基于跨斷層形變資料的川滇菱形塊體西側主要活動斷裂近場活動特征分析

張勇 洪敏 郭慧文 金云華

摘要：利用2010—2017年跨斷層近場形變觀測資料，采用最小二乘法求解川滇菱形塊體西側主要活動斷裂近場區域的應變參數，分析各斷裂帶上最大剪應變、應變率、面應變、面應變率的近場結果。結果顯示：①程海斷裂剪切活動北段強于南段，張壓活動在2013年前后出現轉折變化，具有分段特征，北段由壓性轉為趨勢張性、南段由張壓不明顯轉為壓性變化;②紅河斷裂剪切活動中段最強、北段次之、南段最弱，面應變結果顯示北、中段長期處于壓性活動狀態，南段目前張壓活動不明顯;③曲江斷裂表現為弱剪切壓性累積增強的活動特征;④石屏—建水斷裂顯示出弱剪切壓性活動特征。綜上分析認為研究區斷裂活動特征表現為壓性增強且剪切活動強或長期處于壓性狀態下的弱剪切活動的斷裂存在應變積累，因此程海斷裂南段、紅河斷裂北段、曲江、石屏—建水斷裂地震危險性值得關注。

關鍵詞：主要活動斷裂;最小二乘法;近場活動;應變分析;川滇菱形塊體

中圖分類號：P315.725文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2019）01-0057-07

0引言

云南地區是我國地震活動最為顯著的地區之一，也是我國地殼運動與形變最為突出的地區之一（楊國華等，2003），其中川滇菱形塊體（闞榮舉等，1977）各邊界斷裂的活動特征在該區域扮演著重要的角色。川滇菱形塊體西側主要活動斷裂有程海斷裂、紅河斷裂、曲江斷裂、石屏—建水斷裂，程海斷裂為川滇菱形塊體滇中塊體區域內的主要斷裂帶之一（喬學軍等，2004），紅河斷裂和南華—楚雄—通海—建水斷裂構成其西—西南邊界（鄧啟東等，2002;張培震等，2003;皇甫崗等，2010），其中建水斷裂和曲江斷裂被認為是川滇菱形塊體東南端部應力釋放的重要構造（聞學澤等，2011;Wangetal，2014），許多學者利用GPS遠場形變資料對這些斷裂的活動特征做了大量研究（張清志等，2007;王閻昭等，2008;施發奇等，2012;王洋等，2015;王伶俐等，2016;岳彩亞等，2017;朱爽等，2017），但由于近場的活動受觀測資料限制，研究相對較少。

跨斷層形變監測是大地形變監測的一種重要方法，主要用于監測現代斷層活動斷裂構造近場的運動特征（江在森等，2001）。云南跨斷層監測項目始于20世紀70年代，一直持續至今。2009年以前，云南地區的跨斷層場地主要以短基線觀測為主，基線長度為24～144m，具有精度高、觀測周期短的優點，但由于觀測基線短，導致很多測線無法完全跨越斷層破碎帶，給斷層活動性的分析帶來困難。隨著高精度紅外測距的出現，大幅提高了中短程測距精度，建設大型跨斷層場地成為了可能，基線距離可達1km，在觀測精度滿足提取形變信息要求（陸明勇等，2011）的條件下能夠很好地跨越斷層破碎帶，在監測斷層近場背景性活動特征方面有著顯著優勢。2009年之后，云南省人民政府實施“全面加強預防和處置地震災害能力建設”，在上述斷裂帶上建設了水平形變場地，加強監測。本文利用2010—2017年上述斷裂帶的形變場地的水平形變觀測資料，計算所監視區域的應變信息，從而較全面地分析各斷裂帶的應變特征及同一斷裂帶上不同區段的應變差異性，獲取各斷裂帶近場區域最新的活動信息。

1場地分布及資料概況

川滇菱形塊體西側主要活動斷裂帶上共布設有8個水平形變觀測場地，其中程海斷裂上2個，紅河斷裂上4個，石屏—建水斷裂和曲江斷裂上各1個，分布如圖1所示。每個形變場地都由5個基線觀測墩構成，跨越斷層的基線有4～5條，基線長度為300～1500m。觀測采用的儀器為瑞士徠卡TCA2003全站儀，觀測方法為上、下午2個光段對向觀測，觀測精度滿足《DI2002測距儀距離測量技術規定》相關要求，即觀測誤差小于±1.42mm/km，相對精度不低于七十萬分之一，能夠滿足提取斷層形變信息。形變場地概況與資料情況見表1。

2斷層應變特征分析方法

本文涉及到的數據處理包含原始觀測數據預處理和應變場參數計算兩個方面。首先對2010—2017年所有觀測數據，按《DI2002測距儀距離測量技術規定》中外業數據處理方法進行處理：①氣象改正;②加常數及頻率偏差改正;③計算兩標志中心間斜距獲取觀測標志間的基線距離，基線觀測精度如表1所示。再通過對每條基線的時間序列聯合解算來獲取每個形變場地應變參數的時間序列（黃建平等，2010;Hongetal，2018）。

假定斷裂帶周邊在一定寬度的范圍內為連續變形，且變形在測網范圍內是均勻的，即斷裂帶周邊及斷裂帶內的應變可以近似為均勻應變場。在直角坐標系中（Y軸指北），假設X和Y軸方向的應變為εx，εy，2個方向上的剪切應變為γxy，任意方向上的線應變計算公式為：

式中：ΔL為基線長度相對于第1個觀測時間的變化值;L為第1個觀測時間的基線值;α為基線的坐標方位角。每條基線通過式（1）與其他基線聯合方程組，通過最小二乘法求解得到其應變狀態分量εx，εy，γxy，進一步可以計算出形變場地的最大剪應變（Rmax）和面應變（Δ）：

通過對研究區域內活動斷裂上場地最大剪應變和面應變參數的計算和分析，可獲取區域斷層剪切活動強弱以及區域內能量積累信息。

3應變特征分析

最大剪應變是應變參量中反映綜合變形強度的參量，面應變的正負值反映了局部地區的擠壓—拉張作用的相對大小。本文通過計算2010—2017年研究區活動斷裂上近場形變資料，獲取內各場地附近區域的最大剪應變和面應變的累積變化時序圖和年速率圖，對各斷裂帶及斷裂不同區段的應變進行對比分析，進一步獲取各斷裂及不同區段活動的差異性和近場區域的最新應變活動特征。

3.1最大剪應變特征

3.1.1程海斷裂

圖2a為程海斷裂北段黃金灣場地和南段響水場地最大剪應變累積變化時序圖。黃金灣場地顯示該斷裂北段最大剪應變變化具有時間上的分段性，2010—2013年表現為剪切活動持續增強，之后減弱。總體上呈現出一定累積增強的長趨勢，累積變化量值為29.12×10-6。響水場地反映了該斷裂南段在2013年前剪切活動有累積增強的趨勢，但相比北段活動偏弱，之后表現為弱剪切活動，2017年開始有增強的現象，與北段變化同步，整體上無累積增強的長趨勢，多呈現波動變化特征，累積變化量僅為9.31×10-6。

3.1.2紅河斷裂

圖2c為紅河斷裂帶不同區段（虢順民等，2001）上4個形變場地最大剪應變累積變化時序圖。巡檢場地顯示2010—2015年紅河斷裂北段為弱剪切活動，之后表現為累積增強，累積變化量為33.03×10-6;三岔路場地顯示紅河斷裂中段剪切活動強于北段，累積變化量為40.06×10-6;堵嶺和大寨場地反映了紅河斷裂南段自2010年以來的弱剪切活動，累積量較小，分別為11.34×10-6和13.15×10-6;大寨場地顯示2010—2014年紅河斷裂南段存在剪切活動持續增強的趨勢性，之后表現為弱剪切活動。

3.1.3曲江斷裂

圖2e中牛白甸場地最大剪應變累積變化時序圖顯示2010—2015年曲江斷裂為弱剪切活動，

（a）程海斷裂形變場地最大剪應變（b）程海斷裂形變場地面應變

（c）紅河斷裂形變場地最大剪應變（d）紅河斷裂形變場地面應變

（e）曲江斷裂和石屏—建水斷裂形變場地最大剪應變（f）曲江斷裂和石屏—建水斷裂形變場地面應變之后雖有一定剪切活動增強，但剪切總體累積量較小，僅為8.19×10-6。

3.1.4石屏—建水斷裂

從圖2e中團山場地最大剪應變累積變化時序圖可看出，石屏—建水斷裂在2010-06—2014-07表現為剪切活動累積增強的趨勢性變化，之后轉為剪切弱活動，但剪切活動累積量較小，僅有4.22×10-6。

綜上，程海斷裂北段具有長趨勢剪切活動增強，南段呈現剪切弱活動現象，2013年以后南段剪切活動出現顯著減弱現象，斷裂整體剪切活動不強，量值較小，但是北段最大剪應變累積量大于南段。紅河斷裂中段剪切活動最強，北段次之，而南段活動最弱，剪切量范圍為（11.34～40.60）×10-6，其剪切活動特征與朱爽等（2017）利用GPS資料計算結果較一致。自2015年以后紅河斷裂北段剪切活動增強，南段減弱，且斷裂南段呈現出剪切累積增強的弱活動狀態，反映出紅河斷裂作為川滇菱形塊體的西邊界仍然具有一定弱邊界的作用，且與張清志等（2006）的GPS監測結果也較一致。曲江斷裂和石屏—建水斷裂整體均呈現弱剪切活動特征。

3.2面應變特征

3.2.1程海斷裂

通過對圖2b中形變場地面應變累積變化時序圖分析，可獲取程海斷裂南、北段的擠壓—拉張的應變積累特征。黃金灣場地顯示2010—2013年程海斷裂北段為壓性累積增強趨勢，之后轉為趨勢性拉張弱活動，累積變化量為10.15×10-6;2010—2014年響水場地反映南段張、壓活動不明顯，在零值線上下波動，之后為壓性活動狀態，累積變化量達到-28.72×10-6。

3.2.2紅河斷裂

通過對圖2d中各場地面應變累積變化時序圖分析，可獲取紅河斷裂帶各區段擠壓—拉張的應變積累特征。

北段：巡檢場地時序圖顯示自有觀測資料以來面應變線一直處于零值線以下，反映紅河斷裂北段長期壓性活動，累積變化量為-18.54×10-6。

中段：三岔路場地面應變時序圖顯示紅河中段長期壓性活動特征與其北段極為相似，但不同區段不同近場區域有其自身的變化特點，該場地顯示2010—2016年監測區域呈弱壓性狀態，之后轉為趨勢顯著的壓性增強變化，累積量為-32.83×10-6，壓性活動強于北段。

南段：堵嶺和大寨兩個形變場地顯示紅河斷裂南段近期總體表象為弱張性活動特征，累計變化量值較小，分別為7.29×10-6和2.74×10-6。2012—2016年這兩個場地均出現了不同幅度的壓、張波動現象，且大寨場地表現較為明顯，可能與2014年云南地區發生的一系列6級以上地震之間存在一定關系，特別是2014年魯甸6.5級地震。

3.2.3曲江斷裂

圖2f中牛白甸場地面應變累積變化時序圖顯示2010—2017年曲江斷裂處于持續壓性增強活動狀態，壓性變化呈現出線性增強特征，累積變化量值為-34.41×10-6。

3.2.4石屏—建水斷裂

圖2f顯示團山場地面應變自有觀測資料以來一直處于零值線以下，反映該區域長期壓性活動狀態，這與方穎等（2014）基于GPS連續資料的非線性回歸法所獲得斷裂的面應變結果一致。2010—2014年表現為線性增強的壓性活動，該活動過程與紅河斷裂南段的活動特征極為相似（圖2d中大寨場地），之后壓性趨勢消失，累積變化量為-5.46×10-6。

綜上所述，2010—2017年川滇菱形塊體西側主要活動斷裂的拉張—擠壓變化具有以下特征：程海斷裂北段為張性累積增強的變化特征，南段表現為壓性活動狀態。紅河斷裂北段和中段整體表現為長期壓性趨勢活動特征，2015年后中段出現壓性活動明顯增強，而整個時段內南段累積變化張壓不明顯，量值很小，在零值線附近。曲江斷裂長期處于壓性增強的活動狀態，壓性變化具有很好的線性增強特征，累積變化量達-34.41×10-6。石屏—建水斷裂為壓性活動特征，2014年前存在趨勢壓性變化，此后壓性活動減弱，總體來說石屏—建水斷裂的壓性活動要弱于曲江斷裂，擠壓應變累積量較小，僅為-5.46×10-6。

3.3應變率及強度特征

為了更加直觀地反映川滇菱形塊體西側主要活動斷裂的應變活動特征，本文進一步計算不同場地的最大剪應變和面應變的年速率（圖3）。

最大剪應變是應變參量中反映綜合變形強度的參量，而應變率是應變變化快慢的表征，反映了構造活動的強烈程度。從圖3a可見，程海斷裂北段剪切活動呈現出強于南段的特征，最大剪應變率分別為：黃金灣場地附近為8.45×10-6/a，響水場地附近3.22×10-6/a。紅河斷裂剪切活動中段最強，北段次之，南段最弱，最大剪應變率變化范圍為（3.07～9.53）×10-6/a;曲江和石屏—建水斷裂均表現為弱剪切活動特征，最大剪應變年速率分別為：2.17×10-6/a和1.80×10-6/a。圖3b反映了各斷裂帶的張、壓活動狀態，程海斷裂北段表現為張性的弱活動，而南段為壓性活動，面應變率分別為0.36×10-6/a和-2.05×10-6/a。紅河斷裂北、中段為壓性，南段累積略顯張性的分段活動特征與王閻昭等（2008）利用GPS資料的擬合結果北西段活動特征基本一致;面應變率變化范圍為（-6.84～0.92）×10-6/a。對比圖3a，b可以看到，弱剪切區呈現擠壓特征的斷裂為曲江斷裂和石屏—建水斷裂，可能表明川滇菱形塊體東南端應力釋放受阻，能量在逐步積累。

4結論與討論

本文對川滇菱形塊體西側主要活動斷裂上的8個近場形變資料進行了處理，分析了各斷裂帶近場活動特征，得到如下結論：

（1）程海斷裂北段呈現強剪切活動特征，張性活動特征與李熠航等（2014）研究結果較一致。2013年前剪切活動較強，且壓性活動較為突出，之后剪切活動明顯減弱，同時壓性活動轉為張性趨勢。程海斷裂北部有麗江—小金河斷裂，該斷裂進入四川境內后與龍門山斷裂相交，2013年該區域發生了蘆山7.0級地震，蘆山地震發生前，云南滇西北地區曾經發生了洱源5.5級地震，該區域的構造運動可能與蘆山7.0級地震存在聯系，因此，該轉折變化可能與蘆山7.0級地震的發生存在一定關系。南段總體呈現弱剪切壓性活動特征，2013年前剪切活動也相對較強，之后減弱。

（2）紅河斷裂帶中段剪切活動強于北段，南段最弱，2015—2016年中段剪切活動和擠壓活動均出現明顯增強后減弱的現象;2014年以前，南段剪切活動存在累積增強的趨勢，其中大寨場地剪切活動累積增強較為突出，且面應變增強也較為明顯，該過程可能與2014年魯甸6.5級地震之間存在一定關系，2014年以后剪切活動減弱，趨勢壓性活動也出現轉折現象。

（3）曲江斷裂總體表現為強擠壓、弱剪切的活動特征。2015年之后斷層剪切活動出現顯著增強特征，與紅河斷裂北段剪切活動增強相呼應。

（4）石屏—建水斷裂呈現弱剪切、弱擠壓特征。該斷裂在2014年之前呈現剪切、擠壓活動趨勢增強特征，魯甸地震后，該特征逐漸消失。

（5）最大剪應變和面應變高值區具備一定的孕震條件（戴永強等，2004），川滇菱形塊體西側的主要活動斷裂中，程海斷裂南段、紅河斷裂北段、曲江斷裂和石屏—建水斷裂的應變特征，與之相近，這些區域的地震危險性值得重點關注。

因為地震震中均距離目前觀測場地較遠，其影響均為地震造成的間接影響，且關系尚不明確，所以本文中只對可能存在的相關性進行了討論。另外，由于觀測周期較長（每年1～2期），扣除同震效應影響較為困難，因此討論場地近場應變特征過程中未考慮同震效應的影響，這方面的研究工作需要在積累一定的觀測數據和地震事件后再進行進一步討論。由于GPS站點總體偏少，尤其是紅河斷裂、石屏—建水斷裂和曲江斷裂區域，有限的站點觀測結果不能完全體表現斷裂整體的應變特征，不能全面反應斷裂應變特征，建議未來加大投入尤其是在年度重點危險區中的跨斷層監測。

參考文獻：

戴永強，趙小茂，任雋，等.2004.鄂爾多斯塊體南緣現今水平應變特征分析[J].地震研究，27（1）：57-60.

鄧啟東，張培震，冉勇康，等.2002.中國活動構造基本特征[J].中國科學：地球科學，32（12）：1020-1030.

方穎，江在森，邵志剛，等.2014.利用GPS連續資料分析川滇地區的地殼變形特征[J].地震研究，37（2）：204-209.

皇甫崗，陳颙，秦嘉政，等.2010.云南地震活動性[M].昆明：云南科技出版社.

黃建平，石耀霖，李文靜.2010.從跨斷層短基線觀測計算地應變的方法探討—唐山臺地形變數據為例[J].地球物理學報，53（5）：1118-1126.

虢順民，季鳳桔，向宏發，等.2001.紅河活動斷裂帶[M].北京：海洋出版社.

江在森，丁平，王雙緒，等.2001.中國西部大地形變監測與地震預測[M].北京：地震出版社，5-6.

闞榮舉，張四昌，晏風桐.1977.我國西南地區現代構造應力場與現代構造活動特征的探討[J].地球物理學報，20（2）：96-109.

李熠航，郝明，季靈運，等.2014.青藏高原東緣中南部主要活動斷裂華東速率及其地震局虧損[J].地球物理學報，57（4）：1062-1078.

陸明勇，劉天海，黃寶森，等.2011.跨斷層流動形變監測環境及監測技術探討[J].大地測量與地球動力學，31（5）：141-144.

喬學軍，王琪，杜瑞林.2004.川滇地區活動地塊現今地殼形變特征[J].地球物理學報，47（5）：805-811.

施發奇，付云文，汪志民.2012.GNSS基準站基線時間序列反映紅河斷裂帶運動特征研究[J].地震研究，35（4）：529-534.

王伶俐，王青華，張勇，等.2016.基于GPS的云南地區主要斷裂帶現今運動特征分析[J].防災科技學院學報，18（1）：1-8.

王閻昭，王恩寧，沈正康，等.2008.基于GPS資料約束反演穿點地區主要斷裂現今活動速率[J].中國科學：地球科學，38（5）：283-597.

王洋，張波，侯建軍，等.2015.曲江斷裂晚第四紀活動特征及滑動速率分析[J].地震地質，37（4）：1177-1192.

聞學澤，杜方，龍鋒，等.2011.小江和曲江—石屏兩斷裂系統的構造動力學與強震序列的關聯性[J].中國科學：地球科學，41（5）：713-724.

楊國華，王琪，王敏，等.2003.云南地區現今地殼水平運動與變形特征[J].大地測量學與地球動力學，23（2）：7-14.

岳彩亞，黨亞民，楊強，等.2017.川滇地區次級地塊及其主要斷裂帶現今活動研究[J].大地測量與地球動力學，37（2）：176-181.

張培震，鄧啟東，張國民，等.2003.中國大陸的強震活動與活動地塊[J].中國科學：地球科學，33（增刊1）：12-20.

張清志，劉宇平，陳志粱，等.2006.紅河斷裂的GPS監測[J].地球學報，27（4）：367-372.

張清志，劉宇平，陳智梁，等.2007.紅河斷裂帶的GPS觀測數據反演[J].地球物理學進展，22（2）：418-421.

朱爽，楊國華，劉辛中，等.2017.川滇地區近期地殼變形動態特征研究[J].武漢大學學報（信息科學版），42（12）：1765-1772.

Abstract

Makinguseofobservationdataofcrossfaultnearfielddeformationmonitoringfrom2010to2017atthewestsideofSichuanYunnanrhombicblock，weusetheleastsquaremethodtosolveandanalyzethenearfieldparameterssuchasthemaximumshearstrainandtheshearstrainrate，thesurfacestrainandthesurfacestrainrate.Theresultsshowthat：①ShearingactivityofthenorthernsectionoftheChenghaifaultisstrongerthanthatofthesouthernsection，andtensionsqueezingactivityhasasegmentalcharacteristicsbeforeandafter2013.ThenorthsectionoftheChenghaifaultchangesfromcompressiveactivitytotensionalactivity，andthesouthernsegmentchangedfromweakactivitytocompressiveactivity.②TheshearingactivityoftheHonghefaultisthestrongestinthemiddlepart，withthenorthernpartweaker，andthesouthernpartistheweakest.Thesurfacestrainresultsshowthatthenorthernandmiddlesegmentsiscompressiveforalongtime，whilethecurrenttensionsqueezingofsouthernsegmentisnotobvious.③TheactivecharacteristicsoftheQujiangfaultappearsweakshearandcumulativeaccumulationpressure.④TheactivecharacteristicsshowsweakshearandpressureintheShipingJianshuifault.Insummary，itisconsideredthatthefaultactivityischaracterizedbytheexistenceofstrainaccumulationinthefaultswithenhancedpressureandstrongshearactivityandweakshearactivityunderlongtermcompressivestate.Therefore，theseismichazardisworthyofattentioninfaultsofthesouthernsectionoftheChenghaifault，thenorthernsectionoftheHonghefault，theQujiangfaultandShipingJianshui.

Keywords：mainactivefaults;leastsquaremethod;nearfieldactivity;strainanalysis;SichuanYunnanrhombicblock