徐聲鑫,王 巖,辜有啟

（云南省地震局,昆明 650041）

0 引言

云南地處印度板塊與歐亞板塊中國大陸碰撞帶東緣,地震活動(dòng)頻度高、震級(jí)大、分布廣,屬于板緣、板內(nèi)地震混合型地區(qū)[1]。云南地區(qū)的地震活動(dòng)背景與其特殊的區(qū)域構(gòu)造環(huán)境、地震成帶分布及斷裂帶的活動(dòng)密切相關(guān)。地震的孕育、發(fā)生是一個(gè)極其復(fù)雜的、緩慢的過程,經(jīng)歷不同的發(fā)展階段[2]。GPS作為先進(jìn)的測量手段,其24 h連續(xù)觀測的特點(diǎn)最大限度的滿足了地殼運(yùn)動(dòng)形變實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求。隨著“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”的相繼建成和順利運(yùn)行,為GPS觀測資料應(yīng)用于地殼活動(dòng)性分析、地球動(dòng)力學(xué)研究及地震預(yù)測預(yù)報(bào)奠定了基礎(chǔ)。

近年來,不少學(xué)者針對(duì)GPS連續(xù)觀測數(shù)據(jù)如何應(yīng)用于云南地區(qū)的地震預(yù)測預(yù)報(bào)進(jìn)行了探索和研究,洪敏、王伶俐等基于早期觀測數(shù)據(jù),結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,通過理論研究和資料試算,對(duì)云南省GPS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理不同參考基準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比研究,最后選定位于華南塊體的文山GPS基準(zhǔn)站作為云南GPS位移數(shù)據(jù)處理的參考基準(zhǔn),解決了全球框架下解算得到的位移因包含板塊自身運(yùn)動(dòng),區(qū)域微動(dòng)變化無法在塊體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)中識(shí)別出來的難題[3-5]。邵德盛、洪敏等針對(duì)GPS在短臨預(yù)測方面應(yīng)用相對(duì)薄弱的問題,通過對(duì)點(diǎn)位移的深加工處理,提出了面膨脹綜合預(yù)測指標(biāo)法[2,6],將GPS觀測結(jié)果應(yīng)用于地震短臨預(yù)測,并取得了較好的效果。

基于GPS連續(xù)觀測資料獲取的面膨脹參數(shù),物理意義明確,能直觀反映不同區(qū)域的張壓特性[7-8]。本文基于2011—2014年云南地區(qū)GPS連續(xù)觀測資料,利用高精度數(shù)據(jù)處理軟件（GAMIT/GLOBK）處理后獲得位移場。對(duì)位移場進(jìn)行網(wǎng)格化插值獲得均勻分布于56個(gè)網(wǎng)格的位移場（圖1）。基于每個(gè)網(wǎng)格位移場時(shí)間序列求取其面膨脹時(shí)間序列,對(duì)去除趨勢項(xiàng)后的面膨脹時(shí)間序列,設(shè)定二倍標(biāo)準(zhǔn)差作為異常閾值。以2011年6月20日騰沖5.2級(jí)、2014年8月3日魯?shù)?.5級(jí)、2014年5月24、30日盈江5.6、6.1級(jí)和2013年3月3日洱源5.5級(jí)地震為樣本,對(duì)地震孕育過程中面膨脹格網(wǎng)異常的空間分布和時(shí)間尺度的變化走勢進(jìn)行分析。

1 GPS數(shù)據(jù)處理與面膨脹格網(wǎng)異常提取

GPS數(shù)據(jù)處理采用了美國麻省理工學(xué)院（MIT）和加州大學(xué)圣地亞哥分校Scripps海洋研究所（SIO）研制的GAMIT/GLOBK軟件,該軟件因具有運(yùn)算速度快、版本更新周期短、自動(dòng)化處理程度高以及代碼開源性等特點(diǎn)被國內(nèi)外科研工作者廣泛應(yīng)用。采用與全球IGS解算數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差的方法,數(shù)據(jù)處理的基本流程是利用GAMIT軟件獲得“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”云南境內(nèi)28個(gè)基準(zhǔn)站及中國大陸周圍15個(gè)IGS測站的區(qū)域單日松弛解。GAMIT計(jì)算中加入中國大陸及周邊地區(qū)的15個(gè)IGS站 ( BAN2、IRKT、KIT3、USUD、KUNM、BJFS、TSKB、TWTF、LHAZ、KHAJ、IISC、PIMO、URUM、SELE、WUHN) 在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)一并進(jìn)行處理。完成GAMIT的計(jì)算之后,利用GLOBK軟件將SOPAC ( Scripps Or-bitaland Permanent Array Center )給出的全球單日松弛解和計(jì)算所得的“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”區(qū)域單日松弛解進(jìn)行聯(lián)合平差計(jì)算。

在獲取了各個(gè)站點(diǎn)位移時(shí)間序列的基礎(chǔ)上,引入克里金插值方法對(duì)位移場進(jìn)行格網(wǎng)化,該方法理論基礎(chǔ)嚴(yán)密,是一種線性、無偏、最優(yōu)的內(nèi)插估計(jì)算法,利用該方法進(jìn)行應(yīng)變場的求解,其插值的優(yōu)越性已經(jīng)得到了充分的認(rèn)可[9-10]。本文以1°×1°為單元把云南地區(qū)劃分成了56個(gè)格網(wǎng),把點(diǎn)位移內(nèi)插到這56個(gè)格網(wǎng)中,具體的格網(wǎng)編號(hào)與GPS站點(diǎn)分布見圖1。通過格網(wǎng)化的位移場按每個(gè)格網(wǎng)與相鄰格網(wǎng)組網(wǎng)的方式求取應(yīng)變場,可以獲得56個(gè)格網(wǎng)的應(yīng)變場參數(shù)時(shí)間序列[2,6,12],具體解算方法為:

在二維空間中,假設(shè)某個(gè)測點(diǎn)A與其無限接近的另外一點(diǎn)間的位移變化量為Δu、Δυ,設(shè)A點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)分量為εx、εy、γxy,dx、dy為兩點(diǎn)間距離分量的變化量,ω為旋轉(zhuǎn)量,那么有[11]:

式(1)兩邊同時(shí)除兩點(diǎn)間距離,可轉(zhuǎn)變?yōu)榫€應(yīng)變與方位角之間的關(guān)系,每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)通過聯(lián)立與其他各個(gè)相鄰格網(wǎng)點(diǎn)的方程組,便可通過最小二乘法求解得到其應(yīng)變狀態(tài)分量εx、εy、γxy,進(jìn)一步可以計(jì)算其他的應(yīng)變參數(shù),包括最大剪應(yīng)變、面膨脹等參數(shù)[12]。面膨脹Δ計(jì)算公式為[7,12]:

圖1 云南地區(qū)GPS連續(xù)站、格網(wǎng)劃分結(jié)果及2011—2014年M ≥5.0地震分布圖Fig.1 Results of GPS continuous stations and grid division results in Yunnan area and the distribution of earthquakes with M≥5.0 earthquakes from 2011 to 2014

根據(jù)以上計(jì)算,可獲取56個(gè)格網(wǎng)的面膨脹時(shí)間序列。從長趨勢運(yùn)動(dòng)背景看,不同區(qū)域的應(yīng)變場存在不同的變化速率。張壓特性的長趨勢活動(dòng)對(duì)于了解地殼運(yùn)動(dòng)的總體特征是有效的信息。但是,在震前較短的時(shí)間段內(nèi),更需要獲取在長趨勢變化背景下的短期異常波動(dòng),因此,必須先對(duì)所有格網(wǎng)的面膨脹時(shí)間序列進(jìn)行去趨勢處理[2,6]。本文采用的是線性去趨勢方法,去除應(yīng)變時(shí)間序列中的線性趨勢項(xiàng),并劃定二倍標(biāo)準(zhǔn)差線作為單條面膨脹曲線的異常指標(biāo)線[2,6]。圖2為34號(hào)格網(wǎng)的面膨脹時(shí)間序列圖,其中圖2(a)顯示該格網(wǎng)存在一定的趨勢拉張,年拉張速率為0.90×10-8,Rms為±0.83。通過去除趨勢項(xiàng),并設(shè)定二倍標(biāo)準(zhǔn)差作為異常閾值,上下限差分別為:2.0×10-8和-1.4×10-8。由圖2(b)可以明顯看到該格網(wǎng)在盈江MS5.8、騰沖MS5.2、德欽MS5.1和MS5.9、盈江MS5.6和MS6.1級(jí)地震前均有較好的前兆異常出現(xiàn)。

圖2 34號(hào)格網(wǎng)面膨脹時(shí)間序列圖Fig.2 Expansion time series of No 34 grid

2 震例分析

2011—2014年云南地區(qū)（21°～28.5°N,97°～105°E）共發(fā)生M≥5.0地震17次（其中M≥6.0占3次,5.5≤M＜6.0占8次,5.0≤M＜5.5占6次）,震中分布見圖1。地震主要分布于小滇西—滇西—滇西北、滇東北、滇西南等地。通過對(duì)17個(gè)地震發(fā)生前的GPS面膨脹格網(wǎng)時(shí)序進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),在各地震發(fā)生前短時(shí)間內(nèi),均存在一定數(shù)量的異常格網(wǎng),但地震前的異常格網(wǎng)數(shù)量及分布特征存在一定的差異?？紤]到篇幅所限,本文重點(diǎn)對(duì)2011年6月20日騰沖5.2級(jí)、2014年8月3日魯?shù)镸S6.5級(jí)、2014年5月24、30日盈江MS5.6、MS6.1級(jí)和2013年3月3日洱源MS5.5級(jí)地震進(jìn)行了分析。為了直觀的表征地震前面膨脹格網(wǎng)異常動(dòng)態(tài)變化特征,我們以4 d為窗長,分別繪制不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的面膨脹異常格網(wǎng)變化情況圖。

2.1 2011年6月20日云南騰沖5.2級(jí)地震

2011年6月20日18時(shí)16分,云南省保山市騰沖縣(25.1°N,98.7°E) 發(fā)生5.2級(jí)地震。震前面膨脹異常格網(wǎng)變化情況如圖3所示。

圖3 2011年6月20日云南騰沖5.2級(jí)地震前面膨脹格網(wǎng)異常動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Anomalous dynamic changes of the surface expansion grid before the Tengchong MS5.2 earthquake in Yunnan on June 20th,2011

從面膨脹格網(wǎng)異常的變化趨勢可以看出,面膨脹異常格網(wǎng)首先出現(xiàn)在滇中的新平—墨江（異常格網(wǎng)橫跨了楚雄—建水?dāng)嗔褞c紅河斷裂帶）、滇南的勐臘及境外的老撾地區(qū)（圖3（a））。此后小滇西的瑞麗—騰沖—施甸,滇西南的耿馬—瀾滄及鄰近區(qū)域的面應(yīng)變異常格網(wǎng)有一個(gè)顯著增強(qiáng)的過程（圖3（b）～ 3（e））,該過程一直持續(xù)至6月2日左右,此時(shí)云南地區(qū)的異常格網(wǎng)數(shù)量最多,達(dá)18個(gè)（圖3（e））,此后短期內(nèi)該區(qū)域異常格網(wǎng)數(shù)量迅速減少,至6月10日左右達(dá)到最少,此時(shí)云南地區(qū)只剩4個(gè)格網(wǎng)（圖3（g））。6月14日開始,云南地區(qū)的異常格網(wǎng)有少量增加（圖3（h）～ 3（j））,至6月20日騰沖MS5.2級(jí)地震發(fā)生時(shí),云南地區(qū)共存在6個(gè)異常格網(wǎng),主要分布楚雄—新平和云龍—施甸—耿馬—思茅等地,總體呈正“U”字型分布,騰沖MS5.2級(jí)地震位于“U”字型邊緣,未發(fā)生在異常格網(wǎng)內(nèi)部（圖3（j））。值得注意的是,整個(gè)過程中新平附近的異常格網(wǎng)一直存在。

2.2 2014年8月3日云南魯?shù)镸S 6.5級(jí)地震

2014年8月3日16時(shí)30分,云南省昭通市魯?shù)榭h(27.1°N,103.3°E)發(fā)生6.5級(jí)地震。震前面膨脹異常格網(wǎng)變化情況如圖4所示。

圖4 2014年8月3日云南魯?shù)镸S 6.5級(jí)地震前面膨脹格網(wǎng)異常動(dòng)態(tài)變化Fig. 4 Anomalous dynamic changes of the surface expansion grid before the Ludian MS 6.5 earthquake on August 3rd,2014

根據(jù)以上計(jì)算,可獲取56個(gè)格網(wǎng)的面膨脹時(shí)間序列。從長趨勢運(yùn)動(dòng)背景看,不同區(qū)域的應(yīng)變場存在不同的變化速率。張壓特性的長趨勢活動(dòng)對(duì)于了解地殼運(yùn)動(dòng)的總體特征是有效的信息。但是,在震前較短的時(shí)間段內(nèi),更需要獲取在長趨勢變化背景下的短期異常波動(dòng),因此,必須先對(duì)所有格網(wǎng)的面膨脹時(shí)間序列進(jìn)行去趨勢處理[2,6]。本文采用的是線性去趨勢方法,去除應(yīng)變時(shí)間序列中的線性趨勢項(xiàng),并劃定二倍標(biāo)準(zhǔn)差線作為單條面膨脹曲線的異常指標(biāo)線[2,6]。圖2為34號(hào)格網(wǎng)的面膨脹時(shí)間序列圖,其中圖2(a)顯示該格網(wǎng)存在一定的趨勢拉張,年拉張速率為0.90×10-8,Rms為±0.83。通過去除趨勢項(xiàng),并設(shè)定二倍標(biāo)準(zhǔn)差作為異常閾值,上下限差分別為:2.0×10-8和-1.4×10-8。由圖2(b)可以明顯看到該格網(wǎng)在盈江MS5.8、騰沖MS5.2、德欽MS5.1和MS5.9、盈江MS5.6和MS6.1級(jí)地震前均有較好的前兆異常出現(xiàn)。

2.3 2014年5月24、30日 盈 江MS 5.6、MS 6.1級(jí)地震

2014年5月24日4時(shí)49分,云南省德宏州盈江縣（25.0°N,97.8°E）發(fā)生5.6地震。5月30日9時(shí)20分,震區(qū)（25.0°N,97.8°E）再次發(fā)生6.1地震。震前面膨脹異常格網(wǎng)變化情況如圖5所示。

圖5 2014年5月24、30日盈江MS 5.6、MS 6.1級(jí)地震前面膨脹格網(wǎng)異常動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Abnormal dynamic changes of the surface expansion grid before the MS5.6 and MS 6.1 earthquakes in Yingjiang on May 24th and 30 th, 2014

從面膨脹格網(wǎng)異常的變化趨勢可以看出,2014年4月23日時(shí),云南地區(qū)存在較多的異常格網(wǎng),共10個(gè),主要分布在云龍—施甸及境外的緬甸等地（圖5（a））,此后,異常格網(wǎng)一直存在。從5月1-24日盈江MS5.6級(jí)地震時(shí),云龍—施甸地區(qū)的異常格網(wǎng)有所減少,小滇西的瑞麗、滇西南的勐海—思茅—耿馬、滇中的昆明—通海、境外的緬甸等地異常格網(wǎng)有所增加（圖5（c）～ 5（h））。至5月24日盈江MS5.6級(jí)地震發(fā)生時(shí),云南地區(qū)的異常格網(wǎng)數(shù)量達(dá)到最多,有15個(gè),5月24日盈江MS5.6級(jí)地震發(fā)生在異常格網(wǎng)集中區(qū)的北部邊緣地帶（圖5（h））。從5月24日盈江MS5.6級(jí)至5月30日盈江6.1級(jí)地震期間,云南地區(qū)的異常格網(wǎng)數(shù)量有所減少,滇中的昆明-—通海等地的異常格網(wǎng)消失,盈江MS6.1級(jí)地震發(fā)生時(shí)云南地區(qū)的異常格網(wǎng)為14個(gè),主要集中分布于滇西南的騰沖—耿馬—思茅—勐海及境外的緬甸等地（圖5（h）～ 5（j））。5月30日盈江MS6.1級(jí)地震發(fā)生在異常格網(wǎng)集中區(qū)的北部邊緣地帶（圖5（j））。值得注意的是,兩個(gè)地震發(fā)生在同一個(gè)位置,但都未發(fā)生在異常格網(wǎng)集中區(qū)內(nèi)部,而是位于異常區(qū)邊緣地帶（圖5（h）和 5（j））。

圖6 2013年3月3日洱源5.5級(jí)地震前面膨脹格網(wǎng)異常動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Abnormal dynamic changes of the surface expansion grid before the Eryuan MS 5.5 earthquake on March 3rd, 2013

2.4 2013年3月3日洱源MS 5.5級(jí)地震

2013年3月3日13時(shí)41分,云南省大理州洱源縣（25.9°N,99.7°E）發(fā)生5.5地震。震前面膨脹異常格網(wǎng)變化情況如圖6所示。

從面膨脹格網(wǎng)異常的變化趨勢可以看出,從2013年2月15日至2月23日,云南地區(qū)面應(yīng)變異常特征不明顯,僅滇西北的中甸—麗江地區(qū)存在1個(gè)格網(wǎng)（圖6（a）～ 6（b））。此后該地區(qū)的異常格網(wǎng)數(shù)量有少量增加,到2月27日時(shí),增加到3個(gè)（圖6（c））。接著異常格網(wǎng)數(shù)量又開始減少,到3月3日洱源MS5.5級(jí)地震發(fā)生時(shí)只剩1個(gè),洱源5.5級(jí)地震發(fā)生在異常格網(wǎng)邊緣（圖6（d））。

3 討論

地震發(fā)生雖需能量積累,但能量積累到一定程度后,其觸發(fā)應(yīng)是由某些異常變化所引起[2]。如果地震發(fā)生前存在區(qū)域應(yīng)力場調(diào)整的情況,那么可能出現(xiàn)背離長趨勢的地殼形變過程,此類形變過程則是地震發(fā)生前重要的異常信號(hào)[2,6]。局部形變異常的提取通過應(yīng)變方式比較有效,面膨脹參數(shù)直接反映了各個(gè)格網(wǎng)受到的擠壓和拉張強(qiáng)弱程度,反映該區(qū)域的應(yīng)變積累狀態(tài),可作為分析地震危險(xiǎn)性的主要指標(biāo)。

通過上面的震例分析我們發(fā)現(xiàn),在5次地震發(fā)生之前的一段時(shí)間內(nèi),云南地區(qū)都或多或少的出現(xiàn)了一定數(shù)量的異常格網(wǎng),但異常格網(wǎng)的數(shù)量存在一定的差異,騰沖MS5.2、魯?shù)镸S6.5、盈江MS5.6、MS6.1地震前多,洱源5.5相對(duì)較少。在地震發(fā)生前異常格網(wǎng)數(shù)量都經(jīng)歷了“出現(xiàn)—增多—減少”的動(dòng)態(tài)變化的過程。從地震的震中位置和異常格網(wǎng)的分布狀況來看,異常格網(wǎng)大部分均集中分布在震中附近區(qū)域,這對(duì)地震發(fā)震地點(diǎn)具有較好的指示意義,但5次地震震中都沒有位于異常格網(wǎng)內(nèi),而是位于異常格網(wǎng)邊緣,是否意味著地震更容易發(fā)生在異常變形區(qū)域的邊緣地區(qū),值得思考。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)2011～2014年云南地區(qū)28個(gè)GPS連續(xù)站的點(diǎn)位資料進(jìn)行深加工,獲取面膨脹格網(wǎng)時(shí)間序列,對(duì)每個(gè)網(wǎng)格的面膨脹時(shí)間序列進(jìn)行線性去趨勢處理,設(shè)定二倍標(biāo)準(zhǔn)差作為異常閾值。以2011年6月20日騰沖MS5.2級(jí)、2014年8月3日 魯 甸MS6.5級(jí)、2014年5月24、30日盈江MS5.6、MS6.1級(jí)和2013年3月3日洱源MS5.5級(jí)地震為樣本,對(duì)地震孕育過程中面膨脹格網(wǎng)異常的空間分布和時(shí)間尺度的變化走勢進(jìn)行分析,主要形成以下認(rèn)識(shí):

(1) 5次地震前云南地區(qū)的面膨脹異常格網(wǎng)存在較大區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化,且震前面膨脹異常格網(wǎng)相對(duì)集中,因此,面膨脹異常格網(wǎng)分布相對(duì)集中的區(qū)域可作為未來地震發(fā)生地點(diǎn)的參考性指標(biāo)；

(2)從5次地震的震中位置和異常格網(wǎng)的分布狀況來看,5次地震震中都沒有位于異常格網(wǎng)內(nèi),而是位于異常格網(wǎng)邊緣,這表明面膨脹異常區(qū)邊緣可能更加危險(xiǎn)。具體原因有待進(jìn)一步的研究。

致謝:本文所采用的GPS數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析軟件來源于云南省地震局形變測量中心,審稿專家提出了寶貴的修改意見,在此表示衷心感謝。