鲁甸MS6.5地震前昆明地震台定点形变观测异常分析

常玉巧钱文品杨仁华姚休义

1）中国云南650204昆明基准地震台

2）中国昆明650224云南省地震预报研究中心

鲁甸MS6.5地震前昆明地震台定点形变观测异常分析

常玉巧1）钱文品1）杨仁华1）姚休义2）

1）中国云南650204昆明基准地震台

2）中国昆明650224云南省地震预报研究中心

2014年8月3日鲁甸MS6.5地震前，昆明地震台形变观测4个分量出现短临异常，排除降雨干扰，结合发震断裂性质及相关研究，分析定点形变异常与该地震前地壳活动的内在联系。分析认为，鲁甸6.5级地震前1—2个月，昆明地震台定点形变观测资料异常较为显著，洞体应变NS分量异常突出，是定点形变投入观测以来的显著异常；形变观测资料异常特征与鲁甸地震发震断裂性质吻合较好；NS分量和EW向分量较好记录了此次鲁甸地震NNW—SSE向包谷垴—小河左旋走滑断裂和NEE—SWW向破裂断层的震前活动过程。

鲁甸6.5级地震；定点形变；异常；包谷垴—小河断裂

0 引言

地震是地壳介质在构造应力长期作用下，某些特殊部位能量长期积累和突然释放的结果（张燕等，2009）。地震孕育经历了应变能线性积累、非线性积累和岩石破裂3个阶段（冯建琴等，2013）。研究表明，大震前发震断层往往出现预滑动（周硕愚等，2009；冯建琴等，2013），是大地震断层大破裂前的慢破裂或预位移，也是地震前兆异常的物理基础（朱航，2003）。预滑动引起的地壳活动被地震前兆仪器记录，通过分析各种地震观测数据，提取有关异常，进而分析地震发生的可能性。

定点形变观测精度高，资料连续完整，较好记录了地壳运动的动态过程，同时保存了各种与地震相关的前兆异常信息（张燕等，2009；史继平等，2015）。对可能属于地震短临阶段的异常记录进行深入研究，有助于推进地震短临预测研究进展（杨又陵等，2004）。

对昆明基准地震台（以下简称昆明台）定点形变（SS-Y型洞体伸缩仪和DSQ型水管倾斜仪）观测资料进行分析，发现多次中强地震前存在值得关注的异常现象。现以2014年8月3日16点30分鲁甸MS6.5地震为例，重点分析昆明台洞体伸缩仪和水管倾斜仪两套定点形变观测仪器记录的地震前兆异常，并探讨异常与该地震的内在联系，以期通过分析定点形变观测资料，初步识别地震短临异常，为地震预测提供参考。

1 观测背景

1.1 台站背景参数

昆明台位于昆明北郊黑龙潭公园北侧冲沟东部，设有测震、形变和地下流体测项，定点形变于2007年7月投入观测，观测资料能清晰记录到形变固体潮。昆明台东距小江活动断裂带约40 km，西离普渡河—西山左旋走滑断裂60 km，南为云南山字型前弧地震带，东侧出露近NS走向的黑龙潭—官渡左旋走滑断裂（图1）。昆明台台基系二叠系石灰岩，基岩完整而坚硬，全长150 m，观测条件优良。最长径深47 m，覆盖层厚度30—50 m，植被为灌木和杂木。仪器室温度年变化小于0.5℃，日变化小于0.1℃，气压年变化小于20 hPa，相对湿度大于93%。形变山洞安装水管仪和伸缩仪，具体参数见表1。

图1　昆明台地震构造位置（据程佳等，2014）Fig.1 The seismotectonic setting of Kunming Seismic Station（modified from Cheng Jia et al，2014）

表1　昆明台形变仪器基本参数Table 1 The basic parameters of deformation instrument at Kunming Seismic Station

1.2 观测资料

对比分析昆明台定点形变观测资料，认为形变数据曲线年度正常变化形态符合正弦规律（图2），具有正常年变规律，观测资料基本可靠。年变规律反映了太阳辐射导致的地层膨胀与收缩随季节更替而变化，表现为倾斜变化和伸缩变形，从而被地面仪器所记录（孙毅等，2003）。

2014年云南省地震活动性显著增强，发生9次5.0级以上地震，其中6.0级以上地震3次（图3）。对昆明台水管倾斜和洞体伸缩测项的观测资料形态进行系统分析，认为中强地震前1—2个月，形变观测资料会出现不同程度的固体潮畸变、阶跃、趋势转折、加速变化或破年变等地震前兆异常（图3）。

图2　昆明台2011—2014年洞体应变观测曲线Fig.2 Observation curve of the extensometer at Kunming Seismic Station from the year 2011 to 2014

图3　昆明台2014年定点形变观测整点值与中强地震（a）洞体NS分量；（b）水管EW分量Fig.3 Hourly observation curve of deformation for moderate earthquake at Kunming Seismic Station in 2014

2 形变观测异常分析

2014年8月3日16时30分云南省鲁甸县发生MS6.5地震，震中（27.1°N，103.3°E），震源深度12 km。昆明台位于震中SSW向，震中距约225 km，该地震前定点形变短期异常显著。

2.1 水管倾斜观测异常

2.1.1 EW分量。鲁甸MS6.5地震发生前，水管仪EW分量于2014年7月1日开始加速上升，8—11日变缓，12日—13日阶跃约135 ms，13—18日转而下降，19日恢复正常年变形态，见图4（a）。以上变化表明，震前17—35天（2014年7月1日—18日），昆明地区地壳微观运动表现为：7月1日东倾加速，13—18日转折为短暂西倾，19日恢复正常，15天后发生地震。

图4　2014年6月1日—8月10日水管倾斜观测分钟值曲线Fig.4 Minutely value of water tube tilt meter from June 1 to August 10 in 2014

2.1.2 NS分量。水管仪NS分量2014年6月6日—7月12日破年变，加速下降（南倾），7月13日—26日缓慢回升（北倾），7月27日出现转折，在缓慢下降过程（7天后）发生地震，见图4（b）。

2014年6—7月昆明台水管仪NS、EW分量异常表明，昆明地区地壳应力处于不平衡状态，应力调整引起观测数据异常。

2.2 洞体应变观测异常

2014年昆明台洞体应变观测资料异常显著，且与中强地震具有较好的对应关系。特别是鲁甸MS6.5地震前，洞体应变NS分量异常突出［图3（a）］。

2.2.1 EW分量。2014年6月27日—7月4日洞体EW分量短暂破年变，加速压缩，7月5日—14日出现拉伸量高达2 766×10-10的阶跃，15日—29日曲线趋于平缓，基本停驻在同一水平，30日后恢复正常年变，缓回升，5天后于8月3日鲁甸发生地震［图5（a）］。

2.2.2 NS分量。昆明台洞体NS分量观测曲线2014年5月相继出现两次破年变异常，5月下旬盈江相继发生中强地震3次：5月24日5.6级地震、5月30日5.1级、6.1级地震［图3（a）］；6月观测曲线未恢复正常年变，不时出现小幅阶跃；7月观测曲线形态表现为显著的固体潮畸变、大幅度阶跃、频繁趋势转折等异常，其中：7月7日出现2 765×10-10的阶跃，7月12日—17日出现5 512×10-10大幅阶跃，并快速回落，曲线严重畸变，两次大幅阶跃及回落过程形成两个较大尖峰异常，是昆明台定点形变投入观测以来的显著异常［图5（b）］。

图5　2014年6月1日—8月10日洞体应变观测分钟值曲线Fig.5 Minutely value of cave strain at Kunming Seismic Station from June 1 to August 10 in 2014

2.3 降雨干扰

由降雨量分布可知，昆明每年6—10月为雨季丰水期［图6（c）］。将2011—2013年昆明台水管倾斜NS分量和洞体应变NS分量观测曲线与降雨量曲线对比分析，可以发现，随着降雨量的增加，昆明台形变观测略有加速变化，但能很快恢复年变，且降雨量增加引起的形变观测变化通常具有一致性，即同向性（图6）。2014年昆明台洞体形变观测异常比较突出，幅度较往年大，甚至反复无常。与往年降雨对其影响的程度相比，基本没有一致性，更无规律可言，见图6。

在鲁甸6.5级地震发生前，昆明台形变观测异常出现的6—7月间，昆明地区正值雨季，累计降雨量达230.5 mm，当时把异常归因于降雨。6月28日和7月12日降雨量相近，分别为33.5 mm和36.7 mm。然而，观察形变各分量曲线形态，发现6月28日强降雨对形变观测资料影响程度有限（图7）。因此，笔者认为，7月7日和7月12日的强降雨虽然对形变观测有一定影响，但不可能造成大幅异常。综合分析认为，观测数据异常很大程度上是地壳微观活动体现，即属于地震前兆异常。

图6　2011—2014年昆明台形变观测曲线与同期降雨量（a）洞体NS分量；（b）水管NS分量；（c）降雨量Fig.6 The relation of deformation and precipitation at Kunming Seismic Station from 2011 to 2014

图7　2014年6月1日—8月10日洞体NS分量观测曲线与同期降雨量（a）洞体NS分量；（b）降雨量Fig.7 The relation of NS component of cavity strain and precipitation of Kunming Seismic Station from June 1 to August 10， 2014

2.4 形变异常与地震活动性对比

2014年云南中强地震活动性显著增强，为分析形变异常与地震活动的对应关系提供了有利条件。为了探讨昆明台形变资料映震能力，选取2014年5月30日盈江6.1级地震、8月3日鲁甸6.5地震、8月17日永善5.0级地震和10月7日景谷6.6级地震进行形变异常对比分析（图8）。

通过对比分析，由图4可见，以上4次中强地震前昆明台形变资料均出现相应异常，具体表现为：①水管仪NS分量出现加速变化，在加速过程或加速后恢复阶段发震，见图8（a）；②地震多发生在水管仪EW分量加速上升过程中，鲁甸地震前还出现了明显阶跃异常，见图8（b）；③洞体NS分量在地震前1个月内，均出现1次或多次伸缩交替变化，曲线上升与下降幅度不尽相同，大致与震级正相关，见图8（c）；④洞体EW分量在地震前30—40天，均出现幅度相当的阶跃异常，阶跃量约（2 300—3 500）×10-10，见图8（d）。

目前无定量方法确定形变异常与地震的对应关系，但形变异常的映震效果显而易见。通过以上定性及半定量分析，认为昆明台形变资料的映震能力较强，对云南省中强地震映震效果较好。

图8　形变异常与地震活动对比（a）水管NS分量；（b）水管EW分量；（c）洞体NS分量；（d）洞体EW分量Fig.8 The relation of deformation anomalies and earthquake activity

2.5 鲁甸地震异常特征

2014年8月3日鲁甸6.5级地震前，昆明台定点形变观测数据异常较为显著，洞体NS分量异常尤为突出。水管倾斜仪观测数据在此次地震前1月左右出现了明显异常。

鲁甸6.5级地震前约1个月，昆明台水管仪EW分量开始加速东倾，其间出现短暂西倾后恢复，15天后发生地震。水管仪NS分量震前2个月出现破年变异常，加速南倾，其间经历短期恢复和破年变，恢复过程中发生地震。由此可知，2014年6—7月昆明地区地壳应力处于不平衡状态，水管仪观测数据异常可能是应力调整的微观表现。

相对于水管倾斜观测，洞体应变观测数据异常较为显著。洞体应变EW分量震前1个月出现短暂破年变的阶跃，恢复阶段发生地震；洞体应变NS分量观测曲线震前1个月开始出现显著的固体潮畸变、大幅度阶跃、频繁趋势转折等异常，伴随2次大幅阶跃，并快速回落，是昆明台定点形变投入观测以来的显著异常。

水管仪倾斜数据记录地壳运动的垂直分量，而洞体应变资料反映地壳运动的水平分量。昆明台形变资料显示，洞体应变资料异常较水管倾斜资料显著，究其原因，可能与其所指示的未来地震活动性质息息相关。

根据目前的研究成果，多数观点认为，鲁甸6.5级地震的主震断裂为包谷垴—小河断裂，该断裂是一条高角度左旋走滑断裂（房立华等，2014；徐锡伟等，2014；张勇等，2014，2015）。可见，发震断裂活动以走滑为主，垂向滑动量较小，即水平运动占据主导地位。可见，发震断裂性质与昆明台形变观测资料异常特征吻合较好，以上异常与此次地震关系密切，可以作为前兆异常信息进行深入研究。

3 形变异常区域构造意义

2014年8月3日鲁甸6.5级中强地震余震分布复杂，其发震断裂和破裂过程极具争议（张勇等，2014）。中国地震局发布此次地震发震构造图及相关研究指出，地震发生在南北地震带中南段安宁河—则木河—小江断裂带东侧NE向昭通—莲峰断裂带内，发震构造为NW向包谷垴—小河断裂，该断裂切割NE向昭通—鲁甸断裂，为其次级横向断裂（图1）。主震及4级强余震震源机制结果显示，主破裂面为NW向节面，主震断裂——包谷垴—小河断裂发生高倾角左旋走滑从而引发地震。

张勇等（2015）对余震体波资料进行反演，认为此次鲁甸地震是在NW向主压应力与NE向主张应力的统一应力场下发生的两条共轭断层先后破裂的复杂地震事件。破裂首先发生在NEE—SWW向（走向257°）右旋走滑断层上，而后沿NNW—SSE向（走向162°）包谷垴—小河左旋走滑断裂发生主破裂。NNW—SSE向断层以东形成向北的推挤作用，以西主震破裂形成向南的拉伸作用。两条共轭断层上的破裂相对独立扩展，NEE—SWW向断层的破裂主要向浅地表处延伸，而NNW—SSE向断层上的破裂则朝地表和SSE向传播。

昆明台与震中连线走向近NS向（偏东），与昆明台形变的NS分量基线近于平行（图1）。结合前述定点形变异常的特征，推测昆明台定点形变NS、EW向分量动态分别记录了此次鲁甸地震NNW—SSE向和NEE—SWW向破裂断层的震前活动过程。认为此次鲁甸6.5级地震过程中，包谷垴—小河左旋走滑断裂和昭通-鲁甸断裂都有活动的可能。这一结果很好的支持了张勇等（2015）的研究结果。昆明台洞体应变NS向异常幅度最大且最不稳定，显示了较为复杂的应力调整过程，说明该方向地壳活动较为剧烈，NNW—SSE向包谷垴—小河断裂破裂释放大量地震矩可能与此有关。鲁甸地区区域现代构造应力场表现为水平作用为主的SEE—SE方向压应力作用（樊跃新等，2007）。昆明台洞体应变EW分量震前加速拉伸，与区域压应力为主的应力场相悖，指示区域性地壳应力场局部出现反转异常，地壳变形由压缩转为伸展。

4 结论

2014年8月3日鲁甸6.5级地震前，昆明台定点形变观测资料出现前兆异常，结合发震构造破裂和区域应力特征，分析二者之间内在联系。

（1）鲁甸6.5级地震发生前约2个月，昆明台形变观测出现明显前兆异常，洞体NS分量异常较突出，且形变异常特征与此地震发震断裂性质一致性较好。

（2）强降雨对形变观测有一定影响，大幅异常可能为地壳微观活动表现，甚至可能是地震前兆异常。

（3）昆明台定点形变NS、EW分量动态较好记录了此次鲁甸地震NNW—SSE向和NEE—SWW向破裂断层的震前活动过程。洞体应变EW分量震前加速拉伸，指示地壳变形由压缩转为伸展，而其NS分量突出异常是地壳活动加剧变化的表征，可能与发震断裂活动有关。

（4）地震发生前昆明台洞体应变整体趋势上升，局部异常突出、伸缩交替显著，可能与复杂的发震断裂活动有关。

定点形变观测较好记录了地壳运动的动态过程，同时保存了诸多地震前兆异常信息。综合分析各类定点形变观测异常性质及分布特征，将识别出的异常转换为可能的构造活动形式，乃至反推地壳应力状态，并与常见发震活动断裂及区域应力场对比，可为地震预测提供有力依据。

山东省地震局李杰研究员和中国地震局地震研究所吕品姬副研究员给予诸多指导，并提出宝贵修改意见，在此表示感谢。

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Abstract

In order to find abnormality with Ludian MS6.5 earthquake occurred on August 3，2014.We analyze observational data of fix-point deformation include water tube tiltmeter and extensometer at Kunming Seismic Station which has NS and EW components.The result showed that there was an obvious abnormality about 1—2 months before earthquake.The NS component of extensometer presented process of rising and falling sharply，which has recorded the process of rupture of NNW—SSE Baogunao—Xiaohe fault which appear to left-lateral strike—slip faulting and NEE—SWW fault before earthquake combined with EW component.We thought the obvious abnormality of water tube tiltmeter and extensometer related to Ludian earthquake.

About abnormal characteristics of deformation data before Ludian MS6.5 earthquake at Kunming Seismic Station

Chang Yuqiao1），Qian Wenpin1），Yang Renhua1）and Yao Xiuyi2）
1） Kunming Fiducial Seismic Station，Yunnan Province 650204，China
2） Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，China

Ludian MS6.5 earthquake，fix-point deformation，abnormality，Baogunao —Xiaohe fault

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.021

常玉巧（1988—），女，助理工程师，2013年毕业于中国地质大学（北京），获构造地质学硕士学位，主要从事前兆观测与预报研究工作。E-mail： 349797655@qq.com