2022, Vol. 42
2. 云南大理滇西北地壳构造活动野外科学观测研究站，云南省大理市滨海大道，671000
地震前兆是近年来各国进行地震预报的基本途径之一[1]。从观测事实出发来探寻地震预报的可能性，是现阶段经验预测的基础[2]。而GNSS观测以其物理意义清晰、资料可靠、描述大地形变精度高等特点，被广泛应用于地震预测预报。
GNSS揭示的地壳形变动态分布特征与强震的关系一直是研究热点[3]。江在森等[4]基于GPS计算结果，对应变场空间分布与强震的关系进行研究，认为强震通常发生在最大剪应变率的高值区或边缘地带；洪敏等[5]基于云南省早期的28个GNSS连续站数据，对地震事件与地壳形变之间的关系进行研究认为，当部分点位运动方向背离长期趋势运动背景时，发生地震的危险性较大；付虹等[2]对2014年发生的3次M≥6.0地震前的面应变分布特征进行研究认为，构造区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。
随着中国大陆构造环境监测网络、云南省政府10项重点工程、中国地震科学实验场等项目的推进，云南地区形变观测能力得到显著增强，为地震机制和物理机制研究、地震异常识别等提供了可靠的数据基础。实验表明，强震的孕育、发生及震后调整的过程中通常会伴随较为明显的地壳形变，对强震前的地壳形变特征进行研究，可加深对地震孕育过程的认识。本文以2012年以来云南地区发生的7次M≥5.7地震为样本，基于云南地区GNSS连续观测资料，分别对7次地震前的应变场分布特征进行研究，总结其共性和差异。该工作的开展对地震前兆探测及预测预报工作具有重要意义。
1 数据和方法GNSS资料来源于中国地震局GNSS数据产品服务平台提供的站点位移时间序列原始数据，研究时段为2012-01~2018-12，研究范围(21°~29°N，97°~107°E)内共包含43个GNSS连续观测站。研究时段内共发生7次M≥5.7地震(剔除余震)，相关地震参数见表 1，震中分布及GNSS站点分布见图 1。由图 1可知，7次M≥5.7地震主要位于滇西北、滇东北和滇南等地区。由表 1中震源机制解可知，7次地震主要为走滑型地震。
|
表 1 地震相关参数 Tab. 1 Relevant earthquake parameters |
|
图 1 GNSS连续观测站、地震震中分布及格网划分结果 Fig. 1 The distribution of GNSS continuous observation stations, earthquake epicenters and grid division |
考虑到GNSS连续观测站分布的不均匀性，首先采用克里金插值法对点位数据进行1°×1°格网化插值(图 1)，获取均匀分布于80个格网的位移时间序列，然后通过位移时间序列求取区域应变场[6-8]。应变场具体解算方法详见文献[6]。
通过应变场解算可获取3个状态分量：反映东西与南北方向拉张与收缩的正应变εx和εy、东西与南北方向的剪应变γxy[4, 6]。在此基础上，计算9个应变参数，包括面应变、最大剪应变、主应变等[4]。其中，面应变θ和最大剪应变γmax的计算公式为[4, 6]：
| $\left\{ \begin{array}{l} \theta = {\varepsilon _x} + {\varepsilon _y}\\ {\gamma _{max}} = \sqrt {{{({\varepsilon _x} - {\varepsilon _y})}^2} + {\gamma ^2}_{xy}} \end{array} \right. $ | (1) |
式(1)可确定区域内任意时段的面应变、最大剪应变参数。截取任意起止时间可获取该时段内的累积应变量，通过滑动结束时间可进一步获取应变场变化结果[6, 8]。
2 震前应变场分布特征应变张量是用来反映纯形变的参数，能够全面表征形变的性质与强度[4]。应变参数实际上是对不同方式形变信息的一种客观分离，研究地壳形变与强震的关系，需要分别对多个应变参数的空间分布进行研究[4]。面应变可直接表征区域挤压(收缩)或拉张(膨胀)的强弱，反映该区域的应变累积状态，而最大剪应变是反映剪切应变强度的参数。震源机制解研究表明，云南地区7次M≥5.7地震多为走滑型地震，地震破裂类型多含剪切破裂，震前应变累积中包含一定量的剪切应变累积，因而强震发生前最大剪应变会表现出一定的异常特征。因此，分别提取面应变和最大剪应变信息可揭示云南地区M≥5.7地震前的应变场分布特征。
以7次强震前1 d为截止时间，分别计算震前6个月(180 d)的面应变、最大剪应变累积变化值，绘制应变分布图(图 2、图 3)。考虑到宁蒗M5.7和彝良M5.7、盈江M6.1和鲁甸M6.5、鲁甸M6.5和景谷M6.6地震间的时间间隔小于6个月，获取的后者应变累积变化值中除含有后一次地震孕震变化外，可能也包含前一次地震孕育-发生的影响过程。为更好地进行应变场动态变化分析，本文分别在宁蒗M5.7和彝良M5.7、盈江M6.1和鲁甸M6.5、鲁甸M6.5和景谷M6.6地震间(间隔时间中点)增加面应变和最大剪应变累积的变化结果。
|
图 2 云南地区M≥5.7地震前面应变分布 Fig. 2 Surface strain distribution before M≥5.7 earthquakes in Yunnan area |
|
图 3 云南地区M≥5.7地震前最大剪应变分布 Fig. 3 Maximum shear strain distribution before M≥5.7 earthquakes in Yunnan area |
图 2为7次M≥5.7地震前的面应变分布图，图中蓝色区域为挤压变形区，红色为拉张变形区。由图 2(a)可知，在2012-06-24宁蒗5.7级地震前，在滇西南的下关-景东-墨江一带存在较为明显的面应变拉张区，累积面应变达4.0×10-8，宁蒗5.7级地震发生在显著拉张区以北的面拉张变化高梯度带上。由图 2(c)可知，在2012-09-07彝良5.7级地震前，云南地区同时存在显著的面挤压和面拉张区，在滇南的临沧-思茅-勐海和弥勒-蒙自-金平一带分别存在2个显著的面挤压区，最大累积面应变达-3.5×10-8；在丽江-永胜-攀枝花-宁南一带也存在较为明显的面挤压区，累积面应变达-2.0×10-8，彝良5.7级地震就发生在面挤压变化的梯度带上。瑞丽-腾冲-施甸一带存在显著的面拉张区，最大累积面应变达4.0×10-8；广西百色一带也存在较为明显的面拉张区，累积面应变达3.5×10-8。由图 2(a)~2(c)可知，从宁蒗M5.7地震到彝良M5.7地震，云南地区的面应变存在较为明显的变化过程，其中滇南地区最为显著，在彝良5.7级地震前形成强挤压和强拉张并存的格局。此外，下关-景东-墨江一带的面拉张也存在明显的减弱趋势。由图 2(d)可知，在2013-08-31德钦5.9级地震前，滇西北及邻区的中甸-乡城一带存在较为明显的面应变拉张区，累积面应变达2.0×10-8，德钦5.9级地震发生在面应变拉张区的高梯度带上；丽江-云龙-施甸-耿马一带存在较为明显的面挤压区，累积面应变达-2.0×10-8。
由图 2(e)可知，在2014-05-30盈江6.1级地震前，云南地区面应变异常较为突出，滇西南及邻区存在强挤压和强拉张并存的格局，在澜沧-思茅-勐海一带存在显著的面拉张区，累积面应变达9.5×10-8；瑞丽-耿马一带存在显著的面挤压区，累积面应变达-4.5×10-8，盈江6.1级地震则发生在面挤压变化的高梯度带上。此外，越西-冕宁-盐源和东川-凤凰山-通海一带也存在较为明显的面挤压区，滇南的金平-蒙自-文山一带存在较为明显的面拉张区。由图 2(g)可知，在2014-08-03鲁甸6.5级地震前，滇东北及邻区的越西-喜德-宁南-会泽-东川-弥勒一带存在明显的面挤压区，累积面应变达-3.5×10-8；滇南的金平-蒙自-文山一带存在较为明显的面拉张区，累积面应变达3.5×10-8，鲁甸6.5级地震则发生在面挤压变化的高梯度带上。由图 2(i)可知，在2014-10-07景谷6.6级地震前，云南地区面应变累积显著，滇西南存在强挤压和强拉张并存的格局，瑞丽-腾冲一带存在明显的面拉张区，累积面应变达5.0×10-8；临沧-思茅-勐海一带存在明显的面挤压区，累积面应变达-4.5×10-8，景谷6.6级地震发生在面挤压的高值区。另外，会泽-东川-弥勒和文山-蒙自-金平一带分别存在2个较为明显的面挤压区，最大面应变为-3.0×10-8。由图 2(e)~2(i)可知，从盈江M6.1地震到鲁甸M6.5地震再到景谷M6.6地震，云南地区的面应变存在较为明显的动态演化过程，整个过程中面挤压变化最为明显，冕宁-宁南-会泽-东川-弥勒和景东-澜沧-思茅一带的面挤压存在由弱到强的变化过程。滇西南的施甸-耿马-澜沧-勐海一带的面应变经历了强-弱-强的变化过程。由图 2(j)可知，在2018-09-08墨江5.9级地震前，滇西南存在强挤压和强拉张并存的格局，瑞丽-腾冲一带存在明显的面拉张区，累积面应变达4.5×10-8；临沧-澜沧-勐海一带存在明显的面挤压区，累积面应变达-4.5×10-8，墨江5.9级地震发生在面挤压变化的高梯度带上。此外，越西-喜德-宁南-会泽和乡城-中甸-丽江一带分别存在较为明显的面挤压区和面拉张区。
2.2 最大剪应变图 3为7次M≥5.7地震前最大剪应变分布图。由图 3(a)可知，在2012-06-24宁蒗5.7级地震前，滇东北及邻区的冕宁-宁南-东川一带和滇南的澜沧-思茅-墨江-金平一带存在明显的最大剪应变高值区，累积最大剪应变分别达3.0×10-8和5.0×10-8，宁蒗5.7级地震就发生在冕宁-宁南-东川高值区最大剪应变变化的梯度带上。由图 3(c)可知，在2012-09-07彝良5.7级地震前，乡城-木里-冕宁-喜德-马边、瑞丽-腾冲-施甸、弥勒-通海-新平-墨江-思茅和广西的百色等地存在明显的最大剪应变高值区，累积最大剪应变达5.5×10-8，彝良5.7级地震则发生在第一个高值区最大剪应变变化的高梯度带上。由图 3(a)~3(c)可知，从宁蒗M5.7地震至彝良M5.7地震，云南地区存在显著的最大剪应变累积过程，其中以乡城-木里-冕宁-喜德-马边和瑞丽-腾冲-施甸等地变化最为明显。由图 3(d)可知，在2013-08-31德钦5.9级地震前，永胜-木里-喜德-宁南-东川-通海一带存在明显的最大剪应变高值区，累积最大剪应变达3.5×10-8，德钦5.9级地震则发生在最大剪应变变化的高梯度带上。由图 3(e)可知，在2014-05-30盈江6.1级地震前，在滇西南的施甸-耿马-澜沧-勐海一带存在明显的最大剪应变高值区，累积最大剪应变达10.0×10-8，盈江6.1级地震则发生在最大剪应变变化的梯度带上。此外，会泽-东川-弥勒-文山和乡城-中甸-丽江一带也存在较为明显的最大剪应变高值区。
由图 3(g)可知，在2014-08-03鲁甸6.5级地震前，会泽-东川-凤凰山-通海-蒙自一带存在明显的最大剪应变高值区，累积最大剪应变达5.0×10-8，鲁甸6.5级地震则发生在最大剪应变变化的高梯度带上。同时，乡城-木里-冕宁-喜德-马边一带也存在明显的最大剪应变高值区。由图 3(i)可知，在2014-10-07景谷6.6级地震前，瑞丽-腾冲-施甸-耿马一带存在明显的最大剪应变高值区，累积最大剪应变达6.0×10-8，景谷6.6级地震就发生在最大剪应变变化的高梯度带上。另外，木里-冕宁-越西和元谋-凤凰山-通海-蒙自-文山一带存在较为明显的最大剪应变高值区。由图 3(e)~3(i)可知，从盈江M6.1地震到鲁甸M6.5地震再到景谷M6.6地震，云南地区的最大剪应变存在较为明显的动态演化过程，瑞丽-腾冲-施甸-耿马一带的最大剪应变经历了强-弱-强的变化过程。值得注意的是，整个变化过程中木里-冕宁-越西和元谋-凤凰山-通海-蒙自-文山一带的最大剪应变累积一直存在。由图 3(j)可知，在2018-09-08墨江5.9级地震前，瑞丽-腾冲-施甸-耿马一带存在明显的最大剪应变高值区，累积最大剪应变达6.0×10-8，墨江5.9级地震就发生在最大剪应变变化的高梯度带上。此外，木里-盐源-宁南-会泽一带也存在较为明显的最大剪应变高值区，累积最大剪应变达4.0×10-8。
3 讨论前文已对7次M≥5.7地震前的面应变和最大剪应变分布特征进行了分析，在此基础上，对7次地震前的应变场信息作进一步总结(表 2、表 3)。
|
|
表 2 云南地区M≥5.7地震前面应变相关信息 Tab. 2 Surface strain related information before M≥5.7 earthquakes in Yunnan area |
|
|
表 3 云南地区M≥5.7地震前最大剪应变相关信息 Tab. 3 Maximum shear strain related information before M≥5.7 earthquakes in Yunnan area |
由表 2可知，7次M≥5.7地震前，云南地区存在显著的面应变变化趋势，多数情况下存在强挤压和强拉张并存的格局，除德钦5.9级地震和鲁甸6.5级地震外，其他地震前累积面应变均超过±4.0×10-8。从震前累积面应变量值与地震震级之间的对应关系看，两者之间并无明显关联。从地震发生的位置看，除彝良5.7级地震和景谷6.6级地震外，其他地震均发生在面应变变化的高梯度带上，7次M≥5.7地震中有5次发生在面挤压区，占比71%；有2次发生在面拉张区，占比29%；3次M≥6.0地震均发生在面挤压区。因此，面应变(特别是面挤压)变化的高梯度带可作为研判未来M≥5.7地震发震地点的重要区域。
由表 3可知，7次M≥5.7地震前，云南地区存在显著的最大剪应变变化趋势，除德钦5.9级地震外，其他地震前累积最大剪应变均超过5.0×10-8。值得注意的是，震前累积最大剪应变量值与地震震级并无直接关联。从地震发生的位置看，多数地震发生在最大剪应变变化的高梯度带上。因此，最大剪应变变化的高梯度带可作为研判未来M≥5.7地震发震地点的重要区域。
面应变和最大剪应变都是重要的应变场参数，基于反映不同形变信息的多种应变参数来分析应变场空间分布与强震地点的关系，可避免单一应变结果的局限性。研究表明，7次M≥5.7地震多发生在面应变(特别是面挤压)和最大剪应变变化的高梯度带上，这些区域通常会伴随较大的应变场变化信息，强震发生的可能性更大。
强震的孕育与发生过程复杂多样，不同类型和相同类型的地震在不同介质环境中的孕育过程也存在差异，目前对强震孕育过程的认知还十分有限，汶川大地震使我们意识到从大时空尺度来获取大地震孕育过程中异常信息的重要性[9]。GNSS连续观测站数量的增加以及观测资料和震例的进一步积累，可为获取强震前更加精细的应变场分布特征和总结更多震例提供理论基础，这对于进一步探索GNSS资料在强震预测中的应用、提高异常识别能力、推进指标体系建设都具有重要意义。
4 结语1) 7次M≥5.7地震前，云南地区存在显著的面应变变化趋势，多数情况下存在强挤压和强拉张并存的格局，累积面应变一般超过±4.0×10-8，地震多发生在面应变(特别是面挤压)变化的高梯度带上。
2) 7次M≥5.7地震前，云南地区存在显著的最大剪应变变化趋势，累积最大剪应变一般超过5.0×10-8，地震多发生在最大剪应变变化的高梯度带上。
3) 基于GNSS连续观测数据获取的面应变和最大剪应变参数物理意义明确，能定量表征区域挤压或拉张强弱和区域剪切应变强度。其变化高梯度带可作为研判未来M≥5.7地震发震地点的重要区域。
致谢: 本文GNSS数据来源于中国地震局GNSS数据产品服务平台(http://www.cgps.ac.cn)，数据分析软件由云南省地震局洪敏高级工程师提供，在此一并表示感谢。
| [1] |
张国民. 关于地震前兆研究的几点看法[J]. 地震, 1993(2): 72-73 (Zhang Guomin. Some Opinions on the Study of Earthquake Precursors[J]. Earthquake, 1993(2): 72-73)
(  0) |
| [2] |
付虹, 洪敏, 王光明, 等. 云南区域强震活动中短期异常的共性特征及应用研究[J]. 地震研究, 2020, 43(2): 241-252 (Fu Hong, Hong Min, Wang Guangming, et al. Common Characteristics and Application Research on Periodic Anomaly before Strong Earthquakes in Yunnan Province[J]. Journal of Seismological Research, 2020, 43(2): 241-252 DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2020.02.005)
( 0) |
| [3] |
张晶, 武艳强, 刘琦, 等. GPS水平形变面应变率梯度与强震危险区关系探讨[J]. 地震学报, 2013, 35(6): 828-835 (Zhang Jing, Wu Yanqiang, Liu Qi, et al. Relationship between Plane Strain Rate Gradient of GPS Horizontal Deformation and Strong Earthquake Risk Area[J]. Acta Seismologica Sinica, 2013, 35(6): 828-835 DOI:10.3969/j.issn.0253-3782.2013.06.006)
( 0) |
| [4] |
江在森, 张希, 张晶, 等. 地壳形变动态图像提取与强震预测技术研究[M]. 北京: 地震出版社, 2013 (Jiang Zaisen, Zhang Xi, Zhang Jing, et al. Crustal Deformation Dynamic Image Extraction and Strong Earthquake Prediction Technology Research[M]. Beijing: Seismological Press, 2013)
( 0) |
| [5] |
洪敏, 邵德盛, 王伶俐, 等. 基于GNSS观测资料研究云南地壳形变与地震的关系[J]. 地震研究, 2013, 36(3): 292-298 (Hong Min, Shao Desheng, Wang Lingli, et al. Research on Relationship between Crustal Deformation and Earthquake Based on GNSS[J]. Journal of Seismological Research, 2013, 36(3): 292-298 DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2013.03.006)
( 0) |
| [6] |
洪敏, 张勇, 邵德盛, 等. 云南地区近期地壳活动特征[J]. 地震研究, 2014, 37(3): 367-372 (Hong Min, Zhang Yong, Shao Desheng, et al. Recent Tectonic Activity Features of Yunnan Region[J]. Journal of Seismological Research, 2014, 37(3): 367-372 DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2014.03.007)
( 0) |
| [7] |
邵德盛, 洪敏, 张勇, 等. 云南地区形变观测资料短临异常指标提取[J]. 武汉大学学报: 信息科学版, 2017, 42(9): 1 223-1 228 (Shao Desheng, Hong Min, Zhang Yong, et al. Extract Short Impending Abnormal Indicator from Deformation Data in Yunnan Province[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(9): 1 223-1 228)
( 0) |
| [8] |
Hong M, Shao D S, Wu T F, et al. Short-Impending Earthquake Anomaly Index Extraction of GNSS Continuous Observation Data in Yunnan, Southwestern China[J]. Journal of Earth Science, 2018, 29(1): 230-236 DOI:10.1007/s12583-018-0826-0
( 0) |
| [9] |
江在森, 武艳强. 地壳形变与强震地点预测问题与认识[J]. 地震, 2012, 32(2): 8-21 (Jiang Zaisen, Wu Yanqiang. Crustal Deformation and Location Forecast of Strong Earthquakes: Understandings and Questions[J]. Earthquake, 2012, 32(2): 8-21)
( 0) |
2. Field Scientific Observation and Research Station on Crustal Tectonic Activities in Northwest Yunnan, Binhai Road, Dali 671000, China