云南地區(qū)GPS面膨脹格網(wǎng)異常動態(tài)變化與M≥5.0地震關(guān)系分析

徐聲鑫,王 巖,辜有啟

（云南省地震局,昆明 650041）

0 引言

云南地處印度板塊與歐亞板塊中國大陸碰撞帶東緣,地震活動頻度高、震級大、分布廣,屬于板緣、板內(nèi)地震混合型地區(qū)[1]。云南地區(qū)的地震活動背景與其特殊的區(qū)域構(gòu)造環(huán)境、地震成帶分布及斷裂帶的活動密切相關(guān)。地震的孕育、發(fā)生是一個極其復(fù)雜的、緩慢的過程,經(jīng)歷不同的發(fā)展階段[2]。GPS作為先進的測量手段,其24 h連續(xù)觀測的特點最大限度的滿足了地殼運動形變實時監(jiān)測的要求。隨著“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”的相繼建成和順利運行,為GPS觀測資料應(yīng)用于地殼活動性分析、地球動力學(xué)研究及地震預(yù)測預(yù)報奠定了基礎(chǔ)。

近年來,不少學(xué)者針對GPS連續(xù)觀測數(shù)據(jù)如何應(yīng)用于云南地區(qū)的地震預(yù)測預(yù)報進行了探索和研究,洪敏、王伶俐等基于早期觀測數(shù)據(jù),結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,通過理論研究和資料試算,對云南省GPS基準站數(shù)據(jù)處理不同參考基準進行了對比研究,最后選定位于華南塊體的文山GPS基準站作為云南GPS位移數(shù)據(jù)處理的參考基準,解決了全球框架下解算得到的位移因包含板塊自身運動,區(qū)域微動變化無法在塊體間相對運動中識別出來的難題[3-5]。邵德盛、洪敏等針對GPS在短臨預(yù)測方面應(yīng)用相對薄弱的問題,通過對點位移的深加工處理,提出了面膨脹綜合預(yù)測指標法[2,6],將GPS觀測結(jié)果應(yīng)用于地震短臨預(yù)測,并取得了較好的效果。

基于GPS連續(xù)觀測資料獲取的面膨脹參數(shù),物理意義明確,能直觀反映不同區(qū)域的張壓特性[7-8]。本文基于2011—2014年云南地區(qū)GPS連續(xù)觀測資料,利用高精度數(shù)據(jù)處理軟件（GAMIT/GLOBK）處理后獲得位移場。對位移場進行網(wǎng)格化插值獲得均勻分布于56個網(wǎng)格的位移場（圖1）。基于每個網(wǎng)格位移場時間序列求取其面膨脹時間序列,對去除趨勢項后的面膨脹時間序列,設(shè)定二倍標準差作為異常閾值。以2011年6月20日騰沖5.2級、2014年8月3日魯?shù)?.5級、2014年5月24、30日盈江5.6、6.1級和2013年3月3日洱源5.5級地震為樣本,對地震孕育過程中面膨脹格網(wǎng)異常的空間分布和時間尺度的變化走勢進行分析。

1 GPS數(shù)據(jù)處理與面膨脹格網(wǎng)異常提取

GPS數(shù)據(jù)處理采用了美國麻省理工學(xué)院（MIT）和加州大學(xué)圣地亞哥分校Scripps海洋研究所（SIO）研制的GAMIT/GLOBK軟件,該軟件因具有運算速度快、版本更新周期短、自動化處理程度高以及代碼開源性等特點被國內(nèi)外科研工作者廣泛應(yīng)用。采用與全球IGS解算數(shù)據(jù)進行聯(lián)合平差的方法,數(shù)據(jù)處理的基本流程是利用GAMIT軟件獲得“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”云南境內(nèi)28個基準站及中國大陸周圍15個IGS測站的區(qū)域單日松弛解。GAMIT計算中加入中國大陸及周邊地區(qū)的15個IGS站 ( BAN2、IRKT、KIT3、USUD、KUNM、BJFS、TSKB、TWTF、LHAZ、KHAJ、IISC、PIMO、URUM、SELE、WUHN) 在相應(yīng)時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)一并進行處理。完成GAMIT的計算之后,利用GLOBK軟件將SOPAC ( Scripps Or-bitaland Permanent Array Center )給出的全球單日松弛解和計算所得的“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”區(qū)域單日松弛解進行聯(lián)合平差計算。

在獲取了各個站點位移時間序列的基礎(chǔ)上,引入克里金插值方法對位移場進行格網(wǎng)化,該方法理論基礎(chǔ)嚴密,是一種線性、無偏、最優(yōu)的內(nèi)插估計算法,利用該方法進行應(yīng)變場的求解,其插值的優(yōu)越性已經(jīng)得到了充分的認可[9-10]。本文以1°×1°為單元把云南地區(qū)劃分成了56個格網(wǎng),把點位移內(nèi)插到這56個格網(wǎng)中,具體的格網(wǎng)編號與GPS站點分布見圖1。通過格網(wǎng)化的位移場按每個格網(wǎng)與相鄰格網(wǎng)組網(wǎng)的方式求取應(yīng)變場,可以獲得56個格網(wǎng)的應(yīng)變場參數(shù)時間序列[2,6,12],具體解算方法為:

在二維空間中,假設(shè)某個測點A與其無限接近的另外一點間的位移變化量為Δu、Δυ,設(shè)A點的應(yīng)變狀態(tài)分量為εx、εy、γxy,dx、dy為兩點間距離分量的變化量,ω為旋轉(zhuǎn)量,那么有[11]:

式(1)兩邊同時除兩點間距離,可轉(zhuǎn)變?yōu)榫€應(yīng)變與方位角之間的關(guān)系,每個格網(wǎng)點通過聯(lián)立與其他各個相鄰格網(wǎng)點的方程組,便可通過最小二乘法求解得到其應(yīng)變狀態(tài)分量εx、εy、γxy,進一步可以計算其他的應(yīng)變參數(shù),包括最大剪應(yīng)變、面膨脹等參數(shù)[12]。面膨脹Δ計算公式為[7,12]:

圖1 云南地區(qū)GPS連續(xù)站、格網(wǎng)劃分結(jié)果及2011—2014年M ≥5.0地震分布圖Fig.1 Results of GPS continuous stations and grid division results in Yunnan area and the distribution of earthquakes with M≥5.0 earthquakes from 2011 to 2014

根據(jù)以上計算,可獲取56個格網(wǎng)的面膨脹時間序列。從長趨勢運動背景看,不同區(qū)域的應(yīng)變場存在不同的變化速率。張壓特性的長趨勢活動對于了解地殼運動的總體特征是有效的信息。但是,在震前較短的時間段內(nèi),更需要獲取在長趨勢變化背景下的短期異常波動,因此,必須先對所有格網(wǎng)的面膨脹時間序列進行去趨勢處理[2,6]。本文采用的是線性去趨勢方法,去除應(yīng)變時間序列中的線性趨勢項,并劃定二倍標準差線作為單條面膨脹曲線的異常指標線[2,6]。圖2為34號格網(wǎng)的面膨脹時間序列圖,其中圖2(a)顯示該格網(wǎng)存在一定的趨勢拉張,年拉張速率為0.90×10-8,Rms為±0.83。通過去除趨勢項,并設(shè)定二倍標準差作為異常閾值,上下限差分別為:2.0×10-8和-1.4×10-8。由圖2(b)可以明顯看到該格網(wǎng)在盈江MS5.8、騰沖MS5.2、德欽MS5.1和MS5.9、盈江MS5.6和MS6.1級地震前均有較好的前兆異常出現(xiàn)。

圖2 34號格網(wǎng)面膨脹時間序列圖Fig.2 Expansion time series of No 34 grid

2 震例分析

2011—2014年云南地區(qū)（21°～28.5°N,97°～105°E）共發(fā)生M≥5.0地震17次（其中M≥6.0占3次,5.5≤M＜6.0占8次,5.0≤M＜5.5占6次）,震中分布見圖1。地震主要分布于小滇西—滇西—滇西北、滇東北、滇西南等地。通過對17個地震發(fā)生前的GPS面膨脹格網(wǎng)時序進行分析發(fā)現(xiàn),在各地震發(fā)生前短時間內(nèi),均存在一定數(shù)量的異常格網(wǎng),但地震前的異常格網(wǎng)數(shù)量及分布特征存在一定的差異?？紤]到篇幅所限,本文重點對2011年6月20日騰沖5.2級、2014年8月3日魯?shù)镸S6.5級、2014年5月24、30日盈江MS5.6、MS6.1級和2013年3月3日洱源MS5.5級地震進行了分析。為了直觀的表征地震前面膨脹格網(wǎng)異常動態(tài)變化特征,我們以4 d為窗長,分別繪制不同時間節(jié)點的面膨脹異常格網(wǎng)變化情況圖。

2.1 2011年6月20日云南騰沖5.2級地震

2011年6月20日18時16分,云南省保山市騰沖縣(25.1°N,98.7°E) 發(fā)生5.2級地震。震前面膨脹異常格網(wǎng)變化情況如圖3所示。

圖3 2011年6月20日云南騰沖5.2級地震前面膨脹格網(wǎng)異常動態(tài)變化Fig.3 Anomalous dynamic changes of the surface expansion grid before the Tengchong MS5.2 earthquake in Yunnan on June 20th,2011

從面膨脹格網(wǎng)異常的變化趨勢可以看出,面膨脹異常格網(wǎng)首先出現(xiàn)在滇中的新平—墨江（異常格網(wǎng)橫跨了楚雄—建水斷裂帶與紅河斷裂帶）、滇南的勐臘及境外的老撾地區(qū)（圖3（a））。此后小滇西的瑞麗—騰沖—施甸,滇西南的耿馬—瀾滄及鄰近區(qū)域的面應(yīng)變異常格網(wǎng)有一個顯著增強的過程（圖3（b）～ 3（e））,該過程一直持續(xù)至6月2日左右,此時云南地區(qū)的異常格網(wǎng)數(shù)量最多,達18個（圖3（e））,此后短期內(nèi)該區(qū)域異常格網(wǎng)數(shù)量迅速減少,至6月10日左右達到最少,此時云南地區(qū)只剩4個格網(wǎng)（圖3（g））。6月14日開始,云南地區(qū)的異常格網(wǎng)有少量增加（圖3（h）～ 3（j））,至6月20日騰沖MS5.2級地震發(fā)生時,云南地區(qū)共存在6個異常格網(wǎng),主要分布楚雄—新平和云龍—施甸—耿馬—思茅等地,總體呈正“U”字型分布,騰沖MS5.2級地震位于“U”字型邊緣,未發(fā)生在異常格網(wǎng)內(nèi)部（圖3（j））。值得注意的是,整個過程中新平附近的異常格網(wǎng)一直存在。

2.2 2014年8月3日云南魯?shù)镸S 6.5級地震

2014年8月3日16時30分,云南省昭通市魯?shù)榭h(27.1°N,103.3°E)發(fā)生6.5級地震。震前面膨脹異常格網(wǎng)變化情況如圖4所示。

圖4 2014年8月3日云南魯?shù)镸S 6.5級地震前面膨脹格網(wǎng)異常動態(tài)變化Fig. 4 Anomalous dynamic changes of the surface expansion grid before the Ludian MS 6.5 earthquake on August 3rd,2014

根據(jù)以上計算,可獲取56個格網(wǎng)的面膨脹時間序列。從長趨勢運動背景看,不同區(qū)域的應(yīng)變場存在不同的變化速率。張壓特性的長趨勢活動對于了解地殼運動的總體特征是有效的信息。但是,在震前較短的時間段內(nèi),更需要獲取在長趨勢變化背景下的短期異常波動,因此,必須先對所有格網(wǎng)的面膨脹時間序列進行去趨勢處理[2,6]。本文采用的是線性去趨勢方法,去除應(yīng)變時間序列中的線性趨勢項,并劃定二倍標準差線作為單條面膨脹曲線的異常指標線[2,6]。圖2為34號格網(wǎng)的面膨脹時間序列圖,其中圖2(a)顯示該格網(wǎng)存在一定的趨勢拉張,年拉張速率為0.90×10-8,Rms為±0.83。通過去除趨勢項,并設(shè)定二倍標準差作為異常閾值,上下限差分別為:2.0×10-8和-1.4×10-8。由圖2(b)可以明顯看到該格網(wǎng)在盈江MS5.8、騰沖MS5.2、德欽MS5.1和MS5.9、盈江MS5.6和MS6.1級地震前均有較好的前兆異常出現(xiàn)。

2.3 2014年5月24、30日 盈 江MS 5.6、MS 6.1級地震

2014年5月24日4時49分,云南省德宏州盈江縣（25.0°N,97.8°E）發(fā)生5.6地震。5月30日9時20分,震區(qū)（25.0°N,97.8°E）再次發(fā)生6.1地震。震前面膨脹異常格網(wǎng)變化情況如圖5所示。

圖5 2014年5月24、30日盈江MS 5.6、MS 6.1級地震前面膨脹格網(wǎng)異常動態(tài)變化Fig.5 Abnormal dynamic changes of the surface expansion grid before the MS5.6 and MS 6.1 earthquakes in Yingjiang on May 24th and 30 th, 2014

從面膨脹格網(wǎng)異常的變化趨勢可以看出,2014年4月23日時,云南地區(qū)存在較多的異常格網(wǎng),共10個,主要分布在云龍—施甸及境外的緬甸等地（圖5（a））,此后,異常格網(wǎng)一直存在。從5月1-24日盈江MS5.6級地震時,云龍—施甸地區(qū)的異常格網(wǎng)有所減少,小滇西的瑞麗、滇西南的勐?！济ⅠR、滇中的昆明—通海、境外的緬甸等地異常格網(wǎng)有所增加（圖5（c）～ 5（h））。至5月24日盈江MS5.6級地震發(fā)生時,云南地區(qū)的異常格網(wǎng)數(shù)量達到最多,有15個,5月24日盈江MS5.6級地震發(fā)生在異常格網(wǎng)集中區(qū)的北部邊緣地帶（圖5（h））。從5月24日盈江MS5.6級至5月30日盈江6.1級地震期間,云南地區(qū)的異常格網(wǎng)數(shù)量有所減少,滇中的昆明-—通海等地的異常格網(wǎng)消失,盈江MS6.1級地震發(fā)生時云南地區(qū)的異常格網(wǎng)為14個,主要集中分布于滇西南的騰沖—耿馬—思茅—勐海及境外的緬甸等地（圖5（h）～ 5（j））。5月30日盈江MS6.1級地震發(fā)生在異常格網(wǎng)集中區(qū)的北部邊緣地帶（圖5（j））。值得注意的是,兩個地震發(fā)生在同一個位置,但都未發(fā)生在異常格網(wǎng)集中區(qū)內(nèi)部,而是位于異常區(qū)邊緣地帶（圖5（h）和 5（j））。

圖6 2013年3月3日洱源5.5級地震前面膨脹格網(wǎng)異常動態(tài)變化Fig.6 Abnormal dynamic changes of the surface expansion grid before the Eryuan MS 5.5 earthquake on March 3rd, 2013

2.4 2013年3月3日洱源MS 5.5級地震

2013年3月3日13時41分,云南省大理州洱源縣（25.9°N,99.7°E）發(fā)生5.5地震。震前面膨脹異常格網(wǎng)變化情況如圖6所示。

從面膨脹格網(wǎng)異常的變化趨勢可以看出,從2013年2月15日至2月23日,云南地區(qū)面應(yīng)變異常特征不明顯,僅滇西北的中甸—麗江地區(qū)存在1個格網(wǎng)（圖6（a）～ 6（b））。此后該地區(qū)的異常格網(wǎng)數(shù)量有少量增加,到2月27日時,增加到3個（圖6（c））。接著異常格網(wǎng)數(shù)量又開始減少,到3月3日洱源MS5.5級地震發(fā)生時只剩1個,洱源5.5級地震發(fā)生在異常格網(wǎng)邊緣（圖6（d））。

3 討論

地震發(fā)生雖需能量積累,但能量積累到一定程度后,其觸發(fā)應(yīng)是由某些異常變化所引起[2]。如果地震發(fā)生前存在區(qū)域應(yīng)力場調(diào)整的情況,那么可能出現(xiàn)背離長趨勢的地殼形變過程,此類形變過程則是地震發(fā)生前重要的異常信號[2,6]。局部形變異常的提取通過應(yīng)變方式比較有效,面膨脹參數(shù)直接反映了各個格網(wǎng)受到的擠壓和拉張強弱程度,反映該區(qū)域的應(yīng)變積累狀態(tài),可作為分析地震危險性的主要指標。

通過上面的震例分析我們發(fā)現(xiàn),在5次地震發(fā)生之前的一段時間內(nèi),云南地區(qū)都或多或少的出現(xiàn)了一定數(shù)量的異常格網(wǎng),但異常格網(wǎng)的數(shù)量存在一定的差異,騰沖MS5.2、魯?shù)镸S6.5、盈江MS5.6、MS6.1地震前多,洱源5.5相對較少。在地震發(fā)生前異常格網(wǎng)數(shù)量都經(jīng)歷了“出現(xiàn)—增多—減少”的動態(tài)變化的過程。從地震的震中位置和異常格網(wǎng)的分布狀況來看,異常格網(wǎng)大部分均集中分布在震中附近區(qū)域,這對地震發(fā)震地點具有較好的指示意義,但5次地震震中都沒有位于異常格網(wǎng)內(nèi),而是位于異常格網(wǎng)邊緣,是否意味著地震更容易發(fā)生在異常變形區(qū)域的邊緣地區(qū),值得思考。

4 結(jié)論

本文通過對2011～2014年云南地區(qū)28個GPS連續(xù)站的點位資料進行深加工,獲取面膨脹格網(wǎng)時間序列,對每個網(wǎng)格的面膨脹時間序列進行線性去趨勢處理,設(shè)定二倍標準差作為異常閾值。以2011年6月20日騰沖MS5.2級、2014年8月3日 魯 甸MS6.5級、2014年5月24、30日盈江MS5.6、MS6.1級和2013年3月3日洱源MS5.5級地震為樣本,對地震孕育過程中面膨脹格網(wǎng)異常的空間分布和時間尺度的變化走勢進行分析,主要形成以下認識:

(1) 5次地震前云南地區(qū)的面膨脹異常格網(wǎng)存在較大區(qū)域的動態(tài)變化,且震前面膨脹異常格網(wǎng)相對集中,因此,面膨脹異常格網(wǎng)分布相對集中的區(qū)域可作為未來地震發(fā)生地點的參考性指標；

(2)從5次地震的震中位置和異常格網(wǎng)的分布狀況來看,5次地震震中都沒有位于異常格網(wǎng)內(nèi),而是位于異常格網(wǎng)邊緣,這表明面膨脹異常區(qū)邊緣可能更加危險。具體原因有待進一步的研究。

致謝:本文所采用的GPS數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析軟件來源于云南省地震局形變測量中心,審稿專家提出了寶貴的修改意見,在此表示衷心感謝。