湖北地區(qū)現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)的GPS監(jiān)測與分析

聶兆生　熊　維　黃　勇

1　中國地震局地震研究所(地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071 2　中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

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湖北地區(qū)現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)的GPS監(jiān)測與分析

聶兆生1,2熊維1, 2黃勇1, 2

1中國地震局地震研究所(地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071 2中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

利用GAMIT/GLOBK軟件處理湖北CORS網(wǎng)絡(luò)、陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)等76個(gè)連續(xù)站2011-05～2013-06 的GPS觀測數(shù)據(jù)，得到各測站的精確坐標(biāo)及測站的時(shí)間序列。給出全部測站的水平速度場，各測站的運(yùn)動(dòng)速度為6～9 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向以東向或東南向?yàn)橹?，與華南塊體的運(yùn)動(dòng)特征基本一致。初步結(jié)果表明，湖北地區(qū)內(nèi)部不存在明顯的差異運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，計(jì)算了湖北地區(qū)的主應(yīng)變率、最大剪應(yīng)變率。結(jié)果表明，湖北地區(qū)最大剪應(yīng)變率敏感區(qū)主要分布于斷裂帶集中的地區(qū)，分別位于巴東、秭歸和鄖縣-竹山附近，最大值約為(1.43～1.73)×10-7/a，這一結(jié)果與湖北2014年秭歸發(fā)生的4.5級(jí)、4.7級(jí)地震以及2014年房縣4.0級(jí)地震有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。關(guān)鍵詞： GPS速度場；時(shí)間序列；主應(yīng)變率；最大剪應(yīng)變率

GPS作為高精度、高分辨率的觀測技術(shù)，可以直接觀測到地震前后的地殼運(yùn)動(dòng)、地殼形變等信息，對(duì)于研究地震的應(yīng)力應(yīng)變分布及破裂特征等具有重要意義。因此，地球動(dòng)力學(xué)等研究越來越依賴大規(guī)模的觀測技術(shù)，遍布全球的各種觀測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，如美國有“板塊邊界實(shí)驗(yàn)室”(PBO，包含近800個(gè)測站)，日本有“地球觀測網(wǎng)絡(luò)”(GEONET，包含1 200個(gè)測站)；國內(nèi)有中國地震局等六部委共建的包含260個(gè)GNSS CORS的中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”)，北京、上海、江蘇、廣東、湖北等省市先后完成的省級(jí)GNSS CORS系統(tǒng)等[1]。

湖北省位于秦嶺褶皺系南緣與揚(yáng)子地臺(tái)北側(cè)兩大構(gòu)造單元的銜接地帶，地震構(gòu)造環(huán)境具有兩者兼?zhèn)涞奶攸c(diǎn)，地殼深部結(jié)構(gòu)、地質(zhì)演化、構(gòu)造變形、斷裂活動(dòng)和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜[2]。三峽大壩位于湖北省內(nèi)，許多機(jī)構(gòu)、學(xué)者一直以來關(guān)注著三峽水庫是否會(huì)誘發(fā)地震、是否會(huì)給周邊地區(qū)帶來地質(zhì)構(gòu)造的局部變化。但是，由于地質(zhì)與地球物理學(xué)證據(jù)的缺失，上述問題依然存在諸多疑問。

為開展基礎(chǔ)測繪、氣象監(jiān)測及形變監(jiān)測，湖北省測繪局、地震局及氣象局聯(lián)合建立了湖北CORS網(wǎng)絡(luò)。平均分布在湖北各地區(qū)的80個(gè)測站使得湖北地區(qū)測站密度大幅提高，有效提高了該地區(qū)形變監(jiān)測的空間分辨率和精度，為研究現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)提供了良好的基礎(chǔ)[3]。本文利用湖北CORS系統(tǒng)、 “陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”基準(zhǔn)站(湖北區(qū)域)的GPS數(shù)據(jù)，在完成高精度數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，獲取了湖北地區(qū)較高分辨率的水平地殼形變圖像及應(yīng)變圖像，并開展了初步的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

1　數(shù)據(jù)處理

本文使用了76個(gè)湖北CORS系統(tǒng)連續(xù)參考站及4個(gè)湖北省內(nèi)“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，站點(diǎn)均勻覆蓋全省，間距在50～70 km。GPS觀測均采用雙頻接收機(jī)，主要型號(hào)有Trimble系列的R7 GNSS、NetR8、NetRS接收機(jī)，Leica的1200接收機(jī)。觀測均采用高精度測地型天線，采樣間隔為30 s。計(jì)算選取的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2011-05-01～2013-06-30。

GPS觀測數(shù)據(jù)處理采用GAMIT/GLOBK 10.4軟件，分別計(jì)算站點(diǎn)坐標(biāo)和衛(wèi)星軌道的單日松弛解。GPS單日松弛解的處理主要遵循估計(jì)參數(shù)寬泛約束的原則，同時(shí)估計(jì)了衛(wèi)星軌道參數(shù)、測站坐標(biāo)、天頂對(duì)流層延遲及其梯度、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、衛(wèi)星相位中心偏差等。衛(wèi)星軌道的初值由IGS精密星歷提供，觀測數(shù)據(jù)模型改正采用最新的通用模型，如IGS08絕對(duì)天線相位中心改正、FES2004海潮改正、IERS2010極潮改正、IERS2003固體潮汐改正等?？紤]到大氣負(fù)荷改正在IGS常規(guī)數(shù)據(jù)處理中尚未正式采用，在處理中未對(duì)觀測值進(jìn)行大氣負(fù)荷模型改正。選取中國大陸及周邊的BJFS、URUM等12個(gè)IGS站作為基準(zhǔn)站，分網(wǎng)處理的單日松弛解由12個(gè)均勻分布的IGS站作為公共站，與SOPAC處理的單日全球解綁定，并采用七參數(shù)相似變換轉(zhuǎn)換至ITRF2008參考框架[4-6]。為保證參考框架的穩(wěn)定，參考框架點(diǎn)盡可能全球均勻分布，并剔除板塊邊界帶的不穩(wěn)定點(diǎn)。計(jì)算單日松弛解的同時(shí)，生成坐標(biāo)殘差圖，通過查看各站點(diǎn)坐標(biāo)殘差圖，刪掉各站點(diǎn)解算精度差的當(dāng)天數(shù)據(jù)。最后在ITRF2008框架下進(jìn)行整網(wǎng)平差，計(jì)算站點(diǎn)坐標(biāo)及速度值。計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)有7個(gè)測站位移出現(xiàn)異常，本文未予采用。

2　時(shí)間序列

限于篇幅，圖1僅列出SYZX、HGMC、XNTS、ESXE、HBJM、HBZG(站址位于湖北竹溪、麻城、通山、宣恩、荊門、秭歸，分別處于鄂西北、鄂東北、鄂東南、鄂西南、江漢平原地震構(gòu)造區(qū))6個(gè)站點(diǎn)的時(shí)間序列。對(duì)比觀察，可得出以下結(jié)論：

1)6個(gè)站點(diǎn)的水平位移基本穩(wěn)定，東向運(yùn)動(dòng)較為顯著，運(yùn)動(dòng)趨勢也相對(duì)明顯；而南北向絕對(duì)位移量較小，位移趨勢表現(xiàn)為微弱的南向運(yùn)動(dòng)。

2)6個(gè)站點(diǎn)的垂直位移基本都具有較明顯的周年、半周年運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步分析表明，各站周年振幅最大、最小值出現(xiàn)的月份基本一致，表明湖北各地區(qū)大氣層狀況無明顯差別。

3)HBZG、HBJM兩站的垂向時(shí)間序列好于其余4站，原因有二：一是兩站建站時(shí)間較其他站要早近兩年；二是兩站選址于地震臺(tái)站內(nèi)，基巖開挖深度較深，地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境好于其他站點(diǎn)。而對(duì)于同期建設(shè)的站點(diǎn)，基巖站點(diǎn)的穩(wěn)定性要好于土層站，因觀測墩建成后有一個(gè)穩(wěn)定過程，土層站的穩(wěn)定周期較長，且受氣象、環(huán)境等因素影響較為顯著[7]。

圖1　SYZX、HGMC、XNTS、ESXE、HBJM、HBZG站的時(shí)間序列Fig.1　Time series of SYZX, HGMC, XNTS, ESXE, HBJM and HBZG stations

3　水平形變場分析

經(jīng)檢查剔除后，最終參與平差計(jì)算的CORS測站總計(jì)69個(gè)。表1給出ITRF2008框架下的湖北CORS站點(diǎn)的速度值及中誤差，水平E、N方向平均運(yùn)動(dòng)速度分別為34.40 mm/a、-9.4 mm/a，其解算精度均優(yōu)于1 mm/a；垂直U方向平均運(yùn)動(dòng)速度為-5.06 mm/a，解算精度優(yōu)于1.5 mm/a。

為更準(zhǔn)確地估計(jì)湖北地區(qū)的相對(duì)形變信息，需扣除本身所處歐亞板塊的運(yùn)動(dòng)速度，故將各站ITRF2008框架下的速度轉(zhuǎn)換至歐亞板塊框架下。歐亞板塊歐拉矢量參數(shù)表2。轉(zhuǎn)換后，得到湖北CORS站相對(duì)于歐亞大陸的運(yùn)動(dòng)速度(圖2)，同時(shí)也給出了“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”湖北地區(qū)4個(gè)GPS基準(zhǔn)站的速度信息，其中各站中水平方向最大、最小的運(yùn)動(dòng)速度分別為 10.63 mm/a、 5.32 mm/a，測定精度優(yōu)于1 mm/a，與文獻(xiàn)[8-9]給出的華南地塊6～11 mm/a的運(yùn)動(dòng)速度一致。

表1　ITRF2008框架下的湖北CORS站

表2　歐拉矢量參數(shù)表

f1:鄖西-鄖縣斷裂；f2:寶豐-房縣斷裂；f3:青峰斷裂；f4:襄樊-廣濟(jì)斷裂；f5:霧渡河斷裂；f6:天陽坪斷裂；f7:仙女山斷裂；f8:麻城-團(tuán)風(fēng)斷裂；f9:郯城-廬江斷裂圖2　湖北地區(qū)現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)水平速度場(相對(duì)于歐亞板塊)Fig.2　Crustal movement horizontal velocity field in Hubei region (relative to the Eurasian plate)

4　應(yīng)力應(yīng)變分析

f1:鄖西-鄖縣斷裂；f2:寶豐-房縣斷裂；f3:青峰斷裂；f4:襄樊-廣濟(jì)斷裂；f5:霧渡河斷裂；f6:天陽坪斷裂；f7:仙女山斷裂；f8:麻城-團(tuán)風(fēng)斷裂；f9:郯城-廬江斷裂圖3　湖北地區(qū)主應(yīng)變率分布Fig.3　Distribution of principle strain rates in Hubei region

斷裂帶的分布在一定程度上影響著應(yīng)變場的空間分布，相對(duì)完整的塊體內(nèi)部應(yīng)變場較為均勻，量值很小[10-11]。利用2011-05-01～2013-06-30的GPS觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算得到湖北地區(qū)的主應(yīng)變率分布(圖3)。結(jié)果表明，湖北地區(qū)最大主壓應(yīng)變集中分布在主要斷裂構(gòu)造帶周圍：1)量值最大區(qū)主要集中在宜昌、秭歸附近的NNW向的仙女山斷裂帶以及NWW向的霧渡河斷裂、天陽坪斷裂附近，基本上以近南北向主壓應(yīng)變?yōu)橹鳎鲏簯?yīng)力軸分布與斷裂走向基本一致，總體方向呈近東西向分布。2)NWW向的襄樊-廣濟(jì)斷裂西段也存在相當(dāng)程度的主壓應(yīng)變，主壓應(yīng)力軸與斷裂帶走向夾角約60°～70°，總體走向?yàn)楸蔽飨?；鄖縣-鄖西斷裂兼有主壓應(yīng)變和主張應(yīng)變，其中主張應(yīng)變略為突出，其應(yīng)力軸與斷裂走向夾角約30°；寶豐-房縣斷裂基本上表現(xiàn)為主壓應(yīng)變，而其東北區(qū)則表現(xiàn)為主張應(yīng)變，應(yīng)力軸幾乎與斷裂走向一致。3)橫貫湖北境內(nèi)的襄樊-廣濟(jì)斷裂中段兩側(cè)也存在一定程度的應(yīng)變，主要表現(xiàn)為平行于斷裂以張應(yīng)變?yōu)橹鳌⒋怪庇跀嗔岩詨簯?yīng)變?yōu)橹?，而與麻城-團(tuán)風(fēng)斷裂交界處則表現(xiàn)為垂直于襄樊-廣濟(jì)斷裂走向的主張應(yīng)變；其他區(qū)域，如江漢平原等地區(qū)，整體應(yīng)變較小，量值均勻，表明局部塊體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，體現(xiàn)出其剛性特征。

由通過2011-05-01～2013-06-30的GPS觀測數(shù)據(jù)計(jì)算得到的湖北地區(qū)最大剪應(yīng)變率分布圖(圖4)可知，敏感區(qū)域集中分布在宜昌市秭歸縣、恩施市巴東縣周邊50 km區(qū)域內(nèi)、十堰市的鄖縣及鄖西地區(qū)、襄樊-廣濟(jì)斷裂中段的安陸至黃岡條帶區(qū)；最大值約為(1.43～1.73)×10-7/a，分別位于宜昌與恩施交界處、十堰地區(qū)的竹山至鄖西-鄖縣的轄區(qū)內(nèi)，前者恰好與2014年的秭歸4.5級(jí)及4.7級(jí)地震對(duì)應(yīng)，后者所在區(qū)域則可能與2014年房縣4.0級(jí)地震對(duì)應(yīng)。其他地區(qū)基本均勻分布，量值集中在(1～10)×10-8/a區(qū)間內(nèi)。

f1:鄖西-鄖縣斷裂；f2:寶豐-房縣斷裂；f3:青峰斷裂；f4:襄樊-廣濟(jì)斷裂；f5:霧渡河斷裂；f6:天陽坪斷裂；f7:仙女山斷裂；f8:麻城-團(tuán)風(fēng)斷裂；f9:郯城-廬江斷裂圖4　湖北地區(qū)最大剪應(yīng)變率分布Fig.4　Distribution of maximum shear strain rates in Hubei region

從湖北地區(qū)歷史地震的分布(圖2)可知，鄂西山區(qū)與江漢平原的交匯區(qū)、湖北與江西交界的周邊區(qū)域(郯城-廬江地震帶兩側(cè))是地震的主要發(fā)生區(qū)[12]，與GPS揭示的形變規(guī)律、主應(yīng)變率集中區(qū)域以及剪應(yīng)變率敏感區(qū)分布基本一致，表明了本文計(jì)算結(jié)果的可靠性。

5　結(jié)　語

1)站點(diǎn)時(shí)間序列表明，水平位移基本穩(wěn)定，東向運(yùn)動(dòng)趨勢顯著，南北向表現(xiàn)為微弱的南向運(yùn)動(dòng)；垂直位移則具有明顯的周年、半周年運(yùn)動(dòng)，且基巖站點(diǎn)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于土層站點(diǎn)。另外，GPS垂向位移易受參考框架、非構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用等因素影響。有關(guān)研究表明，當(dāng)GPS觀測時(shí)間大于 4～5 a時(shí)，垂向速率結(jié)果方可視為相對(duì)穩(wěn)定，可用于各種構(gòu)造解釋。因本次所使用的湖北CORS數(shù)據(jù)僅持續(xù)2 a多，相對(duì)較短，故本文研究對(duì)該地區(qū)垂向位移不予考慮，待日后再作分析。

2)湖北CORS系統(tǒng)的建設(shè)完成，使得湖北地區(qū)GPS測站空前加密，進(jìn)而得以獲取更為精細(xì)的區(qū)域變形圖像。由圖2可以看出，湖北各地地殼運(yùn)動(dòng)方向均為正東或東略偏南，運(yùn)動(dòng)速度沒有明顯差異，平均運(yùn)動(dòng)速度為7～8 mm/a，除湖北中部江漢平原地區(qū)略低外，湖北東、西部地區(qū)較為均衡，表明湖北地區(qū)內(nèi)部不存在明顯的差異運(yùn)動(dòng)。三峽庫區(qū)周邊測站運(yùn)動(dòng)速度也均為7 mm/a左右，較之其他地區(qū)并無明顯變化，未來將聯(lián)合三峽大壩形變監(jiān)測網(wǎng)(連續(xù)、流動(dòng))資料對(duì)該區(qū)域進(jìn)行更為細(xì)致的研究。

3)湖北地區(qū)最大主壓應(yīng)變集中分布在主要斷裂構(gòu)造帶周圍(圖3)，主要集中在宜昌、秭歸附近的NNW向的仙女山斷裂帶以及NWW向的霧渡河斷裂、天陽坪斷裂附近，NWW走向的襄樊-廣濟(jì)斷裂西段也存在相當(dāng)程度的主壓應(yīng)變，鄖縣-鄖西斷裂兼有主壓應(yīng)變和主張應(yīng)變，寶豐-房縣斷裂基本上表現(xiàn)為主壓應(yīng)變，襄樊-廣濟(jì)斷裂中段兩側(cè)也有一定程度的應(yīng)變。其他區(qū)域，如江漢平原等地區(qū)，整體應(yīng)變較小、量值均勻，表明局部塊體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，體現(xiàn)出其剛性特征。而由湖北地區(qū)最大剪應(yīng)變率分布圖(圖4)可知，敏感區(qū)域集中分布在宜昌市秭歸縣、恩施州巴東縣周邊50 km區(qū)域內(nèi)、十堰市的鄖縣及鄖西地區(qū)、襄樊-廣濟(jì)斷裂中段的安陸至黃岡條帶區(qū)；最大值約為(1.43～1.73)×10-7/a，分別位于宜昌與恩施交界處、十堰地區(qū)的竹山至鄖西-鄖縣的轄區(qū)內(nèi)。前者恰好與2014年的秭歸4.5級(jí)及4.7級(jí)地震對(duì)應(yīng)，后者所在區(qū)域則可能與2014年房縣4.0級(jí)地震對(duì)應(yīng)。

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About the first author:NIE Zhaosheng, associate researcher,majors in GPS observation technology and its application in the seismology, E-mail:niezhaosheng @126.com.

Analysis of Present-Day Crustal Deformation in Hubei by GPS Observation

NIEZhaosheng1, 2XIONGWei1, 2HUANGYong1, 2

1Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071,China 2Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics，CEA，40 Hongshance Road, Wuhan 430071,China

In this study, we calculate GPS observation data from 76 continuous sites between May 2011 and June 2013 of the CMONOC and HBCORS networks. We get the precise coordinates, the time series, and the horizontal movement velocity field of each station. The results show that the movement speed is about 6-9 mm/a, and gives priority to movement to the east or southeast direction, which is almost the same as the movement characteristics of the south China block. The preliminary results show that there is no obvious difference in the Hubei region. Also, we calculate the principal strain rate and the maximum shear strain rate. The results show that the maximum shear strain rate sensitive area is mainly the area where the faults distribute centrally; the maximum value mainly distributes in Badong, Zigui and Zhushan-Yunxian and its neighbor area; the value is about (1.43-1.73)×10-7/a, ,the results correspond obviously to Zigui M4.5 and M4.7 earthquakes, and Fangxian M4.0 earthquake in Hubei region in 2014.

GPS velocityfield; time series; principle strain rate; maximum shear strain rate

Director Fund of Institute of Seismology,CEA,No.IS201326129；Special Fund for Earthquake Research of CEA,No.201508003,201508009;National Natural Science Foundation of China,No.41504011.

2015-09-23

聶兆生，副研究員，主要研究方向?yàn)镚PS觀測技術(shù)及其應(yīng)用等，E-mail:niezhaosheng @126.com。

10.14075/j.jgg.2016.10.017

1671-5942(2016)010-0922-05

P315

A

項(xiàng)目來源：中國地震局地震研究所所長基金(IS201326129);中國地震局地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201508003,201508009);國家自然科學(xué)基金(41504011,41572354)。