川滇地区主要活动断裂运动特征及地震危险性分析

田 晓 郑洪艳 李腊月 张 超

1 中国地震局第一监测中心，天津市耐火路7号，300180

川滇地区位于青藏高原东南缘，活动断裂众多，构造活动强烈，是我国地震活动最频繁的地区之一[1-2]。受印度洋板块碰撞及华南块体的阻挡作用，川滇菱形块体发生顺时针旋转，其东边界鲜水河断裂带、安宁河断裂带、则木河断裂带、小江断裂带表现为高速左旋走滑运动，这些断裂控制着该地区的强震及大震活动[3]。从20世纪70年代中期开始已有川滇地区跨断层形变观测的研究，目前已积累丰富的跨断层观测资料。利用跨断层资料研究震前断层形变异常特征一直是地震研究的重要内容，许多学者对此进行相关研究[4-16]。部分学者利用跨断层形变资料获取了鲜水河断裂带的运动特征及其与地震的关系[4-9]，并提出多种分析断层形变异常指标的方法，如小波变换法[4-5]、主成分分析法[5-6]、灰色关联度法[8-9]等。以往对川滇地区的研究主要集中在鲜水河断裂带，对其他地区的研究较少，且相关研究方法仍有改进之处。因此，本文利用1980～2019年跨断层形变资料，基于断层三维运动模型和改进的灰色关联度方法研究川滇地区主要活动断裂的运动特征及地震危险性。

1 数据和处理方法

选取川滇地区1980～2019-10跨断层形变观测资料进行分析，其中四川省选取5处水准基线综合观测场地和5处水准观测场地，云南省选取11处水准基线综合观测场地(图1)，所有跨断层场地每年均观测12期。

图1 川滇地区跨断层场地分布Fig.1 Distribution of fault-crossing sites in Sichuan-Yunnan region

1.1 断层运动参数计算

在弱形变情况下可近似认为断层两盘为刚体，因此跨断层场地的基线长度和水准高差变化量可反映断层在水平和垂直方向的相对运动状态。根据测线与断层的几何关系，由测线上下盘两点的基线长度变化可推算出沿断层走向的水平走滑量ΔS和垂直于断层走向的水平张压量ΔD，由水准高差变化可计算出断层垂向变化量ΔH，计算公式[8-9,16]为：

(1)

式中，ΔL1和ΔL2分别为2条基线长度的变化量，以伸长为正；ΔH1和ΔH2分别为2条测线的水准高差(由上盘测至下盘)变化量；α1和α2分别为2条基线与断层的夹角(断层走向逆时针转动至基线方向)；ΔS>0表示右旋，ΔS<0表示左旋；ΔD>0表示张性，ΔD<0表示压性；ΔH>0表示正断，ΔH<0表示逆断。

计算时以半年为窗长，即ΔL1、ΔL2为某半年观测均值相对于前半年观测均值的变化量，这样既可反映强震前后的动态演变，也可剔除或削弱可能与非构造因素干扰有关的短暂尖点突跳，突出持续性较好的异常[8-9]。为更好地分析断层运动的长期趋势，计算各时间点的累积活动参量∑S、∑D和∑H，绘制累积活动参量时序曲线，即可看出断层的运动特征，其中曲线向下变化表示左旋、压性、逆断，向上变化表示右旋、张性、正断。

1.2 改进的灰色关联度方法计算断层活动参量综合指标

基于灰色关联度方法提取的断层活动参量综合指标可反映断裂活动总体趋势及其动态变化特征。由于跨断层场地分散且测线短，场地条件、活动水平和特性均存在差异，为分析断裂总体活动特性，首先需除去各场地自身观测所得的断层活动本底水平(归一化)。文献[8-9]中本底水平为每处场地各分量(走滑、张压、垂向)起测以来各年所有观测值的绝对值均值与离散度之和，该本底水平对各场地来说为统一值。由各场地的累积活动参量除以本底水平即可获得水平走滑、水平张压和垂向变化无量纲的累积活动参量，进而提取综合指标。另外，从文献[8-9]中综合指标时序曲线可以看出，鲜水河断裂带垂向参量存在明显的季节性变化，其中南东段尤为明显。

本文对本底水平的计算方法稍作改进，计算各场地的季节本底水平，即各场地每个分量自起测以来各年同季节观测值的绝对值均值与离散度之和，将不同季节的观测值除以对应季节的本底水平即可得到无量纲的累积活动参量。该方法可排除季节变化的影响，理论上更合理。

在利用除去本底水平后的各场地无量纲的累积活动参量提取综合指标时，不能简单求取均值，需赋予各场地相应的权值，然后进行加权综合，该权值即为各场地对反映该断裂区域构造活动的贡献程度，即灰色关联度值。灰色关联度的具体计算方法可参考文献[8-9]。

2 结 果

2.1 跨断层观测反映的断裂运动特征

本文通过计算川滇地区21个跨断层场地自起测以来每半年的断层三维活动量，获取各场地断层三维累积活动量，绘制时序曲线(图2～4)，并在图中标注场地周围300 km范围内M≥6.0及400 km范围内M≥7.0地震(仅列出部分代表性地震)。对三维累积活动量曲线采用分段线性拟合方法，获取各场地断层的水平走滑和垂直运动速率(表1)。

图2 鲜水河断裂带各场地断层三维累积活动量时序曲线Fig.2 Time series curves of 3D accumulated activity of the sites at Xianshuihe fault zone

图3 安宁河断裂带和则木河断裂带各场地断层垂向累积变化量时序曲线Fig.3 Time series curves of vertical accumulatedvariation of the sites at Anninghe fault zone and Zemuhe fault zone

由图2可知，鲜水河断裂带北西段的侏倭场地表现为左旋、拉张、正断运动，芦山地震后左旋走滑运动明显减缓，并伴有拉张加速变化；虚墟场地表现为左旋、逆断运动，2004年后由压性转为张性运动，芦山地震后出现左旋加速和拉张加速变化，2017年九寨沟M7.0地震后又转为压性运动；沟普场地表现为左旋、逆断运动，芦山地震后由压性转为弱张性运动，九寨沟地震后又转为弱压性运动。南东段的龙灯坝和老乾宁场地均表现为左旋、拉张运动，正逆断运动不明显，芦山地震后均存在拉张加速变化，老乾宁场地在芦山地震前走滑分量出现明显波动加剧异常，震后出现逆向走滑并转为右旋运动，九寨沟地震后由张性转为压性运动；折多塘场地表现为逆断运动，汶川地震后出现逆断加速变化。由表1可知，鲜水河断裂带南东段水平走滑和垂直运动速率均明显小于北西段，表明南东段的活动性明显弱于北西段，同时由运动速率大小可以推断，芦山地震前南东段基本处于强闭锁状态，震后闭锁程度有所减弱，而北西段一直处于蠕滑运动状态，与赵静等[17]的反演结果一致。5处综合场地对芦山M7.0和九寨沟M7.0地震均有明显的震前异常(转折、加速)、同震(先加速转折后快速恢复)及震后趋势转折变化响应，反映地震对断层运动的变形及应力积累、释放调整等具有影响效应。

由图3可知，安宁河断裂带棉蟹场地在2014年鲁甸M6.5地震前表现为正断运动，震后转为逆断运动。则木河断裂带尔乌场地表现为正断运动，2009年姚安M6.0地震后出现正断加速变化；宁南和汤家坪场地在2009年姚安M6.0地震前表现为逆断运动，震后转为正断运动；尔乌和汤家坪场地在2014年鲁甸M6.5地震后由正断转为逆断运动，2017年之后又转为正断运动。4处场地对周围多个6级以上地震均表现出震前异常及震后趋势转折变化。

由图4可知，云南小江断裂带寻甸场地表现为左旋、正断运动，2011年前表现为张性运动，之后转为压性运动；宜良场地在2008年攀枝花M6.1地震前趋于稳定，震后活动性明显增强，总体呈现右旋、拉张、逆断运动。2014年鲁甸M6.5地震后小江断裂带的2个场地均趋于稳定，表现出一定的闭锁特征。楚雄断裂带楚雄场地基本趋于稳定，2014年鲁甸M6.5和景谷M6.6地震前2～3 a出现左旋加速和拉张加速的异常变化，震后发生转折并恢复稳定，近年又出现左旋加速和拉张加速的异常变化。洱海断裂下关场地表现为右旋、拉张运动，2014年景谷M6.6地震前为正断运动，震后转为逆断运动。剑川断裂剑川场地在1982年剑川M5.4地震后出现趋势转折变化，之后一直趋于稳定，2014年盈江M6.1地震前 2 a 出现右旋加速异常变化，震后发生转折，之后恢复稳定。曲江断裂峨山场地总体呈右旋、拉张运动，2014年景谷M6.6地震前总体表现为逆断运动，震后转为正断运动；通海场地总体呈右旋、拉张、正断运动，2003年大姚M6.2地震后出现右旋转为左旋、压性转为张性的变化特征，2013年之后又转变为右旋运动。石屏-建水断裂石屏场地在2009年姚安M6.0地震前为压性运动，震后转为张性运动，近期又表现为压性运动；建水场地在2009年姚安M6.0地震前总体趋于稳定，震后活动性明显增强，尤其在2014年景谷M6.6地震前后变形较大，2016年出现趋势转折变化，近期表现为右旋加速、拉张加速变化。程海断裂永胜场地和丽江断裂丽江场地在1995年武定M6.5和1996年丽江M7.0地震前趋于稳定，震后活动性明显增强，总体呈右旋走滑运动。

图4 云南各场地断层三维累积活动量时序曲线Fig.4 Time series curves of 3D accumulated activity of the sites in Yunnan

表1 川滇地区跨断层资料反映的断裂活动性质及活动速率

2.2 断层三维活动量综合指标与地震关系

基于改进的灰色关联度方法提取断层走滑、张压、垂向活动参量等综合指标，并绘制不同分段或不同断裂的综合指标时序曲线(图5～7)。

图5 鲜水河断裂带综合指标时序曲线Fig.5 Time series curves of synthetic index of Xianshuihe fault zone

图6 则木河断裂带综合指标时序曲线Fig.6 Time series curve of synthetic index of Zemuhe fault zone

图7 云南地区综合指标时序曲线Fig.7 Time series curves of synthetic index of Yunnan

由图5可知，鲜水河断裂带总体表现为左旋、拉张运动，并具有明显的分段差异性运动特征，可能与断层的几何形态及巴颜喀拉块体内部次级块体的差异运动有关[4]。芦山地震前，鲜水河断裂带出现明显的由张性转为压性的异常变化，震后出现拉张加速变化，这可能是粘弹性松弛效应与构造作用共同影响的结果[18]。由综合指标可以看出，鲜水河断裂带南东段目前存在一定的趋势性转折异常变化。

由图6可知，则木河断裂带表现为正-逆断阶段性变化，2009年姚安M6.0地震后由逆断转为正断加速变化，2013年芦山M7.0和2014年鲁甸M6.5地震发生在该变化期间；该断裂之后转为逆断运动，2017年后又由逆断转为正断加速变化，2019年长宁M6.0地震发生在该变化期间。目前则木河断裂带表现为正断加速变化，仍存在一定的地震危险性。

由图7可知，滇南(峨山、通海、石屏、建水)地区主要表现为拉张运动，滇西北(丽江、剑川、永胜、下关)地区主要表现为右旋、拉张运动，近2 a滇南地区(曲江断裂南段和石屏-建水断裂)出现明显的右旋加速、拉张加速和正-逆断趋势性转折等异常变化。

由综合指标时序曲线可知，发生在鲜水河断裂带、则木河断裂带、滇南和滇西北地区附近的多次6级以上地震在震前1～2 a或更短时间内出现过加速、转折、波动加剧等异常变化，并在震后出现趋势转折变化，这可能与断裂附近的强震孕育-发生、同震及震后调整影响有关。

3 结 语

本文利用1980～2019年跨断层形变资料，基于断层三维运动模型和改进的灰色关联度方法研究川滇地区主要活动断裂的运动特征及地震危险性，得出以下结论：

1)鲜水河断裂带总体呈左旋、拉张运动，并具有明显的分段差异性运动特征；则木河断裂带具有正-逆断阶段性变化特征；滇南和滇西北主要表现为拉张运动。

2)断层三维累积活动量和改进的灰色关联度综合指标对断裂附近6级以上地震均具有明显的震前异常(加速、转折、波动加剧)及震后趋势转折变化，可能与断裂附近的强震孕育-发生、同震及震后调整影响有关。

3)通过跨断层综合指标分析可知，川滇地区需要重点关注鲜水河断裂带南东段、则木河断裂带及滇南地区。