2008年汶川大地震臨震前震中附近是否存在顯著的地殼垂直運(yùn)動(dòng)?

王 敏 沈正康

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)北京大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871

0 引言

地震是否可預(yù)測(cè)在學(xué)界一直存在爭(zhēng)議。理論上，地震前由于應(yīng)力應(yīng)變逐漸積累和加強(qiáng)，震源區(qū)及附近物質(zhì)發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生物的異常變化是可能的。由于相似的變化可能有不同的成因，因此如何捕捉這些異常變化及如何區(qū)分異常的成因非常關(guān)鍵。近10年來(lái)中國(guó)大陸及周邊地區(qū)發(fā)生多次大地震，每次大震發(fā)生后都有關(guān)于震前異常的研究論文發(fā)表，這些研究在一定程度上對(duì)強(qiáng)震研究以及未來(lái)地震活動(dòng)監(jiān)測(cè)分析是有意義的。但是，也有很多震前異常的證據(jù)經(jīng)不住推敲，不排除是受到與地震發(fā)生過(guò)程無(wú)關(guān)的一些事件，如氣象、潮汐、人為干擾等因素的影響。

2008年5月12日的汶川MS8.0地震是自1976年唐山地震以來(lái)發(fā)生在中國(guó)大陸的最大災(zāi)難事件，地震造成近9萬(wàn)人遇難，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8千億元人民幣。地震發(fā)生3年后，通過(guò)對(duì)GPS數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)處理分析，顧國(guó)華等(2011)認(rèn)為在地震前1小時(shí)內(nèi)震中附近有非常顯著的地殼垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)生，其中距震中約36km的郫縣GPS連續(xù)站(PIXI)垂向位移超過(guò)300mm。這一成果的發(fā)表很大程度上提升了地震學(xué)界對(duì)通過(guò)高頻GPS觀測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)地震短臨預(yù)報(bào)的預(yù)期，因?yàn)槿绻诘卣鹋R震前存在如此大的地殼形變異常，高頻GPS觀測(cè)技術(shù)確實(shí)具有實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)能力，對(duì)于地震的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)將具有非常重要的意義。

高頻GPS觀測(cè)技術(shù)是近年來(lái)GPS技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方面，在研究地震前后地殼形變短期變化過(guò)程(Larson et al.，2003;Bock et al.，2004)、地震震源破裂過(guò)程(Ji et al.，2004;Crowell et al.，2012)等方面取得了非常廣泛的應(yīng)用。但是，高頻GPS數(shù)據(jù)解算的精度和可靠性還是受到多種因素的制約，特別是載波相位的周跳探測(cè)、整周模糊度解算都極大地依賴于觀測(cè)點(diǎn)至參考點(diǎn)的距離(雙差模式)或精密的星歷和鐘差(非差模式)(方榮新等，2009;張小紅等，2010;Liu，2011)。

本文提出了一種基于數(shù)據(jù)靜態(tài)處理得到的載波相位觀測(cè)殘差來(lái)分析測(cè)站位置動(dòng)態(tài)變化的方法;采用這種方法對(duì)汶川地震前震中附近幾個(gè)GPS連續(xù)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明汶川地震前震中附近并不存在顯著的地殼運(yùn)動(dòng)。

1 數(shù)據(jù)分析方法

與動(dòng)態(tài)處理技術(shù)相比，GPS數(shù)據(jù)的靜態(tài)處理技術(shù)已相當(dāng)成熟，各種誤差源對(duì)測(cè)站位置影響的改正也日漸精確。固體潮、極潮和海潮的影響采用模型改正可以達(dá)到mm量級(jí)的精度(Petit et al.，2010);電離層折射的一階項(xiàng)影響可以采用L1和L2載波觀測(cè)量的去電離層線性組合消除，對(duì)流層折射延遲則可以通過(guò)模型加天頂延遲參數(shù)估計(jì)的方法得到有效改正;利用雙頻的精碼偽距組成Melbourne－Wübbena組合(Melbourne，1985;Wübbena，1985)則可顯著提高載波相位模糊度的整周固定率(Steigenberger et al.，2006;Shen et al.，2011)。因此，如果測(cè)站在某一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生瞬時(shí)擾動(dòng)，那么將這一時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)處理，處理后的相位觀測(cè)殘差則主要反映了測(cè)站的位置擾動(dòng)和多路徑效應(yīng)。如果忽略或削弱測(cè)站多路徑效應(yīng)的影響，測(cè)站相對(duì)于數(shù)據(jù)時(shí)段平均位置的擾動(dòng)則成為相位觀測(cè)殘差的主要來(lái)源。

假設(shè)測(cè)站相對(duì)于數(shù)據(jù)時(shí)段平均位置的瞬時(shí)位置為［xexnxu］(以下簡(jiǎn)稱測(cè)站位置)，忽略測(cè)站多路徑效應(yīng)的影響，則同一時(shí)刻的相位觀測(cè)殘差Li和其誤差σi可分別表示為

上式中ei、di和αi分別為相位觀測(cè)殘差Li的截止高度角、天頂距和方位角，di=90－ei;a和b為測(cè)站觀測(cè)誤差系數(shù)，等同于數(shù)據(jù)靜態(tài)處理中所確定的結(jié)果(Herring et al.，2010)。因?yàn)槿我鈺r(shí)刻都能跟蹤到6～12顆衛(wèi)星，因此，通過(guò)最小二乘方法可以得到任意時(shí)刻的位置，從而構(gòu)成測(cè)站位置時(shí)間序列。

2 GPS測(cè)站的動(dòng)態(tài)變化

汶川地震發(fā)生在2008年5月12日北京時(shí)間14:28:04，即2008年133(年積)日的UTC時(shí)間06:28:04。采用GAMIT軟件(Herring et al.，2010)對(duì)汶川地震近－中場(chǎng)的幾個(gè)GPS連續(xù)站(圖1)和周邊CMONOC基準(zhǔn)站2008年127—133日地震發(fā)生前的數(shù)據(jù)進(jìn)行單日靜態(tài)處理，并采用上述方法產(chǎn)出30s間隔的測(cè)站位置時(shí)間序列，其中成都站(CHDU)、郫縣站(PIXI)和都江堰站(DUJY)的垂向位置時(shí)間序列如圖2所示(雖然127—132日數(shù)據(jù)均有24h時(shí)長(zhǎng)，但為了便于對(duì)比分析，圖中只展示了與133日數(shù)據(jù)時(shí)段相關(guān)的部分)。從圖2可以看出，位置時(shí)間序列在相鄰日的近似時(shí)刻有著相似的起伏變化趨勢(shì)，雖然在不同站上的相似程度有所不同。

圖1 GPS連續(xù)站的位置及其汶川地震的同震位移Fig.1 Continuous GPS station locations and their Wenchuan earthquake coseismic displacements.

GPS衛(wèi)星的運(yùn)行周期約為11h58min。在同一測(cè)站上，不同天的衛(wèi)星空間分布相同，只是每天提前約4min。相同的衛(wèi)星空間分布決定了一個(gè)測(cè)站不同天的觀測(cè)受到的多路徑影響是相似的。如果多路徑效應(yīng)是相位觀測(cè)殘差的主要來(lái)源，那么所獲得的位置時(shí)間序列的相關(guān)性就高，反之就低。我們計(jì)算了每個(gè)測(cè)站相鄰2天位置時(shí)間序列(間隔23h56min)的相關(guān)系數(shù)(表1)，結(jié)果顯示水平分量的相關(guān)系數(shù)通常大于垂向分量的相關(guān)系數(shù)，這與多路徑效應(yīng)對(duì)低角度觀測(cè)影響顯著而低角度觀測(cè)對(duì)水平向定位貢獻(xiàn)較大的基本認(rèn)知是一致的。對(duì)流層延遲的影響仍然是垂向定位誤差的一個(gè)主要來(lái)源，但對(duì)流層延遲的影響與大氣濕度有較大的相關(guān)性，呈現(xiàn)偶然性誤差特征，與多路徑效應(yīng)所具有的恒星日重復(fù)性明顯不同。從位置時(shí)間序列相鄰2天的相關(guān)性可以看出DUJY的多路徑效應(yīng)比較嚴(yán)重，PIXI次之，CHDU最弱。

測(cè)站位置時(shí)間序列中的多路徑效應(yīng)可以利用衛(wèi)星軌道重復(fù)性的特征構(gòu)建模型進(jìn)行修正(Ge et al.，2000;Choi et al.，2004)。本文對(duì)每個(gè)GPS站127—132日對(duì)應(yīng)于相同衛(wèi)星分布的觀測(cè)相位殘差取平均，得到一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)站多路徑效應(yīng)改正模型。經(jīng)過(guò)多路徑效應(yīng)改正模型修正后的133日測(cè)站垂向位置時(shí)間序列見(jiàn)圖3。

3 結(jié)果和討論

圖2 2008年127—133日GPS連續(xù)站的垂向位置時(shí)間序列Fig.2 Vertical component time series of GPS stations from day 127 to day 133 of 2008.

圖3給出的測(cè)站垂向位置時(shí)間序列反映了測(cè)站在垂向上的動(dòng)態(tài)變化，從中可以看出CHDU、PIXI和DUJY的垂向位置在2cm的范圍內(nèi)呈現(xiàn)偶然性的波動(dòng)而沒(méi)有繼承性的變化，這表明汶川地震發(fā)生前3個(gè)站都不存在cm量級(jí)的垂向形變。此外，3個(gè)站132日與133日的位置時(shí)間序列相關(guān)性(表1)，特別是DUJY垂向分量的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.74，也表明133日與132日相比并沒(méi)有明顯的附加誤差源或形變?cè)础UJY比PIXI距地震震中更近，距離約為25km，如果主震前有能量釋放導(dǎo)致的斷層面位錯(cuò)發(fā)生，那么DUJY的形變應(yīng)大于PIXI。DUJY的觀測(cè)在地震前7min突然停止，原因有待調(diào)查與核實(shí)。

汶川地震發(fā)生于5月12日UTC時(shí)間06:28:04，由于本文采用的數(shù)據(jù)為30s采樣，因此只能看到測(cè)站在06:28前的變化而難以分析地震發(fā)生時(shí)的變化。殷海濤等(2010)曾利用PIXI僅有的65s時(shí)長(zhǎng)的高頻數(shù)據(jù)(1Hz)分析了震時(shí)的形變過(guò)程并與強(qiáng)震儀的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，其結(jié)果顯示地震波達(dá)到前(到時(shí)約為06:08:25)PIXI并沒(méi)有明顯的震動(dòng)過(guò)程。

表1 測(cè)站位置時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients between station coordinate time series

圖3 2008年5月12日汶川地震前GPS站的垂向位置變化Fig.3 Vertical movement of GPS stations before the May 12 Wenchuan earthquake，2008.

圖1給出了汶川地震近－中場(chǎng)的幾個(gè)GPS連續(xù)站的靜態(tài)同震位移，該位移是利用地震前后各3天的數(shù)據(jù)獲得的，地震當(dāng)天的數(shù)據(jù)未采用(Shen et al.，2009;王敏，2009)。如果PIXI在地震前1小時(shí)存在300mm的下沉，那么，其靜態(tài)垂向位移應(yīng)遠(yuǎn)＞300mm，而事實(shí)上，PIXI的靜態(tài)垂向位移僅為80mm。而且，雖然汶川地震以逆沖為主，垂向位移非常顯著，但圖1顯示的GPS站同震水平向位移還是遠(yuǎn)大于垂向位移，整體圖像基本遵從彈性半空間內(nèi)逆沖破裂造成的位移場(chǎng)分布特征。同樣，如果主震前發(fā)生的斷層面位錯(cuò)造成地表形變，那么其特征也應(yīng)與同震位移的類似，即DUJY、PIXI等GPS站的震前地表位移也應(yīng)是水平方向大于垂直方向，而水平位移比垂向位移更容易被監(jiān)測(cè)到。

本文的分析結(jié)果表明2008年汶川大地震前震中附近并不存在顯著的地殼運(yùn)動(dòng)。高頻GPS作為一個(gè)新的監(jiān)測(cè)手段可以為認(rèn)識(shí)地殼瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、研究地震破裂過(guò)程提供基礎(chǔ)資料，但數(shù)據(jù)分析的正確性是至關(guān)重要的。而且，對(duì)數(shù)據(jù)異常的分析不能違背一些已知的與地震過(guò)程相關(guān)的地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和規(guī)律。只有這樣，才能通過(guò)對(duì)一系列大地震相關(guān)觀測(cè)資料的分析和研究探尋與地震發(fā)生過(guò)程密切相關(guān)的觀測(cè)量及其變化規(guī)律，并由此加深對(duì)構(gòu)造演化、震源物理和破裂過(guò)程等重大科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，提升地震預(yù)測(cè)研究的水平。

本文提出的基于靜態(tài)數(shù)據(jù)處理得到的相位觀測(cè)殘差分析測(cè)站位置動(dòng)態(tài)變化的方法，其應(yīng)用的前提是測(cè)站位置的變化不會(huì)造成載波相位觀測(cè)的整周突變，加之不能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，因此并不能替代高頻GPS方法用于大地震的震時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程監(jiān)測(cè)。但是，該方法基于靜態(tài)定位原理和算法，具有更高的精度和可靠性，可以作為高頻GPS方法的一種檢驗(yàn)或補(bǔ)充的手段，為非震時(shí)的地殼形變異常監(jiān)測(cè)提供可靠性的保證。