蔣鋒云，朱良玉，季靈運，李 寧，王雙緒

(中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西 西安710054)

0 引言

以GPS為代表的空間大地測量技術(shù)在地殼形變監(jiān)測與地震預(yù)測研究領(lǐng)域的應(yīng)用已十分廣泛，能夠為科研人員提供高精度、大尺度、多維的地殼形變監(jiān)測數(shù)據(jù)。許多學(xué)者和專家利用這些數(shù)據(jù)，對區(qū)域地殼形變與強震孕育之間的關(guān)系展開了研究，取得了一些認識：江在森等(2003)對GPS 水平面應(yīng)變率及最大剪應(yīng)變率的震例進行分析總結(jié)，認為與構(gòu)造背景相一致的面應(yīng)變、剪應(yīng)變的高值區(qū)及其邊緣梯度帶是未來可能發(fā)生強震的危險區(qū)域；江在森等(2009)利用GPS等觀測資料研究了2008年汶川8.0級地震前的區(qū)域地殼運動與構(gòu)造變形，結(jié)果表明汶川地震前龍門山以西地殼存在顯著應(yīng)變積累特征；武艷強等(2013)利用龍門山斷裂帶及其附近的GPS觀測資料，分析了2013年四川蘆山7.0級地震震前形變場，發(fā)現(xiàn)其發(fā)震斷裂龍門山斷裂帶南段震前一直處于閉鎖狀態(tài)；占偉等(2015)利用GPS觀測資料研究了2015年尼泊爾8.0級地震的形變孕震特征，發(fā)現(xiàn)震前喜馬拉雅主邊界斷裂存在大范圍擠壓應(yīng)變積累，震源區(qū)處于近南北向應(yīng)變積累高值過渡區(qū)。以上研究結(jié)果為利用GPS水平形變資料研究地震震前區(qū)域地殼形變特征提供了參考。

2018年8月13日1時44分、8月14日3時50分，云南省玉溪市通?？h(24.19°N，102.71°E)先后發(fā)生2次5.0級地震。這2次地震發(fā)生部位處于什么樣的構(gòu)造環(huán)境，震前地殼水平形變、應(yīng)變場有何特點？進行此方面的研究對于認識該地震發(fā)震機理及未來相關(guān)構(gòu)造區(qū)域震情判定具有重要的意義。因此，本文擬借助Zheng等(2017)1991—2015年地殼水平運動速度場結(jié)果，利用Shen等(2015)計算連續(xù)形變、應(yīng)變場的方法，對通海2次地震震前所在區(qū)域的地殼水平形變、應(yīng)變場進行分析。

1 研究區(qū)構(gòu)造背景及數(shù)據(jù)選取

2018年通海地震的宏觀震中位于通?？h四街鎮(zhèn)境內(nèi)，且2次地震發(fā)生在同一位置上。震中距NW走向的曲江斷裂約18 km，距NW走向的玉江斷裂約8 km，距NE走向的明星—二街斷裂約4 km。通海2次地震余震序列分布主要呈NE走向，分析認為，這2次地震與NE走向的明星—二街斷裂相關(guān)。活斷層探測表明，明星—二街斷裂NE由撫仙湖西岸明星以北延入撫仙湖內(nèi)，向SW經(jīng)牛摩村、孤山、螺螄鋪、水箐溝，至二街西延入杞麓湖內(nèi)，長約78 km，總體走向15°左右，傾向SE，傾角較陡，達70°。沿該斷裂可見寬度大于15 m的斷層破碎帶，為全新世活動斷裂。2次通海地震震中附近區(qū)域沒有發(fā)生過更大地震的痕跡，也沒有更大地震的歷史記載(云南網(wǎng)，2018)。從大區(qū)域構(gòu)造來看，這2次地震發(fā)生于川滇塊體東南端，處于小江斷裂帶、曲江—石屏斷裂帶的交匯部位。該區(qū)域構(gòu)造變形復(fù)雜，歷史強震極其活躍，曾發(fā)生過多次6級以上強震(聞學(xué)澤等，2011)，其中距離最近的最大地震為在曲江斷裂發(fā)生的1970年通海7.8級地震，距此次地震震中僅3 km 左右(圖1)。

F1：明星—二街斷裂；F2：九村—二街斷裂；F3：青龍街—西村斷裂；F4：玉江斷裂；F5：普度河斷裂；F6：曲江斷裂；F7：甸尾—螞蟻斷裂；F8：小關(guān)—李浩寨街斷裂

近年來，由中國地震局負責(zé)的網(wǎng)絡(luò)工程和陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)項目先后實施，通海地震震中附近及其鄰近區(qū)域在震前積累有十多年的多期流動GPS觀測資料，Zheng等(2017)利用這些資料，使用PANDA軟件，采用精密單點定位技術(shù)，獲得了反映構(gòu)造變形的1991—2015年地殼長期水平運動速度場，其在數(shù)據(jù)處理過程中不僅扣除由于儀器、人為因素等對站點觀測時間序列的影響，還扣除了觀測時間段內(nèi)，顯著地震同震及震后形變的影響。同時，借助最小二乘原理對站點時間序列用線性函數(shù)來估計長期速度，并將速度場統(tǒng)一到歐亞框架之下，為本文的研究提供了便利。

鑒于形變場空間分辨率的限制，對于通海地震發(fā)震構(gòu)造而言，本文研究范圍相對較大，主要以地震震中為中心，向其外圍擴展了約100 km，主要包括川滇塊體南部滇中地塊及其附近區(qū)域(23°～26°N，101°～104°E)。研究范圍內(nèi)共有63個GPS站點，平均間隔約為30 km，大部分區(qū)域站點分布相對較為均勻，相對密集和均勻分布的站點會使研究結(jié)果具有較高的可靠性。

2 連續(xù)形變場、應(yīng)變場計算方法

由于實際地殼運動觀測站點分布往往是不均勻的，而且還有非連續(xù)的構(gòu)造變形在其中。因此利用觀測形變場進一步計算連續(xù)形變、應(yīng)變場就顯得尤為重要。Shen等(2015)提出了一種對于離散的空間大地測量觀測數(shù)據(jù)進行內(nèi)插的最佳方法，并且將這種方法應(yīng)用到美國南加州地區(qū)水平應(yīng)變率場的計算中，獲得了很好的結(jié)果。該方法依賴于具有先驗約束的權(quán)重平滑因子來獲得對觀測數(shù)據(jù)的最佳擬合。對于任一站點，在它附近區(qū)域內(nèi)插點的水平位移場通過雙線性函數(shù)插值方法來實現(xiàn)，在球面上需要反演的模型參數(shù)包括塊體平移、旋轉(zhuǎn)及應(yīng)變率。借助最小二乘方法，采用相鄰區(qū)域加權(quán)GPS速度場來估計待求站點模型參數(shù)，并使得速度場擬合殘差最小。對于最佳權(quán)重的選擇，采用距離相關(guān)權(quán)重：

(1)

(2)

式中：Li是高斯函數(shù)；Vi是依賴于Voronoi單元的面積；ΔRi為計算點與GPS站點的距離；D為空間平滑距離參數(shù)，對不同站點采用不同的數(shù)值(Shenetal，2015)。

為了確定最佳平滑距離D，筆者引入一個參數(shù)來表示重定權(quán)系數(shù)和的閾值，并設(shè)置W(D)=Wt，隨著Wt增大，更多的GPS數(shù)據(jù)被包含進來；反之，Wt越小，所涉及的站點越少。不同于已有的研究(Shenetal，2015；Geetal，2015)，本文研究范圍較小，參考已有的研究結(jié)果，采用較小的Wt=6計算，獲得研究區(qū)平滑距離的空間分布(圖2)。從圖2可以看出，研究區(qū)大部分區(qū)域平滑距離約為30 km。按照上述參數(shù)設(shè)置，采用形變場、應(yīng)變率場內(nèi)插程序的更新代碼(Shenetal，2015)計算了研究區(qū)連續(xù)的形變場和應(yīng)變率場。

F9：小江斷裂；F10：石屏—建水?dāng)嗔?；F11：個舊斷裂；F12：師宗斷裂

3 水平形變場分析

從相對歐亞板塊速度場(圖3)來看，研究區(qū)存在顯著的整體運動，內(nèi)部差異變形表現(xiàn)不太明顯。為了更清楚地反映區(qū)域內(nèi)部相對變形特征，在對原始速度場借助Shen等(2015)程序進行了連續(xù)形變場的計算之后，對連續(xù)形變相對歐亞板塊速度場進行了整體無旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換(楊國華等，2005)，獲得了反映區(qū)域內(nèi)部變形的連續(xù)速度場(圖4)。需要說明的是，受到GPS流動站點分布的影響，對于站點較為稀疏的研究區(qū)域東南和西南角沒有獲得連續(xù)形變場，而這2個部位相對遠離發(fā)震構(gòu)造中心部位，并不影響計算結(jié)果的可靠性。

圖3 研究區(qū)GPS站點及速度分布(相對歐亞板塊)

從圖4結(jié)果來看，整個研究區(qū)域，速度場大小和量值變化最為劇烈、運動受阻最明顯部位位于小江斷裂帶和曲江—石屏斷裂帶。小江斷裂帶表現(xiàn)為明顯的左旋變形，且在其中南段西側(cè)幾十千米范圍內(nèi)，與汶川地震之前龍門山斷裂帶西側(cè)地殼形變變化類似，同樣表現(xiàn)出大范圍小變形的地震孕育晚期斷層閉鎖特征，這和張勇等(2018)對小江斷裂帶強震危險性分析是一致的。而通海地震正是發(fā)生在與小江斷裂帶走向一致、處于能量積累部位的NE走向的明星—二街斷裂上。曲江—石屏斷裂帶更多表現(xiàn)為逆沖特征，兼具一定的右旋變形分量，從量值大小上看，在其北側(cè)也存在運動受阻、應(yīng)變積累特征。

圖4 研究區(qū)內(nèi)插速度場及M≥6.0歷史強震活動分布(區(qū)域無旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn))

從整個研究區(qū)域M≥6.0歷史強震活動分布(圖4)來看，速度場差異顯著、運動受阻部位和強震歷史活躍區(qū)域具有很好的一致性。因此，未來及稍長一段時間，在小江斷裂南段和曲江—石屏斷裂之間(圖4中粉紅色橢圓形區(qū)域)具有發(fā)生中強、乃至更大地震的形變背景特征。區(qū)域無旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)僅作為參考基準(zhǔn)的變換，無法增大或者縮小內(nèi)部變形，而僅僅使內(nèi)部變形看起來更為明顯。為了進一步驗證無旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)結(jié)果的可靠性，筆者對研究區(qū)跨過通海2次地震震中部位垂直小江斷裂走向剖面，進行了GPS原始速度場和連續(xù)無旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)速度場剖面分析(圖5)。圖5顯示跨小江斷裂帶GPS剖面平行斷層運動速度、無旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)連續(xù)速度場和實際觀測具有一致性，從側(cè)面也證明本文分析方法的可靠性和有效性。從圖中還可以看出，小江斷裂南段處于左旋應(yīng)變積累部位，其遠場滑動速率約8～9 mm/a，而近場要小得多，存在明顯的位移虧損特征。

圖5 平行于小江斷裂GPS水平速度剖面

4 水平應(yīng)變率場分析

采用上文方法，進一步計算研究區(qū)域連續(xù)應(yīng)變率場。主應(yīng)變率能清晰反映地殼應(yīng)變狀態(tài)特征，從圖6a可以看出，研究區(qū)主要斷裂運動特征和地質(zhì)構(gòu)造背景具有較好的一致性，即小江斷裂帶整體表現(xiàn)為左旋特征，曲江—石屏斷裂帶整體表現(xiàn)為右旋兼逆沖特征，進一步印證了聞學(xué)澤等(2011)關(guān)于這2條斷裂帶構(gòu)造動力學(xué)認識，即它們共同承擔(dān)了川滇塊體S向、SSE向運動，吸收了該區(qū)域地殼大部分應(yīng)變能，也是歷史強震顯著活躍區(qū)域。通海5.0級地震就發(fā)生在這2條斷裂帶的交匯部位，該部位主應(yīng)變率尤為顯著，1970年通海7.8級大震也發(fā)生在該部位。因此，未來及其稍長一段時間，該區(qū)域再次發(fā)生中強地震的危險性依然存在。從面應(yīng)變率(圖6a)還可看出，整個研究區(qū)域除個別位置外，面應(yīng)變率整體以張性應(yīng)變?yōu)橹鳎?個顯著的面應(yīng)變高值區(qū)為通?！肷健A寧—玉溪一帶和個舊—彌勒之間，面應(yīng)變率達到5.0×10-8/a。通海5.0級地震正是發(fā)生在面應(yīng)變高值區(qū)之一的通海附近。值得關(guān)注的是，在個舊斷裂與師宗斷裂交匯部位，面應(yīng)變高值區(qū)歷史強震并不突出，考慮到近年來個舊斷裂附近有較強的地震活動(2016年連續(xù)發(fā)生幾次中小地震)，未來一段時間應(yīng)該注意個舊至彌勒之間發(fā)生中強地震的危險性。

最大剪應(yīng)變率(圖6b)和面應(yīng)變率分布類似，有2個高值區(qū)，其位置和面應(yīng)變率高值區(qū)大體一致，分別分布在石屏—建水以北、玉溪以南、峨山以東、華寧以西和個舊至彌勒之間，其量值接近10×10-8/a，通海地震也發(fā)生在最大剪應(yīng)變率的高值區(qū)之一的通海附近。總體來看，本次通海地震發(fā)生于研究區(qū)應(yīng)變積累顯著部位，未來稍長一段時間在該區(qū)域及其附近具有再次發(fā)生中強地震的應(yīng)變背景特征。

5 結(jié)論及討論

本文利用1991—2015年GPS速度場，研究了2018年8月13，14日通海2次5.0級地震相關(guān)構(gòu)造區(qū)域地殼水平形變、應(yīng)變背景特征。研究結(jié)果表明，以現(xiàn)有的站點密度，長期流動GPS觀測水平形變、應(yīng)變場，能夠較好反映中強地震發(fā)震地點。本次通海地震就發(fā)生在區(qū)域地殼水平運動受阻、應(yīng)變快速積累部位，即面應(yīng)變率和最大剪應(yīng)變率的高值區(qū)。最大剪應(yīng)變高達9.0×10-8/a，面應(yīng)變達到5.0×10-8/a。從研究區(qū)域形變、應(yīng)變空間分布來看，未來及稍長一段時間，在小江斷裂帶南段和曲江—石屏斷裂帶，以及小江斷裂帶南段東側(cè)個舊至彌勒之間2個應(yīng)變快速積累部位，發(fā)生中強地震的可能性較大，應(yīng)該加強跟蹤觀測。

由于GPS實際觀測站點較為稀疏，本文采用內(nèi)插后區(qū)域地殼形變、應(yīng)變場進行分析，而數(shù)學(xué)處理并不能完全代替實際觀測，因此本文得到的結(jié)論還有待進一步的實際觀測來證明和修正。另外，筆者也嘗試對通海5.0級地震震中及鄰近區(qū)域的震前地殼形變動態(tài)特征展開研究，可能由于5.0級地震孕震形變場相比汶川8.0級、蘆山7.0級、尼泊爾8.0級地震而言要小的多，研究結(jié)果并不理想。

感謝沈正康老師提供速度場、應(yīng)變場內(nèi)插程序最新代碼及云南省地震局提供震中附近相關(guān)斷裂位置。