基于多参数的滇东南地区跨断层异常分析*

苑争一，牛安福，赵 静，闫 伟

(中国地震台网中心，北京 100045)

0 引言

云南地处印度板块与欧亚板块中国大陆碰撞带东缘，地震活动频度高、震级大、分布广(皇甫岗等，2010)，是研究地壳运动与应变积累及其与强震关系的热点区域(魏文薪等，2012；周海涛等，2017)。1982年初以来，先后在川滇菱形块体西南、东南边界带上建立了多个跨断层形变监测场地，用于监测大地形变，分析强震孕育过程中断层形变的发展演变过程。随着观测数据的不断积累，对跨断层数据的处理与分析研究也逐步深入。张超等(1981，1987)详细推导了利用跨断层基线、水准数据计算断层运动走滑、张压、垂直升降三分量的计算公式，在此基础上，多位学者分析了断层运动时间演化特征及其与地震活动的关系。薄万举等(1997)利用信息合成的方法提取了断层的趋势及短期变化信息；李腊月等(2013，2014)利用主成分分析的方法综合分析了首都圈跨断层形变资料；焦青和周俊萍(1998)利用跨断层资料分析了断层位移速率的动态演化特征与强震的关系；李瑞莎等(2009)论证了川滇地区断层活动与地震的关系。另外，对预测指标的构建和应用研究也越来越多元和系统化，张晶等(2011)采用断层三维立体模型计算了断层三维运动参数，进而提出了断层活动协调比的概念；李瑞莎等(2013)根据断层协调比的概念，讨论了起点变化对协调比计算结果的影响，提出了移动窗计算断层活动协调比的方法以及离散度评定指标；张希等(2012)基于灰色关联度指标，研究了鲜水河断裂活动特性与大震的关系。

以往的研究大都基于单个指标进行单一尺度的区域地震危险性分析，本文对前人提出的多种跨断层异常分析方法进行了整合，并重点对反应断层应变状态变化的断层活动协调比指标进行了改进研究，在此基础上梳理了云南地区最新的跨断层数据，首先利用断层活动异常频次(刘强等，2010)分析整个云南地区的强震背景；并重点计算了滇东南区域的断层运动年速率变化、断层运动主成分信息合成、断层运动协调比指标，并结合震例对该区域的强震危险性进行了综合分析。

1 云南地区断层活动异常频次分析

近年来，云南地区多个跨断层场地先后出现了大幅度的拉张、压缩变化，断层活动加剧，异常变化显著。针对多个场地异常发展变化的群体性、同步性特征与强震孕育的关系，刘强等(2010)提出了断层形变异常参数，其计算公式如下：

(1)

式中：n为所用资料的总年数减去1；i表示年(i=1，2，…，n)；j表示月(j=1，2，…，12)；mi-1， j和mi， j分别为第i-1年和第i年的第j个月的观测值；ti-1， j和ti， j为第i-1年和第i年的第j月观测时间值；Ri， j为第i年第j个月的异常参数值。

笔者选取了持续时间较长、观测较为完整的10个场地的水准观测数据(表1)，计算了各测项的异常参数值，并以|Ri， j|>1作为异常阈值统计了断层活动异常频次变化(图1)。从图1可以看出：自1982年观测以来，云南及周边地区有4组6.5级以上强震发生，均发生在异常频次较高的时段后(5组高频异常后2年左右有4组对应了该区域的成组强震)，目前异常频次较高且持续时间较长，整个云南地区的强震危险性背景较强。

表1 云南地区跨断层场地概况(据刘强等，2010)

图1 1982年2月—2018年8月云南地区断层活动异常频次与MS≥6.5强震对应关系

2 滇东南地区显著跨断层异常及滑动速率变化分析

如图2所示，滇东南地区存在多项显著的跨断层观测异常，例如石屏基线2-1、2-3自2010年起呈现持续拉张变化，目前转平且伴有短期压缩变化；石屏水准2-1、2-3自2013年起出现持续正断活动，目前速率变缓且伴有短期逆断活动变化；建水基线2-1在大幅拉张后出现回复趋势；宜良基线1-2出现趋势压性异常并在低位震荡变化；峨山水准1-2在正断背景下出现显著的逆断变化。

为了消除年变的影响，进一步分析各场地速率变化异常特征，计算上述异常项的年滑动速率(每个月一个值)及年平均滑动速率(每年一个值)，如图3所示。从图中可见，建水基线2-1拉张年平均速率，以及石屏基线2-3压缩年平均速率持续增大，表明楚雄—建水断裂应变积累不断增强，其他场地变化不明显。

图2 滇东南地区显著跨断层形变异常

Fig.2 The significant fault deformation anomalies in Southeast Yunnan

图3 滇东南地区显著跨断层异常场地运动速率

3 滇东南区域断层运动主成分信息合成

跨断层观测数据既包含断层活动的构造信息，又包含季节、气象和地下水资料等非构造的干扰信息，而这些干扰信息往往具有一定的相关性。主成分分析方法(PCA)能将多个具有相关性的指标(对应于多个观测台站数据)，分解成几个相互独立的综合指标(信息不重叠，每个主成分可以单独分析)，进而通过贡献率加权重组，得到能够反映区域构造运动特征的时间序列，在此基础上更客观地分析其变化和地震的关系。

在使用PCA对断层运动数据进行信息合成之前，首先利用同台的水准、基线数据及其与断层的夹角信息计算断层运动三分量，即走滑ΔS、张压ΔP和垂直升降量ΔH(张超，1981)。选取图4矩形框中的楚雄、峨山、建水、石屏、通海、寻甸、宜良7个台站，分别计算其三维运动分量。图5结果显示，整个研究区域的运动具有较好的一致性，以右旋张性运动为主，正断运动显著。

分别将垂直升降、走滑、张压分量代入PCA模型，计算了断层运动沿3个正交方向上的PCA运动合成，其中垂直升降量的PCA信息合成结果与云南地区的强震对应结果较好。如图6所示，2007年6月3日云南宁洱6.4级地震、2014年10月7日云南景谷6.6级地震前，综合指标出现明显的台阶，具体表现为“正断活动加剧—趋于平稳—发震”的形态演化特征，目前的计算结果显示该类变化不突出，该区域断层正断活动加剧异常正在演化过程中。

图4 滇东南地区断层运动PCA合成台站及震例选取范围

图5 滇东南地区7个场地断层运动分解结果

图6 滇东南地区垂向运动PCA合成

4 改进断层运动协调比计算结果

张晶等(2011)从系统论的观点出发，推导出能够反应孕震及震后调整阶段断层运动相互协调程度和应变积累状态不同的参数——断层运动协调比，其计算公式如下：

(2)

式中：f1，f2，f3为断层运动协调比；ΔP为张压运动分量；ΔS为走滑运动分量；ΔH为垂直升降量。当断层处于自由蠕动阶段时，ΔS，ΔP，ΔH应为稳定值，协调比应为常数；当地壳应力状态发生改变，断层有显著应变积累或断层闭锁时，断层运动参数ΔS，ΔP，ΔH发生改变，偏离稳定值，协调比参数将会偏离常数，此时断层活动的协调性较差。从以往的震例研究结果来看，该指标能够及时捕获断层运动的突变信息，具有较好的映震效能。

但是该指标存在2个主要的问题：其一，计算三维运动分量的过程中，由于起点选择的不同，结果将产生较大差异；其二，协调比比值方向的不同，在分子分母相差较大的情况下，会造成“零值线”附近的异常判读，使得“正反比”的图像差别较大。李瑞莎等(2013)对第一个问题进行了论证和改进，本文针对第二个问题提出了改进方案，在此基础上计算了滇东南各个跨断层场地的断层运动协调比参数。

4.1 改进断层运动协调比计算方法

断层运动协调比是利用断层运动的张压、走滑、垂直升降量两两做比得到的参数，比值的大小反应了断层应变状态的变化，与比值的方向无关。利用式(2)计算得到的3个断层运动协调比得到一个结果，我们把它称为“正算”结果(图7a)，并将比值方向倒置计算得到的计算结果称之为“反算”结果(图7b)，“正、反算”仅代表了比值的方向，理论上二者的结果应该相同。然而计算结果显示，两种图像在震前的形态差别较大，图7a显示在震前具有显著的“离散化”现象，而图7b显示不显著。这是由于当分子和分母相差较大时，比值的方向对于异常的提取产生较大的影响，零值线附近的离散信息被压制，隐藏在背景变化里，异常信息被“压缩”。

图7 丽江台断层运动协调比正算(a)、反算(b)计算结果

Fig.7 The results of the forward(a)and reverse calculations(b)of the FCR in Lijiang station

为了避免上述的“比值方向性”问题，我们对计算结果进行“对数变换”，计算公式如下：

Y=lgΔ[f-(f0-1)]=lg(f-f0+1)

(3)

式中：f为利用原始公式求得的断层运动协调比；f0为稳定蠕滑状态下的断层运动协调比。

令F=f-f0+1，则

lg(F)=-lg(1/F)

(4)

变换完成后的断层运动协调比沿“稳定蠕滑协调比f0”对称分布，计算结果与比值方向无关，以丽江台为例，试算结果显示(图8)：丽江地震前具有显著的“离散化现象”。

图8 改进断层运动协调比原理(a)及丽江台断层活动协调比正算结果(b)

4.2 滇东南地区断层运动协调比异常分析

为了定量评价断层运动协调比的离散化程度及随时间的演化规律，我们定义累积离散度SDi(见式(4))，其计算公式如下：

(5)

式中：Yj为式(3)计算得到的j时刻的断层运动协调比；SDi为i时刻的断层运动协调比的累积标准差，当断层运动偏离稳定蠕滑趋于“非协调”变化时，断层运动协调比快速离散化，累积离散度呈现“断差似变化”。

应用上述指标对云南地区的跨断层观测数据进行扫描计算，计算数据截至2018年7月。计算结果显示，2018年8月13，14日通海2次5.0级地震前，滇东南地区的石屏和宜良台的断层运动协调比近期出现明显的“离散化”异常，同时累积离散度也出现了显著的“断差”异常(图9)，表明该区域断层运动出现非稳态变化，发震紧迫性增大，虽然异常过程中发生了2018年8月13，14日的通海5.0级地震，但从异常的幅度和以往震例来看，目标地震的震级较小，强震背景显著，该区域仍存在发生6级以上地震的可能。

图9 云南地区改进断层运动协调比(a)及累积离散度(b)异常

5 结论与讨论

云南地区的断层活动异常频次计算结果表明，频次高值与本地及周边强震(M≥6.5)具有较好的对应关系，近年来该区域断层运动异常显著，具有较强的强震发震背景。2018年8月13，14日通海5.0级地震发生后，通过对滇东南各个场地的跨断层观测进行三维运动分解、PCA信息合成，笔者发现其计算结果与原始曲线变化具有较好一致性，均表明该区域自2012年以来，多个场地均出现显著的拉张变化，区域正断运动背景显著；在此背景下，各异常台站的运动速率的不同，显示出同一构造区内不同断层段的运动差异，这种运动差异有利于应变积累，可能对地震具有一定的触发作用。此外，改进断层运动协调比的计算结果显示，石屏、宜良台出现了显著的应变状态变化。

2018年8月13，14日通海5.0级地震前，滇东南地区存在多项显著的跨断层观测趋势异常，短期变化不显著，尽管震前距离震中较近的石屏台、宜良台出现了显著的断层运动协调比异常变化，但结合以往震例分析结果表明，各项异常仍在演化过程中，且尚未达到以往6级以上地震前的异常幅度和持续时间。综上，滇东南地区的断层运动异常幅度较大、持续时间较长，2次通海5.0级地震震级较小，不能完全对应给该区域的多项异常，滇东南地区的应变积累还在持续，区域地震危险性仍在增强。