2022, Vol. 42
2021-05-21云南大理州漾濞县(25.67°N，99.87°E)发生6.4级地震，发震断裂为维西-乔后断裂西侧一条NW走向、右旋走滑断裂[1-2]，地震破裂方式为右旋走滑兼拉张[3]。从震前基线的异常变化能否发现地震的孕震前兆形变信息，对地震危险性评估至关重要[4-6]。本文利用GAMIT/GLOBK软件解算2019-05-20~2021-05-20云南及周边54个GNSS基准站的观测数据，基于最小二乘配置法[7]求取云南地区速度场及应变场，并结合此次地震近场及远场区域的GNSS基线长度变化时间序列，分析地震前云南地区地壳形变特征。
1 速度场和应变场计算 1.1 相对运动速度场最小二乘配置方法的适用条件是要有足够多的输入数据且站点分布均匀，所以在应变场计算之前，采用克里金插值方法对云南区域的速度场进行插值，再利用最小二乘配置法构建速度场[8]。本文利用GAMIT/GLOBK 10.71软件，引入中国及周边十几个IGS跟踪站，与云南地区54个连续运行GNSS基准站观测数据进行联合解算[9]。基于GAMIT基线解算得到单日松弛解，与SOPAC网站提供的全球IGS站单日松弛解联合，利用GLOBK进行网平差，再利用GLRED获取站点的坐标时间序列，最后基于TISFIT分别获取2019-05-20~2020-05-20、2020-05-21~2021-05-20云南地区在ITRF2014框架下的速度场(在第2个时间段剔除数据质量较差的SCYX站点)，结果如图 1所示。可以看出，解算得到的水平速度E方向误差在3 mm以内，N方向误差在2.5 mm以内。
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图 1 云南地区在ITRF2014框架下的速度场 Fig. 1 Velocity field in Yunnan under ITRF2014 |
基于计算得到的ITRF2014框架下的速度场，扣除欧拉旋转矢量后，获取漾濞6.4级地震前云南地区整体旋转无基准速度场，结果如图 2所示。对比图 2(a)和2(b)的速度场可以发现，云南西边界SSW向的运动增强，沿怒江断裂带呈发散性运动状态，其中YNRL站点由速率为6.6 mm/a的SE方向加速朝SW方向运动，运动速率变为11.6 mm/a，川滇藏交界处(云南西北部)NW方向的运动增强，可能是由于印度洋板块NE向的挤压增强，导致云南西边界出现反向的加速运动；震中附近未发现站点的异常运动；滇南地区的运动减弱，小江断裂带南端的运动依旧活跃，小江断裂带北端以北地区呈现一致性的北向运动，可能是由于川滇菱形块体东边界的N向运动增强导致的；其他地区运动变化不明显。
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图 2 云南地区相对运动速度场 Fig. 2 Relative motion velocity field in Yunnan |
利用克里金插值方法对云南地区的相对运动速度场进行插值，基于最小二乘配置法建立云南地区的速度场[8]，然后对速度函数求偏导得到应变张量，再进一步求得区域地壳应变特征参数(面膨胀率、最大剪应变、最大主应变和最小主应变等)。
应变计算公式为：
| $ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\varepsilon _\varphi } = \frac{1}{R}\frac{{\partial {u_\varphi }}}{{\partial \varphi }}}\\ {{\varepsilon _\lambda } = \frac{1}{{R\cos \varphi }}\frac{{\partial {u_\lambda }}}{{\partial \lambda }} - \frac{{{u_\varphi }}}{R}\tan \varphi }\\ {{\varepsilon _{\lambda \varphi }} = \frac{1}{2}\left( {\frac{1}{{R\cos \varphi }}\frac{{\partial {u_\varphi }}}{{\partial \lambda }} + \frac{{{u_\lambda }}}{R}\tan \varphi + \frac{1}{R}\frac{{\partial {u_\lambda }}}{{\partial \varphi }}} \right)} \end{array}} \right. $ | (1) |
式中，λ、φ分别为经度和纬度，R为地球平均曲率半径，εφ、ελ、ελφ为应变张量：
| $ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\varepsilon _{1, 2}} = \frac{1}{2}\left( {{\varepsilon _\lambda } + {\varepsilon _\varphi }} \right) \pm \frac{1}{2}{{\left[ {\varepsilon _{\lambda \varphi }^2 + {{\left( {{\varepsilon _\lambda } - {\varepsilon _\varphi }} \right)}^2}} \right]}^{\frac{1}{2}}}}\\ {{\varepsilon _{{\rm{area }}}} = {\varepsilon _\lambda } + {\varepsilon _\varphi }}\\ {{r_{\max }} = {\varepsilon _1} + {\varepsilon _2}} \end{array}} \right. $ | (2) |
式中，ε1为最大主应变，ε2为最小主应变，εarea为面膨胀，rmax为最大剪应变。
1.2.1 面膨胀率漾濞6.4级地震前云南地区的面膨胀率如图 3所示，可以看出，2019-05~2020-05主要有4个面膨胀区和3个面压缩区。面膨胀区有：中甸-木里一带、越西-马边一带、施甸-楚雄一带、石屏-弥勒一带，面膨胀区的最大值为38.4×10-11/a，出现在石屏-弥勒一带，即小江断裂带与红河断裂带相交的地区。从速度场(图 2(a))可以看出，弥勒-黄草坝-塔甸一带的SSW向运动、通海地区的SE向运动造成石屏-弥勒一带的拉张应变积累。面压缩区有：鱼洞-元谋一带、新平-澜沧一带、蒙自-金平一带，面压缩区最大值出现在蒙自-金平一带，为-31.8×10-11/a，可能是小江断裂带南段的S向运动受阻所致。2020-05~2021-05主要有2个面膨胀区和2个面压缩区，面膨胀区为：下关-耿马一带、墨江-黄草坝一带，面膨胀区的最大值为12.8×10-11/a，与速度场相对应。从图 2(b)可看出，下关-施甸-耿马一带的SSW向运动和临沧-双柏一带的NNE向运动导致下关-耿马一带拉张应变增强，墨江-黄草坝一带在原来面膨胀区(石屏-弥勒一带)的基础上向外延展了。面压缩区为维西-乔后断裂至腾冲-瑞丽一带及以小江断裂带北端为中心的U形分布区域，面压缩区最大值为-12.4×10-11/a。另外，可能是由于云南西边界SSW向的运动受阻，导致维西-乔后断裂至腾冲-瑞丽一带的挤压增强，而以小江断裂带北端为中心的U形分布区域挤压应变积累可能是由于小江断裂带北段的北向运动受阻所致。
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图 3 云南地区面膨胀率 Fig. 3 Surface expansion rate in Yunnan |
对比图 3(a)与3(b)可明显看出，漾濞6.4级地震前1 a(图 3(b))研究区域整体面膨胀率值下降至原来(图 3(a))的0.37倍左右，面膨胀率最大正值由38.4×10-11/a下降至12.8×10-11/a，面膨胀率最小负值由-31.8×10-11/a变为-12.4×10-11/a，说明震前研究区域整体的应变积累明显减弱。此外，震中的北西和南东两侧形成清晰、规整且范围较大的张、压差异高梯度分布，震中即位于张、压交替的零值线上，这与前人研究发现的中强地震往往发生在面膨胀率零值闭锁区域的规律[10-12]一致。
1.2.2 最大剪应变率漾濞6.4级地震前云南地区最大剪应变率如图 4所示，可以看出，2019-05~2020-05研究区域整体的剪应变积累较高，主要有3个剪应变率高值区，即小江断裂带南端与红河断裂带交会处、宁南-鱼洞一带及施甸-双柏一带，剪应变率最大值为19.3×10-11/a，在小江断裂带南端与红河断裂带交会处。从图 2(a)中也可明显看出，小江断裂带南端与红河断裂带交会处相对运动剧烈，导致该区域的剪切应变积累较高。2020-05~2021-05研究区域也主要有3个剪应变率高值区：沿维西-乔后断裂分布及向其东部扩展的地区、红河断裂带北段以西扩展的地区及沿小江断裂带分布地区，剪应变率最大值为7.1×10-11/a，出现在维西-乔后断裂及向其东部扩展的地区。从图 2(b)中可看出，中甸-兰坪-云龙-木里一带左旋运动特征明显，是造成该区域剪切应变积累的原因，此外小江断裂带处于最大剪应变率高值区，说明其在该时段的剪切应变与构造背景相一致。
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图 4 云南地区最大剪应变率 Fig. 4 Maximum shear strain rate in Yunnan |
对比图 4(a)和4(b)可看出，中甸-丽江一带的剪应变增强并沿着维西-乔后断裂向外扩展，宁南-鱼洞一带的剪应变明显减弱，施甸-双柏一带的剪应变范围缩小至施甸-下关一带，小江断裂带南端与红河断裂带交会处的剪应变明显减弱并向北延伸至整个小江断裂带。整体来看，最大剪应变率和面膨胀率的变化有相同之处。漾濞6.4级地震前1 a(图 4(b))，研究区域整体的最大剪应变率急剧下降，剪应变率最大值由19.3×10-11/a下降至7.1×10-11/a，剪应变率最小值变化不大，震中的北西、南东两侧均处于最大剪应变率高值区，地震发生在最大剪应变率高值区边缘。
1.2.3 主应变率漾濞6.4级地震前云南地区主应变率如图 5所示，可以看出，2019-05~2020-05研究区域的拉张应变与挤压应变相间分布，川滇交界处、小江断裂带南段与红河断裂带交界处的挤压运动与拉张运动都比较活跃，与图 2(a)有较好的一致性，其中主应变率最大值为38.5×10-11/a，为黄草坝-龙朋一带NE向的拉张运动。从图 4(a)和5(a)可看出，主应变率较大的区域与最大剪应变高值区对应，即小江断裂带南端与红河断裂带交会处及宁南-鱼洞一带。2020-05~2021-05研究区域的整体应变变形较弱，主应变率最大值为12.8×10-11/a；维西-乔后断裂及怒江断裂带北段的挤压运动明显，可能是云南西边界地区SSW向运动受阻造成的。
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图 5 云南地区主应变率 Fig. 5 Main strain rate in Yunnan |
对比图 5(a)和5(b)可看出，研究区域大部分地区的变形明显减弱，其中维西-乔后断裂至怒江断裂带北段一带的挤压增强，但挤压变形的量值不大，震中附近的变形不明显。
2 GNSS基线长度变化时间序列分析基线长度不受参考框架本身漂移、旋转和共模噪声等因素的影响，能够更客观地反映地壳相对运动变化信息[4]。通过研究GNSS基线长度时间序列发现，2011年日本9级地震前部分基线偏离长趋势运动[13]，2019年夏河5.7级地震前发震断裂的左旋速率减缓[14]，所以本文利用漾濞6.4级地震近场及远场区域的GNSS基线长度时间序列, 探索震前基线的异常变化，分析此次地震前地壳的形变特征。
基于2011年以来GAMIT基线解算的结果[9, 15]，在研究区域内按EW向、NE向、NS向、NW向分别连接2个站点构成基线(图 6)，并进行分析识别偏离长期背景趋势的变化、破年变等信息。结果发现，震前近场区域的GNSS基线长度异常变化并不明显，如基线YNYS-YNTC、YNYS-YNJD、YNTC-YNJD(图 7)；而远场区域的GNSS基线长度变化存在异常信息，如基线KMIN-YNYM、YNLP-KMIN、YNLP-YNDZ、YNSM-YNLP(图 8)。
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图 6 GNSS连续站分布 Fig. 6 Distribution of GNSS continuous stations |
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图 7 漾濞MS6.4地震近场区域GNSS基线长度时间序列 Fig. 7 GNSS baseline length time series in the near-field region of Yangbi MS6.4 earthquake |
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图 8 漾濞MS6.4地震远场区域GNSS基线长度时间序列 Fig. 8 GNSS baseline length time series in the far-field region of Yangbi MS6.4 earthquake |
由于2010年陆态网络建成试运行，数据不稳定，本文从2011年开始分析GNSS基线长度变化；另外，YNLP站点于2016-06建成运行，研究与其相关的基线时，观测时间从2017年开始。从图 7可看出，漾濞6.4级地震前基线YNYS-YNTC、YNYS-YNJD的时间序列中并未发现有偏离长期背景的趋势变化和破年变等信息。基线YNTC-YNJD在漾濞6.4级地震时(2021-05-21)加速拉张，偏离背景趋势运动4 mm左右，可能是由地震引起的同震形变导致的，但震前该基线异常并不明显。
如图 8所示，基线KMIN-YNYM的时间序列在2012-01~2016-09变化比较平稳；2017-01~2021-01较前一时间段压性活动有所增强，但整体变化比较稳定，2021-03-22以后加速拉张，2021-05-19背离趋势运动8.4 mm左右；震后加速运动有所减弱。基线YNLP-KMIN的时间序列在2017-01~2021-01的变化比较平稳，一直呈缓慢的压性运动；2021-03-22以后加速压缩，2021-05-19背离趋势运动6.8 mm左右。本文认为基线KMIN-YNYM、YNLP-KMIN时间序列的异常变化是由KMIN站点SE向的加速运动引起的。基线YNLP-YNDZ时间序列在2017-01~2021-01压性运动和拉张运动都不明显，变化比较平稳；2021-03-22以后加速压缩，2021-05-19背离趋势运动8.1 mm左右；震后压性运动还在持续。基线YNSM-YNLP时间序列在2017-01~2019-06呈波动变化，但幅度相对较小；2019-06~2020-06加速拉张；2021-03-22以后拉张运动增强，2021-05-19背离趋势运动7.8 mm左右。基线YNLP-YNDZ、YNSM-YNLP时间序列背离趋势的异常变化说明YNLP站点北向运动加速。此外，相关的工作人员于2021-05-19~05-20到KMIN站点和YNLP站点进行了异常核实，排除了数据质量、环境、仪器等干扰因素的影响，认为两站点的异常运动为真实的构造运动，可判断震前区域应力平衡状态被打破，诱发了地震。
3 结语1) GNSS速度场结果显示，震前云南西边界SSW向的运动增强，沿怒江断裂带呈发散性运动状态，震中附近的近场速度值变化不大；
2) 面膨胀率结果显示，地震前研究区域整体的面膨胀率值下降至原来的0.37倍左右，震中位于张、压交替的零值线上，即面膨胀区与面压缩区之间，该区域正是中强地震易发区；
3) 最大剪应变率结果显示，震前研究区域整体的最大剪应变率急剧下降，地震发生在最大剪应变率高值区边缘；
4) 主应变率结果显示，震前研究区域大部分地区的变形明显减弱，其中维西-乔后断裂至怒江断裂带北段一带的挤压增强，但挤压变形的量值不大，震中附近变形变化不明显；
5) GNSS基线长度时间序列结果显示，震前近场区域的GNSS基线异常变化不明显，远场区域的GNSS基线出现偏离长期背景的趋势异常变化。2021-03-22~05-19，基线KMIN-YNYM在趋势压缩背景下反向加速拉张，背离趋势运动8.4 mm；基线YNLP-KMIN在趋势压缩背景下加速压缩，背离趋势运动6.4mm；基线YNLP-YNDZ在趋势变形比较平稳的背景下加速压缩，背离趋势运动8.1 mm；基线YNSM-YNLP在趋势拉张背景下加速拉张，背离趋势运动7.8 mm，可判断震前区域应力平衡状态被打破，诱发了地震。
综上所述，震前区域应变场的显著变化有助于此次地震的发生，震前区域应力平衡状态被打破，促进了此次地震的孕育。本文的震前区域地壳应变、GNSS基线异常变化及发震地点可为研究孕震机制提供一定参考，由于本文使用的站点数据有限，所构建的模型还有待改进。此外，震前GNSS基线出现异常变化，虽然在一定程度上反映了区域地壳的形变变化，但产生这种变化的原因尚不清楚。
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