2018, Vol. 38
2. 云南省地震局云县地震台，云南省云县草皮街98号，675803
不少学者针对GNSS数据如何应用于地壳活动性分析和地震预测预报进行了探索和研究，在地壳形变、断层活动等方面做了大量的工作，并取得了一定的成果。江在森等[1]基于GPS初步结果揭示了中国大陆水平应变场与构造变形，通过最小二乘配置法建立中国大陆水平运动速度场模型，获得了基于连续介质假设的中国大陆水平应变场初步结果，分析了水平运动、应变场空间分布特征及其与强震的关系，认为强震通常发生在区域应变场剪应变率的高值区或其边缘，尤其是与区域主干断裂构造运动相一致的剪应变率高值区。杨国华等[2]根据变形与应变特征，将云南地区划分为滇西、滇东、滇中东北地区和滇中西南地区4个运动单元，并对其运动趋势和变形特征进行了分析。李玉江等[3]通过建立云南地区三维非线性有限元模型，模拟出云南地区构造应力应变场的年变化特征，认为云南地区最大主应变有西高东低、北强南弱的特征。
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，属于板缘、板内地震混合型地区[4]，是研究地壳运动与应变积累及其与强震关系的热点区域[5]。王伶俐等[6]和洪敏等[7]基于早期观测数据，对GNSS观测资料如何应用于云南地区地震研究进行了探索。通过理论研究和资料试算，对云南省GNSS基准站数据处理不同参考基准进行了对比研究，最后选定位于华南块体的文山GNSS基准站作为云南GNSS位移数据处理的参考基准，解决了全球框架下解算得到的位移因包含板块自身运动，无法在块体间相对运动中识别出区域微动变化的难题。该参考基准能够真实反映云南省区域性位移特征，将GNSS资料更好地应用于地壳运动分析和地震预测预报。
本文基于云南省28个连续观测站2014-01~2017-01的观测数据，采用最小二乘配置、克里金插值等方法进行速度场、应变参数的求解，分析云南地区近期地壳活动特征，并对期间发生的2014-05-30盈江6.1级、2014-08-03鲁甸6.5级、2014-10-07景谷6.6级等强震对地壳运动特性的影响程度进行分析。
1 数据处理采用GAMIT/GLOBK软件，与全球IGS解算数据进行联合平差，参考基准选用38个IGS核心站点，并将平差结果归算到ITRF2000框架下，在得到单日解的基础上，选用4 d的单日解结果进行联合平差，得到4 d联合解[6]。
图 1为同一基准点同一方向相同时间段内两种方法的处理结果，由图可见，4 d联合解结果能准确反映基准点实际运动情况，资料更为可靠。
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图 1 两种方法处理结果对比 Fig. 1 Comparison of the results with two methods |
由于数据解算过程复杂，影响解算结果的因素较多，解算结果中仍残留着一些干扰噪声。为提高信噪比，获取地壳运动的真实信息，可对前期处理产出的点位坐标成果进行滑动均值处理[7]，即假设某一个测站的某一期的观测值为xn, 以xn的观测时间为起点，W为时间窗长，向前追溯与xn时间间隔不大于W的一组观测值(x1, x2, …, xn)，计算该组值的算术平均值
文献[6]对云南省GNSS位移数据处理的参考基准进行了系统的分析研究，最终选择位于华南块体的文山GNSS基准站作为云南GNSS位移处理的参考基准[7]。基于GNSS观测获得的测站坐标时间序列，以文山测点为基准，通过最小二乘配置，获取区域内各个测点相对于文山测点的点位运动速率。基于云南省28个连续观测站2014-01~2017-01的观测数据绘制区域速度场如图 2所示。
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图 2 云南地区近期速度场(2014-01~2017-01) Fig. 2 Recent velocity field diagram in Yunnan area(2014-01-2017-01) |
由图 2可知，以文山测点为基准的速度场图测点运动方向存在整体的顺时针的运动特性[8]，各测点运动方向存在差异性。滇南至滇西南区域运动速率存在由北向南逐渐递减的趋势。川滇菱形块体内部以南南东向运动为主，运动过程中由于受到相对稳定的华南块体的阻挡，各测点表现出了减速趋势，运动方向发生转移。菱形块体东边界运动速率沿小江断裂带由北向南逐渐减小，小江断裂带的左旋走滑特征比较明显。红河断裂带表现为弱边界作用，区域控制能力不明显。
2.2 应变场应变率张量是用来反映纯变形的参数，能够全面表达变形的不同性质与强度。应变率张量值大小是由相对运动与变形速率决定的，与速度场基准无关[8]。因此，在速度场基础上获得应变场就可能进一步定量分析地壳构造变形特征。本文基于GAMIT/GLOBK软件处理得到的云南省28个测点的坐标时间序列，将云南地区划分为1°×1°的网格，利用克里金插值对各个测点的位移分量分别进行插值，网格划分结果如图 3所示。实践表明，克里金插值理论基础严密，是一种线性、无偏、最优的内插估计算法。在通过克里金插值获取分布均匀的位移场后，可通过位移场求取区域应变场。
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图 3 云南地区1°×1°格网划分结果 Fig. 3 1°×1° grid division results in Yunnan area |
文献[8]指出，最大剪应变是反映剪切应变强度的参数。我国大陆地震的破裂类型多含有剪切破裂，震前应变积累包含一定的剪切应变积累(走滑型地震以剪应变为主，而非走滑型地震也带有一定的走滑成分)，因而地震的空间分布宏观上与最大剪应变空间分布一致。面膨胀量值高低与6级以上地震的空间分布虽没有明显的直接关联关系，膨胀、压缩的高值区或低值区(量值接近于0的区域)都有可能发生地震，但从不同的震例来看，大地震可能发生在面应变率膨胀区与压缩区之间。最大剪应变和面膨胀信息的提取对于地壳活动特征的分析具有重要的意义。通过观测数据求解应变场参数，并绘制最大剪应变、面膨胀累计变化(图 4)。
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图 4 云南地区最大剪应变、面膨胀累计变化(2014-01~2017-01) Fig. 4 The accumulated variation of maximum shear strain and surface expansion in Yunnan area (2014-01-2017-01) |
由图 4(a)可知，2014-01~2017-01，云南境内最大剪应变增强区主要有两个区域，云龙-施甸-耿马一带和鱼洞-会泽-昆明-通海一带。云南整体区域最大剪应变积累呈现北强南弱、西强东弱的特性，且位于滇西北地区的鱼洞区域最大剪应变增强最快。川滇菱形块体内部的姚安、楚雄、元谋等地区最大剪应变积累较弱，反映了近期区域地壳形变不活跃。
以2014-01-01为起点，1个月为窗长，15 d为步长，滑动计算两个区域主要格网的最大剪应变变化时间序列，其变化曲线如图 5所示。图 5中右图(ⅱ)是左图(ⅰ)的去趋势结果，能够更直观地表征相对时间段内的最大剪应变变化情况。云龙-施甸-耿马一带(图 5(a))最大剪应变累计值最大为14.91×10-8，年变率为4.97×10-8/a; 鱼洞-会泽一带最大剪应变累计值鱼洞附近最大(图 5(b))，年变率达到6.66×10-8/a，且由北向南逐渐减小; 昆明-通海(图 5(c))地区年变率约为3.98×10-8/a。
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图 5 最大剪应变变化时间序列 Fig. 5 Maximum shear strain change time series |
图 4(b)为GNSS观测资料揭示的云南地区近期区域面膨胀累计，图中红色为膨胀(拉张)区域，蓝色为收缩区域。由图可知，云南地区近期面膨胀以拉张为主，面积收缩主要位于滇南至滇西南的腾冲、新平、金平3个区域。腾冲收缩区域位于小滇西以西，该地区缺乏GNSS测点，附近较远处仅有腾冲、瑞丽测点(向西运动)，计算结果不能反映实际情况，此处不作讨论。新平、金平两个收缩区域位于红河断裂带和小江断裂带的交汇地带附近，川滇菱形块体东部物质流向东迁移的途中受华南块体的阻挡形成挤压，此过程中伴随着大量能量的积累，为主要的应变积累区。新平、金平对应网格所表示的面膨胀时间序列如图 6所示。
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图 6 面膨胀主要格网时间序列 Fig. 6 Surface expansion time series for main grid |
由图 6可知，新平地区面膨胀年变率为-0.34×10-8/a，累计面收缩量为-1.56×10-8，金平地区面膨胀年变率为-0.39×10-8/a，累计面收缩量为-0.10×10-8。
3 强震影响分析2014年以来云南境内地壳运动活跃，地震频发，5.0级以上的地震共发生了11次，地震发生时间主要集中在2014年，其中6级以上强震共3次。2015年开始地壳运动恢复平静，少有地震发生，仅发生3次5级以上地震，没有6级以上强震，地震分布如图 7所示。
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图 7 云南境内近期5.0级以上地震分布 Fig. 7 Distribution of earthquakes above 5.0 in Yunnan |
以2014-01为起点，计算速度和应变参数，绘制相应时段内的速度场(图 8)、最大剪应变(图 9)和面膨胀(图 10), 并与2014-01~2017-01的总体结果(图 2、图 4)进行比较，重点对2014年以来3次6.0级以上的强震对云南地壳活动特性和应力、应变格局的影响进行分析。
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图 8 云南地区近期速度场(2015-01~2017-01) Fig. 8 Recent velocity field diagram in Yunnan area (2015-01-2017-01) |
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图 9 云南地区最大剪应变累计变化(2014-01~2017-01) Fig. 9 The accumulated variation of maximum shear strain in Yunnan area (2014-01-2017-01) |
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图 10 云南地区面膨胀累计变化(2014-01~2017-01) Fig. 10 The accumulated variation of surface expansion in Yunnan area (2014-01-2017-01) |
结合图 2和图 8可知，2014年内的3次强震并未改变云南境内的总体运动趋势，小江断裂带的左旋走滑特征仍比较明显。思茅、勐海一带在3次6级以上的强震前后运动速率都比较小，特别是勐海测点，在震后原有的顺时针旋转趋势消失，运动方向发生了变化，这可能是因为景谷6.6级地震后，物质流向西南方向移动，勐海附近区域应变持续积累未得到释放的缘故。红河断裂带两侧的各测点运动速度和方向未发生明显改变，这表明该断裂带具有弱边界作用，区域控制能力不明显。
结合图 7和4(a)可知，盈江6.1级、景谷6.6级强震分别位于最大剪应变增强区云龙-施甸-耿马一带边缘，鲁甸6.5级强震位于最大剪应变增强区鱼洞-会泽一带内部，地震的空间分布宏观上与最大剪应变空间分布一致，该结果与“强震通常发生在区域应变场剪应变的高值区或其边缘，尤其是与区域主干断裂构造运动相一致的剪应变率高值区”的结论[1]相符。对比分析图 4(a)和图 9发现，3次6级以上强震并没有改变云南整体区域最大剪应变积累北强南弱、西强东弱的分布格局，鱼洞-会泽一带仍然是最大剪应变积累最大的区域。结合图 5可知，最大剪应变累计值总体呈现递增趋势，最大剪应变出现明显波动变化主要有3个时间点：1)盈江5.6级地震、6.1级地震前后出现了明显的波动，主要影响区域为云龙-施甸一带，最大剪应变呈现递减趋势，直到沧源5.5级地震后、昌宁5.1级地震前才恢复，表明盈江地震对该区域的应力格局影响深远; 2)鲁甸6.5级地震前后发生了明显的波动，主要影响区域为鱼洞-会泽一带，景谷6.6级地震的发生并未改变这一变化趋势; 3)大幅度波动发生在沧源5.5级地震后、昌宁5.1级地震前，该现象在不同格网中均有表现，且昌宁5.1级地震后云龙-施甸一带呈现递增趋势，鱼洞-会泽一带呈现递减趋势。
由图 6可知，2014年盈江6.1级、鲁甸6.5级和景谷6.6级地震前后，云南地区的面膨胀特征出现了明显波动。对比不同时期的面膨胀累计(图 10)发现，3次强震后云南境内的面膨胀格局发生了变化，新平地区形成明显的面收缩区，这可能是鲁甸6.5级地震的发生对小江断裂带形成解锁，川滇菱形块体南端南南东运动受阻并发生转向，而红河断裂带表现为弱边界作用，区域控制能力不明显，致使物质流继续向前移动，在新平附近形成挤压。景谷6.6级的发生造成局部介质强度弱化，在区域应力作用下形成面收缩，对周边应变积累形成释放效应，这也是景谷地震后金平区域面收缩消失的原因。
4 结语基于云南省境内28个GNSS基准站2014-01~2017-01数据，采用最小二乘配置、克里金插值等方法进行速度场、应变参数的求解，绘图分析云南地区近期地壳活动特征。结果表明：
1) 以文山测点为基准的速度场各测点运动方向存在差异。滇南至滇西南区域运动速率存在由北向南逐渐递减的趋势。川滇菱形块体内部以南南东向运动为主。小江断裂带的左旋走滑趋势比较明显，红河断裂带表现为弱边界作用，区域控制能力不明显。2014年内的3次强震并未改变其总体运动趋势，震后勐海测点原有的顺时针旋转趋势消失，运动方向发生了改变。
2) 云南整体区域最大剪应变积累呈现北强南弱、西强东弱的特性。3次强震的位置在宏观上与最大剪应变率空间分布保持了较好的一致性，且地震的发生并没有改变云南整体区域最大剪应变累计值及年变率分布格局。川滇菱形块体内部的姚安、楚雄、元谋等地区最大剪应变较弱，反映出近期区域地壳形变不活跃。
3) 云南地区近期面膨胀以拉张为主，面积收缩主要位于滇南至滇西南的腾冲、新平、金平3个区域。2014年内的3次强震后云南境内的面膨胀格局发生了变化，新平地区形成了明显的面收缩区，金平区域面收缩消失，但整体分布格局并未发生改变。
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