利用断层活动协调比方法分析云南现今地壳应变积累

徐东卓, 塔 拉, 罗三明, 朱文武, 王世进, 尹海权

(中国地震局第一监测中心, 天津 300180)

0 引言

云南地区位于南北地震带南段,青藏高原的东南部,多个板块拼聚于此,形成了现今构造属性复杂的大地格局。受板块间强烈的互相作用,使得区域地壳形变明显,历史强震频繁,且随着南北地震带中北段四川九寨沟7.0级地震的发生,南北带可能存在应力调整,而处于地震带南段近年来缺少中强地震的云南地区震情形势发展则愈加受关注。

跨断层形变监测应用于地震研究与预测预报在我国已开展了四五十年,是一种历史久、精度高、资料积累丰厚,且效果良好的大地测量方法之一[1-4]。在利用跨断层监测资料分析研究地壳形变、应力积累変化、断层活动状态和地震危险性分析方面建立了许多可靠的理论、方法和模型[5-6],其中断层活动协调比方法在分析区域断层活动状态、应力应变积累和地震危险性上具有积极有效的作用[7]。本文基于云南地区11处跨断层形变监测场地资料,利用断层活动协调比方法来分析区域断层的应变状态和震情,为九寨沟7.0级地震后该区域的地震危险性预测提供一定参考。

1 区域构造背景

云南地区位于青藏高原的东南缘,南北地震构造带的南段,川滇菱形地块南部,大地构造位置上处于扬子板块、松潘—甘孜地块、兰坪—思茅地块、印度板块等多个不同构造单元的拼合汇聚地带,经历了多期次大规模的构造运动与岩浆活动,构造属性复杂。北西—南东走向斜贯全区的金沙江—红河断裂带比较清楚地划分出东西两大部分(图1)。东部主体属于扬子准地台的西缘或准地台古生代增生部分;西部则分属唐古拉—昌都—兰坪—思茅褶皱系和冈底斯—念青唐古拉褶皱系。新生代以来,伴随着印度板块和亚欧板块之间强烈的持续至今的拼合作用,区域地壳形变和断裂活动强烈,地震活动频繁,仅1970—2017年就发生6级以上强震30余次。很多学者对此区域开展了研究,并取得了大量成果[8-11]。

2 跨断层监测概况

云南地区的跨断层监测场地自1982年一直持续观测至今,已有30余年。现有的11个跨断层监测场地均为水准、基线配套场地,通过这种组合方式来共同监测场地所跨断层的三维运动变化。每个场地均布设有两条测线与断层正交和斜交,测线测边从数十米到几百米不等。水准和基线测量使用的仪器及作业方式严格按照《国家一二等水准测量规范》执行[12],保证了观测数据真实可靠。11处流动观测场地分别是楚雄、峨山、建水、剑川、丽江、石屏、通海、下关、永胜、宜良和羊街(图1),主要分布于金沙江—红河断裂带、小江断裂带、曲江断裂带及其次级断裂(剑川断裂、洱海断裂、通海—峨山断裂、建水—石屏断裂、丽江断裂)上(表1)。场地的观测周期基本是每月1期,如遇震情,会半月加密1期,数据连续且完整。

3 数据处理及分析

为保证数据的可靠性和可用性,将收集到的云南地区11处流动跨断层监测场地30余年的观测数据进行预整理,剔除误差和干扰产生的不真实数据,对数据格式做统一标准化处理。首先,去除跨断层观测数据中明确因人为或环境干扰引起的突跳变化,检验观测数据的连续性,剔除重复的数据;然后,对于周期观测中因特殊原因缺测的数据采用线性插值法补齐,得到统一周期、可靠的形变数据。对数据的处理分析采用以下方法。

区域内的跨断层场地同时布设有基线和水准测线,可采用以下3个公式来计算断层活动的三维活动量:

图1 研究区主要断裂带及跨断层监测场地分布图Fig.1 Distribution of main faults and cross-fault monitoring sites in the study area

表1 研究区跨断层监测场地概况

(1)

其中:ΔH为水准垂直变化量(以上盘相对于下盘的下降为正);ΔL为基线伸缩量(以伸长为正);ΔS为断层活动水平走滑量(两盘做顺扭运动为正);ΔR为断层活动水平张压量;α是由断层线方向逆时针转动至测线方向重合或者平行时的角度。当ΔS为正值时,表示右旋活动,ΔR为正值时,表示张性活动;若均为负值则表示断层活动性质相反[2]。

当断层活动处于刚性无障碍自由蠕滑状态时,若引起断层活动的构造动力学背景一成不变,则断层活动的蠕滑方向也不会产生变化,就会处于一种相对稳定状态,其运动应满足以下关系式:

(2)

式中:C1、C2和C3为任意两个活动参量之比,均为常数;分别将f1、f2和f3定义为断层活动三维参数之间的协调比。当断层活动协调比偏离原来正常值时,在排除了非构造活动干扰情况下认为断层活动受阻,断层蠕动偏离了正常运动状态或产生闭锁,表明断层活动存在一定的应变积累。当断层突破了临界值或者屈服强度就会发生地震,震后随着能量的释放,断层活动又趋于刚性模式,协调比又回归正常的稳定形态[7]。

基于得出的云南地区跨断层监测场地的断层三维活动量参数,利用程序计算得出了断层活动协调比参数(图2),分析结果如下:

楚雄场地[图2(a)]的断层活动协调比整体上表现出两端趋势平稳,协调一致的特征,显示断层活动在这两个时期均符合无障碍滑动特征,无显著应变积累,为正常的断层活动状态。在协调性不好、较为离散的中间时段,发生了多次5～6级以上的地震,协调比图形变化与震例有较好的一致性。说明断层在这一时段运动状态发生了不同于背景特征的改变,应力状态发生异常变化。现今来看,楚雄场地所监控断层运动状态符合常态,无异常活动特征。

峨山场地[图2(b)]从图形看,在1988—1998年期间,该场地的协调比出现背离趋势的离散现象,且对应了几次6级以上震例。丽江7.0级地震前7年协调比开始出现离散现象,断层应力开始积累,震后3年内同样具备离散特征,之后协调比慢慢调整至正常水平,断层活动恢复正常。现今来看,峨山场地所监控断层运动状态符合常态,无异常活动特征。

建水场地[图2(c)]的协调比图像整体上较为分散,断层活动显得杂乱无规律,但是在离散程度较高的时段内,还是对应了5～6级地震的发生。这种无序杂乱的现象是由于非构造因素造成,还是场地本身布设与断层关系不清晰,还需进一步研究。近期的建水场地协调比依然表现出一定程度的背离现象。

石屏场地[图2(d)]从图形上看,大体显示出两个时段的离散现象,前一时段(1997—2002年)对应了几次6级以上地震,断层活动强烈;后一时段的协调比失调从2015年开始,持续至今,断层活动表现出异常特征,应变积累现象明显。前一地震多发时段共持续5年,关注现今时段后三年的变化。

丽江场地[图2(e)]的原始观测曲线,在丽江7.0级地震前后发生巨幅变化,震前观测曲线较为平稳,震后断层活动速率大幅抬升。在协调比图像来看,同样变化形态差异较大:震前的协调比出现偏离,离散化现象明显,显示断层活动存在显著应变积累和应力集中;震后协调比迅速转至正常轨道,恢复正常趋势,表明库仑应力得到较大释放,断层活动回到正常水平,持续至今。

永胜场地[图2(f)]整体协调比的离散变化与6.5级以上震例对应关系较好。在丽江7.0级地震前出现了两个时段的协调比失调现象。第一时段出现在1988—1993年期间,未发生较大地震;第二时段(1995—1997年)出现在第一离散阶段结束的两年平稳期后,并在此阶段发生了丽江地震。1997年后协调比恢复正常趋势,断层活动也恢复正常状态。近期该场地依然表现出平稳协调的特征。

通海场地[图2(g)]2002年前协调比表现出离散现象,说明断层活动加剧,存在应变积累和应力变化,并且对应了多次6～7级地震。2002年后协调比恢复协调一致的正常变化趋势,断层回到正常运动状态。近期,未出现异常离散现象。

剑川场地[图2(h)]的协调比图像显示离散变化与震例有较好的对应关系。第一个离散时段持续时间较长,对应了包括丽江地震在内的多次6级以上地震;第二个离散阶段从2008年持续至今,断层活动状态发生改变,应变积累显著,后续值得关注。

羊街场地[图2(i)]与宜良场地[图2(j)]同处于小江断裂带,从两者的协调比图像来看,历史震例与图像离散现象均有不同程度的对应关系。现今协调比较为平稳一致,无明显离散现象,说明断层活动维持正常活动状态。下关场地[图2(k)]的断层活动协调比时序图像显示,该场地历史映震情况一般,现今f1、f2和f3各自协调比表现为平稳一致,协调度较好的现象,断层无应变积累。

综合每个场地的断层活动协调比结果来看:

(1) 通过断层活动协调比时序图像来看,云南地区历史上对6～7级以上地震映震情况较好的跨断层监测场地有丽江、永胜、剑川、楚雄和建水。

(2) 从近期协调比特征来看,可将云南地区跨断层流动场地分为断层活动正常场地和异常场地。正常场地有楚雄、峨山、永胜、丽江、通海、羊街和宜良;异常场地包括建水、石屏和剑川。协调比时序曲线出现两次或者多次离散现象,且都对应了震例的场地,多次离散的间隔可作为下一次离散或者发震时间的参考。

图2 跨断层监测场地断层活动协调比时序图Fig.2 Sequence diagram of fault motion coordination ratio of cross-fault monitoring sites

(3) 根据区域内跨断层场地的协调比显示的现今断层运动状态可分为有应变积累和无应变积累。有应变积累的断裂有剑川断裂、石屏—建水断裂;无应变积累的有小江断裂、红河断裂、丽江断裂、楚雄断裂、程海断裂和曲江断裂等。

4 讨论及结论

断层活动协调比参数可帮助判识断层活动的性质。当协调比处于正常水平、协调一致时,断层即表现为无应变积累的自由蠕滑。反之,基线、水准观测曲线波动并无太大异常,而协调比出现离散、偏离的显著变化时,可认为是地震前兆异常,可能与地震活动相关[7]。根据计算得出的断层活动协调比时序图像结果,云南地区近期存在协调比出现离散、偏离的显著变化异常的跨断层监测场地有剑川、石屏和建水场地,存在应变积累、断层活动出现异常的断裂有剑川断裂和石屏—建水断裂。

通过区域跨断层监测场地的原始数据曲线和三维活动量曲线来看,滇西北地区的剑川、下关和永胜以及滇中地区的峨山、石屏和建水场地均存在异常表现。楚雄、剑川和永胜场地所跨断层在走滑和张压特征上都表现出跟背景特征相背的现象。峨山、建水和通海场地所监测的断层在走滑性质上与地质背景相符,在张压性质表现出反向异常。通海—峨山断裂现今运动特征表现出相同于地质背景的右旋走滑和相反于地质背景的拉张运动。石屏—建水断裂建水段现今依然是左旋走滑,但是张压性质发生反转,表现出张性运动的活动特点[13]。

云南地区2015年至今存在长时间缺少4～5级以上中强地震的背景,不符合区域历史以往地震活动特征,现今构造应力已积累较高。在印度板块俯冲拼合到亚欧板块之时,其东北和西北的两大犄角作为两大强着力点,直接造成了喜马拉雅弧东西构造结附近区域强烈的构造变形和地震活动,并且东西构造结的强震活动具有一定准同步特征。通过震例统计,兴都库什地区发生7级以上中深源地震后,后期东构造结—云南地区会对应7级以上地震的发生。2016年兴都库什地区再次发生阿富汗7.1级地震,指示东构造结—云南地区还会有7级地震发生的可能。缅甸弧的中深震与后期川滇地区7级地震也存在对应关系。2016年分别发生了中深源的MW6.9和MW6.8地震,指示后续云南地区仍存在强震的可能。

四川九寨沟7.0级地震发生对云南地区的地壳应变可能会产生影响。九寨沟地震震中及极震区位于南北地震带北段,东昆仑断裂带东端,此次地震分别距离汶川地震和芦山地震有9年和4年有余,这三次强震均位于南北地震带中北段,近些年该区域平均4～5年发生一次7级以上地震。然而具有相同动力学背景的南段距离最近的丽江7.0级地震已有二十余年未发生7级以上地震,伴随着九寨沟地震的发生,应力可能会加速在南北地震带南段积累。

综合以上分析认为:

(1) 通过断层活动协调比时序图像来看,云南地区历史上映震情况较好的跨断层监测场地有丽江、永胜、剑川、楚雄和建水;近期存在异常的跨断层监测场地有剑川、石屏和建水场地;存在应变积累、断层活动出现异常的断裂有剑川断裂和石屏—建水断裂。

(2) 结合跨断层原始观测数据和三维活动量结果,综合认为云南地区地壳形变异常区域分布在滇西北地区的剑川、下关和永胜以及滇中地区的峨山、石屏和建水附近。

(3) 结合地震活动性资料,综合认为四川九寨沟7.0级地震后,南北地震带南段应力可能会加速积累,云南地区的中强震危险性增加,应加强关注。