用超長(zhǎng)基線(xiàn)解算分析汶川地震動(dòng)態(tài)形變特征*

劉 剛 譚 凱 彭懋磊 聶兆生

(中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430071)

用超長(zhǎng)基線(xiàn)解算分析汶川地震動(dòng)態(tài)形變特征*

劉 剛 譚 凱*彭懋磊 聶兆生

(中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430071)

以遠(yuǎn)距離的IGS武漢GPS站為參考站，用超長(zhǎng)基線(xiàn)雙差瞬時(shí)精密定位技術(shù)，獲取汶川Ms8.0地震震時(shí)震區(qū)連續(xù)GPS站1 Hz動(dòng)態(tài)形變序列。同時(shí)以較近距離的雅安站為參考站解算動(dòng)態(tài)形變序列，結(jié)果顯示，兩者的形變結(jié)果具有很好的一致性。距離斷層較近的郫縣、成都、綿陽(yáng)、中江等站形變較大(形變最大的郫縣站最大振幅達(dá)1.034 m);位于震中南側(cè)的邛崍、雅安等站形變較小。利用動(dòng)態(tài)時(shí)序的地震波到時(shí)和震中距離估計(jì)地震波地殼平均速度為3.1 km/s。

超長(zhǎng)基線(xiàn);雙差定位;汶川地震;高采樣率GPS;動(dòng)態(tài)形變特征

1 引言

高采樣率GPS數(shù)據(jù)能獲取震時(shí)大幅度的地殼動(dòng)態(tài)位移［1，2］。靜態(tài)、動(dòng)態(tài)GPS時(shí)序與地震波聯(lián)合可為研究地震滑動(dòng)分布和破裂過(guò)程提供強(qiáng)有力的約束［3，4］，因而高采樣率GPS的應(yīng)用中已成為大地測(cè)量和地震學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。

四川GPS連續(xù)站以1 s采樣率記錄了2008年汶川地震瞬間產(chǎn)生的極大變形。文獻(xiàn)［5，6］采用瞬時(shí)精密定位技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理，以雅安站作為參考站，得到了相對(duì)的動(dòng)態(tài)形變。本文將以超長(zhǎng)基線(xiàn)的定位方式和瞬時(shí)精密定位技術(shù)獲取汶川地震GPS連續(xù)站形變時(shí)序(以及近似絕對(duì)的動(dòng)態(tài)形變量)，并根據(jù)GPS動(dòng)態(tài)形變進(jìn)行地震波速估算和地震震中定位。

2 數(shù)據(jù)處理方法

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于四川省GPS連續(xù)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的郫縣(PIXI)、成都(CHDU)、綿陽(yáng)(MYAN)、中江(ZHJI)等13個(gè)GPS觀測(cè)站以及IGS武漢站(WUHN)，數(shù)據(jù)采樣率1 s。汶川地震使數(shù)據(jù)傳輸中斷，四川省GPS連續(xù)觀測(cè)站只記錄了震時(shí)67 s 1 Hz的GPS數(shù)據(jù)(成都站只記錄了48 s的數(shù)據(jù))，所以處理數(shù)據(jù)時(shí)段的長(zhǎng)度為3 601 s(震前3 534 s和震時(shí)的67 s)。處理軟件為Bernese5.0，使用IGS精密星歷，并采用瞬時(shí)相對(duì)定位方式進(jìn)行單歷元坐標(biāo)解算。

由于武漢站距震中約1 061 km，地震波對(duì)1 Hz GPS站點(diǎn)在67s的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí)間里造成動(dòng)態(tài)形變時(shí)，尚未對(duì)武漢站產(chǎn)生位移影響(可認(rèn)為武漢站在地震時(shí)67 s內(nèi)不具有由于地震產(chǎn)生的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)位移)，因此使用武漢站作為參考站進(jìn)行超長(zhǎng)基線(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理，可以認(rèn)為獲取的是震中附近郫縣等1HzGPS站的絕對(duì)動(dòng)態(tài)形變時(shí)序。

為了驗(yàn)證超長(zhǎng)基線(xiàn)處理結(jié)果的可靠性，本文同時(shí)對(duì)較短基線(xiàn)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)處理，并與超長(zhǎng)基線(xiàn)的處理結(jié)果相比較。在動(dòng)態(tài)處理較短基線(xiàn)選擇(合適的)參考站時(shí)，首先計(jì)算獲取各1 Hz GPS站點(diǎn)同震形變(圖1，表1)，從中選擇同震形變較小、距離較近的雅安站和邛崍站作為備選參考站;然后使用超長(zhǎng)基線(xiàn)處理得到備選參考站的動(dòng)態(tài)變化(圖2，表1)，從圖2不難發(fā)現(xiàn)，雅安站震時(shí)的形變比邛崍站平緩(邛崍站震時(shí)東西方向最大位移達(dá)到了283 mm，雅安站東西向的最大位移為47 mm)，因此我們將雅安站作為較短基線(xiàn)動(dòng)態(tài)處理的參考站，得到了其他1 Hz GPS站震時(shí)動(dòng)態(tài)形變時(shí)序。

3 形變結(jié)果與特征分析

解算得到的4個(gè)1 Hz GPS站在震前35 s和震時(shí)67 s的水平向動(dòng)態(tài)形變時(shí)序如圖3所示。超長(zhǎng)基線(xiàn)處理結(jié)果(圖3(a)、(b))水平向的均方根誤差在2 cm左右;較短基線(xiàn)處理結(jié)果(圖3(c)、(d))水平向的均方根誤差在1cm內(nèi)，兩種結(jié)果在初動(dòng)時(shí)刻、變化趨勢(shì)和震時(shí)振幅都具有很高的一致性。將兩種處理結(jié)果的水平向作差得到的差值序列如圖4所示，東西向差值均值約為8.55 mm，南北向差值均值約為11.20 mm。此外4個(gè)站點(diǎn)的差值序列變化趨勢(shì)全部呈現(xiàn)出一致性的規(guī)律，說(shuō)明超長(zhǎng)基線(xiàn)定位結(jié)果的誤差具有空間相似性。

圖1 四川GPS連續(xù)站同震形變場(chǎng)Fig.1 Co-seismic deformation field of Sichuan permanent GPS stations

表1 各GPS站的靜態(tài)同震位移與動(dòng)態(tài)形變最大振幅(單位：m)Tab.1 Static co-seismic deformation and the largest kinematic amplitude at each station(unit：m)

從圖3還可以看出，各站點(diǎn)在水平方向上的位移清晰，并且總體上時(shí)序初動(dòng)時(shí)間與站點(diǎn)距離震中的遠(yuǎn)近相對(duì)應(yīng)。各站點(diǎn)時(shí)序的振幅隨震中距減弱，顯示出了地震波能量隨距離衰減。表1中列出了4個(gè)站的同震位移和動(dòng)態(tài)位移振幅峰值，其中距離震中最近的郫縣動(dòng)態(tài)位移峰值最大，中江最小，與永久位移的大小分布相吻合，并且震時(shí)的動(dòng)態(tài)位移峰值比靜態(tài)同震位移大。各站點(diǎn)的動(dòng)態(tài)時(shí)序基本上由兩個(gè)脈沖組成，第一個(gè)脈沖均向西北方向波動(dòng)，攜帶能量較小，形成的位移較小;第二個(gè)脈沖也均向西北方向波動(dòng)，攜帶能量較大，形成的位移較大。由于4個(gè)站點(diǎn)全部位于斷層的南盤(pán)、震中的東南方，因此與脈沖方向相同，并與同震位移方向一致。綿陽(yáng)站距離震中相對(duì)于成都站、中江站遠(yuǎn)，但動(dòng)態(tài)位移的峰值和同震位移量大于成都站與中江站，分析認(rèn)為可能是綿陽(yáng)站距斷層較近、且位于地震破裂方向上，地震波傳播到綿陽(yáng)站時(shí)能量較大之故。1 Hz GPS站震時(shí)67 s在水平面的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示，4個(gè)站點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡雖不完全一致，但總體趨勢(shì)均具有兩個(gè)特點(diǎn)：地震發(fā)生后開(kāi)始幾秒內(nèi)在原地蠕動(dòng)(定位誤差的體現(xiàn));地震后數(shù)十秒至數(shù)據(jù)中斷時(shí)段，站點(diǎn)出現(xiàn)明顯的位移變化，并都向西北方向運(yùn)動(dòng)，其中郫縣由于距離破裂最近，記錄地震激發(fā)的形變時(shí)間最長(zhǎng)，而且運(yùn)動(dòng)軌跡還記錄到了回彈變化。

郫縣站與綿陽(yáng)站在垂直向的波動(dòng)清晰，與水平向變化具有很好的時(shí)間相關(guān)性。其中郫縣站峰值為0.153 m，綿陽(yáng)站峰值為0.26 m。與水平向相似，綿陽(yáng)站的垂直向最大振幅也大于其他站的最大振幅。超長(zhǎng)基線(xiàn)解算的垂向形變(圖6(a))均方根誤差約5 cm，較短基線(xiàn)解算的垂向形變(圖6(b))均方根誤差在2 cm左右。在垂向形變上，雖然用超長(zhǎng)基線(xiàn)解算結(jié)果的噪聲基底較大，但總體趨勢(shì)和最大振幅與較短基線(xiàn)的解算結(jié)果一致。

圖2 邛崍站與雅安站震時(shí)的動(dòng)態(tài)形變(以武漢站為參考站)Fig.2 Kinematic deformations of Qionglai and Yaan GPS stations referred IGS Wuhan station

圖3 4個(gè)1 Hz GPS站水平向動(dòng)態(tài)形變時(shí)序Fig.3 Kinematic deformation series of horizontal component at 4 1-Hz-GPS stations

圖4 超長(zhǎng)基線(xiàn)與較短基線(xiàn)處理結(jié)果在水平向的差值序列Fig.4 Difference value series between ultra long baseline results and shorter baseline results

圖5 1-Hz-GPS站點(diǎn)在震時(shí)的水平向運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Horizontal tracks of 1-Hz-GPS stations during the earthquake

圖6 基線(xiàn)垂直動(dòng)態(tài)時(shí)序Fig.6 Kinematic deformation series of the baselines

4 超長(zhǎng)基線(xiàn)動(dòng)態(tài)形變時(shí)序?yàn)V波

通過(guò)解算震前多天的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用超長(zhǎng)基線(xiàn)獲取的動(dòng)態(tài)形變時(shí)序存在明顯的日重復(fù)性的多路徑誤差和區(qū)域性的空間共模誤差。該誤差通過(guò)改進(jìn)的恒星日法和空間疊加法對(duì)超長(zhǎng)基線(xiàn)動(dòng)態(tài)形變時(shí)序進(jìn)行濾波可以削弱(圖7)。

圖7 經(jīng)過(guò)改進(jìn)的恒星日法和空間疊加法濾波后超長(zhǎng)基線(xiàn)動(dòng)態(tài)時(shí)序Fig.7 Filtered ultra long base line kinematic deformation series by modified sidereal filtering and spatial filtering

5 地震波速估計(jì)

GPS動(dòng)態(tài)時(shí)序地震波到時(shí)清晰，且符合地震波傳播規(guī)律，用GPS動(dòng)態(tài)時(shí)序進(jìn)行地震波地殼平均波速估計(jì)結(jié)果如表2所示。為評(píng)估由GPS動(dòng)態(tài)時(shí)序估計(jì)地震波速的準(zhǔn)確程度，取中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定震中(31.08°N，103.27°E)、震源深度(14 km)、發(fā)震時(shí)刻(06：28：04(UTC))作為初值，使用估計(jì)的地震波平均波速進(jìn)行地震定位，地震波速在3.1 km/s時(shí)，定位結(jié)果差值最小，因而我們認(rèn)為此波速估計(jì)比較準(zhǔn)確(與川西地殼平均s波速度接近［7，8］)。由均值3.071 km/s進(jìn)行地震定位，發(fā)震時(shí)刻差值僅0.7 s，震中位置差值9.974 m。

表2 地震波速估計(jì)與地震定位結(jié)果Tab.2 Estimated velocities of earthquake wave and results from earthquake positioning

6 結(jié)論

利用超長(zhǎng)基線(xiàn)瞬時(shí)精密定位技術(shù)解算得到的震時(shí)1 Hz GPS動(dòng)態(tài)形變時(shí)序，能夠反映汶川地震動(dòng)態(tài)形變特征。該方法可以避免較短基線(xiàn)瞬時(shí)定位中選擇相對(duì)穩(wěn)定參考站的困難，而且可以得到近似絕對(duì)的動(dòng)態(tài)形變時(shí)序。利用超長(zhǎng)基線(xiàn)解算得到距震中最近的郫縣站的東西向形變達(dá)到了1 m，相對(duì)較近的站也達(dá)到了亞米量級(jí)，顯示震時(shí)地表形變劇烈。

動(dòng)態(tài)形變時(shí)序反映了地震波傳播特性。通過(guò)應(yīng)用改進(jìn)的恒星日濾波法和空間疊加濾波法，可以消除明顯的日重復(fù)性多路徑誤差和區(qū)域性的空間共模誤差，提高超長(zhǎng)基線(xiàn)定位結(jié)果的精度。

根據(jù)動(dòng)態(tài)形變時(shí)序的到時(shí)和震中距估計(jì)得到的川西地區(qū)地殼平均地震波速為3.1 km/s，與用其他方法得到的結(jié)果基本一致。

致謝 感謝四川省地震局提供研究數(shù)據(jù)!

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USING ULTRA LONG BASELINE TO MEASURE CO-SEISMIC KINEMATIC DEFORMATIONS OF WENCHUAN EARTHQUAKE

Liu Gang，Tan Kai，Peng Maolei and Nie Zhaosheng
(Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

We used Wuhan，one of IGS stations，as a reference to form ultra long baseline and solve instantaneous 1-Hz-GPS positions and measure the co-seismic kinematic deformations caused by Wenchuan earthquake.Compared with the results from using Yaan as the reference which is nearby 1-Hz-GPS stations，the deformation solutions show good consistence with different reference stations.The maximum deformation amplitude is found for station Pixian，which had the largest deformation about 1.034 meter.The deformations of stations，such as Pixian，Chengdu，Mianyang，Zhongjiang are relatively larger and also show the propagation direction of seismic waves.The smaller deformations occurred in Qionglai，Yaan，in the south of the epicenter，which indicate that the fault ruptured from the epicenter to the northeast.On the basis of the arrival time of seismic wave recorded in kinematic time series and the distance between 1-Hz-GPS stations and the epicenter，the estimated average velocity of seismic wave in the crust is 3.1 km/s.

ultra long baseline;double-difference positioning;Wenchuan earthquake;high-rate GPS;kinematic deformation feature

1671-5942(2011)05-0014-06

2011-02-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(40974012);中國(guó)地震局地震研究所科技發(fā)展基金(IS200726005)

劉剛，男，1984年生，碩士，主要研究GPS精密數(shù)據(jù)處理.E-mail：whgpslg@gmail.com

譚凱，男，1972年生，博士，主要研究大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué).E-mail：whgpstan@sina.com

P315.72+5

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