基于區域水準和跨斷層資料分析 云南地區地殼形變1

徐東卓 蘇廣利 王世進 朱傳寶 孫非非

1）中國地震局第一監測中心，天津 300180

2）青海省第三地質礦產勘查院，西寧 810029

引言

受印度板塊和青藏塊體相互俯沖碰撞的強烈影響，云南地區現今地殼形變顯著，構造運動明顯，強震活動頻繁，成為研究地質構造運動與地震活動之間關系的理想區域。

區域水準測量，作為經典的大地測量方法之一，具有覆蓋面積大，精度高，歷史資料豐富的特點，是研究區域地殼垂直形變特征不可或缺的手段（王慶良等，2008；郭寶震，2016；孫啟凱等，2017）。使用GNSS連續站的形變資料，對區域水準資料處理過程中的誤差進行約束，效果良好（黃立人等，2000）。由經過處理的水準資料得出的區域地殼形變高梯度帶對未來強地震危險區的判定有重要作用，并在實踐中得到了應用（張祖勝等，1996）。跨斷層場地觀測斷層動態形變，有靈活性強、便于實施和實時監控、精度高、資料連續可靠的特點，利用跨斷層觀測資料分析斷層及地殼形變與地震的關系取得了很多成果（薄萬舉等，1998；張晶等，2011；李臘月等，2016；尹海權等，2018）。

本文利用云南地區1992—2016年的一等水準觀測資料，從“面”上分析區域整體地殼垂直形變特征；利用20世紀80年代至今的跨斷層觀測資料，從“線”上分析斷層活動特征。綜合2種形變觀測手段得出云南地區現今地殼形變的時空演化特征，提取共同的地殼形變異常區域，為區域地震危險性分析提供參考。

1 區域地質概況

在大地構造位置上，云南地區位于青藏高原的東南部及地震活動頻繁的南北地震帶南段，處于包括揚子板塊和松潘—甘孜地塊在內的多個構造單元拼合匯聚地帶，經歷了多期大規模的構造運動與巖漿活動，具有復雜的地質演化史，構造屬性十分復雜。新生代以來，青藏高原受印度板塊和亞歐板塊俯沖碰撞的直接作用，形成“雙地殼”，并伴隨著強烈縮短增厚，進而快速隆升（Tapponnier等，2001；許志琴等，2011；Xu等，2016）。同時，因高原內部構造應力的不斷積累，進而發生了同構造變形，其中部分物質和能量向NW、NE、SE等方向轉移釋放，形成了一系列晚新生代活動構造。受兩大板塊持續的拼合作用，青藏高原東南部的云南地區構造活動強烈，中強地震頻繁，僅1970—2017年就發生6級以上強震30余次，并形成了特有的構造地貌和斷裂帶，如NW走向金沙江-紅河斷裂和瀾滄江斷裂、NE向的麗江-小金河斷裂和南汀河斷裂、近NS走向的小江斷裂等等（圖1），也產出了許多研究成果（Burchfiel等，2003；喬學軍等，2004；徐東卓等，2017a）。

圖1 研究區主要斷裂帶、跨斷層監測場地及水準路線分布 Fig.1 Distribution of the main faults,cross-fault monitoring sites and the leveling lines in the study area

2 水準資料處理及分析

共使用2期精密水準數據進行處理和分析，第一期在1992—1998年完成，第二期在2013—2016年完成，水準路線共形成5個閉合環，基本覆蓋云南全境。使用的水準儀以及配套的標尺和尺臺檢驗項目齊全，各項限差均符合規范要求，測量工作嚴格按照《國家一、二等水準測量規范》（國家測繪局，2006）執行。

采用了2個距離水準路線10km范圍內的GNSS連續觀測站的垂直形變速率（表1）（王敏，2009），來對水準測量隨著測線長度的增加而帶來的系統誤差進行約束。GNSS約束點垂直形變信息的獲取，主要采用1GAMIT來獲取區域和國際IGS測站的單日松弛解，再借助QOCA軟件進行綜合平差，進而利用IGS核心站求解相對于全球參考框架ITRF2005的相似變換參數，以獲取ITRF下的單日松弛解和速度場（郝明，2012）。GNSS連續站穩定性好，觀測環境合格，數據連續完整。分別利用單一假定基準（基巖點）和 GNSS 連續站約束進行平差，結果顯示后者獲得的誤差分布相對均勻，而前者獲得的誤差隨距離的增加而變大（蘇廣利等，2017）。結果表明，利用解算后的GNSS連續站的垂向運動速率，可有效抑制水準測量中的系統誤差。

資料處理采用帶有約束的線性速率模型平差法（黃立人等，2000；郝明，2012），GNSS約束點分布相對均勻、時間序列包含在水準施測時段內、U分量時間序列結果線性良好，動態平差后的單位權中誤差約1mm/km，水準測量數據整體精度良好。

表1 GNSS約束點的垂直運動速率 Table1 The vertical deformation rates of GNSS constraint points

在分析云南地區地殼形變特征時，鑒于區域強震多發，需排查及去除由強震導致的水準數據突變。地震產生的同震位移場和震后弛豫位移場，會對該區域的形變累積產生上升或下降的影響。為降低影響，利用王慶良等（2008）得出的震中距水準路線大于50km的地震所造成的影響小于0.5mm/a的結論，刪除了1990—2016年間6級以上地震震中距小于50km的顯著水準觀測突跳值。

基于2期一等精密水準數據平差結果，利用GMT軟件對區域地殼垂直運動速率和梯度進行圖像繪制，結果顯示滇西北和滇東偏南區域顯示整體地殼隆升，滇南區域整體表現出地殼下沉的趨勢。

（1）滇西北區域地殼整體顯示隆升特征，垂向速率為2—3mm/a，與郝明（2012）研究結果1—3mm/a基本一致，與王慶良等給出的結果有所差異，主要與選擇的平差方法及參考基準不同有關。值得注意的是在劍川—永勝附近出現1個異常隆起區，速率達到4—5mm/a，滇東偏南區域的通海—建水附近也存在1—2mm/a的隆升區，可能與該地區強烈的構造活動有關（圖2（a））。

（2）位于滇南地區的思茅—勐海附近表現出地殼相對下沉的特征，沉降速率為-1—-2mm/a，與云南思芋和云南瀾滄的GNSS連續站的觀測結果一致（YNSM：-2.9mm/a，YNLA：-1.9mm/a），受印度板塊和亞歐板塊的相互作用，青藏高原內部物質和能量向南—南東向的運移受到印支—緬甸塊體的阻擋，并受到深部應力作用，發生東西向的拉張是該地區沉降的主要原因。有研究認為該區域的主壓應力方向為NNW—SSE或N—S，同時張應力方向為近EW，表現為區域上的拉張下沉（許忠淮等，1987）；根據大地電磁測量、反射地震、折射地震綜合解釋分析認為，滇西南蘭坪思茅盆地中軸構造帶是西南“三江”地區繼陸—陸碰撞、走滑、隆升之后正在發育的大陸裂谷系統，整體表現為下沉（王安建等，2013）。

（3）在滇西北的下關—永勝和滇中南的建水、普洱—景谷一帶，存在地殼垂直形變速率的高梯度帶（圖2（b））。由大面積水準計算得出的形變高梯度帶在指示7級以上強震發生區域上，具有歷史有效性。在滇南的普洱—景谷區域內發生了2014年景谷6.6級地震，恰好發生在第2期水準測量完成后1年內，但是該地震還不能解除區域多年無7級以上地震的危險。

圖2 云南地區地殼垂直形變等值線（a）和梯度圖（b） Fig.2 Contour map (a) and gradient map (b) of crustal vertical deformation in the Yunnan area

3 跨斷層資料處理及分析

云南地區的跨斷層場地觀測至今已有30余年，共有11處場地，分別為楚雄、峨山、建水、劍川、麗江、石屏、通海、下關、永勝、宜良和羊街，主要分布于紅河斷裂帶、小江斷裂帶、曲江斷裂帶及其次級斷裂上（表2）。觀測場地主要為流動觀測，包括2條短水準和2條短基線測線，分別各有1條與斷層直交和斜交的測線，以此來共同監測場地所跨斷層的三維運動變化。觀測周期為每月1期，并依據實際情況進行加密觀測，數據連續且完整。

表2 研究區跨斷層場地概況 Table2 Site situation of the cross-fault in the study area

對跨斷層觀測數據進行處理，首先消除干擾因素造成的異常大幅跳動，檢驗觀測數據的連續性，對重復數據進行排除；然后對因缺測等原因丟失的空值數據采用線性插值法修補，得到完整連續的觀測數據。采用公式（1）—（3）對觀測數據進行計算分析，得到場地監測斷層的三維運動狀態。

其中，ΔH為水準垂直變化量（以上盤下降為正），ΔL為基線伸縮變化量（以伸長為正），ΔS為斷層水平走滑量（兩盤做順扭運動為正），ΔR為斷層水平張壓變化量，α為是由斷層線方向逆時針轉動至測線方向重合或平行時的角度。當ΔS為正值時，斷層右旋活動，ΔR為正值時，斷層張性活動；若均為負值則表示斷層活動方式相反（薄萬舉等，1998）。

采用MATLAB程序對原始觀測數據進行曲線繪制，可知峨山、建水、劍川、石屏、下關和永勝場地現今均不同程度的表現出明顯的異常變化現象（圖4）；同樣，對計算得到的三維活動量結果采用程序進行繪圖，可知部分場地所跨斷裂現今表現出了符合地質背景特征的運動方式；另一部分顯示出區別于背景特征的運動特征，其中楚雄、劍川、永勝、峨山、建水和通海場地在張壓特征上存在異常，同時，楚雄、劍川和永勝場地表現出了走滑運動異常（圖5）。

圖4 跨斷層監測場地原始數據曲線 Fig.4 The raw data curves of cross-fault monitoring sites

圖5 跨斷層監測場地三維活動量曲線 Fig.5 Three dimensional activity curves of cross-fault monitoring sites

（1）根據圖4原始觀測曲線，滇西北區域的劍川、永勝、下關以及滇中的峨山、石屏和建水場地存在中短期異常變化。劍川場地的基線1-2從2016年6月出現大幅下降，累計幅度達到4.29mm；水準側線也出現同步變化趨勢，其中2-1水準在2016年出現大幅轉折，由之前的快速下降轉為大幅上升，至2017年4月已累計上升3.09mm，3-1水準同步轉折，至2017年4月累計上升3.02mm。永勝場地的基線1-2 2016年12月至2017年4月出現急速拉升，幅度高達6.53mm。下關場地的基線1-2在2009年出現轉折，由上升轉為下降，至2017年4月下降幅度累計7.83mm，并出現加速下降趨勢；水準1-2和3-2在2015年出現4.22mm的急速拉升，之后震蕩至今。峨山場地的水準3-4從2016年9月份至今大幅下降7.66mm，水準1-2也出現同步變化。石屏場地的基線2-1從2016年初出現明顯下降，累計下降1.67mm，最近有所恢復；水準2-1從2016年中出現大幅抬升，累計幅度1.27mm，近期有所恢復。建水場地的基線2-3從2016年初開始持續下降，至2017年4月有1.50mm；水準2x-3從2016年5月開始持續上升，變化明顯。

（2）從圖5場地三維活動量曲線看，與其地質背景特征相比，張壓特征存在異常的場地有楚雄、劍川、永勝、峨山、建水和通海，同時楚雄、劍川和永勝場地在走滑特征上也存在異常。楚雄場地2008年后表現出顯著的左旋拉張特點，與其右旋擠壓背景相反，但自2014年起其左旋拉張運動速率明顯減緩。劍川場地表現為右旋走滑兼具擠壓的運動特征，相背于左旋走滑兼具拉張的背景特征，其中垂直變化量2015年至2017年4月出現異常抬升變化；2011年后斷層右旋剪切運動加速，水平走滑量出現了大幅抬升。永勝場地現今運動學特征為右旋兼具拉張，與其監測的程海斷裂左旋擠壓背景特征不一致，自2014年起其垂直位移活動曲線出現顯著異常抬升，水平走滑位移量也顯示穩步上升。曲江斷裂上的峨山和通海場地現今表現為與背景特征一致的右旋剪切運動，但是張壓量曲線表現出異常拉張的運動特點。其中，峨山場地水平剪切運動量在1998年后出現較大上升，之后表現為相對穩定的右旋走滑運動。通海場地在1992年后斷層活動表現為張性活動，垂直位移量曲線發生轉折；走滑分量在2003年出現較大下降，依然表現為右旋剪切運動，但斷層走滑活動速率減小。建水場地現今表現出左旋剪切運動，與地質背景一致，其垂直位移量在1999年后發生趨勢轉折變化，斷層活動顯示出由擠壓縮短運動轉變為拉張的正斷層運動方式。

4 討論與結論

地震是區域應力長期積累、集中并最終引發應變能突然釋放、巖石破裂的結果。目前，大面積精密水準測量目前仍然是垂直形變觀測精度最高的手段，資料積累歷史久，覆蓋面積廣，對于地殼垂直形變的持續性研究和地震研究有不可替代的重要意義；跨斷層觀測手段在多數強震發生前可出現不同程度的斷層形變異常，震級越大異常越顯著，如唐山7.8級、麗江7.0級以及蘆山7.0級等地震前都觀測到明顯的加速、轉折、突跳、階躍等地球物理異常。

從“面”上看，利用1990—2016年2期精密水準觀測資料，通過GNSS連續觀測站的垂向速率進行約束平差，有效解決了水準路線過長引起的誤差積累，獲取了云南地區現今垂直形變場。結果顯示，云南滇西北地區表現出地殼相對隆升，滇南地區呈現出相對下沉的特征。在地震預測分析中，利用大面積水準資料得出的地殼形變梯度帶來分析7級以上強震發震地點具有一定準確性。通過震例分析發現，強震基本上均發生在形變曲線密集、形變梯度較高的地區（張祖勝等，1996）。文中獲取的垂直形變圖像結果顯示，在滇西北的下關—永勝和滇中南的思茅—景谷一帶存在地殼形變的高梯度帶。其中，在思茅—景谷附近水準測量完成后1年發生了2014年景谷6.6級地震，但云南地區長時間無7級地震發生的背景仍存在，該區域依然存在中強地震發生的可能。

從“線”上看，整理云南地區30余年的跨斷層觀測資料，通過分析其原始觀測曲線和三維活動量特征得出，原先在小江斷裂帶、紅河斷裂帶和曲江斷裂帶共同匯聚的滇中南區域的峨山、通海、石屏和建水場地表現出的壓性特征，現今表現出拉張的異常運動特點；滇西北區域的永勝、下關和劍川場地也表現出了一定程度的地殼形變異常特征，劍川斷裂和程海斷裂表現為水平反向異常變化特征，垂向運動特征也顯示出大幅異常變化，下關場地的水準和基線觀測數據同樣出現異常變化。云南地區中強震發生前或震時，多數跨斷層場地觀測數據會出現異常變化，且部分場地所監測的斷層會發生運動速率的陡變或轉折，如孟連西7.3級，姚安6.5級，麗江7.0級地震震前和震時，部分場地就表現出了加速繼承性和轉折運動的變化特征（張興華等，1996；付虹等，1997；李忠華等，1998；王永安等，2011）。本文分析結果與上述成果具有相似性，可能代表下1次中強震前的地球物理異常。然而，地震預測研究的復雜性及不確定性依然存在。根據巖石壓力破裂實驗結果，其變形在時空上具有復雜多樣的特點，大震前的不同時空范圍上地殼形變也會有如此表現。整體而言，區域內跨斷層觀測場地依然稀疏，對主要構造帶和危險區的覆蓋程度遠遠不夠，捕捉地殼形變信息會有一定隨機性，但通過30多年的資料積累并結合震例統計來看，在強震前出現的異常會明顯比無震時要多，云南地區2016年至2017年即出現了多于平時的大量地球物理異常。

地震活動性上，云南地區2015年至2017年存在4級以上中強地震偏少的背景，不符合區域以往地震活動特征，現今構造應力已積累較高。四川九寨溝7.0級地震對云南地區的地殼應力積累可能會產生影響（徐東卓等，2017b），九寨溝地震、汶川地震和蘆山地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1次7級以上地震。然而具有相似地球動力學背景的南段已缺失7級以上地震近20余年，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。

本文基于云南地區1990s以來的一等水準觀測資料和1980s至今的跨斷層觀測資料，得出了區域垂直形變場和主要斷裂帶的形變特征，從“面”和“線”上將二者有機結合，綜合分析區域地殼整體形變時空演化特征，提取共同異常。綜合得出，云南地區的滇西北和滇中南區域整體地殼形變和斷層活動呈現出明顯的異常變化特征，構造應力出現顯著變動，應關注滇西北和滇中南區域中強震的危險性。

致謝：對審稿專家的寶貴意見表示衷心的感謝。