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(王永安等,2011)。针对地壳形变的定时监测,大地水准网的观测周期相对较长,而跨断层水准观测则是一种观测周期短、精度高的监测手段。川滇地区是我国地震的高发区,且跨断层水准场地较密集的分布于鲜水河、龙门山、安宁河、红河、小江等大断裂之上,如此密集的场地分布对整个川滇地区的断裂形变有一定的区域控制作用。但在对观测资料的处理、研究,对“异常”信息的确定上,大家的认识并不统一,事实上,对观测数据排除观测误差、同震变形与外界干扰等之后的“与正常状态不同的变化”均可称为异常。一个可靠的、且符合孕震理论的异常出现之后,若在一定的时间尺度和空间范围内发生了一定震级的地震,就可以把这个异常称之为该地震的前兆(张希等,2001,2004,江在森等,1998,2001; 王双绪等,2001)。刘冠中等(2007)针对新疆地区台站跨断层观测资料,提出一种“形变速率累加”方法,扣除正常变化数据,对超出一定限值的“可能异常”进行积分运算,可有效排除短暂、连续性差的所谓“异常”变化,使得在某一时间尺度内相对频繁出现的异常更为直观和突出,映震效果较好。唐红涛等(2012)用该方法对青藏块体东北缘资料进行了分析,达到了良好的结果,但其观测周期间隔较长。因此,本文运用“形变速率累加”法对观测间隔较短的川、滇地区跨断层水准资料进行了解算,并通过5个算例进行原始观测曲线与形变速率累加图的对比分析。

川、滇跨断层水准从20世纪80年代初开始观测,至今已保存有30多年的观测资料。如图1所示,四川境内有21处场地,云南现有观测场地11处(洱源场地已于2010年6月停测)。32处场地较均匀的分布于我国西南地区活动频繁的各大断裂之上,包括“Y”型的鲜水河、龙门山、安宁河断裂。全长约600 km的红河断裂带,呈NNW 向贯穿云南省中部,与纵贯云南省东部的小江断裂带交汇于该省的最南部,形成一楔形活动块体。在楔形块体及块体周边,由丽江—宁蒗、洱源—鹤庆、永胜—程海、楚雄—建水、曲江、石屏—建水等多条活动断裂带构成了一个复杂的断层网络系统(施顺英等,2007; 贾鹏等,2012)。各观测场地均布设有跨断层水准、基线观测墩,四川省内以2个月,云南省以1个月为复测周期进行跟踪监测。

图1 跨断层场地分布图
Fig.1 Distribution of across-fault site

在数据处理中所用到的每期观测数据是某一测段(即两水准点之间)的高差,相邻两期观测时间间隔为1个月,对于四川省跨断层2个月的复测周期数据,采用线性内插的方法进行空缺值内插。再对原始数据做一阶差分处理,消去曲线的趋势变化成分:

V=|h_i-h_i-1|(1≤i≤n),(1)

σ=((n∑V²_i-(∑V_i)²)/(n(n-1)))^1/2(1≤i≤n),(2)

T={V-2σ, V≥2σ

0, V<2σ,(3)

Z=∑ⁿ_i=1T_i.(4)

式中:h为原始观测数据的各期观测值;(h_i-h_i-1)为相隔1个周期的一阶差分值,在此过程中消除了原始观测资料的趋势变化; n为原始观测总期数; σ为形变速率V的标准差; T为积分对象,即将V≥2σ的形变速率保留,将V<2σ的形变速率设为0; Z为最后的累加形变速率,即对T求累加计算。刘冠中等(2007)直接对V进行积分,本文将积分对象改进为V-2σ,通过解算最终可得到一阶差分与2倍标准差的残差累积值,运用速率累加图表达异常分布的效果更为明显和直观。式(2)和式(3)给出了异常点的判定方法,取2倍标准差作为判断依据,若V在2倍标准差以内,说明在此阶段断层活动无显著变化; 反之,说明原始曲线存在异常。

川滇地区32处跨断层场地分布于鲜水河、龙门山、安宁河、红河等诸多强活动断裂之上,在地域上有很好的网络控制监测能力,本文通过运用“形变速率累加”法对该地区跨断层水准观测资料的计算,得到形变速率累加图,并与以往震例进行了映震分析,可得出如下几点结论:

(1)在时序数据的异常识别上,异常速率积分后的效果较原始观测曲线更加容易辨识异常,且更直观。

(2)在异常信息的舍取上,“形变速率累加”法只对超出控制限的、连续的异常“孤立”点进行计算,对高阶跃、非连续单个异常数据计算后不显示异常。

(3)从算例映震的时空特征上看,异常开始到地震发生时间平均为347 d,6.0～7.0级地震的震中距均在200 km以内,7.0级以上地震在200～400 km。因此“形变速率累加”法适用于川滇地区跨断层场地的空间分布状况,且它可作为地震中期的预报指标。