云南区域强震活动中短期异常的共性特征及应用研究*

付 虹，洪 敏，王光明，胡小静，李 祥，李智蓉，刘自凤

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.江川县防震减灾局，云南 江川 652600)

0 引言

在地震预测工作中，实际情况比理想模型要复杂得多，最主要的原因是发震机理还不清楚，没有得到可以用于预测的实用模型。前人针对地震发震机理进行了大量的研究，从早期的弹性回跳(Reid，1910)，到深部物质上涌(Zhao，2001)等假说，在不断认识地震成因的同时，以期得到可以用于预测的实用模型，进而解决地震预测问题。但在使用现成的理论模型进行实际地震预测中，未见成功预测的实例。近期有专家指出，一直以来都没有一个通过实践证明可用于预测的实用模型，能够用来指导实际地震预测；在多数情况下，无法用明确的模型或者数据生成器进行地震预测，寄希望于建立“动力学模型”或 “物理模型”的观点，其实是在研究物理机制，而不是在研究预测科学，脱离了预测的本意(蒋长胜，2020)。这或许也说明了利用实用模型进行预测之路还较为遥远，从实际出发进行预测研究更符合现实。

地震前兆的探测研究是地震预测的基础，是近几十年来各国研究者孜孜以求的地震预报的一条基本途径(张国民，1993)，对于地震预测研究者来说，从观测事实出发来探寻地震预测的可能性是现阶段经验预测的基础。前人对已发生的地震进行了大量的总结，就单一的破坏性地震总结而言，截至2019年，正式出版的14册《中国震例》，对1966—2012年发生在中国大陆的270多次5级以上地震，按照5级地震200 km、6级地震300 km、7级地震500 km统计范围的原则进行了资料收集，并对其地震活动和地球物理观测资料进行了分析和总结。不少学者通过这些震例总结给出异常的统计特征(郑兆苾等，2006；付虹等，2008)，不断增加认识，是现阶段实际地震预测需要继续完成的工作。陈立德等(2000，2008)通过对20世纪七八十年代川滇地区大震异常进行总结，归纳了大震的6条共性特征：震源区平静震前存在空区空段、外围活跃震源平静、短临阶段有“巨变”异常、短临阶段异常数量增加以及异常台站不连续性和异常外早内晚(这两个特征无法用于地震预测)，并对这些特征进行了物理解释，这些特征在云南区域的地震预测工作中一直被应用和检验。但随着时间的推移以及观测技术的不断更新，地震预测实践中不断有新的现象出现，本文拟从云南区域强震前观测到的现象出发，突出强震孕育共性特征的阶段性，探讨云南区域有动力学含义的阶段异常共性特征，为实现中短期强震预测跟踪和机理研究，提供更好的借鉴。

震级和频度关系lgN=a-bM(Gutenberg，Richter，1944)，是地震学中最经典的统计公式，它表征了大小地震的比例关系；小地震频次增多时，更大地震发生概率增加。因此本文的地震学参数计算主要围绕中小地震进行。经过“八五”攻关研究后，研究者提出了比较多的地震学参数计算方法，这些参数里很多具有相关性(韩渭宾等，2001，2003)。笔者认为在云南区域最有效的参数是地震频度，其次b值因与岩石的应力和介质状态有关(吴开统等，1986)，b值降低，表明应力增强，物理意义清楚。因此，选用地震频度和b值回溯强震前近场区的地震参数演化特征。

地球物理观测资料在短临阶段的作用是不可忽视的，当它出现“巨幅”异常时，可以把时间缩短到70 d内(陈立德等，2008)，这主要是根据模拟观测时期得到的结论，数字化时代的观测资料是否还存在类似现象？2011年以来，云南区域的GNSS固定观测台站开始产出资料，并逐步开展了基于GNSS观测资料的区域地壳形变-应变特征研究，引入GNSS资料用于短临阶段的地震预测探索，进一步发挥GNSS资料在长中短临地震预报体系中的作用，是本文研究的重点。本文拟以强震前近场区(指震中附近半径100 km或2°×2°范围内的区域)的中小地震为主，辅以地球物理观测资料，探讨大地震的阶段性。

1 资料选取

云南区域的历史地震记载在1900年以前有大量的遗漏，M≥6.8强震在20世纪以来有相对完备的记载和记录，5级中等地震在20世纪30年代开始才有比较完整记录，历史地震记载主要遗漏地区是滇西南地区(皇甫岗，李忠华，2010)。在经济发达、人口稠密的昆明、通海和大理一带的历史地震记载相对较早，20世纪以来5级地震遗漏相对也较少。参考云南区域1900年以来的强震活动性，可以将6.8级地震作为区域地震活跃、平静期的划分震级(付虹等，1997；苏有锦等，2001；皇甫岗，秦嘉政，2006)，本文选取1900年以来M≥6.8强震作为研究样本(表1)。从表1可见，在20世纪30年代以前的样本中，没有滇西南地区的，因此强震前中等地震活动的完整性基本可信。

表1 1900年以来云南省M≥6.8地震一览表

云南的地震观测台网从1964年开始建立，但大部分台站是1970年通海地震以后建的。1971年以来云南地震观测台网基本能控制云南省内3.0级以上的地震(刘丽芳等，2012)。因此强震附近的中小地震计算，1971年后下限震级使用3.0级以上是合理的。

2 地震活动的阶段特征

活动断裂的闭锁段是未来的潜在震源区(武艳强等，2018)这是共识，研究闭锁段成为地震中长期预测常用的方法之一，是寻找潜在震源区的好方法，对指导抗震设防有非常好的实用价值，但对于常规地震中短期预测跟踪，判定闭锁段的发震时间，能用的判据并不是很多。地震学方法通过研究震前中小地震活动的地震学异常，提取中短期阶段的判据，追踪强震孕育进入中短期阶段的时间，增强了强震预测的重要环节。

2.1 M≥6.8强震前的中等地震活动特征

在所有M≥6.8地震前，其震中附近150 km范围内的中等地震活动大致可以分为3种情况：①M≥6.8地震前出现7～14年的M≥5中等地震平静(图1)；②出现7年以上的平静后，发生1次中等地震活动，之后又平静3～4年，发生主震(图2a，b)；③出现7年以上的平静后，中等地震活跃一段时间，再发生强震(图2c，d)。只有1976年的龙陵7.3，7.4级和1979年普洱6.8级地震前，震中周围没有出现7年以上的中等地震平静。

图1 1900年以来云南区域M≥6.8地震前中等地震的活动图像

由图2可见：①对于同一构造区长时间平静后直至M≥6.8强震发生前，中等地震活动方式有较好的重复性，如1913和1970年的2次通海地震，1941和1988年的2组澜沧耿马地震前，中等地震活动均为平静后，于震前3～4年发生1次中等地震，再发生强震的模式(图2a，b)；②强震丛集发生，长时间平静后10年内又发生多次强震，如1995年孟连7.3级地震，在后续强震前，通常有中等地震活跃(图2c)；③平静后震中附近150 km内中等地震持续活动数年，再发生主震，如1974年大关7.1级地震(图2d)，主震前中等地震会出现丛集活动(图3a)。

图2 M≥6.8强震前震中附近中等地震活动时间进程

对于中等地震活跃后再发生的强震，从空间和时间上相对更容易引起关注。如图3所示，1974年大关7.1级地震和1995年孟连7.0级、1996年丽江7.0级地震前2～3年开始，震中附近均有中等地震开始形成条带或中等地震丛集活动。按照云南区域M≥6.8地震活跃期和平静期的划分(付虹等，1997)，1970年的通海7.8级地震和1988年的澜沧、耿马7.4，7.2级地震属于云南区域第3和第4活跃期的首发地震，从表1可见，除首发地震外，1970年以来所有的M≥6.8地震前，均出现了中等地震活跃。

图3 M≥6.8强震前中等地震丛集活动示意图

表1所示异常特征为：①震前震中附近出现过7～14年平静的地震；②出现过中等地震异常活跃的地震。从表1可见，约86%的强震前，震中附近出现过7～14年的平静。在具备发生大震可能性的地区，出现长时间的中等地震平静的区域可以作为未来发生强震的潜在危险区。

1900年以来云南强震活跃期的首发地震，都在通海和澜沧、耿马地区，这2个区的首发强震都是长时间平静后，发生1次中等地震活动，再平静3～4年后，发生主震，发生中等地震后可以把预测时间缩短到3～4年。在这2个地区分别发生了2组首发强震事件，且中等地震在大震前的活动模式有较好的重复性。在澜沧、耿马地区长时间平静后，有可能出现强震的丛集活动，这种状况下，后续强震发生前1～3年，震中附近多有中等地震集中活动，同样也可把预测时间缩短到1～3年。澜沧、耿马地震区是20世纪以来唯一出现M≥6.8地震连发的地区。

除了活跃期的首发强震，活跃期内的强震前中等地震出现丛集活动或形成条带，可以把时间预测缩短到1～3年。1970年以来云南的M≥6.8地震都遵循了这一特征，因此中等地震活动特征在中期预测中有较高的实用价值。

2.2 震中附近中小地震活动异常特征

2.2.1 地震频度异常

云南区域M≥6地震前，有80%的地震震中附近2°×2°范围内均有中小地震活动增强现象，导致地震学参数A值异常(付虹等，2002；刘翔等，2012)。在M≥6地震发生前，近场区内4级地震活动的增强一直作为云南区域1～2年M≥6地震的预测指标。1970年通海7.8级地震前，虽然台网的控制能力不是很好，3级地震可能会有遗漏，但在震中附近2°×2°范围内，以12月为窗长、1月为步长滑动计算的M≥3.5地震频度出现了有小震记录以来的最高值(图4a)。在1988年澜沧、耿马7.4，7.2级地震前，震中附近2°×2°(21°～23°N，98°～100°E)范围内，同样以12月为窗长、1月为步长滑动计算的M≥3和M≥4地震频度在震前1年也出现了显著增加(图4b，c)。图4d是滇西北地区(25°～27°N，98°～100°E)4级地震以12月为窗长、1月为步长滑动计算的频度，在该区域1990年以来的所有M≥6地震前，均能观测到4级地震的频度增加现象。图4e是2014年鲁甸6.5级地震前滇东北地区4级地震频度增加情况，从图4e可以看到1995年武定6.5级地震前4级地震的频度增加现象也显著。滇西南地区出现4级地震频度增加，作为年尺度的预测指标，一直在年度跟踪中应用(图4f)。因此，震前1～2年震中附近地区4级地震频度增加，是云南区域较多M≥6地震前的异常特征。

图4 强震前近场区4级地震活动增强示意图

把强震前近场区地震频度增强用③标注在表1中，可见在1970年以来的9组M≥6.8地震前，震中附近都出现了4级地震频度增加的现象。从滇西北、滇东北和滇西南地区的4级地震频度增加(图4d～f)与后续M≥6地震相关性可见，虚报、漏报都不多。综上，用2°×2°范围对云南区域4级地震频度进行扫描追踪，对实现未来强震的发震地点的寻找和1～2年时间的判定是有益的。

2.2.2b值异常

低b值反映的是区域的高应力状态，物理意义较为明确。选取震中附近近场区范围内3.0≤ML≤5.0地震，1年累计、1月滑动计算b值的时间进程曲线。如图5所示，云南区域的几次7级地震前，b值都出现了由高到低的变化过程，且发震时间可以缩短到1年尺度。把震前有b值从高到低降低过程的地震用④标注在表1中，可见M≥6.8地震前，都观测到了这种现象。

图5 强震前近场区部分b值变化曲线

根据震级和频度关系式，b值反映的是大小地震的比例系数，说明中小地震活动强度增强是云南区域强震发震的必要条件，与区域的4级地震频度增加有较好的一致。不同的区域不同的强震前，b值的变化大小不一样，但M≥6.8地震的共性特征是所有地震前由高变低的b值变化量△b≥0.3。

2.3 短期阶段地震活动异常特征

短期阶段，除1976年龙陵7.3和1988年澜沧7.4级等地震前有5级直接前震外，其他地震前1～3个月，震中附近很难找出共同的显著异常特征。在云南区域的地震活动跟踪中，发现多次M≥6地震前，云南区域的M≥3地震月频度有显著的增高现象，如果把月频次大于20作为判据，在2014年鲁甸6.5和景谷6.6级地震前均出现过该异常(付虹等，2015)，表明在短期阶段，场上的构造作用增强、小震增多，是地震活动在发震时间上需要重点关注的现象。

3 强震前地球物理观测资料异常特征

3.1 形变、流体等定点地球物理观测异常显著特征

按照弹性回跳理论，变形是发生地震的基本条件(郭增建，秦保燕，1979)，因此地壳变形时形变、流体等测项在震前可能会有异常。在模拟观测时代，云南定点形变和流体大幅度的观测异常与地震的密切相关已被证明(付虹等，1997；陈立德，2000)。

近几年云南区域虽然没有发生7级地震，但在2014年的鲁甸6.5和景谷6.6级地震前2个月内，形变、流体同样也观测到了类似的大幅度突变异常(图6a，d)。鲁甸6.5级地震前的形变、流体观测资料大幅度显著异常较多，距离震中92 km的彝良定点形变中倾斜异常于震前1个月开始出现，距离震中46 km的渔洞定点形变异常在震前8个月开始出现(付虹等，2015)，说明异常外早内晚的特征可能缺乏普适性(陈立德，2000)；流体的水位、离子大幅度的突升、突降均在震前70天内，突变异常幅度最大的昭阳一中水位，于震前66天突升64.5 cm，说明“巨变”异常出现在震前70天内的特征(陈立德，2000)，至今仍有普适性。值得注意的是，云南区域大震前的突变，通常会分布在全省范围内。1996年丽江7.0级地震前，因为巨幅异常分布在距离震中210～455 km，曾经造成短临阶段发震地点判定错误，也是云南区域地震短临前兆异常预测“声东击西”最典型的震例。1988年澜沧、耿马7.4，7.2级地震前，距离震中40 km的景谷水位突升16 cm和距离震中500 km的曲靖水位突升57 cm(图6e，f)，也可以看到水位突升的井孔并不只在震中附近出现，也不遵循距离震中近的幅度比远的大的规律。观测事实证明倾斜和流体观测在强震前短临阶段的突变有很多是大面积出现的场上的信息，与震源的关系在地点上不是密切相关，因此这些突变可以逼近发震时间，但不能用于判定发震地点。

图6 强震前部分显著前兆异常

3.2 GNSS观测在短临阶段的异常特征

GNSS观测以物理意义清晰、资料可靠、描述大地变形精度高，被越来越多地应用于地震预测预报，2011年后，云南区域GNSS固定观测点的加密，为应用提供了可能。在获取各个测点点位移时间序列的基础上，引入克里金插值方法对位移场进行格网化，以1°×1°为单元把云南区域划分成为56个格网，单独计算每个网格点的应变场，提取不同区域应变场张量作空间分布图(Hongetal，2018)，结果如图7所示。

图7可见，在2014年发生的3次M≥6地震前，局部挤压增强的区域都邻近后续发生的M≥6地震(图7a，b)，应变挤压量级均超过了5×10-8；2014年后，仅2018年7月在滇西南观测到了挤压现象，其后2018年9月在增强区发生了墨江5.9级地震(图7c)。2011年以来大部分时间的GNSS图像如图7d所示，应变挤压量级均比较弱。因此认为在构造区域的局部挤压增强，可能是地震短临阶段区域构造变形最重要的特征之一。

4 异常特征与地震预测应用

综上所述，强震前震中附近地区能观测到地震活动的共性异常，结合地球物理定点观测的形变、流体异常，能有效缩短预测时间。对云南区域强震前中短期阶段的异常特征进行归纳，见表2。

表2 云南区域强震前中短期阶段异常特征统计

利用表2中的异常特征，可建立从有中等地震异常区，再到4级地震频度增强和b值降低区，判断M≥6.8地震进入中期阶段，再根据巨幅异常和云南大面积3级地震频度的增强，逼近地震的中短期跟踪阶段预测方案。尽管特征提取使用的强震样本量有限，在应用过程中有可能出现新问题，但这些判据在现阶段为云南区域强震实现长中短临渐进式的跟踪预测，提供了有可操作性的指导。

5 结论和讨论

1900年以来云南区域的中等地震活动显示：86%的M≥6.8地震前，震中附近半径150 km范围内均出现了5，6级中等地震7～14年长时间的平静现象；全省M≥6.8地震长时间平静后地震活跃期的首发地震前，3～4年均有中等信号地震发生；在1970年以来的第3和第4活跃期内的M≥6.8地震前，震中附近地区均有5级中等地震活动在时间和空间上的丛集现象出现，且呈条带分布。据此出现中等地震平静的区域，可作为未来强震发生的潜在危险区，为长期预测提供参考，平静区出现中等信号地震和中等地震丛集，均可作为3～5年可能发震的中期指标。

从1965年有小震记录、特别是1971年ML≥3地震记录相对完备以来，所有的M≥6.8地震前，震中附近近场区2°×2°范围内4级地震活动出现显著增强，以12月为窗长、1月为步长滑动计算，频度均能达到强震所属构造区的预测阈值；b值均有从高值到低值的变化过程，不同的区域b值的大小不一，但变化幅度△b≥0.3可以作为参考指标。出现4级地震频度增加和b值降低，可作为强震未来1～2年发震的判据。在出现地震频度、b值异常的基础上，云南区域出现M≥3地震月频度N≥20可作为强震的短期预测指标。

云南的定点形变和流体观测点为中国大陆西部最多，特别是20世纪80年代以来，观测资料数量大幅度增长，第4活跃期以来的所有M≥6.8地震前，都观测到了形变和流体的显著异常变化。观测资料显示大幅度的破年变趋势异常，多在震前1年时间尺度内开始出现，而大幅度的突升、突降异常(至少有1～2个测点幅度为观测以来或近10年以来最大)，多出现在震前70 d内。

云南区域的GNSS固定台站观测，从2011年开始产出资料，虽然观测资料积累时间不长，但测量结果干扰小。研究结果显示局部的显著区域挤压异常，在测点密度相对大的地区，仅仅在M≥6地震前1～2个月出现，因此大大提高了异常的可信度和可用性。

中等地震和4级地震频度、b值异常，可以作为云南区域预测强震的中期指标，该指标能追踪发震地点，预测区域可判定在半径150 km范围内；定点形变和流体观测资料出现显著破年变或速率加大的异常，可以缩短判定时间到中短期，但无法在云南区域内预测发震地点。

强震发生前在震中附近的4级地震活动出现增强，笔者比较认可郭增建先生的解释，当中小积累单元发生地震后，转化为调整单元，并把应力逐步集中到更大体积的积累单元边部或端部，最后在这个区域内发生大震(郭增建，奏保燕，1979)。当某一区域的4级地震活动增强时，震级和频度关系式中的比例系数b值，通常就出现由高到低的变化，也表明在应力增加过程中容易发生强震，这与b值的物理意义是吻合的。

由于目前云南区域的定点形变和流体观测点的密度仍然不够大，如果把地震发生后的余震分布区作为震源区的话，至今为止云南区域观测到的震前形变和流体观测异常中，都没有获得过有关震源区的信息，得到的震中附近的异常都是近场区的，这些近场、远场的异常都是场兆。场兆表征的是大区域的应力水平状态，而不是震源的信息，因此很难用场兆判定发震地点。另一方面也说明中短期、特别是短期阶段，云南区域的M≥3地震月频度增加，分布相对广的形变、流体异常增加，表征大区域的应力水平增强，有利于强震发生。

在强震跟踪过程中，未来震中未知的时候，用地震学异常方法追踪危险区的可信度较高，而地球物理定点台站观测资料的异常与强震的发生时间更为紧密，因此地震活动与地球物理观测相结合的跟踪可能更行之有效。从近几年观测密度较大的流动地磁场的观测结果看，异常区域与未来震中的相关性是比较好的(倪喆等，2014)，因此如果形变和流体等定点观测点足够密，能捕捉到源兆信息时，也有可能找到和未来强震的震中密切相关的信息。

1900年以来，云南区域的M≥6.8地震只有1976年龙陵7.3，7.4和1979年普洱M≥6.8地震前没有发现7年以上长时间的平静，有学者研究认为这2个区域是休眠火山区(赵慈平等，2006，2018)，休眠火山区及附近地震的孕育发生模式可能更为复杂，需要进一步研究。但震前1～2年，均有4级地震频度增长和b值的降低过程，因此这类地震的跟踪，仍然可以用大部分地震活动的共性特征进行。

长中短临的地震三要素预测，需要地震活动和地球物理定点台站观测资料相互配合才能达到目标。不同的判据代表着不同的物理含义，震中附近的中小地震活动异常可能是震源区附近因地震孕育出现的特征，这些特征主要是中期的。短临阶段全省的3级地震活动增强和流体、形变观测巨幅异常的出现，更多的是场兆的信息，表明场源结合才能更好地从时间和空间上逼近地震。在中等地震平静或弱活动的背景下，3，4级地震活动增强和形变、流体异常，可能是具有动力学含义的指标，追踪这些指标是缩短时间预测的重要途径。

虽然依据有限样本得到前述特征预测判据，距离解决地震预报问题仍然很遥远，但利用已积累的震例建立中短期阶段的预测判据，增加长中短临渐进式预测的可操作性，不断对地震预测进行尝试，有望对某些类型的地震有一定程度的预测，一直是地震预报工作者追求的目标。