云南跨斷層場(chǎng)地特征強(qiáng)度指標(biāo)分析

徐聲鑫，王 巖，汪志民，黎志軍

（1.云南省地震局，昆明 65004；2.桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004）

0 引言

云南地區(qū)地處青藏高原東南緣地區(qū)，是我國(guó)地震活動(dòng)最為顯著的地區(qū)之一，該區(qū)域活動(dòng)構(gòu)造豐富且復(fù)雜，雖然有學(xué)者對(duì)區(qū)域變形開(kāi)展了相關(guān)研究[1]，但也僅能給出大區(qū)域尺度的地殼變形信息，而跨斷層測(cè)量可精細(xì)地測(cè)定活動(dòng)斷層的現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速率以及它們隨時(shí)間而演變的過(guò)程，為斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)、地殼動(dòng)力學(xué)、地震研究提供參考。國(guó)際上，多年的觀測(cè)及研究結(jié)果表明，跨斷層形變觀測(cè)在地震研究中有著不可替代的作用[2]。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局70 年代在圣安德烈斯斷層開(kāi)展長(zhǎng)期的大地測(cè)量和地震觀測(cè)，尋找與震源區(qū)地震活動(dòng)相關(guān)的前兆變化[3]。美國(guó)的圣安德烈斯斷層開(kāi)展了蠕滑事件觀測(cè)，并且認(rèn)為是斷層應(yīng)變釋放的一種機(jī)制[4]。除了蠕滑事件，個(gè)別地震前曾記錄到斷層的加速活動(dòng)[5]，而有些地震前出現(xiàn)斷層蠕滑速率的減小，或沒(méi)有任何前兆性的預(yù)滑[6]。從更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上看，斷層長(zhǎng)期滑動(dòng)的變化模式與區(qū)域中強(qiáng)震在時(shí)間上有一定的相關(guān)性[7]。

目前云南共有11個(gè)跨斷層場(chǎng)地（圖1），分別為楚雄場(chǎng)地、下關(guān)場(chǎng)地、劍川場(chǎng)地、麗江場(chǎng)地、永勝場(chǎng)地、尋甸場(chǎng)地、宜良場(chǎng)地、峨山場(chǎng)地、通海場(chǎng)地、建水場(chǎng)地、石屏場(chǎng)地，根據(jù)各個(gè)場(chǎng)地的數(shù)據(jù)完整性及穩(wěn)定性，本文主要選取了5 個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行了自1982 年有觀測(cè)數(shù)據(jù)以來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，分析提取可能的地震前兆異常信息，為中長(zhǎng)期地震預(yù)測(cè)提供一定的參考[8]。

圖1 云南地區(qū)跨斷層場(chǎng)地分布圖Fig.1 Distribution of cross-fault sits in Yunnan area

1 斷層形變特征強(qiáng)度計(jì)算方法

首先，斷層形變特征強(qiáng)度指標(biāo)的提取是建立在統(tǒng)一所有曲線下盤(pán)相對(duì)上盤(pán)變化的前提之下的。設(shè)某個(gè)斷裂段上有m個(gè)場(chǎng)地，每個(gè)場(chǎng)地統(tǒng)一上下盤(pán)后跨斷層測(cè)段觀測(cè)值序列為hki，i=1，…，n；k=1，…，m，n 為總觀測(cè)期數(shù)。則對(duì)每個(gè)場(chǎng)地，定義其單期觀測(cè)相對(duì)上期觀測(cè)變化量與平均變化幅度的比率即

無(wú)量綱指標(biāo)，若此場(chǎng)地有不止1 條跨斷層測(cè)段，便可以獲得不止1 個(gè)結(jié)果，去掉干擾較大或周期性變化顯著的測(cè)段，剩下的取均值，計(jì)算結(jié)果為負(fù)則反應(yīng)逆斷變化、為正則反應(yīng)正斷變化。

其次，為反應(yīng)觀測(cè)曲線的趨勢(shì)性（與構(gòu)造活動(dòng)背景一致的趨勢(shì)性變化越明顯，可能反映應(yīng)變積累的時(shí)間尺度越長(zhǎng)、或強(qiáng)度越高）和穩(wěn)定性，計(jì)算各場(chǎng)地趨勢(shì)因子和穩(wěn)定因子（即均方差值，其量值越小，穩(wěn)定性可能越好）。最后，將作為每個(gè)場(chǎng)地?cái)鄬有巫兲卣鲝?qiáng)度指標(biāo)的權(quán)值，計(jì)算該斷裂段斷層形變特征強(qiáng)度值SRE=

本文在原有公式上進(jìn)行了改進(jìn)，南北帶北段的觀測(cè)周期為三到四個(gè)月一期，而云南地區(qū)一般為一到兩個(gè)月一期，由于觀測(cè)周期短，變化量較小，單期差分信噪比低，容易造成斷層活動(dòng)信息丟失比較嚴(yán)重，因此在上述公式中采用更長(zhǎng)尺度窗長(zhǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分。

2 云南跨斷層場(chǎng)地地質(zhì)資料簡(jiǎn)介

本文共列取了5 個(gè)跨斷層場(chǎng)地，現(xiàn)將5 個(gè)場(chǎng)地的地質(zhì)資料背景進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1 楚雄場(chǎng)地

該場(chǎng)地位于楚雄市西南3 km 左右的山梁上，該地1974 年已建有一點(diǎn)，1981 年原地改建。所建點(diǎn)跨楚雄斷裂，斷裂走向北30°西，傾向東，傾角58°，東盤(pán)淺黃色粉砂巖，西盤(pán)為紫紅色泥質(zhì)頁(yè)巖與砂巖?；鶐r受擠壓強(qiáng)烈，東西兩盤(pán)中粉砂巖產(chǎn)狀55°/45°/65°，頁(yè)巖產(chǎn)狀90°/50°/60°，頁(yè)巖中折曲發(fā)育，巖石層理清楚，擠壓面有白色高嶺土充填；該場(chǎng)地老點(diǎn)資料一般認(rèn)為較好，特別是對(duì)龍陵震后反映較好，近年來(lái)趨勢(shì)變化和年變化較為有規(guī)律。

2.2 麗江場(chǎng)地

本場(chǎng)地位于麗江縣城北2 km 左右的山坡上，為1981年新建點(diǎn)。所跨斷層出露于第三系地層（麗江角礫巖）中，斷層規(guī)模小，與北東走向的麗江斷裂橫向斜交，走向北10°西，傾向南西，傾角70°左右。

2.3 永勝場(chǎng)地

該場(chǎng)地位于永勝縣城西北4 km 左右的關(guān)平村，所跨斷層屬程海大斷裂，該地?cái)鄬幼呦虮?°西，傾向西，傾角30°～40°，上盤(pán)（西盤(pán)）為泥盆紀(jì)灰?guī)r，下盤(pán)（東盤(pán)）為三疊紀(jì)頁(yè)巖。

2.4 尋甸場(chǎng)地

該場(chǎng)地點(diǎn)是在原老點(diǎn)位置上改建的，所跨斷裂屬小江斷裂之西支，走向N25°E，傾向南東，傾角73°。南東盤(pán)為石灰?guī)r，點(diǎn)位附近灰?guī)r受擠壓強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，北西盤(pán)為灰?guī)r受壓成粉未和碎角礫石。

2.5 建水場(chǎng)地

該場(chǎng)地位置在建水縣碗窯村西北2 km 左右。斷層走向S81°W，傾向南，傾角70°，屬壓扭性斷層，左旋。北盤(pán)為石灰?guī)r，灰白色，質(zhì)地較松、節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面被乳白色半透明方解石所充填，從方解石網(wǎng)脈與石灰?guī)r已形成一體說(shuō)明節(jié)理形成較早，近期發(fā)育的節(jié)理裂隙相對(duì)較少，說(shuō)明斷裂近期活動(dòng)不太激烈。南盤(pán)未見(jiàn)到基巖。

3 云南跨斷層場(chǎng)地特征強(qiáng)度計(jì)算分析

本文利用斷裂形變特征強(qiáng)度計(jì)算方法，對(duì)云南11個(gè)跨斷層場(chǎng)地分別進(jìn)行計(jì)算分析（由于篇幅限制現(xiàn)僅列取5 個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行說(shuō)明），其計(jì)算策略是針對(duì)每個(gè)跨斷層場(chǎng)地分別計(jì)算斷層特征強(qiáng)度，并計(jì)算分析預(yù)測(cè)效能指標(biāo)，設(shè)置窗長(zhǎng)為半年、一年，主要涉及區(qū)域?yàn)闁|經(jīng)94°～106°，北緯20°～33°（涵蓋整個(gè)云南及周邊部分區(qū)域），震級(jí)選擇6.5 級(jí)以上，時(shí)間跨度為1982—2019年。

3.1 半年窗長(zhǎng)跨斷層場(chǎng)地特征強(qiáng)度計(jì)算

圖2 為半年窗長(zhǎng)的跨斷層場(chǎng)地特征強(qiáng)度計(jì)算圖，表1 為半年窗長(zhǎng)跨斷層場(chǎng)地特征強(qiáng)度R 值評(píng)分結(jié)果。其中，圖2a、2b 特征強(qiáng)度時(shí)序可用于跟蹤分析工作中，從預(yù)測(cè)檢驗(yàn)結(jié)果看，該指標(biāo)通過(guò)了預(yù)報(bào)效能評(píng)估，且R值評(píng)分較高，具有很好的預(yù)測(cè)意義且在逆斷加速和正斷加速活動(dòng)后均可能發(fā)生地震，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得知正斷加速后發(fā)生地震的概率更高，且震前斷層均表現(xiàn)出了不同程度的斷層活動(dòng)加速特征，從對(duì)應(yīng)地震來(lái)看，在蘆山7.0、緬甸7.2、麗江7.0 中緬交界6.9 級(jí)地震前均有明顯異常[10]。

圖2c 特征強(qiáng)度時(shí)序指標(biāo)通過(guò)了R 值評(píng)分檢驗(yàn)，從斷層活動(dòng)特征看，逆斷加速和正斷加速活動(dòng)后均可能發(fā)生地震，另該場(chǎng)地值得注意之處是在量值變化幅度較大后往往會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)震，云南武定MS6.5 地震、云南麗江MS7.0 地震、四川汶川MS8.0、緬甸7.2MS地震、云南魯?shù)镸S6.5 地震均是在場(chǎng)地出現(xiàn)較大變化后在反向時(shí)期發(fā)生大震，震前斷層均表現(xiàn)出了不同程度的斷層活動(dòng)加速特征，具有良好的前兆意義。與此同時(shí)，2015 年后該斷層活動(dòng)幅度逐漸減弱，與2015 年后云南地區(qū)地震弱活動(dòng)現(xiàn)象具有一致性。目前，曲線無(wú)較大異常變化。圖2d 特征強(qiáng)度時(shí)序通過(guò)了預(yù)報(bào)效能評(píng)估，且R值評(píng)分較高，從斷層活動(dòng)特征看，正斷加速活動(dòng)后發(fā)生可能地震的可能性較高，震前斷層均表現(xiàn)出了不同程度的斷層活動(dòng)加速特征。從歷史地震對(duì)應(yīng)情況看，尋甸場(chǎng)地出現(xiàn)異常較大時(shí)均能對(duì)應(yīng)相應(yīng)的地震，而半年尺度的特征強(qiáng)度看2018 年該場(chǎng)地出現(xiàn)了大幅變化，但還未發(fā)生較大地震，所以未來(lái)需注意發(fā)生較大地震的可能性。圖2e 特征強(qiáng)度時(shí)序計(jì)算R值未通過(guò)檢驗(yàn)，主要原因是虛報(bào)率過(guò)高，達(dá)到21次[11]。

圖2 半年窗長(zhǎng)跨斷層場(chǎng)地特征強(qiáng)度計(jì)算圖Fig.2 Calculation diagram of characteristic strength of cross-fault site with half-year window

表1 半年窗長(zhǎng)跨斷層場(chǎng)地特征強(qiáng)度R值評(píng)分結(jié)果Table 1 Score results of characteristic strength R-value of cross-fault site with half-year window

3.2 一年窗長(zhǎng)跨斷層場(chǎng)地特征強(qiáng)度計(jì)算

圖3 為一年窗長(zhǎng)的跨斷層場(chǎng)地特征強(qiáng)度計(jì)算圖，表2 為一年窗長(zhǎng)跨斷層場(chǎng)地特征強(qiáng)度R 值評(píng)分結(jié)果。特征強(qiáng)度時(shí)序指標(biāo)均通過(guò)了預(yù)報(bào)效能評(píng)估，在逆斷加速和正斷加速活動(dòng)后均可能發(fā)生地震，震前斷層均表現(xiàn)出了不同程度的斷層活動(dòng)加速特征，與此同時(shí)，2015 年后該斷層的弱活動(dòng)與2015年后云南地區(qū)地震弱活動(dòng)現(xiàn)象具有一致性。

4 不同尺度窗長(zhǎng)指標(biāo)的對(duì)比分析

本文主要計(jì)算了半年窗長(zhǎng)與一年窗長(zhǎng)的特征強(qiáng)度指標(biāo)，由R值評(píng)分表可以看出，一年窗長(zhǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確率較高，虛報(bào)率低，主要原因是可以消除年度的趨勢(shì)變化，而半年窗長(zhǎng)計(jì)算的則無(wú)法消除，會(huì)出現(xiàn)鋸齒性波動(dòng)。

圖3 一年窗長(zhǎng)跨斷層場(chǎng)地特征強(qiáng)度計(jì)算圖Fig.3 Calculation diagram of characteristic strength of cross-fault site with one-year window

表2 一年窗長(zhǎng)跨斷層場(chǎng)地特征強(qiáng)度R值評(píng)分結(jié)果Table 2 Score results of characteristic strength R-value of cross-fault site with one-year window

整體來(lái)看半年窗長(zhǎng)的特征強(qiáng)度指標(biāo)漏報(bào)率低，而麗江場(chǎng)地則相對(duì)較高，主要原因是麗江地震后改變了斷層正斷加速的特性，也就是地震之后斷層處于調(diào)整期，所以對(duì)漏報(bào)率產(chǎn)生了影響[12]。

5 結(jié)論

本文對(duì)5個(gè)跨斷層場(chǎng)地的特征強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了資料處理，并分別對(duì)半年窗長(zhǎng)與一年窗長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，得出了以下結(jié)論。

（1）通過(guò)對(duì)每個(gè)跨斷層場(chǎng)地計(jì)算分析可以看出，楚雄場(chǎng)地、麗江場(chǎng)地、永勝場(chǎng)地、尋甸場(chǎng)地、的半年尺度及一年尺度均通過(guò)了R 值檢驗(yàn)，具有很好的預(yù)測(cè)意義。而建水場(chǎng)地只通過(guò)了一年尺度的特征強(qiáng)度計(jì)算，半年尺度的特征強(qiáng)度計(jì)算未能通過(guò)。

（2）半年尺度和年尺度由于捕獲的異常尺度不同，預(yù)報(bào)效能上存在差異，對(duì)于震級(jí)較強(qiáng)的地震來(lái)說(shuō)，其異常積累周期較長(zhǎng)，地震發(fā)生前異常持續(xù)時(shí)間可能也較長(zhǎng)，即可能以趨勢(shì)異常為主，因此，在進(jìn)行強(qiáng)震預(yù)測(cè)時(shí)建議多選取較長(zhǎng)尺度的窗長(zhǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)然，半年等尺度的窗長(zhǎng)也可以結(jié)合使用，以提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。

（3）特征強(qiáng)度指標(biāo)在5 個(gè)場(chǎng)地的應(yīng)用中總體是有效的，能夠捕獲到云南地區(qū)震前異常信息，而各個(gè)場(chǎng)地獨(dú)立觀測(cè)環(huán)境不同，即使排除非構(gòu)造性影響單個(gè)場(chǎng)地的異常仍具有隨機(jī)性，若多個(gè)場(chǎng)地均出現(xiàn)異常特性相似則有一定的前兆意義，可在實(shí)際跟蹤分析中進(jìn)行使用。

（4）由于本次計(jì)算是基于6.5 級(jí)以上地震進(jìn)行分析的，下一步可以擴(kuò)展到5.5 級(jí)以上地震進(jìn)行計(jì)算，檢驗(yàn)特征強(qiáng)度指標(biāo)在震級(jí)略小的情況下的具體反應(yīng)。

（5）從云南地區(qū)跨斷層場(chǎng)地分布來(lái)看，主要位于滇西北拉張構(gòu)造體系及小江斷裂帶與紅河斷裂帶交匯部位；從動(dòng)力學(xué)過(guò)程來(lái)看，兩個(gè)區(qū)域也是地殼變形大且較為復(fù)雜的區(qū)域，因此，利用近場(chǎng)的跨斷層資料對(duì)主要斷裂帶的運(yùn)動(dòng)特征分析，可為捕捉前兆異常，研判區(qū)域的強(qiáng)震危險(xiǎn)性提供重要的依據(jù)[13]。