GPS連續(xù)觀測站基線與地震危險性分析

張風(fēng)霜,武艷強,韓月萍,孫東穎

(1.中國地震局第一監(jiān)測中心,天津 300180;

2.中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100036)

GPS連續(xù)觀測站基線與地震危險性分析

張風(fēng)霜1,武艷強2,韓月萍1,孫東穎1

(1.中國地震局第一監(jiān)測中心,天津 300180;

2.中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100036)

根據(jù)中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站1999—2009年的資料,文中應(yīng)用小波方法對中國大陸的有關(guān) GPS基線時間序列進(jìn)行了分離,通過對各個頻段小波分解結(jié)果的分類分析,我們獲得如下看法:①在2001年昆侖山口西Ms8.1級與2008年汶川 Ms8.0級強震前,部分 GPS基線小波分解中低頻段(A8,D8,D7,D6,D5)在數(shù)月至1年以上的時間內(nèi)發(fā)生較明顯的變化,說明淺源大地震的孕育發(fā)生與大區(qū)域構(gòu)造活動增強相關(guān);②與北京十三陵(BJSH)相連的BJSH-YANC,BJSH-J IXN,BJSH-TAIN,HLAR-BJSH,CHUN-BJSH基線近期都存在一定程度的異常,顯示北京周圍地區(qū)壓性活動增強,首都圈地區(qū)2006—2008年大面積垂直形變結(jié)果也反映該地區(qū)存在一定的異常。目前尚無足夠的證據(jù)證明這種形變異常變化是否與汶川地震有關(guān)。但也許提示2008年華北北部地區(qū)的構(gòu)造活動已從常態(tài)活動開始轉(zhuǎn)向異態(tài)活動,有可能是強震孕育的信號,應(yīng)給予密切跟蹤研究。

GPS時間序列;小波方法;基線變化;垂直形變;大地震

0 引言

隨著中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)工程的實施,1999年在中國大陸建立的25個基準(zhǔn)站開始運行,至今積累了10年多的資料。為中國大陸地殼運動及其動態(tài)變化[1-3],以及震情預(yù)測研究[4-5]提供了非常寶貴的資料。1999年以來,中國大陸發(fā)生了2次8.0級以上強震,即2001年 11月 14日昆侖山口西Ms8.1級與2008年5月12日汶川 Ms8.0級強震,在GPS時間序列的有效觀測時段內(nèi),這2次強震的孕震形變信息是否具有一些共同的特征?由于GPS基準(zhǔn)站時間序列包含各種信息[6-7],不僅含有觀測噪聲(主要為白噪聲和閃爍噪聲的疊加),還有孕震信息。如何有效地提取孕震形變信息是分析和預(yù)測預(yù)報工作的重要基礎(chǔ)和前提條件,根據(jù)噪聲與孕震信息的一些特點,本文利用小波方法[8]對中國大陸的有關(guān)GPS基準(zhǔn)站坐標(biāo)分量和 GPS基線時間序列結(jié)果進(jìn)行了分離,因為小波方法具有頻率多分辨和分離的特點,可以使我們由粗到細(xì)地觀察信號,通過對各個頻段分解結(jié)果的進(jìn)一步分析,捕捉強震前各個小波頻段的變化,由此探討強震臨震前前兆的可能狀態(tài)。

1 GPS數(shù)據(jù)處理

本文使用的數(shù)據(jù)是中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)連續(xù)站1999年初至2009年10月的觀測資料,GPS連續(xù)站觀測值的數(shù)據(jù)處理采用GAMIT/GLOB K軟件完成。數(shù)據(jù)處理的基本流程[9]是首先利用 GAMIT獲得網(wǎng)絡(luò)工程28個連續(xù)站及中國大陸周圍IGS測站的區(qū)域單日松弛解。GAMIT計算中加入周邊16個 IGS站 IRKT、KIT3、USUD、SUWN、ULAB、TSKB、TWTF、DAEJ、KHAJ、IISC、MIZU、PIMO、POL2、SEL E、YA KT和 YSSK相應(yīng)時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)一并進(jìn)行處理。計算中適當(dāng)緊約束IGS站坐標(biāo),而對網(wǎng)絡(luò)工程基準(zhǔn)站給予較松馳的約束,完成GAMIT計算之后,利用 GLOBK將SOPAC給出的全球單日松弛解和計算所得的區(qū)域單日松弛解進(jìn)行綜合平差計算,在此基礎(chǔ)上通過IGS核心站求解相對于全球參考框架ITRF2005的相似變換7參數(shù),從而獲得ITRF2005下的單日解。

2 GPS基線時間序列小波分析

本文對 GPS基線時間序列采用sym8小波進(jìn)行分解,分解尺度為8,根據(jù)觀測資料的頻率不同按8個頻率尺度進(jìn)行分解,從D1～D8信號頻率逐級降低,A8所反映的是信號的趨勢性部分。由于白噪聲和閃爍噪聲被認(rèn)為是 GPS觀測中所固有的噪聲[10-11],所以依據(jù)噪聲的特性、前兆信息的識別和地殼水平運動在正常情況下一般具有低頻的特點等,可對分解結(jié)果做簡單的分類[12]:高頻,包括D1,D2,D3,以白噪聲為主要成分;中頻,包括D4,D5,D6,具有閃爍噪聲的特征;較低頻,包括D7,D8,主要包含非構(gòu)造形變(如年周期、半年周期等周期成分)、隨機漫步噪聲和構(gòu)造形變;低頻,A8,主要反映信號的低頻趨勢性部分,突出的是構(gòu)造形變成分,這部分的變化體現(xiàn)的是趨勢性運動的轉(zhuǎn)折。

我們一共分析了47條 GPS基線(圖1),距離2001年11月14日昆侖山口西Ms8.1級與2008年5月12日汶川 Ms8.0級強震最近的 GPS測站分別為德令哈(DL HA)和瀘州(LUZH),下面首先重點分析與這2個測站相連的 GPS基線。與德令哈(DL HA)站相連的基線主要跨昆侖山和祁連山構(gòu)造帶,與瀘州(LUZH)站相連的基線主要跨南北地震構(gòu)造帶。圖2～11分別給出了部分測站間的 GPS基線小波分解A8～D5頻段的結(jié)果,對于小波分解的D1,D2,D3,D4頻段,由于白噪聲所占的比例較高,異常信息較難識別,所以這幾個頻段的結(jié)果沒有給出。

圖1 GPS基準(zhǔn)站與站點間基線分布

DL HA-YANC基線跨越祁連山構(gòu)造帶,圖2給出了DL HA-YANC基線小波分解中低頻段的結(jié)果。2001年11月之前,基線快速縮短,反映了祁連山構(gòu)造帶擠壓增強,這是伴隨昆侖山口西8.1級地震的孕育而發(fā)生的,顯示了應(yīng)變能的積累。在2001年11月14日基線陡升了約10mm,為昆侖山地震的同震變化,小波分解的D5,D6,D7,D8頻段震前振幅明顯增大。另外,與祁連山構(gòu)造帶大致垂直的DXIN-DL HA基線也發(fā)生了明顯的昆侖山地震同震形變,2001年昆侖山口西8.1級地震后,DLHA-YANC與DXIN-DL HA基線都回復(fù)到勻速伸長狀態(tài),2003—2009年各頻段曲線變化幅度相對較小,說明祁連山構(gòu)造帶未產(chǎn)生較大的擠壓或拉張活動。

圖2 DL HA-YANC基線小波分解中低頻結(jié)果圖

DLHA-LUZH基線與龍門山斷裂斜交,由圖3可以看出,在1999—2001年,基線勻速上升,2002—2007年,基線上升速率較1999—2001時段的速率有所增大。2008年5月12日汶川8.0級地震使基線縮短約10mm,小波分解的D5,D6,D8頻段也都捕捉到了這種同震變化。另外,和DLHA-LUZH基線的時序變化狀態(tài)類似,XNIN-LUZH和DXIN-LUZH基線在汶川地震時的同震形變也非常顯著,2008年5月12日2條基線陡降,數(shù)值分別約為8mm和6mm。震后至今,DLHA-LUZH、XNIN-LUZH和DXIN-LUZH基線都回復(fù)到勻速伸長狀態(tài),表明目前斷裂帶活動相對穩(wěn)定。

圖3 DL HA-LUZH基線小波分解中低頻結(jié)果圖

由圖4,XIAA-LUZH基線1999—2001年處于相對閉鎖的緩慢縮短狀態(tài),從2001年開始轉(zhuǎn)折加速伸長,2001年11月2日發(fā)生了昆侖山 Ms8.0級強震,震后基線又發(fā)生了轉(zhuǎn)折,從2002—2006年基線都處于平穩(wěn)的勻速伸長狀態(tài),2006年開始轉(zhuǎn)折進(jìn)入縮短狀態(tài),2007年下半年再次轉(zhuǎn)折伸長,2008年5月12日發(fā)生了汶川 Ms8.0級強震,從2009年開始基線伸長的狀態(tài)有轉(zhuǎn)折縮短的跡象,但時間尚短,還需進(jìn)一步觀察。不難發(fā)現(xiàn),在2次強震發(fā)生前,XIAA-LUZH基線的變化有一些共同的特點:首先,震前都有1～2年的時間內(nèi)基線縮短;其次,震前半年～1年基線轉(zhuǎn)折伸長,強震發(fā)生在基線伸長的過程中。另外,小波分解的D5,D6,D7,D8頻段的振幅在昆侖山地震前顯著增大,在汶川地震前,除了D5頻段的振幅明顯增大外,其他頻段的振幅沒有明顯的變化。

圖5顯示,LUZH-XIAG基線2000—2006年處于平穩(wěn)的勻速上升狀態(tài),斷裂帶無顯著的加速變化,2006年基線發(fā)生轉(zhuǎn)折,至汶川地震前2年多的時間內(nèi),LUZH-XIAG基線一直處于閉鎖的狀態(tài),位移虧損約30mm,說明這個時段內(nèi),應(yīng)力場能量持續(xù)積累,地震后至今,基線變化平穩(wěn)。與LUZH-XIAG基線變化狀態(tài)類似的還有 YANC-LUZH基線。LUZH-XIAG與YANC-LUZH這2條基線變化的共同特征是:勻速伸長-轉(zhuǎn)折(縮短)-伸長,在 2006年之前,基線處于勻速伸長狀態(tài),從2006年開始,轉(zhuǎn)折縮短,這種縮短的狀態(tài)一直持續(xù)到汶川地震前,地震后至今,基線又回復(fù)到勻速伸長的狀態(tài)。

圖4 XIAA-LUZH基線小波分解中低頻結(jié)果圖

圖5 LUZH-XIAG基線小波分解中低頻結(jié)果圖

LUZH-GUAN,LUZH-XIAM,LUZHWU HN這幾條基線的變化特點:平穩(wěn)波動-加速縮短-伸長-平穩(wěn)。由圖6～7可以看出,LUZHGUAN與LUZH-XIAM基線自2000—2005年一直處于平穩(wěn)的波動狀態(tài),這個狀態(tài)我們不能說是閉鎖狀態(tài),因為基線的閉鎖與否的判斷依據(jù)并不能唯一的只看基線的狀態(tài),“水平的就是閉鎖的”是不對的,而是應(yīng)該結(jié)合基線端點的位置、基線長時間以來的變化狀態(tài),并結(jié)合基線變化的物理意義來判斷是否處于閉鎖狀態(tài)。我們知道,GUAN、XIAM、WUHN這幾個測站都位于非常穩(wěn)定的華南塊體,而LUZH測站位于四川盆地,在汶川地震前,也是一個非常穩(wěn)定的測點,所以這2個測點之間的基線變化應(yīng)該是平穩(wěn)的波動狀態(tài),這是它的正常變化狀態(tài),而從2005年開始至2008年,基線開始轉(zhuǎn)折進(jìn)入加速縮短狀態(tài),顯示LUZH站在這段時間內(nèi)持續(xù)加速向東南運動,使得基線的變化偏離了正常的運動軌跡,這是一個非正常的運動狀態(tài),反映了區(qū)域應(yīng)力積累加速。2008年基線再次轉(zhuǎn)折伸長,在伸長過程中發(fā)生了汶川地震,震后基線又轉(zhuǎn)折進(jìn)入了它的正常運動軌跡(平穩(wěn))。LUZH-GUAN、LUZH-XIAM和LUZH-WU HN這幾條基線在汶川地震前后體現(xiàn)了“平穩(wěn)波動-轉(zhuǎn)折加速縮短-伸長-平穩(wěn)”的共同變化特征,與汶川8.0級大震的孕育-發(fā)生-調(diào)整的時間相吻合。LUZH-GUAN基線從2005年開始出現(xiàn)明顯的趨勢異常變化,應(yīng)該是汶川8.0級大震在孕育過程中產(chǎn)生的地殼形變,震后經(jīng)過調(diào)整又回復(fù)到正常的變化狀態(tài),說明 GPS基線時間序列具有一定的捕捉強震孕震形變信息的能力,同時也說明淺源大地震的孕育發(fā)生與大區(qū)域構(gòu)造活動增強相關(guān)。

圖7 LUZH-XIAM基線小波分解中低頻結(jié)果圖

從各條基線的小波分解中低頻 (A8,D8,D7,D6,D5)時序結(jié)果來看,跨南北地震構(gòu)造帶的基線在汶川8.0級地震前后變化較大,跨昆侖山和祁連山構(gòu)造帶的基線在昆侖山口西8.1級地震前后變化較顯著。

3 以BJSH為中心的東部地區(qū) GPS基線近期變化情況

圖8顯示,BJSH-YANC基線在1999—2005年一直處于平穩(wěn)波動狀態(tài),說明該時段內(nèi)構(gòu)造帶未產(chǎn)生較大的擠壓或拉張活動,2006年開始轉(zhuǎn)折加速縮短,2008年開始,縮短速率進(jìn)一步增大,與BJSH-YANC基線的變化狀態(tài)非常類似的還有BJSHJ IXN(圖9)、J IXN-YANC 和 CHUN-YANC 基線,這幾條基線都從2006年開始由平穩(wěn)波動轉(zhuǎn)折進(jìn)入加速縮短狀態(tài),2008年至今縮短速率有所增大。汶川地震是在2006年以來中國大陸大尺度北東向地殼縮短運動增強的動態(tài)背景下發(fā)生的,本文所分析討論的 GPS基線2006年以來的縮短在汶川地震后都有所緩解或解除,但是BJSH-YANC,BJSH-J IXN,J IXN-YANC和CHUN-YANC基線至今仍處于縮短的狀態(tài)中。

圖8 BJSH-YANG基線小波分解中低頻結(jié)果圖

圖9 BJSH-J IXN基線小波分解中低頻結(jié)果圖

由圖10,BJ SH-TAIN基線在2004—2008年一直處于非常穩(wěn)定的勻速上升狀態(tài),2008年開始,基線轉(zhuǎn)折進(jìn)入相對閉鎖的縮短狀態(tài),至2009年7月,基線有恢復(fù)上升的跡象,但時間尚短。圖11顯示,HLAR-BJ SH基線在2002—2006年相對平穩(wěn)伸長,2006年開始基線轉(zhuǎn)折,處于相對閉鎖的狀態(tài),一直到2008年,基線恢復(fù)到加速伸長狀態(tài),2009年開始至今基線再次轉(zhuǎn)折進(jìn)入相對閉鎖狀態(tài)。CHUN-BJSH基線2009年以來加速縮短,說明壓性活動有所增強,雖然量值較小,但值得注意。

圖10 BJSH-TAIN基線小波分解中低頻結(jié)果圖

圖11 HLAR-BJSH基線小波分解中低頻結(jié)果圖

通過分析,發(fā)現(xiàn)與北京十三陵(BJ SH)相連的BJSH-YANC,BJ SH-J IXN,BJSH-TAIN,HLAR-BJSH,CHUN-BJSH基線近期都存在一定程度的異常,BJSH-YANC、BJSH-J IXN和CHUN-BJSH基線縮短,BJSH-TAIN和HLAR-BJSH基線處于閉鎖狀態(tài),顯示近期北京周圍地區(qū)壓性活動有加強的趨勢。另外,2006—2008年首都圈地區(qū)大面積垂直形變結(jié)果(圖12)也顯示首都圈地區(qū)形變形態(tài)為“南升北降”、“東升西降”與該區(qū)“北高南低”、“西高東低”的地形地貌不相符,反映出典型的逆繼承性活動特征[13],該地區(qū)具備發(fā)生中強地震的垂直形變背景。北京以東的黃莊-高麗營斷裂、小湯山-東北旺斷裂附近的區(qū)域出現(xiàn)了小范圍的隆升,隆升的最大速率為4mm/a,位于北京西北處的昌平附近。目前尚無足夠的證據(jù)證明這種形變異常變化是否與汶川地震有關(guān),但至少提示2008年華北北部地區(qū)的構(gòu)造活動已從常態(tài)活動開始轉(zhuǎn)向異態(tài)活動。

圖12 首都圈地區(qū)地殼垂直運動速率圖[13](2006—2008年)

4 認(rèn)識與討論

(1)2001年昆侖山口西 Ms8.1級與2008年汶川Ms8.0級強震前,跨南北地震構(gòu)造帶、跨昆侖山和祁連山構(gòu)造帶的部分 GPS基線小波分解中低頻部分(A8,D8,D7,D6,D5)在數(shù)月至1年以上的時間內(nèi)發(fā)生較明顯的變化,顯示 GPS基線時間序列小波分解中低頻段具有一定的捕捉強震孕震形變信息的能力,同時也說明淺源大地震的孕育發(fā)生與大區(qū)域構(gòu)造活動增強相關(guān)。

(2)與LUZH相連的LUZH-GUAN、LUZH-XIAM、LUZH-WU HN等測線在2008年汶川地震前后體現(xiàn)了“平穩(wěn)波動-轉(zhuǎn)折加速縮短-伸長-平穩(wěn)”的共同變化特征,在汶川地震前2～3年出現(xiàn)了明顯的趨勢異常變化,應(yīng)該是汶川8.0級大震孕育產(chǎn)生的地殼形變,震后經(jīng)過調(diào)整又回復(fù)到正常的變化情況,這幾條基線在汶川地震前后的變化與汶川8.0級大震的孕育-發(fā)生-調(diào)整的時間相吻合。

(3)汶川地震是在2006年以來中國大陸大尺度北東向地殼縮短運動增強的動態(tài)背景下發(fā)生的,本文所分析討論的 GPS基線2006年以來的縮短在汶川地震后都有所緩解或解除,但是BJSH-YANC、BJSH-J IXN、J IXN-YANC和 CHUN-YANC這幾條基線至今仍處于縮短的狀態(tài)中;

(4)與北京十三陵(BJSH)相連的BJ SHYANC、BJSH-J IXN、BJSH-TAIN、HLARBJSH、CHUN-BJSH基線近期都存在一定程度的異常,顯示近期北京周圍地區(qū)壓性活動增強,首都圈地區(qū)2006—2008年大面積垂直形變結(jié)果也反映該地區(qū)存在一定的異常,目前尚無足夠的證據(jù)證明這種形變異常變化是否與汶川地震有關(guān),但也許提示2008年華北北部地區(qū)的構(gòu)造活動已從常態(tài)活動開始轉(zhuǎn)向異態(tài)活動,有可能是強震孕育的信號,我們應(yīng)給予密切跟蹤研究。

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Analysis of GPS Baseline of Continuous Stations and Earthquake Risk

ZHANG Feng-shuang1,WU Yanq-iang2,HAN Yue-ping1,SUN Dong-ying1
(1.First Crust Monitoring and Application Center,CEA,Tianjin 300180,China;
2.Institute of Earthquake Science,CEA,Beijing 100036,China)

By the use of the data of 1999—2009from continuous stations of the Project of“China Crust Movement Measuring Network”,the paper applies the wavelet method to separate the GPS baseline timeseries of continuous stations in the mainland of China,By classified analyzing of the results of different frequency,we gain opinions as follows:(1)Before the West Kunlun mountainMs8.1earthquake and the WenchuanMs8.0earthquake,part of the medium-low frequency(A8,D8,D7,D6,D5)of GPS baselines showed obviously anomalous variations during a period of several months to more than a year early before the earthquake,which reflects that the occurrence of large earthquake with shallow focus is associated with the intensification of large-area tectonic movement;(2)There exists some anomalous variations of the baselines connected to BJSH,such as BJSH-YANC,BJSH-J IXN,BJSH-TAIN,HLAR-BJ SH and CHUN-BJSH,which shows the increasing of compressive activities around the neighborhood of Beijing area recently,the vertical deformation results of Capital Area of 2006—2008also reflects there exists certain anomalous variations in this area.Up to now,there was no sufficient evidence implying such deformation variation was induced by Wenchuan Earthquake.It maybe reminds us that the tectonic movement in northern region of North China is shifting from normal fashion to abnormal fashion since 2008.This might be a kind of signal of strong earthquake preparation which needs further investigattion and study.

GPS time series;wavelet method;baseline variation;vertical deformation,strong earthquake

P315.7

A

1003-1375(2010)04-0015-09

2010-04-09

中國地震局2010年度震情跟蹤合同制定向工作任務(wù)和第一監(jiān)測中心青年人才培養(yǎng)基金

張風(fēng)霜(1980-),女(漢族),湖南邵陽人,中國地震局第一監(jiān)測中心工程師,主要從事 GPS應(yīng)用技術(shù)與地震預(yù)測研究.E-mail:zfs915@126.com