福建GPS資料與地震關(guān)系研究

陳 光 李祖寧 陳超賢 趙文波 王紫燕

1 福建省地震局，福州市華鴻路7號，350003

本文通過對福建GPS資料在時間序列、基線處理、速度場及高頻GPS數(shù)據(jù)方面的研究，探討GPS資料與福建地震之間的關(guān)系。

1 福建地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及地震活動

福建境內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，具有規(guī)模大、延伸長、切割深的特點（圖1）。自新生代，尤其是第四紀以來斷裂繼承性活動，斷塊差異升降運動顯著，形成一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜且斷裂活動強烈的地區(qū)。其中規(guī)模大的NE、NNE向斷裂構(gòu)造有長樂－詔安斷裂、政和－海豐斷裂、邵武－河源斷裂帶。主要NNW－NWW 向斷裂有閩江下游及沙縣－南日島、晉江－永安、九龍江下游及永定－詔安斷裂等。區(qū)內(nèi)構(gòu)造受華夏系、新華夏系構(gòu)造體系控制，經(jīng)歷多次復雜的構(gòu)造運動疊加，還發(fā)育了一系列斷陷盆地，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地震活動性上具有分區(qū)特征。按主要地震構(gòu)造帶和區(qū)域地震構(gòu)造格局劃分，福建位于全國一、二級新構(gòu)造區(qū)，顯示出閩東南近岸海域斷塊差異活動的隆升、沉降與間歇性活動特征。特別是上新世以來的新構(gòu)造運動，以垂直運動及其伴隨的斷塊差異活動為主要形式，具有繼承性和新生性。繼承性主要表現(xiàn)在構(gòu)造方向上，如NE和NW 向兩組斷裂，都是在新構(gòu)造期以前形成，而新構(gòu)造期有不同程度的復活。新生性則主要表現(xiàn)在斷裂－斷塊活動上，隨著地質(zhì)階段的發(fā)展，斷裂－斷塊活動的性質(zhì)和強度也在不斷地發(fā)展和變化，差異性運動較為顯著。

福建歷史上地震活動較多，從963年至今曾發(fā)生4.75級以上破壞性地震40次。福建省地震與活動斷裂構(gòu)造帶有密切關(guān)系，沿海地區(qū)的長樂－詔安地震帶地震活動頻繁，空間分布集中，地震頻度遠遠高于、強于內(nèi)陸地區(qū)，發(fā)生的5級以上地震多，現(xiàn)今中、小地震活動仍頻繁發(fā)生。此外，福建地區(qū)還常遭受到臺灣強烈地震的影響［1］。

圖1 福建省地震構(gòu)造及強震震中分布圖Fig.1 Seismic structure of Fujian province and the strong earthquake epicenter distribution map

2 觀測資料及預處理

為減少各種外部條件變化對觀測結(jié)果的影響，計算選取相同的IGS站以及與中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)參考站相同的解算參數(shù)［2］。使用GAMIT 軟件對同步觀測的IGS站及中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)基準站的觀測資料進行基線解算。在完成基線數(shù)據(jù)處理后，給出各測站的坐標值和精度估計值。

將IGS公布的全球站坐標和站速度都作為初始值，并對這些坐標和站速度質(zhì)量的優(yōu)劣給予不同的約束。對于IGS 核心站如SHAO、LHAS、TSKB、IRKT、KIT3給予強約束，南北向、東西向和高程向分別為3mm、3mm、10mm，其余的IGS 站（YSSK、GUAM、HYDE、IISC、NTUS、PIMO、POL2、SUWN、TWTF、ULAB）、中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)站（BJFS、DLHA、DXIN、GUAN、HLAR、KMIN、QION、TAIN、TASH、URUM、WUHN、WUSH、XIAA、XIAG、XNIN、YANC）給予的坐標三分量約束為30 mm、40 mm、100mm。實際計算中，測站的初始坐標都經(jīng)過多次迭代處理具有很高的精度，這樣的約束設(shè)置不會對處理結(jié)果帶來不良影響［3］。

計算表明，福建GPS基準站點位水平精度在2.5mm 左右，高程精度在5mm 左右。

3 資料分析

3.1 時間序列分析

對利用卡爾曼濾波后得到的三分量時間序列數(shù)據(jù)進行線性擬合，去掉整體運動與趨勢運動，得到三分量的殘差值。從圖2看出，自2007年起，各站都有較明顯的向東運動，表明福建大陸受到向東的推力作用。從圖3看出，各臺站在2007年以來均有向北運動的趨勢，表明應力在向沿海遷移，對福建內(nèi)陸影響不大。

3.2 基線處理結(jié)果分析

將龍巖－廈門、南平－福州水平距離的時間序列用FFT 去掉高頻信息，得到新的時間序列進行分析。從圖4 看出，龍巖－廈門間基線在2006～2010年呈趨勢化壓縮后急速拉張，在變化過程中福建省內(nèi)發(fā)生了5次4.0級以上地震，該現(xiàn)象值得關(guān)注。南平－福州間基線在2010～2011年出現(xiàn)趨勢變化，同期發(fā)生日本福島9.0級大地震，兩者是否有聯(lián)系是今后研究的方向。

圖3 福州、廈門、龍巖、南平GPS臺南北向殘差值圖Fig.3 Fuzhou，Xiamen，Longyan，Nanping GPS station north and south to the residual value

圖4 基線變化Fig.4 Changes of baseline

3.3 速度處理結(jié)果分析

在ITRF2000框架下，采用統(tǒng)一的解算軟件、得到各GPS連續(xù)觀測站的運動速度［4］。利用得到的各點平均運動速度，選取南平站為不動點（南平位于福建省內(nèi)部較穩(wěn)定的塊體），去掉整體運動后，福建內(nèi)部各站的相對運動及變化如圖5 所示［5］。從圖5看出，位于巴士系構(gòu)造的2006年臺灣恒春7.2級強震對福建地殼運動的速度和方向產(chǎn)生了顯著影響，這種影響與隨后兩年福建中等地震活躍有相關(guān)性。

3.4 高頻GPS數(shù)據(jù)資料應用

福建有34個GPS基準站可以提供50Hz的高頻觀測數(shù)據(jù)，且有10個站與測震臺并址觀測。利用單歷元動態(tài)定位方法進行數(shù)據(jù)處理，可以獲取高采樣率的位移時間序列。

2012－04－11蘇門答臘發(fā)生Ms8.6地震，福建測震臺網(wǎng)的寬頻帶地震記錄儀器記錄了這次地震的同震信號。從圖6 看出，南北向、東西向GPS得到的位移序列和寬頻帶地震儀記錄吻合較好，但是GPS垂線向高程變化看不出地震的同震變形，可能是因為GPS高程方向計算精度（一般為2.5cm）相比于其他兩個方向（一般1.5cm）差，因而高程方向地震信號湮沒在噪聲中。

圖5 各站點的相對運動季速度Fig.5 Quarter speed relative motion of the site

圖6 高頻GPS位移時間序列與寬頻帶測震儀記錄對比圖（以2012－04－12 16：30：00為起算時刻）ig.6 High frequency GPS displacement time series and broadband seismograph record comparison chart

4 結(jié) 語

福建GPS連續(xù)觀測臺網(wǎng)自2004年開始正式觀測以來，獲取了大量的地殼形變GPS 觀測資料，利用這些觀測資料可獲取站點的三分量時間序列、基線變化與斷裂活動的關(guān)系、速度場的演化、塊體的主應變、面應變和最大剪應變的演化以及利用采樣率為50 Hz的GPS數(shù)據(jù)來獲取地震波形記錄。研究認為，福建長周期地殼運動在大震前后在東西南北方向都發(fā)生了明顯變化。

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