利用GNSS資料分析云南地區(qū)M≥5.7地震前應(yīng)變場分布特征

楊建文 葉 泵 陳 佳 高 瓊 張華英

1 中國地震科學實驗場大理中心，云南省大理市濱海大道，671000 2 云南大理滇西北地殼構(gòu)造活動野外科學觀測研究站，云南省大理市濱海大道，671000

地震前兆是近年來各國進行地震預(yù)報的基本途徑之一[1]。從觀測事實出發(fā)來探尋地震預(yù)報的可能性，是現(xiàn)階段經(jīng)驗預(yù)測的基礎(chǔ)[2]。而GNSS觀測以其物理意義清晰、資料可靠、描述大地形變精度高等特點，被廣泛應(yīng)用于地震預(yù)測預(yù)報。

GNSS揭示的地殼形變動態(tài)分布特征與強震的關(guān)系一直是研究熱點[3]。江在森等[4]基于GPS計算結(jié)果，對應(yīng)變場空間分布與強震的關(guān)系進行研究，認為強震通常發(fā)生在最大剪應(yīng)變率的高值區(qū)或邊緣地帶；洪敏等[5]基于云南省早期的28個GNSS連續(xù)站數(shù)據(jù)，對地震事件與地殼形變之間的關(guān)系進行研究認為，當部分點位運動方向背離長期趨勢運動背景時，發(fā)生地震的危險性較大；付虹等[2]對2014年發(fā)生的3次M≥6.0地震前的面應(yīng)變分布特征進行研究認為，構(gòu)造區(qū)局部擠壓增強可能是地震短臨階段區(qū)域構(gòu)造變形最重要的特征之一。

隨著中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、云南省政府10項重點工程、中國地震科學實驗場等項目的推進，云南地區(qū)形變觀測能力得到顯著增強，為地震機制和物理機制研究、地震異常識別等提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。實驗表明，強震的孕育、發(fā)生及震后調(diào)整的過程中通常會伴隨較為明顯的地殼形變，對強震前的地殼形變特征進行研究，可加深對地震孕育過程的認識。本文以2012年以來云南地區(qū)發(fā)生的7次M≥5.7地震為樣本，基于云南地區(qū)GNSS連續(xù)觀測資料，分別對7次地震前的應(yīng)變場分布特征進行研究，總結(jié)其共性和差異。該工作的開展對地震前兆探測及預(yù)測預(yù)報工作具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

GNSS資料來源于中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)平臺提供的站點位移時間序列原始數(shù)據(jù)，研究時段為2012-01～2018-12，研究范圍(21°～29°N，97°～107°E)內(nèi)共包含43個GNSS連續(xù)觀測站。研究時段內(nèi)共發(fā)生7次M≥5.7地震(剔除余震)，相關(guān)地震參數(shù)見表1，震中分布及GNSS站點分布見圖1。由圖1可知，7次M≥5.7地震主要位于滇西北、滇東北和滇南等地區(qū)。由表1中震源機制解可知，7次地震主要為走滑型地震。

表1 地震相關(guān)參數(shù)

圖1 GNSS連續(xù)觀測站、地震震中分布及格網(wǎng)劃分結(jié)果Fig.1 The distribution of GNSS continuous observation stations,earthquake epicenters and grid division

考慮到GNSS連續(xù)觀測站分布的不均勻性，首先采用克里金插值法對點位數(shù)據(jù)進行1°×1°格網(wǎng)化插值(圖1)，獲取均勻分布于80個格網(wǎng)的位移時間序列，然后通過位移時間序列求取區(qū)域應(yīng)變場[6-8]。應(yīng)變場具體解算方法詳見文獻[6]。

通過應(yīng)變場解算可獲取3個狀態(tài)分量：反映東西與南北方向拉張與收縮的正應(yīng)變εx和εy、東西與南北方向的剪應(yīng)變γxy[4,6]。在此基礎(chǔ)上，計算9個應(yīng)變參數(shù)，包括面應(yīng)變、最大剪應(yīng)變、主應(yīng)變等[4]。其中，面應(yīng)變θ和最大剪應(yīng)變γmax的計算公式為[4,6]：

(1)

式(1)可確定區(qū)域內(nèi)任意時段的面應(yīng)變、最大剪應(yīng)變參數(shù)。截取任意起止時間可獲取該時段內(nèi)的累積應(yīng)變量，通過滑動結(jié)束時間可進一步獲取應(yīng)變場變化結(jié)果[6,8]。

2 震前應(yīng)變場分布特征

應(yīng)變張量是用來反映純形變的參數(shù)，能夠全面表征形變的性質(zhì)與強度[4]。應(yīng)變參數(shù)實際上是對不同方式形變信息的一種客觀分離，研究地殼形變與強震的關(guān)系，需要分別對多個應(yīng)變參數(shù)的空間分布進行研究[4]。面應(yīng)變可直接表征區(qū)域擠壓(收縮)或拉張(膨脹)的強弱，反映該區(qū)域的應(yīng)變累積狀態(tài)，而最大剪應(yīng)變是反映剪切應(yīng)變強度的參數(shù)。震源機制解研究表明，云南地區(qū)7次M≥5.7地震多為走滑型地震，地震破裂類型多含剪切破裂，震前應(yīng)變累積中包含一定量的剪切應(yīng)變累積，因而強震發(fā)生前最大剪應(yīng)變會表現(xiàn)出一定的異常特征。因此，分別提取面應(yīng)變和最大剪應(yīng)變信息可揭示云南地區(qū)M≥5.7地震前的應(yīng)變場分布特征。

以7次強震前1 d為截止時間，分別計算震前6個月(180 d)的面應(yīng)變、最大剪應(yīng)變累積變化值，繪制應(yīng)變分布圖(圖2、圖3)。考慮到寧蒗M5.7和彝良M5.7、盈江M6.1和魯?shù)镸6.5、魯?shù)镸6.5和景谷M6.6地震間的時間間隔小于6個月，獲取的后者應(yīng)變累積變化值中除含有后一次地震孕震變化外，可能也包含前一次地震孕育-發(fā)生的影響過程。為更好地進行應(yīng)變場動態(tài)變化分析，本文分別在寧蒗M5.7和彝良M5.7、盈江M6.1和魯?shù)镸6.5、魯?shù)镸6.5和景谷M6.6地震間(間隔時間中點)增加面應(yīng)變和最大剪應(yīng)變累積的變化結(jié)果。

圖2 云南地區(qū)M≥5.7地震前面應(yīng)變分布Fig.2 Surface strain distribution before M≥5.7 earthquakes in Yunnan area

圖3 云南地區(qū)M≥5.7地震前最大剪應(yīng)變分布Fig.3 Maximum shear strain distribution before M≥5.7 earthquakes in Yunnan area

2.1 面應(yīng)變

圖2為7次M≥5.7地震前的面應(yīng)變分布圖，圖中藍色區(qū)域為擠壓變形區(qū)，紅色為拉張變形區(qū)。由圖2(a)可知，在2012-06-24寧蒗5.7級地震前，在滇西南的下關(guān)-景東-墨江一帶存在較為明顯的面應(yīng)變拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達4.0×10-8，寧蒗5.7級地震發(fā)生在顯著拉張區(qū)以北的面拉張變化高梯度帶上。由圖2(c)可知，在2012-09-07彝良5.7級地震前，云南地區(qū)同時存在顯著的面擠壓和面拉張區(qū)，在滇南的臨滄-思茅-勐海和彌勒-蒙自-金平一帶分別存在2個顯著的面擠壓區(qū)，最大累積面應(yīng)變達-3.5×10-8；在麗江-永勝-攀枝花-寧南一帶也存在較為明顯的面擠壓區(qū)，累積面應(yīng)變達-2.0×10-8，彝良5.7級地震就發(fā)生在面擠壓變化的梯度帶上。瑞麗-騰沖-施甸一帶存在顯著的面拉張區(qū)，最大累積面應(yīng)變達4.0×10-8；廣西百色一帶也存在較為明顯的面拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達3.5×10-8。由圖2(a)～2(c)可知，從寧蒗M5.7地震到彝良M5.7地震，云南地區(qū)的面應(yīng)變存在較為明顯的變化過程，其中滇南地區(qū)最為顯著，在彝良5.7級地震前形成強擠壓和強拉張并存的格局。此外，下關(guān)-景東-墨江一帶的面拉張也存在明顯的減弱趨勢。由圖2(d)可知，在2013-08-31德欽5.9級地震前，滇西北及鄰區(qū)的中甸-鄉(xiāng)城一帶存在較為明顯的面應(yīng)變拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達2.0×10-8，德欽5.9級地震發(fā)生在面應(yīng)變拉張區(qū)的高梯度帶上；麗江-云龍-施甸-耿馬一帶存在較為明顯的面擠壓區(qū)，累積面應(yīng)變達-2.0×10-8。

由圖2(e)可知，在2014-05-30盈江6.1級地震前，云南地區(qū)面應(yīng)變異常較為突出，滇西南及鄰區(qū)存在強擠壓和強拉張并存的格局，在瀾滄-思茅-勐海一帶存在顯著的面拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達9.5×10-8；瑞麗-耿馬一帶存在顯著的面擠壓區(qū)，累積面應(yīng)變達-4.5×10-8，盈江6.1級地震則發(fā)生在面擠壓變化的高梯度帶上。此外，越西-冕寧-鹽源和東川-鳳凰山-通海一帶也存在較為明顯的面擠壓區(qū)，滇南的金平-蒙自-文山一帶存在較為明顯的面拉張區(qū)。由圖2(g)可知，在2014-08-03魯?shù)?.5級地震前，滇東北及鄰區(qū)的越西-喜德-寧南-會澤-東川-彌勒一帶存在明顯的面擠壓區(qū)，累積面應(yīng)變達-3.5×10-8；滇南的金平-蒙自-文山一帶存在較為明顯的面拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達3.5×10-8，魯?shù)?.5級地震則發(fā)生在面擠壓變化的高梯度帶上。由圖2(i)可知，在2014-10-07景谷6.6級地震前，云南地區(qū)面應(yīng)變累積顯著，滇西南存在強擠壓和強拉張并存的格局，瑞麗-騰沖一帶存在明顯的面拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達5.0×10-8；臨滄-思茅-勐海一帶存在明顯的面擠壓區(qū)，累積面應(yīng)變達-4.5×10-8，景谷6.6級地震發(fā)生在面擠壓的高值區(qū)。另外，會澤-東川-彌勒和文山-蒙自-金平一帶分別存在2個較為明顯的面擠壓區(qū)，最大面應(yīng)變?yōu)?3.0×10-8。由圖2(e)～2(i)可知，從盈江M6.1地震到魯?shù)镸6.5地震再到景谷M6.6地震，云南地區(qū)的面應(yīng)變存在較為明顯的動態(tài)演化過程，整個過程中面擠壓變化最為明顯，冕寧-寧南-會澤-東川-彌勒和景東-瀾滄-思茅一帶的面擠壓存在由弱到強的變化過程。滇西南的施甸-耿馬-瀾滄-勐海一帶的面應(yīng)變經(jīng)歷了強-弱-強的變化過程。由圖2(j)可知，在2018-09-08墨江5.9級地震前，滇西南存在強擠壓和強拉張并存的格局，瑞麗-騰沖一帶存在明顯的面拉張區(qū)，累積面應(yīng)變達4.5×10-8；臨滄-瀾滄-勐海一帶存在明顯的面擠壓區(qū)，累積面應(yīng)變達-4.5×10-8，墨江5.9級地震發(fā)生在面擠壓變化的高梯度帶上。此外，越西-喜德-寧南-會澤和鄉(xiāng)城-中甸-麗江一帶分別存在較為明顯的面擠壓區(qū)和面拉張區(qū)。

2.2 最大剪應(yīng)變

圖3為7次M≥5.7地震前最大剪應(yīng)變分布圖。由圖3(a)可知，在2012-06-24寧蒗5.7級地震前，滇東北及鄰區(qū)的冕寧-寧南-東川一帶和滇南的瀾滄-思茅-墨江-金平一帶存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變分別達3.0×10-8和5.0×10-8，寧蒗5.7級地震就發(fā)生在冕寧-寧南-東川高值區(qū)最大剪應(yīng)變變化的梯度帶上。由圖3(c)可知，在2012-09-07彝良5.7級地震前，鄉(xiāng)城-木里-冕寧-喜德-馬邊、瑞麗-騰沖-施甸、彌勒-通海-新平-墨江-思茅和廣西的百色等地存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達5.5×10-8，彝良5.7級地震則發(fā)生在第一個高值區(qū)最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。由圖3(a)～3(c)可知，從寧蒗M5.7地震至彝良M5.7地震，云南地區(qū)存在顯著的最大剪應(yīng)變累積過程，其中以鄉(xiāng)城-木里-冕寧-喜德-馬邊和瑞麗-騰沖-施甸等地變化最為明顯。由圖3(d)可知，在2013-08-31德欽5.9級地震前，永勝-木里-喜德-寧南-東川-通海一帶存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達3.5×10-8，德欽5.9級地震則發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。由圖3(e)可知，在2014-05-30盈江6.1級地震前，在滇西南的施甸-耿馬-瀾滄-勐海一帶存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達10.0×10-8，盈江6.1級地震則發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的梯度帶上。此外，會澤-東川-彌勒-文山和鄉(xiāng)城-中甸-麗江一帶也存在較為明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)。

由圖3(g)可知，在2014-08-03魯?shù)?.5級地震前，會澤-東川-鳳凰山-通海-蒙自一帶存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達5.0×10-8，魯?shù)?.5級地震則發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。同時，鄉(xiāng)城-木里-冕寧-喜德-馬邊一帶也存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)。由圖3(i)可知，在2014-10-07景谷6.6級地震前，瑞麗-騰沖-施甸-耿馬一帶存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達6.0×10-8，景谷6.6級地震就發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。另外，木里-冕寧-越西和元謀-鳳凰山-通海-蒙自-文山一帶存在較為明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)。由圖3(e)～3(i)可知，從盈江M6.1地震到魯?shù)镸6.5地震再到景谷M6.6地震，云南地區(qū)的最大剪應(yīng)變存在較為明顯的動態(tài)演化過程，瑞麗-騰沖-施甸-耿馬一帶的最大剪應(yīng)變經(jīng)歷了強-弱-強的變化過程。值得注意的是，整個變化過程中木里-冕寧-越西和元謀-鳳凰山-通海-蒙自-文山一帶的最大剪應(yīng)變累積一直存在。由圖3(j)可知，在2018-09-08墨江5.9級地震前，瑞麗-騰沖-施甸-耿馬一帶存在明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達6.0×10-8，墨江5.9級地震就發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。此外，木里-鹽源-寧南-會澤一帶也存在較為明顯的最大剪應(yīng)變高值區(qū)，累積最大剪應(yīng)變達4.0×10-8。

3 討 論

前文已對7次M≥5.7地震前的面應(yīng)變和最大剪應(yīng)變分布特征進行了分析，在此基礎(chǔ)上，對7次地震前的應(yīng)變場信息作進一步總結(jié)(表2、表3)。

表2 云南地區(qū)M≥5.7地震前面應(yīng)變相關(guān)信息

表3 云南地區(qū)M≥5.7地震前最大剪應(yīng)變相關(guān)信息

由表2可知，7次M≥5.7地震前，云南地區(qū)存在顯著的面應(yīng)變變化趨勢，多數(shù)情況下存在強擠壓和強拉張并存的格局，除德欽5.9級地震和魯?shù)?.5級地震外，其他地震前累積面應(yīng)變均超過±4.0×10-8。從震前累積面應(yīng)變量值與地震震級之間的對應(yīng)關(guān)系看，兩者之間并無明顯關(guān)聯(lián)。從地震發(fā)生的位置看，除彝良5.7級地震和景谷6.6級地震外，其他地震均發(fā)生在面應(yīng)變變化的高梯度帶上，7次M≥5.7地震中有5次發(fā)生在面擠壓區(qū)，占比71%；有2次發(fā)生在面拉張區(qū)，占比29%；3次M≥6.0地震均發(fā)生在面擠壓區(qū)。因此，面應(yīng)變(特別是面擠壓)變化的高梯度帶可作為研判未來M≥5.7地震發(fā)震地點的重要區(qū)域。

由表3可知，7次M≥5.7地震前，云南地區(qū)存在顯著的最大剪應(yīng)變變化趨勢，除德欽5.9級地震外，其他地震前累積最大剪應(yīng)變均超過5.0×10-8。值得注意的是，震前累積最大剪應(yīng)變量值與地震震級并無直接關(guān)聯(lián)。從地震發(fā)生的位置看，多數(shù)地震發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。因此，最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶可作為研判未來M≥5.7地震發(fā)震地點的重要區(qū)域。

面應(yīng)變和最大剪應(yīng)變都是重要的應(yīng)變場參數(shù)，基于反映不同形變信息的多種應(yīng)變參數(shù)來分析應(yīng)變場空間分布與強震地點的關(guān)系，可避免單一應(yīng)變結(jié)果的局限性。研究表明，7次M≥5.7地震多發(fā)生在面應(yīng)變(特別是面擠壓)和最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上，這些區(qū)域通常會伴隨較大的應(yīng)變場變化信息，強震發(fā)生的可能性更大。

強震的孕育與發(fā)生過程復(fù)雜多樣，不同類型和相同類型的地震在不同介質(zhì)環(huán)境中的孕育過程也存在差異，目前對強震孕育過程的認知還十分有限，汶川大地震使我們意識到從大時空尺度來獲取大地震孕育過程中異常信息的重要性[9]。GNSS連續(xù)觀測站數(shù)量的增加以及觀測資料和震例的進一步積累，可為獲取強震前更加精細的應(yīng)變場分布特征和總結(jié)更多震例提供理論基礎(chǔ)，這對于進一步探索GNSS資料在強震預(yù)測中的應(yīng)用、提高異常識別能力、推進指標體系建設(shè)都具有重要意義。

4 結(jié) 語

1)7次M≥5.7地震前，云南地區(qū)存在顯著的面應(yīng)變變化趨勢，多數(shù)情況下存在強擠壓和強拉張并存的格局，累積面應(yīng)變一般超過±4.0×10-8，地震多發(fā)生在面應(yīng)變(特別是面擠壓)變化的高梯度帶上。

2)7次M≥5.7地震前，云南地區(qū)存在顯著的最大剪應(yīng)變變化趨勢，累積最大剪應(yīng)變一般超過5.0×10-8，地震多發(fā)生在最大剪應(yīng)變變化的高梯度帶上。

3)基于GNSS連續(xù)觀測數(shù)據(jù)獲取的面應(yīng)變和最大剪應(yīng)變參數(shù)物理意義明確，能定量表征區(qū)域擠壓或拉張強弱和區(qū)域剪切應(yīng)變強度。其變化高梯度帶可作為研判未來M≥5.7地震發(fā)震地點的重要區(qū)域。

致謝：本文GNSS數(shù)據(jù)來源于中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)平臺(http:∥www.cgps.ac.cn)，數(shù)據(jù)分析軟件由云南省地震局洪敏高級工程師提供，在此一并表示感謝。