漾濞6.4級(jí)地震孕震背景分析和跨斷層定量化異常指標(biāo)提取

王伶俐 洪 敏 張 勇 崔興平 王 巖 邵德盛

1 云南省地震局，昆明市知春街249號(hào)，650041

跨斷層短水準(zhǔn)、短基線觀測是傳統(tǒng)的觀測手段，主要布設(shè)在活動(dòng)斷層周邊較小范圍內(nèi)，通過測量活動(dòng)斷層兩側(cè)參考點(diǎn)水平距離和相對高差的微小變化，獲取斷層的微動(dòng)態(tài)變化信息。該方法觀測精度高，在了解震前斷層活動(dòng)、監(jiān)視局部構(gòu)造變形中具有獨(dú)特優(yōu)勢。實(shí)踐證明，跨斷層資料能捕獲到震前異常信息[1-6]，但目前引入預(yù)報(bào)效能評估內(nèi)容的研究相對較少，缺乏震情跟蹤分析方法的客觀評價(jià)依據(jù)。

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心測定，2021-05-21 21:48云南省大理州漾濞縣(25.67°N，99.87°E)發(fā)生MS6.4地震。為了解斷層的活動(dòng)狀態(tài)信息，本文基于云南地區(qū)跨斷層觀測數(shù)據(jù)對漾濞地震前出現(xiàn)的異常變化進(jìn)行分析，同時(shí)基于綜合分析法，對比不同處理策略獲得的綜合預(yù)測指標(biāo)，為后續(xù)震情跟蹤工作提供參考。目前云南省共有11處跨斷層場地，均分布在川滇菱形塊體南部邊界上，其中滇西地區(qū)的測點(diǎn)主要布設(shè)在紅河斷裂帶北段及程海-賓川斷裂帶上，滇東地區(qū)的測點(diǎn)布設(shè)在小江斷裂帶中南段、楚雄-建水?dāng)嗔褞Ъ扒瓟嗔褞稀Ｓ^測資料始于1982年，按1～2個(gè)月的觀測周期觀測至今，共累積400多期觀測數(shù)據(jù)。為使提取到的預(yù)測指標(biāo)具有明確的地點(diǎn)預(yù)測意義，本文選取1982～2021年(漾濞地震前)97°～106°E、21°～29°N范圍內(nèi)的6級(jí)以上地震作為樣本，具體情況見圖1和表1。

圖1 跨斷層場地及地震樣本分布

1 孕震背景分析

漾濞6.4級(jí)地震是一次典型的右旋走滑地震，是川滇菱形塊體西邊界活動(dòng)引起的顯著地震。為分析地震成因及發(fā)震過程，本文系統(tǒng)梳理川滇菱形塊體西邊界各個(gè)場地的活動(dòng)特征，以分析西邊界活動(dòng)狀態(tài)與地震之間的關(guān)系。由圖1可見，川滇菱形塊體西邊界的觀測場地不多，下關(guān)場地

表1 云南MS≥6.0地震

位于紅河斷裂帶北段，而川滇菱形塊體西邊界以北的金沙江斷裂帶缺少觀測場地，以南的紅河斷裂帶南段也沒有測點(diǎn)分布，但與其平行的NW向楚雄-建水?dāng)嗔褞Ъ扒瓟嗔褞в^測場地能在一定程度上反映川滇菱形塊體西邊界的活動(dòng)特征。

所有跨斷層場地均有一條與斷層正交的基線和一條與斷層斜交的基線，通過分析斷層與測線的關(guān)系可以計(jì)算出斷層走滑和張壓分量，從而從機(jī)理上分析斷層的活動(dòng)狀態(tài)及其與地震之間的關(guān)系。

斷層各分量的活動(dòng)性及斷層與測線之間的關(guān)系[7]表述如下：設(shè)測線與斷層夾角為α(定義為測線順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到與斷層線重合時(shí)所轉(zhuǎn)過的角度)，測線伸長量為ΔL(縮短時(shí)符號(hào)為負(fù))；設(shè)上盤相對下盤的逆時(shí)針扭錯(cuò)量為a(a>0表示左旋)，水平拉張量為b(b>0表示張性)，垂直上升量為c(c>0表示上盤上升)，水準(zhǔn)變化量為Δh(由上盤到下盤為量測方向)。在2條不同的測線上同時(shí)施測水準(zhǔn)和基線，可確定斷層運(yùn)動(dòng)參數(shù)：

(1)

以每條觀測曲線的起始觀測時(shí)間為起點(diǎn)，根據(jù)不同時(shí)間點(diǎn)相對于起點(diǎn)的伸長量(相對于測線長度來說仍然是微小量)計(jì)算斷層的活動(dòng)性質(zhì)。本文分析下關(guān)、通海、建水、石屏、峨山、楚雄等場地的變化特征，結(jié)果見圖2。

圖2 各場地走滑分量

從斷層活動(dòng)速率能夠看出，斷層的走滑活動(dòng)存在趨勢轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。為更準(zhǔn)確地獲取斷層轉(zhuǎn)折時(shí)間點(diǎn)，利用觀測值前后固定窗長的曲線速率差異，結(jié)合原始走滑分量曲線分析川滇菱形塊體西邊界的活動(dòng)特征，得出如下結(jié)論：

1)由圖2(a)可見，2010年開始斷裂帶的右旋活動(dòng)呈加速狀態(tài)，2014年后速率加快，2019年漾濞6.4級(jí)地震前，斷裂帶的右旋走滑活動(dòng)達(dá)到峰值。

2)由圖2(b)可見，2004年前斷裂帶以右旋活動(dòng)為主，2004～2012年出現(xiàn)反向左旋活動(dòng)，2012年后再次回歸正常的右旋活動(dòng)，2019年后右旋活動(dòng)加速較為明顯。

3)由圖2(c)～(e)可見，峨山場地2014年開始出現(xiàn)顯著的右旋走滑加速現(xiàn)象，建水和石屏場地的變化量級(jí)較小，且存在同步性，2017年開始出現(xiàn)顯著的右旋走滑加速現(xiàn)象(此前均為左旋活動(dòng))。

4)由圖2(f)可見，楚雄場地的表現(xiàn)與其他場地均不相同。從歷史觀測資料來看，楚雄場地總體為左旋走滑活動(dòng)，可能與場地所處的特殊地質(zhì)背景有關(guān)。2018年開始左旋活動(dòng)加速明顯。

綜合各場地的變化特征可知，近年來川滇菱形塊體西邊界右旋活動(dòng)加速較為明顯，不同斷層上不同觀測場地的表現(xiàn)形式不同，但基本表現(xiàn)為加速活動(dòng)或右旋活動(dòng)增強(qiáng)等特征，推測是由邊界動(dòng)力增強(qiáng)所致。

隨著菱形塊體右旋走滑速率的加快，東邊界的尋甸、宜良等場地也出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)折變化，2018年尋甸場地左旋走滑活動(dòng)出現(xiàn)加速趨勢，2020年開始宜良場地左旋走滑活動(dòng)加速明顯。總體上看，川滇菱形塊體東邊界的活動(dòng)晚于西邊界，西邊界的加速活動(dòng)可能構(gòu)成了漾濞地震的動(dòng)力學(xué)背景。

2 定量化指標(biāo)提取

跨斷層綜合預(yù)測指標(biāo)[8]是指通過一定的數(shù)學(xué)方法對多個(gè)跨斷層異常測項(xiàng)進(jìn)行處理，并采用R值評分方法對單測項(xiàng)進(jìn)行預(yù)報(bào)效能評估，根據(jù)評估結(jié)果進(jìn)行測項(xiàng)定權(quán)，最后合成多個(gè)測項(xiàng)得到綜合預(yù)測指標(biāo)。該指標(biāo)體現(xiàn)的是跨斷層測項(xiàng)的群體異常，能有效提升預(yù)報(bào)效能，其結(jié)果優(yōu)于單測項(xiàng)評估指標(biāo)。但由于單測項(xiàng)評估階段存在數(shù)學(xué)方法選取和參數(shù)設(shè)置上的差異，不同數(shù)據(jù)處理方法得到的指標(biāo)不同，反映的異常性質(zhì)也有區(qū)別，因此對關(guān)鍵性指標(biāo)的跟蹤判定需要根據(jù)震例進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

2.1 地震樣本及指標(biāo)預(yù)測意義

地震樣本的選取對于指標(biāo)提取及后續(xù)預(yù)測具有重大意義。由于本文主要針對云南地區(qū)進(jìn)行分析，因此震例選取范圍為97°～106°E、21°～29°N(圖1)，提取的指標(biāo)對云南地區(qū)6級(jí)以上地震具有指示作用。

2.2 指標(biāo)提取與驗(yàn)證

單時(shí)間序列的異常識(shí)別與分析方法主要有4類：閾值類、速率類、破年變類及趨勢轉(zhuǎn)折類，其中閾值類方法比較適合觀測曲線無顯著趨勢性的測項(xiàng)，但云南地區(qū)的跨斷層資料變化較為復(fù)雜，利用該方法進(jìn)行預(yù)測和效能評估可能會(huì)產(chǎn)出一些信度較低的結(jié)果。同樣，趨勢轉(zhuǎn)折類及破年變類方法的效能評估結(jié)果也不佳，因此本文主要針對速率類方法中的速率差分和斜率差2種分析方法進(jìn)行對比分析。

首先對云南省46個(gè)測項(xiàng)采用斜率差或速率差分方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后對每條速率曲線進(jìn)行預(yù)報(bào)效能評估，獲得最優(yōu)的效能評估結(jié)果，并將該結(jié)果看作曲線出現(xiàn)異常時(shí)其對綜合曲線的貢獻(xiàn)度。當(dāng)曲線無異常時(shí)，貢獻(xiàn)度為0；當(dāng)曲線存在異常時(shí)，貢獻(xiàn)度為R。進(jìn)一步在時(shí)間域上對速率曲線進(jìn)行掃描，將同一時(shí)間點(diǎn)上的異常貢獻(xiàn)度進(jìn)行累加，得到綜合預(yù)測指標(biāo)曲線，最后根據(jù)震例對該曲線進(jìn)行效能評價(jià)，得到最終的綜合預(yù)測指標(biāo)。

本文對預(yù)測指標(biāo)進(jìn)行分步評估，相比于單純的回溯檢驗(yàn)指標(biāo)，該指標(biāo)的評估結(jié)果更加客觀，能真實(shí)模擬出指標(biāo)的動(dòng)態(tài)跟蹤過程。假設(shè)地震樣本為Ei(i=1，…，m)，以前2個(gè)樣本作為預(yù)測基礎(chǔ)，分步對后續(xù)(m-2)個(gè)地震事件的預(yù)測準(zhǔn)確率進(jìn)行檢驗(yàn)。在對第k個(gè)地震準(zhǔn)確率進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，首先對所有觀測時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)截?cái)啵贿x取第k個(gè)地震前的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測指標(biāo)提取，指標(biāo)的閾值也只依據(jù)前(k-1)個(gè)地震事件的評估結(jié)果進(jìn)行確定，最終分析第k個(gè)地震是否能夠被準(zhǔn)確預(yù)測。綜合指標(biāo)的R值評分結(jié)果根據(jù)每個(gè)地震事件的時(shí)間占有率和最終預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率等信息累加確定，該方法模擬實(shí)際預(yù)測過程，結(jié)果更加客觀、合理。

速率類異常識(shí)別中比較有代表性的是一階速率差分和斜率差方法[9]，但這2類方法均存在窗長設(shè)置的問題，不同差分窗長得到的異常信號(hào)頻段存在一定的差異。年尺度下的速率差分獲取的是中期尺度異常，而3個(gè)月或0.5 a窗長的速率差分提取的是中短期異常。根據(jù)不同的配置參數(shù)可得到不同的預(yù)測指標(biāo)，指標(biāo)與參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)使用之間存在一一對應(yīng)關(guān)系，因此一套數(shù)據(jù)及參數(shù)配置方法可認(rèn)為是一項(xiàng)指標(biāo)。

通過試算發(fā)現(xiàn)，斜率差方法在提取中期異常指標(biāo)方面具有一定的優(yōu)勢，但短期指標(biāo)提取結(jié)果一般。斜率差短期指標(biāo)和速率差分短期指標(biāo)均對漾濞地震作出有效預(yù)測，但從結(jié)果(圖3和表2)看，2個(gè)指標(biāo)均存在虛報(bào)率偏高的問題，這也導(dǎo)致2項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)報(bào)效能評估結(jié)果均不理想。

圖3 斜率差和速率差分短期指標(biāo)結(jié)果

表2 短期指標(biāo)預(yù)報(bào)效能評估結(jié)果

短期指標(biāo)偏高的虛報(bào)率可能是受到季節(jié)和氣候的影響，跨斷層資料短期速率變化較大的現(xiàn)象出現(xiàn)概率較高，從而降低指標(biāo)的信噪比。結(jié)合跨斷層資料在分析預(yù)報(bào)工作中的經(jīng)驗(yàn)來看，這類觀測資料多以中期異常為主，因此將預(yù)測窗長設(shè)置為6個(gè)月，獲得中期預(yù)測指標(biāo)(圖4和表3)。

圖4 斜率差和速率差分中期預(yù)測指標(biāo)結(jié)果

結(jié)合圖4及表3可以看出，斜率差中期指標(biāo)的效能評估結(jié)果較好，漾濞6.4級(jí)地震剛好處在指標(biāo)預(yù)報(bào)有效期結(jié)束前。從中期指標(biāo)與短期指標(biāo)的對比可以看出，中期指標(biāo)采用較長的背景窗長和當(dāng)前窗長，獲取的信號(hào)偏向低頻，指標(biāo)的突跳較少，且12個(gè)月的窗長在一定程度上消除了周期項(xiàng)影響，指標(biāo)的準(zhǔn)確率高達(dá)84%，漏報(bào)率和虛報(bào)率均不高。由此可知，斜率差和速率差分指標(biāo)均通過效能檢驗(yàn)，可參考使用，且斜率差中期指標(biāo)的預(yù)報(bào)效能總體優(yōu)于速率差分。

隨著預(yù)測窗長及異常識(shí)別窗長的增加，捕捉到的信息更加偏向形變的低頻信號(hào)。理論上，預(yù)測窗長的增加會(huì)帶來時(shí)間占有率的增加，其負(fù)面作用是預(yù)報(bào)效能的降低，但實(shí)際結(jié)果卻恰好相反。這在一定程度上說明，適當(dāng)增加異常識(shí)別窗長和預(yù)報(bào)窗長可有效消除觀測資料中季節(jié)性變化帶來的影響，從而提升信噪比、減少虛報(bào)、大幅提升預(yù)報(bào)效能，該處理方式更適用于跨斷層資料的分析。為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法，將預(yù)測窗長拉長至年尺度(12個(gè)月)，數(shù)據(jù)處理策略不變，結(jié)果見圖5和表4。

表4 年度預(yù)測指標(biāo)預(yù)報(bào)效能評估結(jié)果

從圖5和表4可以看出，斜率差的預(yù)測準(zhǔn)確率高達(dá)100%，無虛報(bào)出現(xiàn)。2020-12漾濞地震發(fā)生前指標(biāo)出現(xiàn)異常，預(yù)測窗長為12個(gè)月，因此準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了漾濞6.4級(jí)地震。若將漾濞地震納入指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，效能將得到進(jìn)一步提升。速率差分和斜率差方法相似，在年尺度指標(biāo)中有較好表現(xiàn)，但有1次虛報(bào)，漏報(bào)次數(shù)也相對較多，但同樣對漾濞6.4級(jí)地震作出了較好的預(yù)測。

從以上分析可以看出，跨斷層資料在中期指標(biāo)方面優(yōu)勢明顯，在跨斷層預(yù)測指標(biāo)的提取和分析中應(yīng)當(dāng)更注重中期指標(biāo)的應(yīng)用。

3 結(jié) 語

通過對跨斷層原始資料和指標(biāo)進(jìn)行分析可知，從動(dòng)力學(xué)背景上來說，漾濞6.4級(jí)地震的發(fā)生與川滇菱形塊體西邊界的加速活動(dòng)有關(guān)，該加速過程在漾濞地震發(fā)生后是否會(huì)持續(xù)發(fā)展，仍需進(jìn)一步跟蹤分析。在定量化指標(biāo)提取中，斜率差和速率差分方法各有優(yōu)勢，通過多種指標(biāo)的試算，最終得到2項(xiàng)短期指標(biāo)和4項(xiàng)中期指標(biāo)，均對漾濞地震進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測，可用于后續(xù)云南地區(qū)6級(jí)以上地震的跟蹤工作。主要結(jié)論如下：

1)在速率類方法中，當(dāng)斜率差和速率差分方法的窗長設(shè)置較長時(shí)，獲得的是中期異常結(jié)果，其中短期突變引起的擾動(dòng)較少，虛報(bào)率明顯下降。因此在跨斷層資料的分析中，中期指標(biāo)可有效提升預(yù)測的準(zhǔn)確性，在分析預(yù)報(bào)指標(biāo)參與會(huì)商決策時(shí)應(yīng)賦予中期指標(biāo)更大的權(quán)重。

2)由于不同窗長的活動(dòng)頻段信號(hào)存在差異，當(dāng)預(yù)測窗長偏長時(shí)，建議適當(dāng)增加速率差分方法的窗長。理論上，短期異常變化主要用于短期尺度預(yù)測，中期異常主要用于中期尺度預(yù)測，這樣更容易得到效能高、結(jié)果合理的指標(biāo)。

3)破年變異常和趨勢轉(zhuǎn)折類異常的識(shí)別和提取難以獲得較好的指標(biāo)，這可能與云南地區(qū)部分跨斷層場地活動(dòng)不突出的周期性特征有關(guān)，同時(shí)也需要進(jìn)一步改進(jìn)相應(yīng)的異常識(shí)別算法，以期獲得更好的結(jié)果。