在构造力的作用下地应力的集中及演化直接产生地壳运动效应,而地形变变化是地应力变化最直观的反映,地形变观测最能直观反映地壳形变的变化。跨断层观测是一种高精度的监测地形变变化的观测手段(王永安等,2003)。1996年丽江7.0级地震前的累积率说明地震不一定发生在跨断层形变累积率高的地区,还通常发生在多年来形变累积率空间分布差异性显著的地区(王永安等,2004)。地震工作者在地震预报实践中也发现,在大震发生前几年,形变场观测资料会出现一些准同步的群体性趋势变化,而形变的中、短期异常会呈现出加速、转折、破年变等特征(姜葵等,1993; 云南省地震局,中国地震局滇西地震预报试验场,1998; 刘仲全,2001)。形变累积率的计算最初被应用在大地水准网的观测数据处理中,研究人员通过分析形变累积率在空间上的分布随时间变化来判定地震危险区。大地水准网的观测周期相对较长,观测资料在实际应用中存在一定局限性,而跨断层短水准、短基线观测周期相对较短,一般每1～2月观测一期,在一些地震重点监测区域内测点较多、密度较大,这些观测值反映了所观测断层相对垂直及水平的连续形变变化。

云南地区的跨断层观测时间较长、连续性较好、观测台点多,且精度较高,样本相对较多,且在跨断层观测时期内发生了几次7级以上强震。对观测方法进行一些改进,就可以在不同的时间尺度上计算相应观测断层的形变累积率,而且可以分别用水准、基线资料计算断层在垂直向与水平向的形变累积率(王永安等,2004),以此跟踪断层形变累积程度及其在空间上的变化。探讨这种变化与云南地区强震的关系,可为云南地区强震预测提供一些依据。

取不同长度的资料(大于1年)进行滑动计算,可以得到不同分辨率的断层形变累积率时序。研究不同震级的地震及地震前不同阶段的断层形变累积度,需要取不同长度的资料进行滑动计算。用于滑动计算的资料较长,就可以分析震前几年断层形变累积率变化情况,若资料相对较短,则可以反映震前断层形变累积率的一些较短期变化。笔者通过计算分析后认为,对于云南地区采用3年或4年时窗的计算效果较好(图2)。时窗越长,较高频的变化就越被过滤,曲线也越平滑,但积累的过程还是较清楚的。本文用整3年的资料长度

为时窗,然后以每期观测值为步长滑动计算出连续累积率时序,这样每个断层形变累积率值都能反映3年来断层形变累积变化的信息,因而可用来分析资料观测期间云南强震前测点的年形变累积率的变化。笔者用式(3)分别对跨断层水准资料和基线资料进行计算,并分析地震前断层垂直形变和水平形变累积率的变化情况(图3、图4)。

1986年以来,云南及邻区发生多次(组)M_S≥6.5强震活动(表2)。由于1995年7月中缅边界7.2级、1995年10月武定6.5级及1996年2月丽江7.0级地震相隔时间较近,因此将其作为一组地震分析。笔者主要讨论1988年耿马7.4级和1996年丽江7.0级两次(组)地震前跨断层水准、基线形变累积率的变化特征。从跨断层水准、基线形变累积率变化曲线分析(图3、图4),在几次(组)云南地区的强震活动前后,跨断层观测资料所计算的形变累积率多数有一个较明显的“∩”形变化过程,其开始时间在震前约5～35个

图2 楚雄水准12边不同窗长滑动计算的累积率对比
(a)3年窗长1月滑动累积率;(b)4年窗长1月滑动累积率;(c)5年窗长1月滑动累积率;(d)全部观测资料累积率
Fig.2 Cumulative rate calculated with different windows(a)Time window:3 years,step length:1 month;(b)Time window:4 years,step length:1 month; (c)Time window:5 years,step length:1 month;(d)Window:full time,step length:1 month

表2 跨断层形变观测期间云南地区发生的主要地震事件
Tab.2 Major earthquakes occurred in Yunnan region during the cross-fault deformation

发震的观测站点更多一些(表3、表4),这可能与震中和观测台网分布有关,因为丽江地震发生在观测点较密地区; 耿马地震发生在多数台站的累积率曲线上升段,中缅7.2级也有类似现象,可能与它们距离观测台网较远有关。从图形分析,多数观测点的累积率在2000年1月15日姚安6.5级地震前也有一明显变化过程,这可能与震中位于观测点较密的地区有关。在2006～2008年多数观测点的形变累积率又有一个“∩”型变化过程,而在此期间云南省内没发生6.5级以上地震,只有2008年5月发生的汶川8.0级地震,这个变化过程可能与该地震有关。目前多数观测点的累积率值都较低,是否会有一个新的变化过程还要进行跟踪计算分析。

图3 跨断层水准资料的断层形变累积率
(a)剑川水准32边;(b)永胜水准32边;(c)丽江水准12边;(d)楚雄水准12边;
(e)下关水准12边;(f)峨山水准32边
Fig.3 Cumulative rate of fault deformation through cross-fault levels observation(a)Short leveling 3-2 at Jianchuan station;(b)Short leveling 3-2 at Yongsheng station; (c)Short leveling 1-2 at Lijiang station;(d)Short leveling 1-2 at Chuxiong station; (e)Short leveling 1-2 at Xiaguan station;(f)Short leveling 3-2 at E'shan station

图4 跨断层基线资料的断层形变累积率
(a)剑川基线31边;(b)永胜基线32边;(c)丽江基线12边;(d)楚雄基线35边;
(e)下关基线32边;(f)通海基线12边
Fig.4 Cumulative rate of fault deformation through cross-fault baseline observation(a)Short base-line 3-1 at Jianchuan station;(b)Short base-line 3-2 at Yongsheng station;(c)Short base-line 1-2 at Lijiang station;(d)Short base-line 3-5 at Chuxiong station; (e)Short base-line 3-2 at Xiaguan station;(f)Short base-line 1-2 at Tonghai station

图5 地震前半年断层基线累积率均值
Fig.5 Mean cumulative rate through cross-fault baseline observation six months before earthquake

图6 地震前半年断层水准累积率均值
Fig.6 Mean cumulatiive rate through cross-fault levelling observation six months before earthquake

表3 部分水准观测在地震前大幅累积开始和转折距地震发生时间
Tab.3 Periods from the beginning of the rapid accumulation to the earthquake occurrence and periods from the beginning of the slow accumulation to the earthquake occurrence at some levelling stations

表4 部分基线观测在地震前大幅累积开始和转折时距地震发生时间
Tab.4 Periods from the beginning of the rapid accumulation to the earthquake occurrence and periods from the beginning of the slow accumulation to the earthquake occurrence at some baseline stations

从图3～6可看出,丽江7.0级地震前1～3年,丽江测点的水准、基线形变累积率相对较低,到地震发生后才开始一个较大的累积过程,而其周围的剑川、永胜、下关测点,约从1994年就开始有一个明显变化过程,特别是永胜、下关测点的水准、基线形变累积率在丽江地震前达到相对较高值,而丽江地震就发生在累积率转折下降后,累积率数值也较丽江、剑川测点高。其它测点的累积率(楚雄、峨山、通海)在丽江地震前也有一个较明显的变化过程。建水、石屏、寻甸变化过程不明显,且其累积率值也相对较低,这也说明地震不一定发生在形变累积率高的地区,而易发生在形变累积率梯度相对较大的地区。从图中也能看出水准形变累积率在1988年11月耿马7.4级地震前的变化过程,只是没有丽江地震前的明显,这可能与震中距离观测网区域较远有关。多数测点所在形变场在丽江地震前1～3年有一个准同步的形变加速累积的过程,表现为累积率持续快速增加,达到最大值或略转折后发生地震,而震中及附近地区的累积率在震前相对较低,这些变化本质上反映了区域应力场的变化及调整。

跨断层观测水准、基线形变累积率变化过程略有差异,这也反映了断层的垂直与水平运动的差异性,但从丽江地震前跨断层水准、基线的形变累积率变化看,云南多数测点的累积率地震前几年都有一个增加过程,震中区丽江测点的累积率较低,且没有变化,周围的下关、永胜测点震前变化过程显著,且震前开始减小。

一个强震的孕育首先要有持续的构造力作用,这种持续的作用力使其区域内一些断层发生持续性的准同步运动,这种运动有利于应力、应变的传递。云南地区跨断层观测主要分布在云南东部地区。川滇菱形块体处在云南的边界上,在区域应力场增强时,会产生准同步断层运动和形变,形变累积率表现为持续增加。而在某些构造上,断层形变累积率较低,它反映断层的绝对运动量小,这种情况可能反映了断层做往复运动,不利于能量积累,不易在构造上形成强震震源体,也可能是断层几乎不运动或运动量较小,在这些构造上就易积累能量形成震源体。震源体周围断层累积率高说明当区域应力场增强时,断层在这一时期有持续性、一致性的趋势运动,其绝对运动量大,这样持续的蠕滑运动使自身积累不起足够的应变能,而且这也有利于断层不断地向孕震体输送能量,使震源体不断积累能量(王永安等,2003,2004)。若震中处在观测台网较密区域,则临震前跨断层形变累积率普遍有一个减小的过程,这反映出断层运动状态、方式发了改变,这可能是由于震源体能量积累到一定成度,其介质开始软化所致,当震源体的应力达到介质破裂临界值时,震源体内的微破裂不断增加、串通,震源体处于非稳定状态,使形变场有调整的空间,其周边断层形变场出现调整。若震中距离观测台网较远,此现象就不是很明显,这可能与震中距离观测台网较远,震源体在临震前的应力调整对观测台网区域形变影响较小有关。形变累积率在地震前的一些短临变化特征与震中距观测台的距离及震级大小有关。跨断层形变累积率的变化反映断层运动状态、方式的变化,这是由区域应力场、震源应力场的调整、变化决定的。因此对跨断层形变累积率作分析,可以了解未来强震孕育的背景及未来地震可能发生的地区。2005～2008年云南多数测点出现的较明显的累积率变化过程,可能与2008年5月12日汶川8.0级地震有关。

云南地区强震发生前3年内,云南跨断层观测资料所计算的多数测点的水准、基线形变累积率均有一较明显的变化过程,而且在临震前一些测点会发生速率的变化或转折性变化; 若震中在观测点较密地区,震中区的测点累积率值较低,没有明显的变化过程,靠近震中区测点附近的形变累积率在震前的变化的开始时间可能比较远测点的要快,而且在累积率曲线发生转折后发震; 较远测点的累积率在上升过程中就有可能发震。震中可能在跨断层形变累积率梯度较大、累积率较低闭锁断层上。通过多场地断层形变累积率的计算,分析其时间演变进程及空间分布特征,对判定云南的强地震危险区及中短期地震危险性具有一定的参考意义。