实践经验表明，跨断层形变手段在寻找强震前兆异常、分析孕震机理以及研究区域动力学方面均有一定的价值^[1]，曾多次为预测预报强震活动作出重要贡献。如金县台跨断层短水准异常曾为1975-02-04海城7.3级地震的成功预报作出过重要贡献^[2]；四川省地震局测绘工程院利用南北地震带及龙门山地区重力、跨断层水准观测变化资料，对2013年芦山7.0级地震作出短临预测，取得较好的预测效果^[3]。由于近2 a来滇西北地区跨断层形变异常较多，为了及时调查、核实异常的可靠性，大地形变学科管理部组织了部分专家对云南省下关跨断层流动场地进行实地考察。在此基础上，本文从定性和定量2个方面对该场地的观测资料进行系统分析，并对形变异常机理进行讨论。

1 下关场地观测概况与地震地质构造背景 1.1 下关场地观测概况

下关场地始建于1981-06，位于云南省大理市大理水泥集团股份公司院内，南至320国道2 km、北西至石房子(新机场路)2 km、东至华营镇3 km、西至洱海边2.3 km。大理州地处云贵高原与横断山脉结合部位，地势西北高、东南低，地貌复杂，点苍山以西为高山峡谷区，点苍山以东、祥云以西为中山陡坡地形。

该场地测线布设示意图见图 1，布设有1-2和3-2共2条测线，短水准和短基线同时共点观测，3个端点均为基岩点，点的周围均有较为完好的基岩出露。1号点(基1、水1)、2号点(基2、水2)和3号点(基3、水3)均由一体化的测距墩和水准点组成，测线两端点间通视情况良好，点位保护完好，点位图见图 2(桩顶保护盖下有归心盘供基线观测用，水准标志埋在地下，3个测点均保护完好)。此外，围绕点位周边进行考察，未发现有其他明显的干扰源存在，同时向测量部门了解情况，点位观测环境不足以使测量成果发生显著变化。下关场地自1982-02正式启用以来，每月观测一次，数据连续、稳定。

1.2 下关场地地震地质背景

下关场地位于红河断裂带的北段，跨越洱海深大断裂，断层走向北40°西，倾向北东，倾角60°。红河断裂北段是一条复杂的断裂带，主要包括定西岭断裂、凤羽-花甸坝断裂、洱海断裂和江尾-福寿场断裂。同时伴生一组北北东和近南北向的丽江-剑川断裂、鹤庆-洱源断裂和程海断裂以及近东西向的西洱河断裂，形成了极其复杂的构造环境。现代构造活动主要表现为北西向断裂的右旋剪切-拉张和东西向断裂的逆冲挤压^[4]。据现场考察，下关场地所跨断裂两盘岩性差异较大，断裂东盘为石灰岩，西部为紫红色粉砂岩。

滇西北地区地震活动一直处于较强水平，是我国南北地震带及地中海-喜马拉雅地震带的交汇区。据史料记载，1481~1951年剑川-大理地震带共发生M6.0以上地震15次，地震频次高、强度大^[5]。刘强等^[6]认为，云南跨断层形变测量对预测云南地区M≥6.5强震有一定的应用价值。本文统计了下关跨断层场地自开始观测以来其周边300 km范围内发生的M_S6.0~6.9地震，共12次(去余震)，400 km范围内发生的M_S7.0以上地震，共2次(表 1，图 3)。经分析发现，下关场地跨断层观测曲线与周边M_S6.5以上地震有较好的对应关系。

2 下关场地断层形变异常的分析与解释

跨断层形变测量用于地震形变前兆研究的成果较多，较为典型的异常有群体形变异常和巨幅形变异常^[7-8]。但实际工作中遇到大量的断层形变异常复杂多变^[9]，往往与已经认识到的典型异常不符。由于地壳结构和构造活动力源复杂，导致地壳形变的时空分布十分复杂。有时因客观条件的限制，很多测点观测不到典型的形变异常^[10]，对于众多非典型的形变异常，还需要从单个测点做起，在现场异常落实的基础上从多角度进行更深入细致的剖析和研究。

2.1 下关场地原始观测数据分析 2.1.1 下关1-2基线

图 4为下关1-2基线原始观测曲线。可以看出，1982~2002年1-2基线一直保持持续性伸长。结合图 1分析，该测线与断层夹角为30°，反映断层在这期间为左旋走滑运动。澜沧7.6、武定6.5和丽江7.0级地震前后，观测曲线无明显异常变化，说明这几次地震前该断层无明显活动，在趋势活动背景下仍处于相对闭锁状态。2003年前后该基线伸长的趋势被打破，观测曲线转平，波动幅度加大，直到2008年汶川地震发生后，于2010年前后发生转折，该基线开始快速缩短。由于与汶川地震相距较远(约673 km，图 5)，认为这种变化是属于汶川地震的远场效应。大地震的孕育与发生会造成大范围地壳应力场的变化与调整，该基线就是这种应力变化的响应。

2014-10距下关约250 km处发生景谷6.6级地震(图 5)。图 4显示, 1-2基线自2010年转折后，直到景谷地震前一直处于压缩状态，而景谷地震后压缩进一步增强，表明断层处于压性右旋活动状态。

2.1.2 下关3-2基线

图 6为下关3-2基线观测曲线，该测线与断层夹角为72°(图 1)。图 6显示，3-2基线在1982~2002年同样有一个相对稳定的伸长趋势，但伸长幅度明显比基线1-2大，表明该断层在该时段内以拉张活动为主。但从汶川地震前后的远场效应来看，1-2基线比3-2基线更显著一些，尤其是2010年以后，1-2基线明显转折缩短，而与断层更接近垂直的3-2基线只是伸长幅度减弱，表明这段时间该断层以右旋走滑运动为主。

2.1.3 下关1-2水准

图 7为下关1-2水准观测曲线。图 7显示，1982~2015年观测曲线持续缩短，反映断层为长期的压性活动，这与2条基线的分析结果不一致。此外还可以看出，在长期压性活动的趋势背景上，还叠加一定的年变波动和10 a以上的一个准周期性波动。年变波动中包含断层的短期活动信息，但包含更多的是气温、地温、降雨、气压等具有明显年周期变化的干扰因素。而10 a以上的准周期变化难以用这些干扰因素来解释，主要是地壳应力场变化引起的断层活动。图 7显示，每一个准周期大致都是以张性活动开始，然后减弱、转平，逐渐转为压性变化，达到极点后再次转为张性上升，进入下一个周期。长趋势压性活动信息与准周期性信息叠加，构成图 6所示观测曲线的形态特征。在机理上解释如下：1)长期压性趋势活动代表该断层对继承性构造活动的响应；2)准周期性变化反映地壳应力场存在一个准周期性异常变化，这个准周期异常变化以张性活动开始，是深部挤压而断层相对闭锁时地表可能出现的响应；3)随着深部挤压应力应变的增加，压应力达到断层发生逆断错动或蠕滑的临界状态，断层局部发生有限的压性错动或蠕滑，断层在一定程度上解锁，这时会出现一个反弹性恢复，进入下一个以张性活动开始的准周期。此外还可以看出，第1个准周期结束后，距场地180 km处发生丽江7.0级地震；第2个准周期结束后，距场地670 km处发生汶川8.0级地震；第3个准周期结束后，场地周边250 km处发生景谷6.6级地震。景谷6.6级地震后出现大幅度张性变化，与前面2个周期相比幅度超常，而且第3个准周期偏短，对应地震的震级也偏小，是否预示着有更大的地震孕育发生，或者在更近的地方有发生强震的可能，这些现象值得深入思考和研究。

2.1.4 下关3-2水准

图 8为下关3-2水准观测曲线，与1-2水准观测曲线变化形态基本一致，共同反映了该断层的活动特征，其分析思路与结论基本相同，不再赘述。主要差异是3-2水准观测曲线存在更明显的长趋势压性变化。

2.2 下关场地断层活动参数的定量计算与分析

前文根据跨断层测线与断层构造之间的关系，对原始观测曲线进行了定性分析。分析结果显示，所跨断层在1982~2002年为张性左旋活动，以张性活动为主，其后转为右旋张性运动，右旋活动增强，张性活动减弱。但水准观测显示，断层为长期的压性(逆断)活动，这与基线观测相互矛盾。针对此现象，进一步对断层的三维活动参数进行定量计算，包括断层水平走滑累积量d、水平张压累积量b和垂直升降累积量c^[11]。

$ \left\{ \begin{array}{l} d = \frac{{\Delta {S_1}\sin {\alpha _2} - \Delta {S_2}\sin {\alpha _1}}}{{\cos {\alpha _1}\sin {\alpha _2} - \sin {\alpha _1}\cos {\alpha _2}}}\\ b = \frac{{\Delta {S_1} - d\cos {\alpha _1}}}{{\sin {\alpha _1}}}\\ c = \frac{1}{2}(\Delta {h_1} + \Delta {h_2}) \end{array} \right. $

(1)

式中，ΔS₁和ΔS₂分别为2条基线的变化量，以伸长为正；Δh₁和Δh₂分别为2条水准的变化量，以上盘相对下盘的下降为正；d为断层水平扭错量，以两盘作顺时针方向的扭动为正；b为断层水平张压量，拉张为正；c为断层垂直升降量；α₁和α₂分别为由断层走向逆时针转动至2条基线方向时的角度。d>0表示右旋，b>0表示张性，c>0表示正断层活动；若符号相反，则表示断层活动性质相反。这里需要特别指出，式(1)各变量的定义稍有不同(如夹角定义、变量正负定义等)，其形式也会稍有差异。

将图 4、6~8对应的观测数据利用式(1)进行计算，结果见图 9。

图 9中水平走滑累积量显示，所跨断层在观测期间内主要以右旋活动为主，1993~2005年右旋活动减弱，其后，特别是汶川地震后，右旋活动加速。观测期间右旋活动有强有弱，但一直保持右旋变化，说明该区域存在较强水平走滑式的现今构造活动^[12]。徐锡伟等^[13]的研究结果也表明，红河断裂带为右旋走滑断层。只凭对图 4和图 6的分析很难得到这一结论，甚至图 4还容易得出1982~2002年断层存在左旋运动的误判，这里充分显示了断层三参数计算和分析的必要性及其价值所在。

水平张压累积量显示，断层在观测期内为长期、趋势性、大幅度的张性活动，丽江M_S7.0地震前张性活动减缓，但震后很快恢复。此外还可以看出，汶川地震前2 a出现短暂的压性活动后，张性活动加速。总体来看，除最南边的澜沧7.6级地震以外，图上所标注的5次6.5级以上地震前均出现张性活动减缓甚至短暂的压性活动，相当于每次强震前在张性活动的背景上叠加一次压性异常波动(图中阴影部分)。对比来看，水平张压累积量曲线与基线3-2原始观测曲线的形态变化相似，因基线3-2与断层接近垂直，所反映的主要成分就是地表的张压变化。但水平张压累积量曲线中波动性信息更加丰富，更充分地显示了强震前地表张性活动减弱的特征。

垂直升降累积量显示，断层在观测期间总体上为弱压性(逆断)活动，张性活动只存在较强压性活动之后的短暂反弹，而且往往伴有强震发生。期间3次压性逐渐增强后转为张性，其后分别发生丽江7.0级、汶川8.0级、景谷6.6级地震。这一现象对强震中短期预测具有重要参考价值。

通过以上结果可以看出，水平张压累积量变化显张性，垂直升降累积量变化显压性，二者显示的断层活动性质仍相反，与前节由观测曲线直观的定性分析结论相同，但利用式(1)计算断层活动参数显示的信息更加丰富，规律更加清晰，其中水平张压累积量变化和垂直升降累积量变化的异常波动与强震对应得更好。水平张压累积量变化曲线和垂直升降累积量变化曲线共同说明，强震前断层存在压性波动的异常变化(阴影部分)，这一特征对利用该测点资料预判未来可能发生的强震具有重要价值。

从图 9还可看出，断层活动的走滑量、张压量和垂直相对运动量的年周期变化规律直观上比原始观测曲线要清晰和明显，说明与季节相关的干扰因素在断层活动中有一定的影响。

3 基线与水准异常的统一机理解释

从原始观测曲线到断层三维活动参数曲线的分析都显示，由基线得到的地表断层总体上以拉张活动为主，而跨断层水准显示下关断层总体趋势为逆断(压性)活动，即上盘相对上升。超过20 a的观测事实不可置疑，二者又确实相互矛盾, 有必要找出其内在的机理，以给出统一合理的解释，这对跨断层形变异常分析及其在地震监测预报中的应用十分重要。

地壳(基岩层)是不平坦的，存在高低起伏。跨断层测量场地一般选择在盆地边缘^[14](图 10)，相对地形来讲，通常测线所跨的活动断层在基岩地表出露有F₁断层和F₂断层2种形式(直立断层、隐伏断层、反转断层和平推断层除外)。图 10所示基岩地形是在水平挤压力长期作用下由地壳形变累积形成，这一挤压力在继承性构造活动不变的情况下长期存在。累积形变中包括3个部分：1)地壳应力较大波动性变化或地震造成的断层错动及其应变累积；2)地壳应力变化引起的弹性形变及其累积；3)长时间地壳应力作用下由地壳介质流变性质决定的塑性变形及其累积。

从图 10不难看出，跨断层测线一般布设在岩层地形的相对高处，即多在岩层地形变形拐点之上。在水平挤压力的长期作用下，拐点以下岩层点间的水平变形呈缩短和压缩的趋势；而拐点以上岩层表面，特别是地表出露的岩层表面，地表水平挤压力为0或大幅度降低，甚至形成表面张力。同时由于地壳介质存在一定的流变和粘滞变形性质，深部物质环境为高温高压，在水平挤压构造作用下于地形隆升处有向上运移的趋势。因此拐点以上部分地壳有膨胀变形的趋势，这种膨胀性变化一般在小的时空域内很难观测到，但在类似有断层的薄弱部位，膨胀信息会被放大，有可能被观测到，在跨断层基线测量中就会有长期拉张(伸长)的现象。在水平压力出现一定幅度的波动性增强时，断层可能发生微小的逆断性错动，水准显现压性活动，基线也在原有拉张基础上叠加了一个压性波动；深部压性波动增强，也会使浅部地壳的张性膨胀有所增强，但因介质粘滞性的作用相对滞后，于是就观测到了压性波动之后伴随张性反弹的现象。这一研究结果对解释大量跨断层短水准、短基线观测资料中普遍存在的矛盾现象具有十分重要的意义。

4 结语

本文通过对云南下关跨断层场地形变异常的实地调查及机理研究得到以下几点结论：

1) 该场地测量点位保护完好，通视条件良好，未发现可疑干扰源，对其异常变化应该给予重视，加强跟踪监测。

2) 地表断层水平走滑累积量结果表明，该断层呈持续右旋走滑运动，近期有所增强。

3) 地表断层水平张压累积量结果显示，地表断层呈持续性拉张活动，但在6.5级以上地震发生前，多叠加一个压性波动异常。

4) 跨断层水准观测显示，该断层存在持续性压性(逆断)趋势，在6.5级地震发生前多出现压性增强的异常变化, 随后出现张性回弹式效应。

5) 跨断层基线显示的持续性张性活动与水准显示的弱逆断活动在统一的机理下可以解释，前者主要反映地表弹塑性变形在水平方向上的累积效应，后者主要反映在深部水平压力作用下断层的逆断活动。这对解释跨断层场地观测中存在大量的矛盾现象具有重要的参考价值。