平靜后，有可能出現強震的叢集活動，這種狀況下，后續強震發生前1～3年，震中附近多有中等地震集中活動，同樣也可把預測時間縮短到1～3年。瀾滄、耿馬地震區是20世紀以來唯一出現M≥6.8地震連發的地區。

除了活躍期的首發強震，活躍期內的強震前中等地震出現叢集活動或形成條帶，可以把時間預測縮短到1～3年。1970年以來云南的M≥6.8地震都遵循了這一特征，因此中等地震活動特征在中期預測中有較高的實用價值。

2.2 震中附近中小地震活動異常特征

2.2.1 地震頻度異常

云南區域M≥6地震前，有80%的地震震中附近2°×2°范圍內均有中小地震活動增強現象，導致地震學參數A值異常(付虹等，2002；劉翔等，2012)。在M≥6地震發生前，近場區內4級地震活動的增強一直作為云南區域1～2年M≥6地震的預測指標。1970年通海7.8級地震前，雖然臺網的控制能力不是很好，3級地震可能會有遺漏，但在震中附近2°×2°范圍內，以12月為窗長、1月為步長滑動計算的M≥3.5地震頻度出現了有小震記錄以來的最高值(圖4a)。在1988年瀾滄、耿馬7.4，7.2級地震前，震中附近2°×2°(21°～23°N，98°～100°E)范圍內，同樣以12月為窗長、1月為步長滑動計算的M≥3和M≥4地震頻度在震前1年也出現了顯著增加(圖4b，c)。圖4d是滇西北地區(25°～27°N，98°～100°E)4級地震以12月為窗長、1月為步長滑動計算的頻度，在該區域1990年以來的所有M≥6地震前，均能觀測到4級地震的頻度增加現象。圖4e是2014年魯甸6.5級地震前滇東北地區4級地震頻度增加情況，從圖4e可以看到1995年武定6.5級地震前4級地震的頻度增加現象也顯著。滇西南地區出現4級地震頻度增加，作為年尺度的預測指標，一直在年度跟蹤中應用(圖4f)。因此，震前1～2年震中附近地區4級地震頻度增加，是云南區域較多M≥6地震前的異常特征。

圖4 強震前近場區4級地震活動增強示意圖

把強震前近場區地震頻度增強用③標注在表1中，可見在1970年以來的9組M≥6.8地震前，震中附近都出現了4級地震頻度增加的現象。從滇西北、滇東北和滇西南地區的4級地震頻度增加(圖4d～f)與后續M≥6地震相關性可見，虛報、漏報都不多。綜上，用2°×2°范圍對云南區域4級地震頻度進行掃描追蹤，對實現未來強震的發震地點的尋找和1～2年時間的判定是有益的。

2.2.2b值異常

低b值反映的是區域的高應力狀態，物理意義較為明確。選取震中附近近場區范圍內3.0≤ML≤5.0地震，1年累計、1月滑動計算b值的時間進程曲線。如圖5所示，云南區域的幾次7級地震前，b值都出現了由高到低的變化過程，且發震時間可以縮短到1年尺度。把震前有b值從高到低降低過程的地震用④標注在表1中，可見M≥6.8地震前，都觀測到了這種現象。

圖5 強震前近場區部分b值變化曲線

根據震級和頻度關系式，b值反映的是大小地震的比例系數，說明中小地震活動強度增強是云南區域強震發震的必要條件，與區域的4級地震頻度增加有較好的一致。不同的區域不同的強震前，b值的變化大小不一樣，但M≥6.8地震的共性特征是所有地震前由高變低的b值變化量△b≥0.3。

2.3 短期階段地震活動異常特征

短期階段，除1976年龍陵7.3和1988年瀾滄7.4級等地震前有5級直接前震外，其他地震前1～3個月，震中附近很難找出共同的顯著異常特征。在云南區域的地震活動跟蹤中，發現多次M≥6地震前，云南區域的M≥3地震月頻度有顯著的增高現象，如果把月頻次大于20作為判據，在2014年魯甸6.5和景谷6.6級地震前均出現過該異常(付虹等，2015)，表明在短期階段，場上的構造作用增強、小震增多，是地震活動在發震時間上需要重點關注的現象。

3 強震前地球物理觀測資料異常特征

3.1 形變、流體等定點地球物理觀測異常顯著特征

按照彈性回跳理論，變形是發生地震的基本條件(郭增建，秦保燕，1979)，因此地殼變形時形變、流體等測項在震前可能會有異常。在模擬觀測時代，云南定點形變和流體大幅度的觀測異常與地震的密切相關已被證明(付虹等，1997；陳立德，2000)。

近幾年云南區域雖然沒有發生7級地震，但在2014年的魯甸6.5和景谷6.6級地震前2個月內，形變、流體同樣也觀測到了類似的大幅度突變異常(圖6a，d)。魯甸6.5級地震前的形變、流體觀測資料大幅度顯著異常較多，距離震中92 km的彝良定點形變中傾斜異常于震前1個月開始出現，距離震中46 km的漁洞定點形變異常在震前8個月開始出現(付虹等，2015)，說明異常外早內晚的特征可能缺乏普適性(陳立德，2000)；流體的水位、離子大幅度的突升、突降均在震前70天內，突變異常幅度最大的昭陽一中水位，于震前66天突升64.5 cm，說明“巨變”異常出現在震前70天內的特征(陳立德，2000)，至今仍有普適性。值得注意的是，云南區域大震前的突變，通常會分布在全省范圍內。1996年麗江7.0級地震前，因為巨幅異常分布在距離震中210～455 km，曾經造成短臨階段發震地點判定錯誤，也是云南區域地震短臨前兆異常預測“聲東擊西”最典型的震例。1988年瀾滄、耿馬7.4，7.2級地震前，距離震中40 km的景谷水位突升16 cm和距離震中500 km的曲靖水位突升57 cm(圖6e，f)，也可以看到水位突升的井孔并不只在震中附近出現，也不遵循距離震中近的幅度比遠的大的規律。觀測事實證明傾斜和流體觀測在強震前短臨階段的突變有很多是大面積出現的場上的信息，與震源的關系在地點上不是密切相關，因此這些突變可以逼近發震時間，但不能用于判定發震地點。

圖6 強震前部分顯著前兆異常

3.2 GNSS觀測在短臨階段的異常特征

GNSS觀測以物理意義清晰、資料可靠、描述大地變形精度高，被越來越多地應用于地震預測預報，2011年后，云南區域GNSS固定觀測點的加密，為應用提供了可能。在獲取各個測點點位移時間序列的基礎上，引入克里金插值方法對位移場進行格網化，以1°×1°為單元把云南區域劃分成為56個格網，單獨計算每個網格點的應變場，提取不同區域應變場張量作空間分布圖(Hongetal，2018)，結果如圖7所示。

圖7可見，在2014年發生的3次M≥6地震前，局部擠壓增強的區域都鄰近后續發生的M≥6地震(圖7a，b)，應變擠壓量級均超過了5×10-8；2014年后，僅2018年7月在滇西南觀測到了擠壓現象，其后2018年9月在增強區發生了墨江5.9級地震(圖7c)。2011年以來大部分時間的GNSS圖像如圖7d所示，應變擠壓量級均比較弱。因此認為在構造區域的局部擠壓增強，可能是地震短臨階段區域構造變形最重要的特征之一。

4 異常特征與地震預測應用

綜上所述，強震前震中附近地區能觀測到地震活動的共性異常，結合地球物理定點觀測的形變、流體異常，能有效縮短預測時間。對云南區域強震前中短期階段的異常特征進行歸納，見表2。

表2 云南區域強震前中短期階段異常特征統計

利用表2中的異常特征，可建立從有中等地震異常區，再到4級地震頻度增強和b值降低區，判斷M≥6.8地震進入中期階段，再根據巨幅異常和云南大面積3級地震頻度的增強，逼近地震的中短期跟蹤階段預測方案。盡管特征提取使用的強震樣本量有限，在應用過程中有可能出現新問題，但這些判據在現階段為云南區域強震實現長中短臨漸進式的跟蹤預測，提供了有可操作性的指導。

5 結論和討論

1900年以來云南區域的中等地震活動顯示：86%的M≥6.8地震前，震中附近半徑150 km范圍內均出現了5，6級中等地震7～14年長時間的平靜現象；全省M≥6.8地震長時間平靜后地震活躍期的首發地震前，3～4年均有中等信號地震發生；在1970年以來的第3和第4活躍期內的M≥6.8地震前，震中附近地區均有5級中等地震活動在時間和空間上的叢集現象出現，且呈條帶分布。據此出現中等地震平靜的區域，可作為未來強震發生的潛在危險區，為長期預測提供參考，平靜區出現中等信號地震和中等地震叢集，均可作為3～5年可能發震的中期指標。

從1965年有小震記錄、特別是1971年ML≥3地震記錄相對完備以來，所有的M≥6.8地震前，震中附近近場區2°×2°范圍內4級地震活動出現顯著增強，以12月為窗長、1月為步長滑動計算，頻度均能達到強震所屬構造區的預測閾值；b值均有從高值到低值的變化過程，不同的區域b值的大小不一，但變化幅度△b≥0.3可以作為參考指標。出現4級地震頻度增加和b值降低，可作為強震未來1～2年發震的判據。在出現地震頻度、b值異常的基礎上，云南區域出現M≥3地震月頻度N≥20可作為強震的短期預測指標。

云南的定點形變和流體觀測點為中國大陸西部最多，特別是20世紀80年代以來，觀測資料數量大幅度增長，第4活躍期以來的所有M≥6.8地震前，都觀測到了形變和流體的顯著異常變化。觀測資料顯示大幅度的破年變趨勢異常，多在震前1年時間尺度內開始出現，而大幅度的突升、突降異常(至少有1～2個測點幅度為觀測以來或近10年以來最大)，多出現在震前70 d內。

云南區域的GNSS固定臺站觀測，從2011年開始產出資料，雖然觀測資料積累時間不長，但測量結果干擾小。研究結果顯示局部的顯著區域擠壓異常，在測點密度相對大的地區，僅僅在M≥6地震前1～2個月出現，因此大大提高了異常的可信度和可用性。

中等地震和4級地震頻度、b值異常，可以作為云南區域預測強震的中期指標，該指標能追蹤發震地點，預測區域可判定在半徑150 km范圍內；定點形變和流體觀測資料出現顯著破年變或速率加大的異常，可以縮短判定時間到中短期，但無法在云南區域內預測發震地點。

強震發生前在震中附近的4級地震活動出現增強，筆者比較認可郭增建先生的解釋，當中小積累單元發生地震后，轉化為調整單元，并把應力逐步集中到更大體積的積累單元邊部或端部，最后在這個區域內發生大震(郭增建，奏保燕，1979)。當某一區域的4級地震活動增強時，震級和頻度關系式中的比例系數b值，通常就出現由高到低的變化，也表明在應力增加過程中容易發生強震，這與b值的物理意義是吻合的。

由于目前云南區域的定點形變和流體觀測點的密度仍然不夠大，如果把地震發生后的余震分布區作為震源區的話，至今為止云南區域觀測到的震前形變和流體觀測異常中，都沒有獲得過有關震源區的信息，得到的震中附近的異常都是近場區的，這些近場、遠場的異常都是場兆。場兆表征的是大區域的應力水平狀態，而不是震源的信息，因此很難用場兆判定發震地點。另一方面也說明中短期、特別是短期階段，云南區域的M≥3地震月頻度增加，分布相對廣的形變、流體異常增加，表征大區域的應力水平增強，有利于強震發生。

在強震跟蹤過程中，未來震中未知的時候，用地震學異常方法追蹤危險區的可信度較高，而地球物理定點臺站觀測資料的異常與強震的發生時間更為緊密，因此地震活動與地球物理觀測相結合的跟蹤可能更行之有效。從近幾年觀測密度較大的流動地磁場的觀測結果看，異常區域與未來震中的相關性是比較好的(倪喆等，2014)，因此如果形變和流體等定點觀測點足夠密，能捕捉到源兆信息時，也有可能找到和未來強震的震中密切相關的信息。

1900年以來，云南區域的M≥6.8地震只有1976年龍陵7.3，7.4和1979年普洱M≥6.8地震前沒有發現7年以上長時間的平靜，有學者研究認為這2個區域是休眠火山區(趙慈平等，2006，2018)，休眠火山區及附近地震的孕育發生模式可能更為復雜，需要進一步研究。但震前1～2年，均有4級地震頻度增長和b值的降低過程，因此這類地震的跟蹤，仍然可以用大部分地震活動的共性特征進行。

長中短臨的地震三要素預測，需要地震活動和地球物理定點臺站觀測資料相互配合才能達到目標。不同的判據代表著不同的物理含義，震中附近的中小地震活動異常可能是震源區附近因地震孕育出現的特征，這些特征主要是中期的。短臨階段全省的3級地震活動增強和流體、形變觀測巨幅異常的出現，更多的是場兆的信息，表明場源結合才能更好地從時間和空間上逼近地震。在中等地震平靜或弱活動的背景下，3，4級地震活動增強和形變、流體異常，可能是具有動力學含義的指標，追蹤這些指標是縮短時間預測的重要途徑。

雖然依據有限樣本得到前述特征預測判據，距離解決地震預報問題仍然很遙遠，但利用已積累的震例建立中短期階段的預測判據，增加長中短臨漸進式預測的可操作性，不斷對地震預測進行嘗試，有望對某些類型的地震有一定程度的預測，一直是地震預報工作者追求的目標。