0 引言

据中国地震台网测定，2020年5月18日21时47分在云南省昭通市巧家县（27.18°N，103.16°E）发生M_S 5.0地震，截至2020年5月19日6时，造成4人死亡（巧家县3人、鲁甸县1人）、23人受伤（http://www.chinanews.com/sh/2020/05-19/9188219.shtml）。

此次巧家5.0级地震震源深度8 km，震中位于安宁河-则木河断裂带，与震中最近的断层为荞麦地-大箐断裂，距离约14 km，与2020年度“四川道孚至云南永善7.0级左右年度地震重点危险区”相距约51 km，同时位于2020年5-7月全国地震概率预测图所示西南地区相对高概率区附近。中国地震台网中心给出的震源机制解显示，该地震具有走滑型破裂性质，其中NS向节面走向与大凉山断裂至包谷垴-小河断裂的连线一致，显示此次地震可能是一次NS向次级断裂活动。

分析此次巧家5.0级地震发生前出现的各项异常，发现地震活动具有一定预测意义的中期和短期震前异常；震中附近的地球物理观测以趋势异常为主，短期异常不突出；在综合计算方法中，多参数概率谱显示出短期异常。文中就2020年巧家M_S 5.0地震发生前的震群、Benioff应变比和地震发生率变化及形变、电磁、流体等地球物理观测异常与多参数概率谱方法在震前体现的异常特征进行了分析，以期通过对此次地震的系统回顾和总结，为滇东北地区5级地震活动积累资料，为震前预报分析提供基础数据和震例资料，进一步为防灾减灾救灾服务。

1 构造背景和历史地震

2020年巧家M_S 5.0地震发生在巴颜喀拉块体、川滇块体与华南块体三者之间，以挤压和左旋走滑为主要活动特征的大凉山次级块体内部。该次级块体吸收了来自川滇块体和巴颜喀拉块体的挤压作用，以各边界断裂带的挤压和内部大凉山断裂带、峨边断裂带等NNW向左旋走滑次级断裂为主要活动特征（程佳等，2014）。

此次巧家5.0级地震震中位于小江断裂以东、莲峰断裂与西鱼河-昭通断裂之间，是发生在大凉山次级块体南缘的一次中等强度的破坏性地震。该地区除发育安宁河断裂、则木河断裂、小江断裂、大凉山断裂、马边-盐津断裂等主干活动断层外，还存在NE向昭通-莲峰断裂带和昭通-鲁甸断裂带（闻学泽等，2013）。该区域近年来中强地震多发，先后发生了2005年8月5日会泽M_S 5.3地震、2012年9月7日彝良M_S 5.7、5.6地震、2014年8月3日鲁甸M_S 6.5地震（李文涛等，2020）。1900年以来该区历史地震分布见图 1，图中沙滩球为巧家M_S 5.0地震震源机制解（据中国地震台网中心）。

1900年以来，巧家地震震中100 km范围内发生M_S≥5.0地震27次，其中5.0-5.9级地震25次，6.0-6.9级地震2次，距今时间最短、震级最大、空间距离最近的地震是2014年8月3日云南省昭通市鲁甸县M_S 6.5地震，与此次巧家5.0级地震相距约20 km（图 1）。2014年鲁甸M_S 6.5地震即发生在大凉山块体内部，莲峰断裂与西鱼河-昭通断裂之间（图 1）。房立华等（2014）利用双差定位方法，根据震中距200 km范围内29个地震台站记录的地震波形资料，对鲁甸地震序列进行精定位，结果显示，余震分布呈SE、SW两个优势方向，具有不对称共轭特征。2个余震条带夹角约100°，展布长度均约16 km。鲁甸地震序列早期余震分布主要沿NW-SE向垂直于昭通-鲁甸断裂，而此次巧家5.0级地震距其发震断层及余震分布集中区较远，分析认为，此次巧家地震不是2014年鲁甸M_S 6.5地震的余震（图 2）。

2 巧家M_S 5.0地震前地震活动异常

2020年巧家M_S 5.0地震发生前，震中附近先后出现巧家震群、Benioff应变比和地震发生率异常，这些异常在震前9个月至震前3个月依次出现，异常空间位置集中在此次地震震中周边，预测的震级水平多为5级。

2.1 巧家震群

2020年巧家5.0级地震前的突出现象是巧家震群的发生，该震群自2020年1月17日开始活动，至5月7日共发生M_L≥1.0地震82次，其中最大地震为3月18日M_L 3.9地震，次大地震为2月7日M_L 3.8地震，最大日频次12次（图 3），符合震群定义（国家地震局预测预防司，1997）。进一步计算震群参数U、F、K、ρ、b、h，其中U = 0.601 7，F = 1.592 6，K = 0.684 2，ρ = 0.435 8，b = 0.570 1，h = 0.500 0。按照前兆震群的判定标准（国家地震局预测预防司，1997），以上6个参数中有4个显示为前兆震群，因此判定该震群为前兆震群（表 1），对后续震群周边中强地震有预测意义（黄耘等，2011；陈玉华等，2013；曹凤娟等，2015）。此次巧家5.0级地震震中距震群约12 km，且发生在震群最大日频次后101天，结合前兆震群计算参数，分析认为，此次巧家震群为2020年5月18日巧家地震前的短期异常。

2.2 Benioff应变比

Benioff应变比是区域内某一特定日期后3个月内地震能量的开方及与该日期前相同时间窗长地震能量的开方和之比（杨文等，2014）。应变比的高低反映了区域内滑动速率的快慢。对我国西部Benioff应变比进行空间扫描，结果显示，2020年1月，在此次巧家地震震中附近存在显著高值异常[图 4(a)]。据以往震例分析该高值区域附近1年内5级地震发生的可能，发现2020年5月18日巧家5.0级地震即发生在异常区内部，而在此次地震发生后，震中附近的Benioff应变比高值异常消失[图 4(b)]。因此，认为此次Benioff应变比异常应为巧家5.0级地震映震异常。

2.3 地震发生率

地震发生率异常是基于泊松分布得到的实际地震发生率相对于背景地震发生率的异常偏离程度，参数值接近1反映地震活动显著增强，接近0反映地震活动显著减弱。利用G-C法（陈凌等，1998），将云南巧家M_S 5.0地震删除余震后M_L 3.0以上地震目录作为计算资料，以5年为背景窗长、3个月为计算窗长，进行地震发生率异常时空扫描，结果见图 5。由图 5可见，2020年5月18日云南巧家M_S 5.0地震前3个月，在震中附近出现地震发生率高值异常，震前2个月异常面积进一步扩大，震前1个月异常明显减弱随后消失，之后在原异常区域发生巧家M_S 5.0地震。

3 地球物理观测异常

巧家地震震中200 km范围内地球物理观测台站（国家测震台网）主要布设钻孔应变、垂直摆、水平摆、重力、地磁、地电阻率、水位、水温、断层氢等测项，共279个观测台项（图 6），除个别台站外，大多数台站的观测资料连续、可靠。

此次地震发生前，震中200 km范围内地球物理异常测项15项（表 2），其中：震中100 km范围内（测项119项）异常测项7项，异常测项比（异常测项数/观测测项数）较低（5%）；震中101-200 km范围内（测项161项）异常测项8项，异常测项比为8/161（5%）。在15项异常中有14项为趋势异常，均非此次巧家5.0级地震异常，而云南省昭通市地震局地球物理观测网的巧家电磁波NS、EW分量作为短期异常，应为该地震的映震异常。中国地震台网中心形变研究室研究认为，位于鲜水河断裂带的侏倭跨断层测距短期异常应为此次地震映震异常。

3.1 电磁学科异常分析

震中200 km范围内共有3个电磁异常测项，均为趋势异常，分别为西昌、南山和平地的地磁异常（表 2）。此次巧家地震震级较低，未达到3个地磁异常测项预测的目标震级，非映震异常。云南省昭通市地震局地球物理观测网的巧家电磁波NS和EW分量（图 7）于2020年5月6日同步出现扰动幅度增大现象，5月18日发生巧家M_S 5.0地震。该台电磁波观测资料在2019年下半年出现较为突出的异常信息，表现在2019年6月17日长宁M_S 6.0地震序列（震中距约250 km）及之后几次5级以上地震发生前，电磁曲线均出现明显的高值异常现象，故此次5月6日出现的电磁扰动幅度增大异常应为巧家M_S 5.0地震映震异常。

3.2 形变学科异常分析

（1）8项形变异常。震中200 km范围内共分布8个形变异常测项，均为趋势异常，且均非此次巧家5.0级地震映震异常。此次地震发生前还存在以下趋势异常：汤家坪水准测线A-B/A-C、宁南水准测线5-4和尔乌水准测线3-A记录数据异常，且震后异常仍持续，尚不能判定是否为此次M_S 5.0地震异常，需继续跟踪。定点形变趋势异常测项为金河钻孔应变NE、EW、NW、NS分量，异常特征表现为：2019年6月15日起，4分量呈快速上升的张性变化，且幅度较大，12月1日呈转折下降的压性变化，2020年6月1日后应变曲线再次转折上升，而此次巧家5.0级震中周边300 km范围内曾发生13次M_S 5.0以上地震，震中距最近的一次地震为2018年西昌M_S 5.1地震，震中距为19 km，以上震前均无此类应变异常出现，故认为该异常信度不高，不作为本次巧家5.0级地震的震前异常。

（2）侏倭跨断层异常。四川省地震局测绘工程院于2018年初在鲜水河断裂北段侏倭新建跨断层测量场地，该测点距此次巧家地震震中548 km，虽然间距较远，但通过对以往震例的研究，认为地震往往发生在异常区外围，而非异常区内。中国地震台网中心形变预报研究室在此次巧家5.0级地震发生前，根据侏倭跨断层测距拉张异常，提出川滇交界东部有发生5.5级左右地震的危险性，并于2020年4月3日提出短期预测意见，且在之后的周月地震会商报告中坚持该预测意见，直至巧家地震发生。

侏倭场地每月测量1期，测线1-3和2-3的测距在2018年全年变化不大，呈平稳趋势，2019年1月，2条测线的测距曲线突然分别快速上升（拉张）2.80 mm和2.73 mm，2月11日达峰值（图 8），后转折下降（收缩）。其间，于6月17日发生长宁M_S 6.0地震，并于珙县等地发生多次5级以上地震。2020年2月，测线1-3和2-3的测距曲线再次同步上升，4月10日达峰值，后转折下降，于4月1日发生石渠M_S 5.6地震，5月18日发生巧家M_S 5.0地震。2组震例的共同特征是曲线上升（拉张）-转折下降（收缩）-发震，等待时间约2-6个月。因此，侏倭跨断层测距的转折下降变化应为巧家5.0级地震的震前异常。

3.3 流体学科异常分析

震中200 km范围内，流体学科测项在震前存在3项异常，均为趋势背景异常，分别为昭通茨院水位、大关水位和会理水位测项，其中茨院水位2020年1月出现破年变高值异常，大关水位2019年9月出现破年变低值异常，会理水位2019年3月出现快速上升后年变幅增大异常。此次巧家5.0级地震发生前，未发现3项异常出现明显短临变化。

昭通茨院水位、大关水位主要对应川滇交界东部地震，据以往震例，目前2项水位变化异常非此次巧家5.0级地震异常；会理水位异常此前无震例对应，且目前该异常并未恢复，仍需跟踪分析，不能判定是否为此次5.0级地震异常。

4 综合计算方法

根据王海涛等（2008）提出的基于多种地震学参数的地震对应相关谱识别地震前兆异常的方法，截取2020年5月9日前巧家地震序列记录，采用多参数概率谱方法进行计算，结果显示，巧家地震发生在预测的危险区域和时间范围内。多参数概率谱方法主要选择以下7个参数进行综合计算：①描述地震活动震级和频度关系的b值、缺震、η值；②描述地震危险性的D值；③描述地震活动自身强度变化的M_f值、频度N值；④环境因子调制参数R_m值。

2019年6月17日四川长宁M_S 6.0地震（104.90°E，28.34°N）发生后，为了进行跟踪分析，以震中为中心，提取半径200 km范围内2006年1月至2018年12月发生的M_L 5.5地震，利用震前小震活动的多种地震学参数综合异常特征，外推预测2019年1月以来的震情形势。时间跟踪分析表明：目标地震在震前均出现多参数综合高值异常；研究区域在2016-2017年未发生目标地震，多参数概率谱曲线出现高值虚报，见图 9虚框内所示地震。研究发现，2016-2017年，该区域多次发生M_L 5.0以上地震，因此容易出现不太突出的多参数概率谱高值现象。

2019年10月多参数数值结果开始转折上升，云南巧家地震发生时间位于综合指数上升阶段，震中位于研究区域边缘，综合分析认为，2019年10月至2020年4月，在长宁地震震中200 km范围内出现的多参数概率谱异常，应为2020年巧家5.0级地震的震前异常。

5 巧家M_S 5.0地震震源参数与序列跟踪 5.1 震源物理参数

2020年巧家M_S 5.0地震发生后，不同研究机构利用不同方法给出该地震的震源机制解，结果见表 3，可见各机构所得震源机制解较为一致，滑动角反演结果均显示此次地震为走滑型地震。地震序列余震空间分布显示，余震呈近NS向展布，认为其发震断层应为位于莲峰断裂与昭通-鲁甸断裂之间的NS向断裂。结合余震空间展布，选取近NS向节面作为破裂面，即选取各机构反演所得节面Ⅰ为地震破裂面。各机构反演所得断层面均较陡，倾角在60°-70°，且滑动角在-6°-34°，表明地震破裂以左旋走滑为主兼正断分量。

5.2 余震序列跟踪

截至2020年6月30日，巧家M_S 5.0地震余震区共记录M_L≥0.0地震780次，其中M_L 0.0-0.9地震485次，M_L 1.0-1.9地震238次，M_L 2.0-2.9地震53次，M_L 3.0-3.9地震4次，最大余震为5月19日M_L 3.8（M_S 3.5）地震（表 4，图 10）。

由M-t及日频次图（图 10）可见，余震集中发生在震后5天内，共发生M_L≥0.0地震339次，其中5月19日和5月20日发生余震相对较多，共197个M_L≥0.0地震。5月22日以后，余震日频次持续衰减，但衰减速度较慢，共发生M_L≥0.0地震441次，占现阶段记录余震总数的56.5%。

巧家地震序列主震与最大余震的震级差为1.6（M_L震级），主震释放能量占序列总能量的99.64%，属主余型地震序列。从空间分布看，余震活动集中在主震附近13 km范围内，近似NS向分布，长轴约23 km，短轴约13 km。最大余震位于主震西南方，与主震较近，间距约3 km（图 11）。

基于巧家地震发生前后余震区的地震目录，利用ZMAP软件中最小完整性震级M_c的计算方法（Wyss et al，1999；Wiemer et al，2000；Mignan et al，2012），即结合拟合优度测试（the Goodness-of-Fit Test，简写为GFT）和修正最大曲率法（简称为修正MAXC），计算得到巧家M_S 5.0地震前后余震区的M_c值分别为M_L 1.7 ± 0.2和M_L 0.5 ± 0.3（图 12），震前M_c值大于震后M_c值。此结果与一般中强地震后，由于小震级余震缺失造成的M_c值变大现象不相符。可能是因为，巧家M_S 5.0地震发生后，云南省地震局于5月19日在震中附近架设3个流动台站，增强了余震区地震监测能力，可完整记录M_L≥1.0地震（党文杰等，2020）。同时，由于GFT和修正MAXC均存在对于实际最小完整性震级的低估现象（Mignan et al，2012），故选定M_L 1.0为余震序列的最小完整性震级。

基于上述最小完整性震级，利用最大似然法（Marzocchi et al，2003），对巧家M_S 5.0地震序列震级-频度曲线进行G-R关系拟合，所得序列a值和b值分别为3.15 ± 0.08和0.68 ± 0.03[图 13(a)]，进而推测序列最大余震震级为M_L 4.6，大于实际发生的最大余震震级M_L 3.8。同时，由图 13(a)可见，在震级M_L 2.5-4.6范围内，利用G-R关系拟合曲线给出的地震累积数明显较多，表明地震存在缺失现象，未来可能发生该震级范围的余震。此外，为刻画地震序列的衰减特征，计算巧家序列的h值。据刘正荣等（刘正荣等, 1979, 1986；刘正荣，1984）、蒋海昆等（2007）的研究，若h＞1，地震序列一般为主余型地震序列，若h≤1，地震序列一般为前震序列，后续会发生更大地震。截至6月30日，巧家M_S 5.0地震序列h值为1.497，大于1，表明该序列属主余型地震序列[图 13(b)]。

6 讨论 6.1 地震活动和地球物理观测异常

（1）地震活动。2020年巧家M_S 5.0地震的前突出地震活动异常为巧家震群，该震群自2020年1月17日开始活动，分析判定为巧家地震序列的前兆震群。2019年8月至2020年1月的应变比显示川滇交界地区存在高值异常，2020年5月18日云南巧家M_S 5.0地震即发生在异常区域，地震后异常逐渐消失。此外，震前3个月在震中地区出现地震发生率高值异常，震前2个月异常面积进一步扩大，震前1个月异常明显减弱随后消失，之后在原异常区域发生巧家M_S 5.0地震。根据地震序列动态跟踪过程，巧家M_S 5.0地震序列属主余型地震序列，主震震源机制为走滑型。

（2）地球物理观测。震中200 km范围内共布设279个地球物理观测台项，其中异常测项15项，异常测项比（异常测项数/观测测项数）为5%。15项异常多为趋势异常，短期异常不突出，而巧家电磁波震前出现扰动幅度增大的异常，属短期异常，应为本次地震异常；形变预报研究室提出，侏倭跨断层在震前出现测距曲线上升后转折下降的现象，并于下降过程中对应巧家地震。利用综合方法中多参数概率谱进行计算，在长宁余震区的跟踪研究中，出现曲线上升异常现象，本次巧家地震发震时间位于综合指数上升阶段，震中位于跟踪区域边缘，应为震前短期异常。

6.2 震中附近应力变化

强震活动通常发生在活动断裂带上具有高应力积累的凹凸体（Aki，1984）或者闭锁段（Wyss et al，2000）。b值与应力水平成反比，b值越低，应力水平越高（Urbancic et al，1992）。巧家以北至东川以南段位于小江断裂带最北段，1900-1966年5级地震频发，1966年2月5日东川M_S 6.5地震发生后处于5级以上地震平静状态，直至2005年8月5日于该段南部发生会泽M_S 5.3地震。根据M7专项工作组（2012）的研究结果，自1733年东川7级地震发生后，巧家以北至东川以南段处于7级强震空区，且该段大地震破裂的原地平均复发间隔一般为100-200年。毛燕等（2016）计算发现，小江断裂带最北段b值在中偏低的水平，表明此段当前应力水平较高，中小地震频发，未来发生强震的可能性较大。

地震发生时，断层破裂引起的同震位错会导致破裂面周边应力场变化，基于弹性位错理论，计算所得同震应力场为二阶张量，投影到目标断层面上得到其正应力和剪应力变化，最终得到地震所导致的库仑破裂应力变化（Barka，1999；Shan et al，2009；万永革等，2010）。付芮等（2015）利用弹性位错理论和分层岩石圈模型，计算2014年鲁甸M_S 6.5地震导致的同震库仑应力变化场，讨论主震对余震分布及周边主要活动断层的影响（图 14，图中红色五角星为此次巧家地震），认为鲁甸地震加大了则木河断裂和小江断裂交界处的应力积累。

闻学泽等（2008）通过对古地震及鲜水河-小江断裂带应力转移计算结果的研究指出，在则木河断裂和小江断裂处的巧家附近，存在一个直径20 km以上、应力积累较强的地震空区，具有发生中强以上地震的风险，而2014年鲁甸M_S 6.5地震的发生，进一步增强了该区域今后中强以上地震的危险性。另外，鲁甸地震提升了莲峰断裂NE段0.003 MPa以下应力的积累（Shan et al，2013），虽然小于应力触发阈值（0.01 MPa）（Harris et al，1998），应力增量变化不明显，但作为现今的地震空区之一，当时认为需关注该段未来发生地震的危险性。2020年巧家M_S 5.0地震恰发生在则木河断裂与小江断裂处应力积累较强的地震空区，反映了该区域应力水平的持续累积状态。

6.3 三维地壳速度结构

区域地壳速度结构成像结果显示，川滇地块的下地壳自北向南存在2条低速带，一条向西南延伸至丽江-小金河断裂和红河断裂，另一条延伸至东南部，位于小江断裂带下方。这2条地壳通道流和峨眉山大火成岩省刚性块体，通过走滑断层的挤压作用，在青藏高原东南缘晚中新世至今的区域动力学演变中起着重要作用（Bao et al，2015；Yang et al，2020）。2020年巧家M_S 5.0地震发生在高速异常的峨眉山大火成岩省中带，震中10 km深度为高速体和低速体交界区域，地震活动频繁（徐涛等，2015）。

李大虎等（2019）应用区域地震和远震联合反演的方法，得到川滇地区三维地壳速度结构图像，并重点剖析了昭通、莲峰断裂带P波速度结构（图 15，图中黑线为区内主要断裂，白色五角星为2014年鲁甸M_S 6.5地震，红色五角星为2020年巧家M_S 5.0地震），研究结果表明，在10 km深度层上，昭通、莲峰断裂带及周边的上地壳速度结构呈现明显的横向不均匀分布，昭通、莲峰断裂带处于高波速异常区，其间存在局部相对低速异常体。2020年巧家M_S 5.0地震和2014年鲁甸M_S 6.5地震均发生在该高低速异常体分界线附近，略偏向高速体一侧，随着深度增加，巧家和鲁甸地震附近中下地壳速度异常分布特征出现一定趋势性变化，即存在大范围低速异常分布，这种中下地壳物质相对较为软弱的结构特征有利于应力在脆性的上地壳内积累和集中，加之横向挤压的构造应力场作用，易发生破裂继而引发地震，从而对巧家M_S 5.0地震的孕育和发生起到重要作用。

7 结论

全面梳理、系统总结每一次显著地震的地震地质环境和震源参数及地震序列跟踪过程，尤其是震前出现并发现的地震活动及地球物理观测异常变化，对地震预测的科学研究具有重要意义。2020年巧家M_S 5.0地震震中与2020年度“四川道孚至云南永善7.0级左右年度地震重点危险区”相距约51 km，同时位于2020年5-7月全国地震概率预测图所示西南地区的相对高概率区附近。通过对巧家M_S 5.0地震震例的系统总结，得出以下结论。

（1）近30年来，巧家M_S 5.0地震震中附近发生多次5级以上地震，其中2014年8月3日鲁甸M_S 6.5地震距离最近，约20 km，但此次地震不是其余震。对巧家地震余震序列跟踪分析发现，主震与最大余震的震级差较大，且主震释放能量较高，判定该序列属主余型地震序列。

（2）巧家M_S 5.0地震发生在莲峰断裂和昭通-鲁甸断裂之间，余震序列呈NS向展布。多家研究机构利用不同方法给出此次5.0级主震的震源机制解，结果较为一致，且滑动角反演结果均显示此为走滑型地震。

（3）通过对此次巧家M_S 5.0地震前异常的梳理，发现映震异常有巧家震群、Benioff应变比、地震发生率、巧家电磁波、侏倭跨断层及多参数概率谱，且以中期异常为主，而巧家电磁波和侏倭跨断层可作为此次地震的短期异常。

本文撰写得到王海涛研究员的指导和鼓励，蒋海昆研究员、晏锐研究员、孟令媛研究员和闫伟高级工程师亦给予帮助，中国地震台网中心国家地震科学数据中心（http://data.earthquake.cn）提供数据支撑，在此对他们及中国地震台网中心预报部同事的辛苦工作，一并表示衷心感谢。