利用斷層活動協調比方法分析云南現今地殼應變積累

徐東卓, 塔 拉, 羅三明, 朱文武, 王世進, 尹海權

(中國地震局第一監測中心, 天津 300180)

0 引言

云南地區位于南北地震帶南段,青藏高原的東南部,多個板塊拼聚于此,形成了現今構造屬性復雜的大地格局。受板塊間強烈的互相作用,使得區域地殼形變明顯,歷史強震頻繁,且隨著南北地震帶中北段四川九寨溝7.0級地震的發生,南北帶可能存在應力調整,而處于地震帶南段近年來缺少中強地震的云南地區震情形勢發展則愈加受關注。

跨斷層形變監測應用于地震研究與預測預報在我國已開展了四五十年,是一種歷史久、精度高、資料積累豐厚,且效果良好的大地測量方法之一[1-4]。在利用跨斷層監測資料分析研究地殼形變、應力積累変化、斷層活動狀態和地震危險性分析方面建立了許多可靠的理論、方法和模型[5-6],其中斷層活動協調比方法在分析區域斷層活動狀態、應力應變積累和地震危險性上具有積極有效的作用[7]。本文基于云南地區11處跨斷層形變監測場地資料,利用斷層活動協調比方法來分析區域斷層的應變狀態和震情,為九寨溝7.0級地震后該區域的地震危險性預測提供一定參考。

1 區域構造背景

云南地區位于青藏高原的東南緣,南北地震構造帶的南段,川滇菱形地塊南部,大地構造位置上處于揚子板塊、松潘—甘孜地塊、蘭坪—思茅地塊、印度板塊等多個不同構造單元的拼合匯聚地帶,經歷了多期次大規模的構造運動與巖漿活動,構造屬性復雜。北西—南東走向斜貫全區的金沙江—紅河斷裂帶比較清楚地劃分出東西兩大部分(圖1)。東部主體屬于揚子準地臺的西緣或準地臺古生代增生部分;西部則分屬唐古拉—昌都—蘭坪—思茅褶皺系和岡底斯—念青唐古拉褶皺系。新生代以來,伴隨著印度板塊和亞歐板塊之間強烈的持續至今的拼合作用,區域地殼形變和斷裂活動強烈,地震活動頻繁,僅1970—2017年就發生6級以上強震30余次。很多學者對此區域開展了研究,并取得了大量成果[8-11]。

2 跨斷層監測概況

云南地區的跨斷層監測場地自1982年一直持續觀測至今,已有30余年。現有的11個跨斷層監測場地均為水準、基線配套場地,通過這種組合方式來共同監測場地所跨斷層的三維運動變化。每個場地均布設有兩條測線與斷層正交和斜交,測線測邊從數十米到幾百米不等。水準和基線測量使用的儀器及作業方式嚴格按照《國家一二等水準測量規范》執行[12],保證了觀測數據真實可靠。11處流動觀測場地分別是楚雄、峨山、建水、劍川、麗江、石屏、通海、下關、永勝、宜良和羊街(圖1),主要分布于金沙江—紅河斷裂帶、小江斷裂帶、曲江斷裂帶及其次級斷裂(劍川斷裂、洱海斷裂、通海—峨山斷裂、建水—石屏斷裂、麗江斷裂)上(表1)。場地的觀測周期基本是每月1期,如遇震情,會半月加密1期,數據連續且完整。

3 數據處理及分析

為保證數據的可靠性和可用性,將收集到的云南地區11處流動跨斷層監測場地30余年的觀測數據進行預整理,剔除誤差和干擾產生的不真實數據,對數據格式做統一標準化處理。首先,去除跨斷層觀測數據中明確因人為或環境干擾引起的突跳變化,檢驗觀測數據的連續性,剔除重復的數據;然后,對于周期觀測中因特殊原因缺測的數據采用線性插值法補齊,得到統一周期、可靠的形變數據。對數據的處理分析采用以下方法。

區域內的跨斷層場地同時布設有基線和水準測線,可采用以下3個公式來計算斷層活動的三維活動量:

圖1 研究區主要斷裂帶及跨斷層監測場地分布圖Fig.1 Distribution of main faults and cross-fault monitoring sites in the study area

表1 研究區跨斷層監測場地概況

(1)

其中:ΔH為水準垂直變化量(以上盤相對于下盤的下降為正);ΔL為基線伸縮量(以伸長為正);ΔS為斷層活動水平走滑量(兩盤做順扭運動為正);ΔR為斷層活動水平張壓量;α是由斷層線方向逆時針轉動至測線方向重合或者平行時的角度。當ΔS為正值時,表示右旋活動,ΔR為正值時,表示張性活動;若均為負值則表示斷層活動性質相反[2]。

當斷層活動處于剛性無障礙自由蠕滑狀態時,若引起斷層活動的構造動力學背景一成不變,則斷層活動的蠕滑方向也不會產生變化,就會處于一種相對穩定狀態,其運動應滿足以下關系式:

(2)

式中:C1、C2和C3為任意兩個活動參量之比,均為常數;分別將f1、f2和f3定義為斷層活動三維參數之間的協調比。當斷層活動協調比偏離原來正常值時,在排除了非構造活動干擾情況下認為斷層活動受阻,斷層蠕動偏離了正常運動狀態或產生閉鎖,表明斷層活動存在一定的應變積累。當斷層突破了臨界值或者屈服強度就會發生地震,震后隨著能量的釋放,斷層活動又趨于剛性模式,協調比又回歸正常的穩定形態[7]。

基于得出的云南地區跨斷層監測場地的斷層三維活動量參數,利用程序計算得出了斷層活動協調比參數(圖2),分析結果如下:

楚雄場地[圖2(a)]的斷層活動協調比整體上表現出兩端趨勢平穩,協調一致的特征,顯示斷層活動在這兩個時期均符合無障礙滑動特征,無顯著應變積累,為正常的斷層活動狀態。在協調性不好、較為離散的中間時段,發生了多次5～6級以上的地震,協調比圖形變化與震例有較好的一致性。說明斷層在這一時段運動狀態發生了不同于背景特征的改變,應力狀態發生異常變化。現今來看,楚雄場地所監控斷層運動狀態符合常態,無異常活動特征。

峨山場地[圖2(b)]從圖形看,在1988—1998年期間,該場地的協調比出現背離趨勢的離散現象,且對應了幾次6級以上震例。麗江7.0級地震前7年協調比開始出現離散現象,斷層應力開始積累,震后3年內同樣具備離散特征,之后協調比慢慢調整至正常水平,斷層活動恢復正常。現今來看,峨山場地所監控斷層運動狀態符合常態,無異常活動特征。

建水場地[圖2(c)]的協調比圖像整體上較為分散,斷層活動顯得雜亂無規律,但是在離散程度較高的時段內,還是對應了5～6級地震的發生。這種無序雜亂的現象是由于非構造因素造成,還是場地本身布設與斷層關系不清晰,還需進一步研究。近期的建水場地協調比依然表現出一定程度的背離現象。

石屏場地[圖2(d)]從圖形上看,大體顯示出兩個時段的離散現象,前一時段(1997—2002年)對應了幾次6級以上地震,斷層活動強烈;后一時段的協調比失調從2015年開始,持續至今,斷層活動表現出異常特征,應變積累現象明顯。前一地震多發時段共持續5年,關注現今時段后三年的變化。

麗江場地[圖2(e)]的原始觀測曲線,在麗江7.0級地震前后發生巨幅變化,震前觀測曲線較為平穩,震后斷層活動速率大幅抬升。在協調比圖像來看,同樣變化形態差異較大:震前的協調比出現偏離,離散化現象明顯,顯示斷層活動存在顯著應變積累和應力集中;震后協調比迅速轉至正常軌道,恢復正常趨勢,表明庫侖應力得到較大釋放,斷層活動回到正常水平,持續至今。

永勝場地[圖2(f)]整體協調比的離散變化與6.5級以上震例對應關系較好。在麗江7.0級地震前出現了兩個時段的協調比失調現象。第一時段出現在1988—1993年期間,未發生較大地震;第二時段(1995—1997年)出現在第一離散階段結束的兩年平穩期后,并在此階段發生了麗江地震。1997年后協調比恢復正常趨勢,斷層活動也恢復正常狀態。近期該場地依然表現出平穩協調的特征。

通海場地[圖2(g)]2002年前協調比表現出離散現象,說明斷層活動加劇,存在應變積累和應力變化,并且對應了多次6～7級地震。2002年后協調比恢復協調一致的正常變化趨勢,斷層回到正常運動狀態。近期,未出現異常離散現象。

劍川場地[圖2(h)]的協調比圖像顯示離散變化與震例有較好的對應關系。第一個離散時段持續時間較長,對應了包括麗江地震在內的多次6級以上地震;第二個離散階段從2008年持續至今,斷層活動狀態發生改變,應變積累顯著,后續值得關注。

羊街場地[圖2(i)]與宜良場地[圖2(j)]同處于小江斷裂帶,從兩者的協調比圖像來看,歷史震例與圖像離散現象均有不同程度的對應關系。現今協調比較為平穩一致,無明顯離散現象,說明斷層活動維持正常活動狀態。下關場地[圖2(k)]的斷層活動協調比時序圖像顯示,該場地歷史映震情況一般,現今f1、f2和f3各自協調比表現為平穩一致,協調度較好的現象,斷層無應變積累。

綜合每個場地的斷層活動協調比結果來看:

(1) 通過斷層活動協調比時序圖像來看,云南地區歷史上對6～7級以上地震映震情況較好的跨斷層監測場地有麗江、永勝、劍川、楚雄和建水。

(2) 從近期協調比特征來看,可將云南地區跨斷層流動場地分為斷層活動正常場地和異常場地。正常場地有楚雄、峨山、永勝、麗江、通海、羊街和宜良;異常場地包括建水、石屏和劍川。協調比時序曲線出現兩次或者多次離散現象,且都對應了震例的場地,多次離散的間隔可作為下一次離散或者發震時間的參考。

圖2 跨斷層監測場地斷層活動協調比時序圖Fig.2 Sequence diagram of fault motion coordination ratio of cross-fault monitoring sites

(3) 根據區域內跨斷層場地的協調比顯示的現今斷層運動狀態可分為有應變積累和無應變積累。有應變積累的斷裂有劍川斷裂、石屏—建水斷裂;無應變積累的有小江斷裂、紅河斷裂、麗江斷裂、楚雄斷裂、程海斷裂和曲江斷裂等。

4 討論及結論

斷層活動協調比參數可幫助判識斷層活動的性質。當協調比處于正常水平、協調一致時,斷層即表現為無應變積累的自由蠕滑。反之,基線、水準觀測曲線波動并無太大異常,而協調比出現離散、偏離的顯著變化時,可認為是地震前兆異常,可能與地震活動相關[7]。根據計算得出的斷層活動協調比時序圖像結果,云南地區近期存在協調比出現離散、偏離的顯著變化異常的跨斷層監測場地有劍川、石屏和建水場地,存在應變積累、斷層活動出現異常的斷裂有劍川斷裂和石屏—建水斷裂。

通過區域跨斷層監測場地的原始數據曲線和三維活動量曲線來看,滇西北地區的劍川、下關和永勝以及滇中地區的峨山、石屏和建水場地均存在異常表現。楚雄、劍川和永勝場地所跨斷層在走滑和張壓特征上都表現出跟背景特征相背的現象。峨山、建水和通海場地所監測的斷層在走滑性質上與地質背景相符,在張壓性質表現出反向異常。通海—峨山斷裂現今運動特征表現出相同于地質背景的右旋走滑和相反于地質背景的拉張運動。石屏—建水斷裂建水段現今依然是左旋走滑,但是張壓性質發生反轉,表現出張性運動的活動特點[13]。

云南地區2015年至今存在長時間缺少4～5級以上中強地震的背景,不符合區域歷史以往地震活動特征,現今構造應力已積累較高。在印度板塊俯沖拼合到亞歐板塊之時,其東北和西北的兩大犄角作為兩大強著力點,直接造成了喜馬拉雅弧東西構造結附近區域強烈的構造變形和地震活動,并且東西構造結的強震活動具有一定準同步特征。通過震例統計,興都庫什地區發生7級以上中深源地震后,后期東構造結—云南地區會對應7級以上地震的發生。2016年興都庫什地區再次發生阿富汗7.1級地震,指示東構造結—云南地區還會有7級地震發生的可能。緬甸弧的中深震與后期川滇地區7級地震也存在對應關系。2016年分別發生了中深源的MW6.9和MW6.8地震,指示后續云南地區仍存在強震的可能。

四川九寨溝7.0級地震發生對云南地區的地殼應變可能會產生影響。九寨溝地震震中及極震區位于南北地震帶北段,東昆侖斷裂帶東端,此次地震分別距離汶川地震和蘆山地震有9年和4年有余,這三次強震均位于南北地震帶中北段,近些年該區域平均4～5年發生一次7級以上地震。然而具有相同動力學背景的南段距離最近的麗江7.0級地震已有二十余年未發生7級以上地震,伴隨著九寨溝地震的發生,應力可能會加速在南北地震帶南段積累。

綜合以上分析認為:

(1) 通過斷層活動協調比時序圖像來看,云南地區歷史上映震情況較好的跨斷層監測場地有麗江、永勝、劍川、楚雄和建水;近期存在異常的跨斷層監測場地有劍川、石屏和建水場地;存在應變積累、斷層活動出現異常的斷裂有劍川斷裂和石屏—建水斷裂。

(2) 結合跨斷層原始觀測數據和三維活動量結果,綜合認為云南地區地殼形變異常區域分布在滇西北地區的劍川、下關和永勝以及滇中地區的峨山、石屏和建水附近。

(3) 結合地震活動性資料,綜合認為四川九寨溝7.0級地震后,南北地震帶南段應力可能會加速積累,云南地區的中強震危險性增加,應加強關注。