0 引言

断层形变是地壳形变最直观、最显著的表现方式。绝大多数的构造地震与断层活动直接相关。自20世纪70年代开始，云南省地震局就开展了跨断层测量，80年代初经过场地改造后，资料相对稳定，积累时间较长，观测精度较高，在云南省内多次破坏地震前均出现了异常变化，为日常地震危险性的跟踪提供了重要判据(王永安等，2004；刘强，2005、2010)。跨断层形变测量资料分析应用有多种方法，其中断层协调比参数概念，是张晶等基于系统论的观点提出的，系统论观点认为系统是稳态—非稳态—新稳态的自组织过程，而断层协调比参数可以用来捕捉潜在震源区断层应变积累状态，从而识别系统是否处于稳态，对区域地震危险性做出判定。众多研究成果也表明断层周边强震发生前，其活动协调比偏离背景，呈现非稳态变化，地震后逐渐恢复稳定形态(张晶等，2011；李瑞莎等，2013；李文静，2014)。由于协调比离散变化持续时间长短不一，有的可达十多年，因此以往研究多是对断层应力积累有一定的判定，而在时间尺度上难以把握。假设离散变化幅度反应了断层趋于不稳定的程度，也就是协调比参数越离散，断层越不稳定，发震概率越高，统计类比协调比离散度高的时段与地震的关系，有可能在地震中期短期判定中取得一些突破。基于此，本文对云南省内所有跨断层场地进行了协调比计算，旨在通过全时空的扫描，给出客观的映震情况，以期对后续地震趋势判断提供有力支撑。

1 断层协调比方法

张晶等(2011)提出断层活动协调比概念。以x轴为断层走向，y轴为垂直于断层走向的水平方向，z轴为垂直向上方向，建立三维直角坐标系，在xyz坐标系中，断层运动增量分别为走滑分量a、拉张分量b和垂直分量Δh，定义2个变量之比f₁、f₂、f₃为断层活动协调比参数，即

$ \left\{ \begin{array}{l} {f_1} = \frac{{\Delta y}}{{\Delta x}} = \frac{b}{a}\\ {f_2} = \frac{{\Delta z}}{{\Delta x}} = \frac{{\Delta h}}{a}\\ {f_3} = \frac{{\Delta z}}{{\Delta y}} = \frac{{\Delta h}}{b} \end{array} \right. $

(1)

式中，走滑分量a、拉张分量b和垂直分量Δh可由下式求得

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {a = \frac{{\left( {\Delta {l_1} - {H_1} \cdot \Delta {H_1}/{l_1}} \right){\rm{sin}}{\alpha _2} - \left( {\Delta {l_2} - {H_2} \cdot \Delta {H_2}/{l_2}} \right)\sin {\alpha _1}}}{{\sin {\alpha _1}\cos {\alpha _2} - \sin {\alpha _2}\cos {\alpha _1}}}}\\ {b = \frac{{\Delta {l_1} - {H_1} \cdot \Delta {H_1}/{l_1} + a \cdot \cos {\alpha _1}}}{{\sin {\alpha _1}}}}\\ {\Delta h = \frac{{\Delta {H_1} + \Delta {H_2}}}{2}} \end{array}} \right. $

(2)

其中，l₁、l₂分别为跨断层观测的2条基线测值，H₁、H₂分别为两条水准测值，Δl₁、Δl₂、ΔH₁、ΔH₂分别为基线水准改变量，α₁、α₂分别为2条基线与断层走向的夹角，Δh为断层上盘相对于下盘的垂直升降量。将式(2)代入式(1)便可求得断层协调比参数。当断层处于无障碍或障碍引起的摩擦力很小、断层为准匀速状态蠕动时，应变积累很低，协调比基本接近一个常数。而当地壳应力状态发生改变，断层有显著应变积累或断层闭锁时，断层协调比偏离稳定值。因此可以通过断层活动协调比参数推断断层应变积累状态(李瑞莎等，2013)。

根据前人研究，水准和基线的改变量与初始状态相关性较大，选择不同期的基线水准观测结果作为初始值所得出的协调比参数差异性极大，这样计算得到的协调比数值在物理意义上为从该期到观测日期时段的“平均协调比”。为了保证协调比计算结果的唯一性，我们选择了两期差分值为基线水准改变量。这样计算的任一期协调比结果是从上期观测到本期观测时段的断层活动协调比，该协调比可以认为是断层活动的“瞬时协调比”(李瑞莎等，2013)，且计算出的断层协调比具有唯一性。由于采用了此种计算方式，我们能较好地把握断层协调比的短期变化，使得后续进行中期甚至短期的地震预测成为可能。

本文以协调比3倍标准差为阈值，2次异常间隔时间小于等于6个月记为一组，同一场地2个或以上协调比参数同一时段(不超过3个月)出现异常认为出现单测点准同步，不同场地2个或2个或以上协调比参数同一时段(不超过3个月)出现异常认为出现多测点准同步，统计分析协调比单测点单项异常、单测点和多测点准同步异常与云南省内M≥6地震关系。

2 测点概况及震例选取

云南地区跨断层测量始于20世纪70年代，均为流动观测点，周期为1~2个月，现有11个场地的46条跨断层测边正在观测，测点大多布设在田地中，地形相对平坦，丽江、剑川、通海的测点位于山上，寻甸羊街、石屏的基线测段跨过公路，施测有一定的困难，但场地的地形和交通条件基本达到要求。场地分布在以小江断裂为东边界、红河断裂为西边界的川滇菱形块体南部及边界上。11处观测场地中，除宜良场地为1997年开始观测，其余10个场地均从1982年就开始观测，稳定性较好，观测资料完整，连续性好，无缺数情况，年动态特征清晰，信息反映能力较强。因此，本文研究数据时段为观测以来至2018年10月。

自1982年以来，云南省内共发生M≥6地震17次，其中，10次地震发生在川滇菱形块体内部及边界，7次发生在红河断裂以西区域。跨断层场地分布与地震关系如图 1所示。从图 1可以看出，地震分布比较离散，8次地震分布距离跨断层场地较远，可能难以分析异常与地震关系。由于断层协调比参数反映的主要是构造本区的断层活动状况(至多影响相邻构造断裂)，因此在进行异常与震例统计时，异常所对应的震例选取范围参照《中国震例》(陈棋福等，2002)标准，6级地震震中距≤300km，7级地震震中距≤500km。下文提到的与云南省内M≥ 6地震的对应关系均参照该统计范围。

3 跨断层“瞬时协调比”计算结果与分析 3.1 协调比异常时段与气象关系

由于自身属性，形变测量容易受到仪器、人为因素、环境因素等的影响。跨断层流动测量采取每月复测方式，观测人员经验丰富，每期测量均对仪器进行校验检查，仪器和人为操作干扰很小，可忽略不计。环境因素方面，除下关场地受到水泥厂生产作业影响外，其他部分场地虽然周围有车辆通行，但均不影响观测环境。根据前人研究，在自然环境对观测影响方面，对跨断层位移测量影响最大的环境参数是地湿度与地温度两大干扰源(游丽兰等，1987)，对同一场地，地温度主要受气温影响，地湿度主要受降雨影响，气温和降雨与所处季节密切相关，为了得出所计算出的协调比异常主要是构造运动引起，而非气温、降雨造成的干扰，本文分析了协调比异常出现时段所在月份及降雨情况，并对相关性做了研究。

经过计算，自1982年观测以来，11个跨断层场地协调比超过阈值的异常总共出现285次，每个月份出现次数如图 2所示。建立假设“协调比异常频次分布以相同概率发生”，将每月协调比异常频次进行单样本卡方检验，其P值=0.243，大于显著性水平0.05，故接受原假设，认为协调比异常分布在每个月份的概率是相同的。

在与降雨关系方面，通过分析协调比异常所在月降雨量与该场地平均月雨量的关系，可得11个场地中协调比异常并未集中出现在降雨较多的时段，相反有9个场地雨量较少时异常出现次数反而更多，说明协调比异常与降雨关系不明显(表 1)。

通过以上分析可知，本文计算出的协调比异常受气温和降雨影响不明显，主要是受构造运动影响。

3.2 协调比单测点单项及准同步异常与统计区内M≥6地震关系

通过计算每个场地协调比参数，可以得到协调比时序曲线，并将各测点统计区内M≥6地震进行标注。图 3为部分测点协调比时序曲线与统计范围内所有地震对应情况。从图 3可以看出，各场地协调比大部分时间均较为平稳，出现离散变化后多有地震对应。但地震与异常并非一一对应，存在“有异常无地震”或者“有地震无异常”的情况。为了更好地进行定量分析异常与地震的对应关系(对“无异常有地震”的情况不做考虑)，规定以3倍标准差为阈值对异常进行提取，将每个场地单项协调比参数超阈值后的年内统计范围内地震对应概率分别进行统计，得到对应概率图(图 4)。

由图 4可以看出，在所有场地33个协调比单项参数中，除通海、宜良f₂异常后没有地震对应外，其余参数均在出现异常后1年内有地震对应，但每个场地各协调比参数与地震对应的概率不尽相同，这与场地布设位置、场地条件有一定关系。从各场地协调比单项参数一年内对应率来看，并不能得到较好的有共识性的特征。因此，进一步对同一场地2个或2个以上协调比参数出现的准同步异常进行了统计分析，结果如图 5所示，楚雄、丽江、通海、永胜4个场地一年内对应率明显高于单项，均达到67%及以上，其余场地没有表现出同样特征。

3.3 协调比多测点准同步异常与统计区内M≥6地震关系

断层协调比参数反映的主要是构造本区及构造相关的周边区域的应力积累状态。当多个测点协调比参数出现短期准同步异常，代表着异常区域范围内应力场状态发生改变，无论对异常的可信度还是对地震的区域指示意义均更明确。因此，在上述研究的基础上，分析了不同场地出现准同步异常时统计范围内对应地震的情况。在1982年以来省内所发生的17个地震中，孟连6.3级地震300km范围内无跨断层测点，盈江6.1级、鲁甸6.5级、景谷6.6级、宁蒗6.2级地震前300km内测点无同步异常。其余12个地震中，有10个地震发生在测点周边300km内，2个地震(澜沧7.6级、耿马7.2级地震)发生在测点周边500km内，时间均为同步异常出现后1~16个月，无一虚报。另外，在川滇菱形块体内发生的8个地震中，有7个地震震前出现准同步异常，占比87.5%。如此高的比例说明跨断层场地对川滇菱形块体内地震的控制力是很高的，可以对该区年度危险性进行判断(表 2)。

4 结论与讨论

本文利用断层协调比短期异常与统计范围内M≥6地震的对应关系，尝试提取年度预测指标，取得的初步成果和认识如下：

(1) 云南省内跨断层测点短期协调比异常与温度和降水没有明显相关性，可能与构造活动关系更为密切。

(2) 单测点协调比参数出现单测项异常后，年内对应地震的概率并不高，提取单测点准同步异常后，36%(4/11)的测点对应率显著提高，达67%以上。其余测点对应率不优于单项异常，这可能与场地布设环境，信息反应能力均有关系。因此，利用单测点协调比进行后续地震预测，依赖于场地自身条件，并没有普适性的结论。

(3) 多测点协调比提取准同步异常对年尺度统计区内M≥6地震有较好的对应效果。在研究时段，多测点协调比准同步异常共出现14次，后续年尺度范围内均有M≥6地震对应，无一虚报。且对应的地震在空间上多分布于川滇菱形块体内，占比64%(9/14)，这可能与该区域地壳结构和跨断层场地布设范围有密切关系。前人研究表明，在川滇菱形块体上，除了地震活动十分频繁外，还具有高泊松比和复杂的壳幔速度结构特征，这一特征与周边地区存在明显的差别(胡家富等，2003)。因此，布设在川滇菱形块体南部及边界的跨断层测点信息，很可能较多反应的是块体内的构造活动。这与统计所得的多台准同步异常后地震多发生于该区的结论是一致的。

(4) 统计结果表明，当跨断层场地出现准同步异常后，除了川滇菱形块体内的地震，还对应了部分滇西南地区的地震。分别为澜沧7.6级、耿马7.2级、普洱6.3级、宁洱6.4级地震。由于跨断层协调比主要反应构造本区或相邻构造的活动，似乎不能很好地解释为何会对滇西南地区的地震有反应。但是根据GPS观测结果，反映出一些段落的断裂带两侧地壳变形较为连续。近年来GPS观测证实川滇菱形块体在由北向南运动的同时，菱形块体南部地区存在向西运动分量，发育于云南多级活动块体均有不同程度的顺时针旋转特征(Wang et al，2001；徐锡伟等，2003；张培震等，2004)。值得注意的是，川滇菱形块体南部运动矢量在跨过红河断裂带南段保持良好的连续性(皇甫岗等，2010)。这样的连续性是否导致红河断裂带南段的跨断层场地对滇西南区域的地震具备反应能力，还需进行进一步研究。