引言

受印度板块和青藏块体相互俯冲碰撞的强烈影响,云南地区现今地壳形变显著,构造运动明显,强震活动频繁,成为研究地质构造运动与地震活动之间关系的理想区域。

区域水准测量,作为经典的大地测量方法之一,具有覆盖面积大,精度高,历史资料丰富的特点,是研究区域地壳垂直形变特征不可或缺的手段(王庆良等,2008郭宝震,2016孙启凯等,2017)。使用GNSS连续站的形变资料,对区域水准资料处理过程中的误差进行约束,效果良好(黄立人等,2000)。由经过处理的水准资料得出的区域地壳形变高梯度带对未来强地震危险区的判定有重要作用,并在实践中得到了应用(张祖胜等,1996)。跨断层场地观测断层动态形变,有灵活性强、便于实施和实时监控、精度高、资料连续可靠的特点,利用跨断层观测资料分析断层及地壳形变与地震的关系取得了很多成果(薄万举等,1998张晶等,2011李腊月等,2016尹海权等,2018)。

本文利用云南地区1992—2016年的一等水准观测资料,从“面”上分析区域整体地壳垂直形变特征;利用20世纪80年代至今的跨断层观测资料,从“线”上分析断层活动特征。综合2种形变观测手段得出云南地区现今地壳形变的时空演化特征,提取共同的地壳形变异常区域,为区域地震危险性分析提供参考。

1 区域地质概况

在大地构造位置上,云南地区位于青藏高原的东南部及地震活动频繁的南北地震带南段,处于包括扬子板块和松潘—甘孜地块在内的多个构造单元拼合汇聚地带,经历了多期大规模的构造运动与岩浆活动,具有复杂的地质演化史,构造属性十分复杂。新生代以来,青藏高原受印度板块和亚欧板块俯冲碰撞的直接作用,形成“双地壳”,并伴随着强烈缩短增厚,进而快速隆升(Tapponnier等,2001许志琴等,2011Xu等,2016)。同时,因高原内部构造应力的不断积累,进而发生了同构造变形,其中部分物质和能量向NW、NE、SE等方向转移释放,形成了一系列晚新生代活动构造。受两大板块持续的拼合作用,青藏高原东南部的云南地区构造活动强烈,中强地震频繁,仅1970—2017年就发生6级以上强震30余次,并形成了特有的构造地貌和断裂带,如NW走向金沙江-红河断裂和澜沧江断裂、NE向的丽江-小金河断裂和南汀河断裂、近NS走向的小江断裂等等(图 1),也产出了许多研究成果(Burchfiel等,2003乔学军等,2004徐东卓等,2017a)。


图 1 研究区主要断裂带、跨断层监测场地及水准路线分布 Fig. 1 Distribution of the main faults, cross-fault monitoring sites and the leveling lines in the study area
2 水准资料处理及分析

共使用2期精密水准数据进行处理和分析,第一期在1992—1998年完成,第二期在2013—2016年完成,水准路线共形成5个闭合环,基本覆盖云南全境。使用的水准仪以及配套的标尺和尺台检验项目齐全,各项限差均符合规范要求,测量工作严格按照《国家一、二等水准测量规范》(国家测绘局,2006)执行。

采用了2个距离水准路线10km范围内的GNSS连续观测站的垂直形变速率(表 1)(王敏,2009),来对水准测量随着测线长度的增加而带来的系统误差进行约束。GNSS约束点垂直形变信息的获取,主要采用1GAMIT来获取区域和国际IGS测站的单日松弛解,再借助QOCA软件进行综合平差,进而利用IGS核心站求解相对于全球参考框架ITRF2005的相似变换参数,以获取ITRF下的单日松弛解和速度场(郝明,2012)。GNSS连续站稳定性好,观测环境合格,数据连续完整。分别利用单一假定基准(基岩点)和GNSS连续站约束进行平差,结果显示后者获得的误差分布相对均匀,而前者获得的误差随距离的增加而变大(苏广利等,2017)。结果表明,利用解算后的GNSS连续站的垂向运动速率,可有效抑制水准测量中的系统误差。

表 1 GNSS约束点的垂直运动速率 Table 1 The vertical deformation rates of GNSS constraint points

资料处理采用带有约束的线性速率模型平差法(黄立人等,2000郝明,2012),GNSS约束点分布相对均匀、时间序列包含在水准施测时段内、U分量时间序列结果线性良好,动态平差后的单位权中误差约1mm/km,水准测量数据整体精度良好。

在分析云南地区地壳形变特征时,鉴于区域强震多发,需排查及去除由强震导致的水准数据突变。地震产生的同震位移场和震后弛豫位移场,会对该区域的形变累积产生上升或下降的影响。为降低影响,利用王庆良等(2008)得出的震中距水准路线大于50km的地震所造成的影响小于0.5mm/a的结论,删除了1990—2016年间6级以上地震震中距小于50km的显著水准观测突跳值。

基于2期一等精密水准数据平差结果,利用GMT软件对区域地壳垂直运动速率和梯度进行图像绘制,结果显示滇西北和滇东偏南区域显示整体地壳隆升,滇南区域整体表现出地壳下沉的趋势。

(1)滇西北区域地壳整体显示隆升特征,垂向速率为2—3mm/a,与郝明(2012)研究结果1—3mm/a基本一致,与王庆良等给出的结果有所差异,主要与选择的平差方法及参考基准不同有关。值得注意的是在剑川—永胜附近出现1个异常隆起区,速率达到4—5mm/a,滇东偏南区域的通海—建水附近也存在1—2mm/a的隆升区,可能与该地区强烈的构造活动有关(图 2(a))。


图 2 云南地区地壳垂直形变等值线(a)和梯度图(b) Fig. 2 Contour map (a) and gradient map (b) of crustal vertical deformation in the Yunnan area

(2)位于滇南地区的思茅—勐海附近表现出地壳相对下沉的特征,沉降速率为-1—-2mm/a,与云南思芋和云南澜沧的GNSS连续站的观测结果一致(YNSM:-2.9mm/a,YNLA:-1.9mm/a),受印度板块和亚欧板块的相互作用,青藏高原内部物质和能量向南—南东向的运移受到印支—缅甸块体的阻挡,并受到深部应力作用,发生东西向的拉张是该地区沉降的主要原因。有研究认为该区域的主压应力方向为NNW—SSE或N—S,同时张应力方向为近EW,表现为区域上的拉张下沉(许忠淮等,1987);根据大地电磁测量、反射地震、折射地震综合解释分析认为,滇西南兰坪思茅盆地中轴构造带是西南“三江”地区继陆—陆碰撞、走滑、隆升之后正在发育的大陆裂谷系统,整体表现为下沉(王安建等,2013)。

(3)在滇西北的下关—永胜和滇中南的建水、普洱—景谷一带,存在地壳垂直形变速率的高梯度带(图 2(b))。由大面积水准计算得出的形变高梯度带在指示7级以上强震发生区域上,具有历史有效性。在滇南的普洱—景谷区域内发生了2014年景谷6.6级地震,恰好发生在第2期水准测量完成后1年内,但是该地震还不能解除区域多年无7级以上地震的危险。

3 跨断层资料处理及分析

云南地区的跨断层场地观测至今已有30余年,共有11处场地,分别为楚雄、峨山、建水、剑川、丽江、石屏、通海、下关、永胜、宜良和羊街,主要分布于红河断裂带、小江断裂带、曲江断裂带及其次级断裂上(表 2)。观测场地主要为流动观测,包括2条短水准和2条短基线测线,分别各有1条与断层直交和斜交的测线,以此来共同监测场地所跨断层的三维运动变化。观测周期为每月1期,并依据实际情况进行加密观测,数据连续且完整。

表 2 研究区跨断层场地概况 Table 2 Site situation of the cross-fault in the study area

对跨断层观测数据进行处理,首先消除干扰因素造成的异常大幅跳动,检验观测数据的连续性,对重复数据进行排除;然后对因缺测等原因丢失的空值数据采用线性插值法修补,得到完整连续的观测数据。采用公式(1)—(3)对观测数据进行计算分析,得到场地监测断层的三维运动状态。

$ \Delta S = \frac{{\Delta {L_1}{\rm{sin}}{\alpha _2} - \Delta {L_2}{\rm{sin}}{\alpha _1}}}{{\sin ({\alpha _2} - {\alpha _1})}} $ (1)
$ \Delta R = \frac{{\Delta {L_1} - \Delta S{\rm{cos}}{\alpha _{\rm{1}}}}}{{{\rm{sin}}{\alpha _1}}} $ (2)
$ \Delta H = \frac{1}{2}(\Delta {H_1} + \Delta {H_2}) $ (3)

其中,ΔH为水准垂直变化量(以上盘下降为正),ΔL为基线伸缩变化量(以伸长为正),ΔS为断层水平走滑量(两盘做顺扭运动为正),ΔR为断层水平张压变化量,α为是由断层线方向逆时针转动至测线方向重合或平行时的角度。当ΔS为正值时,断层右旋活动,ΔR为正值时,断层张性活动;若均为负值则表示断层活动方式相反(薄万举等,1998)。

采用MATLAB程序对原始观测数据进行曲线绘制,可知峨山、建水、剑川、石屏、下关和永胜场地现今均不同程度的表现出明显的异常变化现象(图 4);同样,对计算得到的三维活动量结果采用程序进行绘图,可知部分场地所跨断裂现今表现出了符合地质背景特征的运动方式;另一部分显示出区别于背景特征的运动特征,其中楚雄、剑川、永胜、峨山、建水和通海场地在张压特征上存在异常,同时,楚雄、剑川和永胜场地表现出了走滑运动异常(图 5)。


图 4 跨断层监测场地原始数据曲线 Fig. 4 The raw data curves of cross-fault monitoring sites

图 5 跨断层监测场地三维活动量曲线 Fig. 5 Three dimensional activity curves of cross-fault monitoring sites

(1)根据图 4原始观测曲线,滇西北区域的剑川、永胜、下关以及滇中的峨山、石屏和建水场地存在中短期异常变化。剑川场地的基线1-2从2016年6月出现大幅下降,累计幅度达到4.29mm;水准侧线也出现同步变化趋势,其中2-1水准在2016年出现大幅转折,由之前的快速下降转为大幅上升,至2017年4月已累计上升3.09mm,3-1水准同步转折,至2017年4月累计上升3.02mm。永胜场地的基线1-2 2016年12月至2017年4月出现急速拉升,幅度高达6.53mm。下关场地的基线1-2在2009年出现转折,由上升转为下降,至2017年4月下降幅度累计7.83mm,并出现加速下降趋势;水准1-2和3-2在2015年出现4.22mm的急速拉升,之后震荡至今。峨山场地的水准3-4从2016年9月份至今大幅下降7.66mm,水准1-2也出现同步变化。石屏场地的基线2-1从2016年初出现明显下降,累计下降1.67mm,最近有所恢复;水准2-1从2016年中出现大幅抬升,累计幅度1.27mm,近期有所恢复。建水场地的基线2-3从2016年初开始持续下降,至2017年4月有1.50mm;水准2x-3从2016年5月开始持续上升,变化明显。

(2)从图 5场地三维活动量曲线看,与其地质背景特征相比,张压特征存在异常的场地有楚雄、剑川、永胜、峨山、建水和通海,同时楚雄、剑川和永胜场地在走滑特征上也存在异常。楚雄场地2008年后表现出显著的左旋拉张特点,与其右旋挤压背景相反,但自2014年起其左旋拉张运动速率明显减缓。剑川场地表现为右旋走滑兼具挤压的运动特征,相背于左旋走滑兼具拉张的背景特征,其中垂直变化量2015年至2017年4月出现异常抬升变化;2011年后断层右旋剪切运动加速,水平走滑量出现了大幅抬升。永胜场地现今运动学特征为右旋兼具拉张,与其监测的程海断裂左旋挤压背景特征不一致,自2014年起其垂直位移活动曲线出现显著异常抬升,水平走滑位移量也显示稳步上升。曲江断裂上的峨山和通海场地现今表现为与背景特征一致的右旋剪切运动,但是张压量曲线表现出异常拉张的运动特点。其中,峨山场地水平剪切运动量在1998年后出现较大上升,之后表现为相对稳定的右旋走滑运动。通海场地在1992年后断层活动表现为张性活动,垂直位移量曲线发生转折;走滑分量在2003年出现较大下降,依然表现为右旋剪切运动,但断层走滑活动速率减小。建水场地现今表现出左旋剪切运动,与地质背景一致,其垂直位移量在1999年后发生趋势转折变化,断层活动显示出由挤压缩短运动转变为拉张的正断层运动方式。

4 讨论与结论

地震是区域应力长期积累、集中并最终引发应变能突然释放、岩石破裂的结果。目前,大面积精密水准测量目前仍然是垂直形变观测精度最高的手段,资料积累历史久,覆盖面积广,对于地壳垂直形变的持续性研究和地震研究有不可替代的重要意义;跨断层观测手段在多数强震发生前可出现不同程度的断层形变异常,震级越大异常越显著,如唐山7.8级、丽江7.0级以及芦山7.0级等地震前都观测到明显的加速、转折、突跳、阶跃等地球物理异常。

从“面”上看,利用1990—2016年2期精密水准观测资料,通过GNSS连续观测站的垂向速率进行约束平差,有效解决了水准路线过长引起的误差积累,获取了云南地区现今垂直形变场。结果显示,云南滇西北地区表现出地壳相对隆升,滇南地区呈现出相对下沉的特征。在地震预测分析中,利用大面积水准资料得出的地壳形变梯度带来分析7级以上强震发震地点具有一定准确性。通过震例分析发现,强震基本上均发生在形变曲线密集、形变梯度较高的地区(张祖胜等,1996)。文中获取的垂直形变图像结果显示,在滇西北的下关—永胜和滇中南的思茅—景谷一带存在地壳形变的高梯度带。其中,在思茅—景谷附近水准测量完成后1年发生了2014年景谷6.6级地震,但云南地区长时间无7级地震发生的背景仍存在,该区域依然存在中强地震发生的可能。

从“线”上看,整理云南地区30余年的跨断层观测资料,通过分析其原始观测曲线和三维活动量特征得出,原先在小江断裂带、红河断裂带和曲江断裂带共同汇聚的滇中南区域的峨山、通海、石屏和建水场地表现出的压性特征,现今表现出拉张的异常运动特点;滇西北区域的永胜、下关和剑川场地也表现出了一定程度的地壳形变异常特征,剑川断裂和程海断裂表现为水平反向异常变化特征,垂向运动特征也显示出大幅异常变化,下关场地的水准和基线观测数据同样出现异常变化。云南地区中强震发生前或震时,多数跨断层场地观测数据会出现异常变化,且部分场地所监测的断层会发生运动速率的陡变或转折,如孟连西7.3级,姚安6.5级,丽江7.0级地震震前和震时,部分场地就表现出了加速继承性和转折运动的变化特征(张兴华等,1996付虹等,1997李忠华等,1998王永安等,2011)。本文分析结果与上述成果具有相似性,可能代表下1次中强震前的地球物理异常。然而,地震预测研究的复杂性及不确定性依然存在。根据岩石压力破裂实验结果,其变形在时空上具有复杂多样的特点,大震前的不同时空范围上地壳形变也会有如此表现。整体而言,区域内跨断层观测场地依然稀疏,对主要构造带和危险区的覆盖程度远远不够,捕捉地壳形变信息会有一定随机性,但通过30多年的资料积累并结合震例统计来看,在强震前出现的异常会明显比无震时要多,云南地区2016年至2017年即出现了多于平时的大量地球物理异常。

地震活动性上,云南地区2015年至2017年存在4级以上中强地震偏少的背景,不符合区域以往地震活动特征,现今构造应力已积累较高。四川九寨沟7.0级地震对云南地区的地壳应力积累可能会产生影响(徐东卓等,2017b),九寨沟地震、汶川地震和芦山地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1次7级以上地震。然而具有相似地球动力学背景的南段已缺失7级以上地震近20余年,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。

本文基于云南地区1990s以来的一等水准观测资料和1980s至今的跨断层观测资料,得出了区域垂直形变场和主要断裂带的形变特征,从“面”和“线”上将二者有机结合,综合分析区域地壳整体形变时空演化特征,提取共同异常。综合得出,云南地区的滇西北和滇中南区域整体地壳形变和断层活动呈现出明显的异常变化特征,构造应力出现显著变动,应关注滇西北和滇中南区域中强震的危险性。

致谢: 对审稿专家的宝贵意见表示衷心的感谢。
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