国内外公认地壳形变前兆是与孕震过程直接有关的前兆,大地形变是最重要的地震预测预报方法之一。跨断层形变监测是大地形变监测的一种重要方法,它主要监测现代活动断裂构造的运动特征(江在森等,2001)。分析强震孕育过程中断层形变的发展演变过程,对提高预测预报地震的能力有着重要意义。

地震由地壳介质的破裂所引起,在远离震源的地方可能出现地壳的突然形变,运动速率高的断层很可能会引起一次大的错动(力武常次,1978),这已为唐山7.8级地震前观测到的断层活动异常所证实(国家地震局《1976年唐山地震》编辑组,1982)。因此,断层形变速率明显超出正常值时可视为地震前兆。

物体运动加速度的增大反映了应力—应变积累的情况。当累积应变达到地壳的极限应变值(10^-5～10^-4)或已有断层上的应力积累达到断层的抗剪强度时(Ritsema,1984),地壳便突然破裂而发生地震。所以,从断层形变资料中提取断层运动速率异常,作为分析地震前兆的依据是完全可行的。

刘祖荫等(2002)基于对20世纪云南4个强震活动时段的分析,认为云南下一个强震活动时段将在2007～2012年到来,并且强震活动主体地区在红河断裂以东。断层形变的实际观测结果是否支持这一统计结论?这也是本文将要讨论的问题。

1982年以来,云南地区先后建立了12个跨断层形变监测场地,它们主要分布在川滇菱形块体西南边界、东南边界断裂带上,对菱块内部及外围附近地区断层活动有一定的监控能力。

对跨断层资料进行断层形变速率的分析处理,已取得一些有意义的结果(郭良迁等,2001; 刘强等,2003,2004)。本文处理了1983～2009年云南地区持续时间较长、较完整的10个场地的资料,提取断层形变速率异常参数R值,分析震前异常的特点及其时空演变特征,给出资料时段内云南地区6.5级以上强震前断层形变异常特征,并对未来云南地区M≥6.5强震危险性进行判定。

云南跨断层流动监测场地,其基线长度为24～144 m,短水准监测的基线长度为49～104 m不等。两项跨断层测线均跨过断层主断面,而未完全跨越断层破碎带。仪器使用德国蔡司Ni002水准仪和前苏联产的24 m线状铟瓦基线尺。根据现有的观测成果精度统计,每千米中误差小于0.23 mm,短基线相对误差均达到10^-6,满足提取异常所需的精度要求(黄雍等,2002)。12个场地中,宜良和洱源2个场地分别于1997年7月、2001年9月开始投入观测,时间相对较晚,为了更有效地提取强震前的异常信息,本文选取观测时间最长的剑川、丽江、永胜、下关、楚雄、峨山、通海、石屏、建水和寻甸共10个场地1983年1月至2009年12月的资料进行分析处理,对3组7次M≥6.5地震(澜沧—耿马M7.6、M7.2,孟连M7.3、武定M6.5、丽江M7.0,姚安M6.5、缅北M7.0)的异常特征进行分析(图1,表1)。

图1 形变场地和M≥6.5地震震中分布图
Fig.1 Distribution of stations and M≥6.5 earthquakes

表1 形变场地概况
Tab.1 The parameters of stations

我们处理云南10个跨断层短水准短基线场地资料,用每月的测值减去上年同期测值,再除以1年时间尺度,得到相应月份的形变年速率值。为了更好地提取速率异常信息,本文采用平均速率加上其变化中误差作为基准值,以速率值与基准值之比|R_i,j|≥1作为异常阈值。

R_i,j=((m_i,j-m_i-1,j)/(t_i,j-t_i-1,j))/(1/n∑ⁿ_i=1|(m_i,j-m_i-1,j)/(t_i,j-t_i-1,j)|+(1/n∑ⁿ_i=1(|(m_i,j-m_i-1,j)/(t_i,j-t_i-1,j)|-1/n∑ⁿ_i=1|(m_i,j-m_i-1,j)/(t_i,j-t_i-1,j)|)²)^1/2).(1)

其中,n为所用资料总年数减去1,i表示年(i=1,2,3,……,n),j表示月(j=1,2,3,……,12),m_i-1,j、m_i,j分别为第i-1年和第i年的第j月观测值,t_i-1,j、t_i,j为第i-1年和第i年的第j月观测时间值,R_i,j为第i年第j月异常参数值。

本文选取1983～2009年跨断层短水准短基线资料,根据公式(1)计算了29条跨断层短水准短基线测边资料,给出1983～2009年断层形变异常参数R,把|R_i,j|≥1定为异常。统计10个跨断层观测场地R值异常频次,发现1983～2009年R值异常率P≥38%,即月异常量N≥11的有4个时段,分别为1987年8月、1995年3月、2000年1月和5月和2009年11月。

将异常频次N≥11视为异常,作异常频次图(图2)。从图2中可以看出,在1987年8月、1995年3月、2000年1月和5月3个异常时段后0.5～16个月内,相继在菱块内部发生M≥6.5或菱块外围400 km范围内发生M≥7.0共3组7次强震:(a)澜沧M7.6(1988-11-06)、耿马M7.2(1988-11-06);(b)孟连M7.3(1995-07-12)、武定M6.5(1995-10-24)、丽江M7.0(1996-02-03);(c)姚安M6.5(2000-01-15)、缅北M7.0(2000-06-08)。2009年11月R值异常频次N=13,达异常指标,这对未来1～2年,菱块M≥6.5或菱块外围400 km范围内M≥7.0有一定指示意义。

图2 R值异常频次图
Fig.2 The histogram of monthly frequency of R anomaly

10个观测场地异常参数R值的点值曲线(图3)表明,|R_i,j|≥1异常持续时间共291个月,与选用资料时间3 120个月之比为9%,异常时间只占所用资料时间段很小一部分,说明把|R_i,j|≥1定为强震异常指标是合理的。

跨断层基线测边缩短以及断层上盘上升的垂直运动为断层的压性运动,相反的运动视为张性运动(江在森等,2001)。为了便于资料处理,我们约定断层上盘向上的运动与水平边长缩短的运动一致。本文选取1983～2009年的跨断层短水准短基线资料,以断层上盘测桩为基准点统一各测点高差,求得跨断层短水准短基线的异常参数R值,则R<0表示断层的压性运动,R>0表示断层的张性运动。绘制R值的空间分布图(图4～图8),分析断层形变速率异常参数R的时空演变特征(表2)。

如图4所示,澜沧M7.6(1988-11-06)、耿马M7.2(1988-11-06)地震前16个月,即1987年8月,异常参数R值出现大面积正值,最大值出现在建水,|R_i,j|_max=2.58,菱块边界断层主要表现为张性活动。1987年8月至1988年3月峨山场地R值出现连续8个月正异常,1987年8～11月建水、丽江场地R值出现连续4个月正异常,异常呈现成组特征。峨山场地异常持续时间最长,建水场地异常最突出,这对澜沧M7.6、耿马M7.2地震有中长期指示意义。

图3 R值时序图(a)楚雄;(b)石屏;(c)峨山;(d)通海;(e)剑川;(f)寻甸;(g)建水;(h)下关;(i)丽江;(j)永胜
Fig.3 R value curves

表2 M≥6.5地震异常特征统计表
Tab.2 The statistics of anomaly characteristic of M≥6.5 earthquakes

图4 1987年8月R值空间分布图
Fig.4 Spatial distribution of R value(Aug.,1987)

图5 1995年3月R值空间分布图
Fig.5 Spatial distribution of R value(1995-03)

如图5所示,孟连M7.3(1995-07-12)、武定M6.5(1995-10-24)、丽江M7.0(1996-02-03)地震前4～11个月,异常参数R值在1995年3月出现大面积负值,最大值出现在建水,|R_i,j|max=2.44,测区受压应力作用控制。1995年2～7月和9～10月建水场地R值出现两组负异常,1995年2～4月和6～7月丽江场地R值出现两组负异常,1995年3～4月石屏场地负异常持续2个月,异常呈现成组性。

如图6所示,姚安M6.5(2000-01-15)地震前(震前已完成当月数据采集),2000年1月异常参数R值除永胜、通海等场地呈正值变化外,其余场地呈现负值,最大值出现在建水,|R_i,j|_max=1.89,表明临震前测区以压性作用为主。

图6 2000年1月R值空间分布图
Fig.6 Spatial distribution of R value(Jan.,2000)

图7 2000年5月R值空间分布图
Fig.7 Spatial distribution of R value(May,2000)

如图7所示,缅北M7.0(2000-06-08)地震前1个月,即2000年5月,R值除峨山为负异常外,其余场地主要呈正值变化,正值区域较2000年1月向缅北沿东西向有所扩大,最大值出现在通海,|R_i,j|_max=1.97。

1999年11月至2000年2月建水场地R值持续4个月负异常,1999年11月至2000年1月丽江场地连续3个月出现负异常,1999年11月至2000年7月峨山场地连续9个月出现负异常,1999年12月至2000年9月通海场地持续10个月出现正异常,异常呈现成组特征。姚安M6.5地震后,峨山持续呈压性变化,建水、丽江场地压性异常消失,而通海的

图8 2009年11月R值空间分布图
Fig.8 Spatial distribution of R value(Nov.,2009)

张性变化仍在持续,测区以张性变化为主,这对菱块外围的缅北M7.0地震在地点上有一定指示。

如图8所示,2009年11月,楚雄、峨山、建水、丽江、寻甸均出现正值异常,最大异常点为建水,|R_i,j|_max=2.21,测区以张应力活动为主。

(1)孕震过程可分为岩石弹性变形、非弹性变形和破裂加速3个阶段(张国民等,2001)。孕震过程的前期主要是弹性应变的积累阶段,孕震过程的后期非弹性应变快速增长,而弹性应变的增长减慢,所以孕震过程后期的高应力阶段是非弹性应变阶段(里兹尼钦科,1982)。本文研究的R值异常主要反映了孕震的中后期阶段,即非弹性应变阶段的断层活动特征。

(2)地震预报实践表明,如果存在一个强震孕育过程,可能有多个地块及相关构造活动受到影响,或处于闭锁或加速活动状态(刘强,石绍先,2005)。本研究的三组7次M≥6.5地震前0.5～16个月R值出现异常,异常持续时间为2～10个月,异常幅度为-2.44～+2.58,异常呈成组特征(表2),表明强震前孕震区可能存在一个非弹性的应力加速积累过程。川滇菱块在强震前会呈现整体性闭锁或加速活动。

(3)菱块外围400 km内M≥7.0地震前,R值于震前6～16个月出现异常,异常持续时间为6～10个月; 菱块边界及内部M≥6.5地震前,R值于震前0.5～5个月出现异常,异常持续时间为2～4个月(表2)。可见,菱块外强震前比菱块内强震前R值异常出现时间早,异常持续时间也较长。预报实践表明,一般而言,震级越大,孕震范围会增大,孕震时间也较长。

(4)菱块外围400 km内M≥7.0地震前,R值呈正异常,菱块呈持续张性变化; 菱块边界及内部M≥6.5地震前,R呈负异常,菱块受持续挤压。受压有利于区域内的应力积累,持续的张性变化则可能指示了区域外的应力积累过程。

(5)3组7次地震中,除缅北M7.0地震外,建水、丽江场地R值异常均最为显著,可能为区域构造活动的2个敏感点。

(6)2009年11月,R值出现成组性正异常,川滇菱块受张应力主控特征明显,对未来1～2年菱块外400 km范围内M≥7.0地震有较强指示。表明2010～2012年为云南未来强震活动的主要时段,地震主体地区在红河断裂以西,这与刘祖荫等(2002)基于20世纪云南强震统计得出的推论在时间上吻合,但在发震主体地区上不一致。

(7)第2组(孟连M7.3、武定M6.5、丽江M7.0)和第3组(姚安M6.5、缅北M7.0)地震孕震区较分散,组内地震发震间隔时间短,给辨别各次地震异常带来一定困难; 由于监测场地数量有限且测点分布不均匀,复测周期较长(一般为1个月),较难提取更小范围和短临异常; 受资料时段限制,统计样本有限,其结论还需进一步佐证。