利用GPS高頻信號分析瑪多地震產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)位移特征

張彩紅 譚 凱 王東振 李 瑜 趙 斌

1 中國地震局地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市洪山側(cè)路40號，430071 2 中國地震臺網(wǎng)中心，北京市三里河南橫街5號，100045

2021-05-22青海省瑪多縣發(fā)生MW7.3地震，震中位于34.613°N 、98.246°E，深度10 km。該地震引發(fā)近千次余震，破壞性極強(qiáng)。一個(gè)世紀(jì)以來，該地震震中距250 km以內(nèi)已發(fā)生2次7級以上地震[1-2]，因此研究該地區(qū)因地震產(chǎn)生的位移變化尤為重要。斷層破裂的走向以及特征表明，瑪多地震是一個(gè)典型的東西向左旋走滑事件，這主要和青藏高原的南緣喜馬拉雅山一直受到印度洋板塊的俯沖有關(guān)，俯沖造成的位移每年高達(dá)4～5 cm[3]，誘發(fā)了多次地震。隨著GPS軟硬件的日益完善，科研工作者可以在地震后對震源周圍地區(qū)受到的影響給出快速響應(yīng)[4-6]。本文在地震發(fā)生后利用Bernese GNSS Software Version 5.2 (簡稱Bernese5.2)[7]對震中附近的11個(gè)中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱陸態(tài)網(wǎng))[8]測站1 Hz的GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并評估地震對周圍地表的破壞性影響，為后續(xù)的相關(guān)研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)的獲取

本文使用的11個(gè)陸態(tài)網(wǎng)測站GPS高頻觀測數(shù)據(jù)由中國地震臺網(wǎng)中心提供，測站全部位于震中距400 km范圍以內(nèi)，分別為青海德令哈站(DLHA)、甘肅瑪曲站(GSMA)、青海班瑪站(QHBM)、青海都蘭站(QHDL)、青海格爾木站(QHGE)、青?，敹嗾?QHMD)、青?，斍哒?QHMQ)、青海同仁站(QHTR)、青海西寧站(XNIN)、西藏昌都站(XZCD)、四川甘孜站(SCGZ)，具體位置分布如圖1所示。其中QHMD站距離震中最近(37 km)，XZCD站距離震中最遠(yuǎn)(396 km)。配置的接收機(jī)均為天寶NET8/9，除DLHA采用TRM59900.00 SCIS天線外，其他站均采用TRM59800.00 SCIS天線。由于瑪多縣西部海拔較高、地形復(fù)雜，GPS站建造條件受到限制，只設(shè)有QHGE一站，無法準(zhǔn)確分析瑪多西部的地表形變。

圖1 高頻GPS站分布Fig.1 Distribution of the high rate GPS stations

2 數(shù)據(jù)解算策略

在解算高頻觀測數(shù)據(jù)時(shí)，采用瑞士伯爾尼大學(xué)研制開發(fā)的高精度數(shù)據(jù)處理軟件Bernese5.2。該軟件不僅能夠?qū)崿F(xiàn)GPS高精度數(shù)據(jù)處理，服務(wù)于地殼形變研究，還能夠?qū)崿F(xiàn)GPS高頻動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理，獲得cm級的定位結(jié)果。為了提高解算效率并保證提取出地震引起的地表動(dòng)態(tài)位移變化，本文解算地震發(fā)生時(shí)刻之前2 min和震后7 min的高頻觀測數(shù)據(jù)。由于精密星歷滯后兩周左右，為快速得到周圍地表動(dòng)態(tài)位移變化，在解算過程中采用IGS 快速星歷。采用全球電離層模型進(jìn)行高階電離層改正，正常解算時(shí)需要采用CODE數(shù)據(jù)中心公布的P1P2和P1C1差分碼偏差參數(shù)，但該參數(shù)按月公布，因此在解算過程中忽略差分碼偏差改正。采用維也納投影函數(shù)計(jì)算對流層天頂延遲，Bernese5.2雖然提供了單點(diǎn)定位動(dòng)態(tài)解算模式，但是由于沒有對差分碼進(jìn)行改正，并且采用了IGS快速星歷，一些共模誤差難以削弱。因此，本文基于基線模式進(jìn)行單歷元?jiǎng)討B(tài)定位，以距離震中超過2 000 km的IGS核心站——上海站(SHAO)為參考點(diǎn)，以STAR超長基線模式輻射出11條長度約為2 000 km的基線，從而減弱軌道誤差等共模誤差的影響，提高動(dòng)態(tài)定位精度。解算時(shí)采用的具體模型及參數(shù)如表1所示。

表1 高頻動(dòng)態(tài)定位采用的模型及參數(shù)

3 結(jié)果分析與討論

根據(jù)上述解算策略，約束遠(yuǎn)離震中不受地震影響的GPS測站SHAO，獲得每個(gè)GPS觀測站2021-05-22 02：02～02：11 在ITRF2014參考框架下的高頻定位結(jié)果。其中東西向和南北向動(dòng)態(tài)位移隨時(shí)間變化的序列如圖2所示，由于垂向高頻定位精度不高，本文只分析水平方向位移。圖中垂直于時(shí)間軸的紅色虛線為地震發(fā)生時(shí)刻，為了更清晰地表征各站點(diǎn)震中距的遠(yuǎn)近和地震引起的地表動(dòng)態(tài)位移大小，GPS測站從下到上按照震中距從近到遠(yuǎn)的順序排列。

圖2 11個(gè)GPS測站東西向和南北向地表動(dòng)態(tài)位移時(shí)間序列Fig.2 The time series of the eastern and northern dynamic displacements at the eleven GPS stations

由圖2(a)可見，瑪多地震對QHMD站東西向的影響最大，約為25 cm，對南北向的影響較小，約為10 cm。瑪多地震對周圍各站點(diǎn)東西向位移的影響總體上隨著震中距的增加而減小，但對位于震中西北方向QHGE站東西向位移的影響卻很小，這可能與青藏高原地下物質(zhì)屬性不同從而影響了地震波的衰減速度有關(guān)。結(jié)合圖1可知，在圖1紅色虛線框內(nèi)的GPS測站，其東西向位移會受到瑪多地震的影響，與震中距相關(guān)性較大、與方位角相關(guān)性較小。由圖2(b)可見，與東西向位移特征不同，瑪多地震對周圍地表各GPS站點(diǎn)南北向動(dòng)態(tài)位移的影響隨震中距增大而衰減的現(xiàn)象并不明顯。結(jié)合圖1中各GPS站點(diǎn)和震中的相對位置關(guān)系可知，此現(xiàn)象與站點(diǎn)的方位角有很大的相關(guān)性?，敹嗟卣饘HMQ站和GSMA站的影響最為顯著，位移均為約27 cm。由圖2可知，無論東西方向還是南北方向，在地震發(fā)生之前，并沒有明顯的位移變化，地震使青?，敹嗾镜奈恢卯a(chǎn)生不可逆的變化，說明該地區(qū)的地下塑性物質(zhì)在過程中起主導(dǎo)作用；而地震對其他GPS站點(diǎn)的影響能很快恢復(fù)到震前狀態(tài)，說明這些地區(qū)的地下彈性物質(zhì)在過程中起主導(dǎo)作用。

4 結(jié) 語

本文利用超長基線模式對11個(gè)位于瑪多地震震中距400 km范圍內(nèi)的陸態(tài)網(wǎng)高頻GPS觀測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到地震前后共9 min的東西向和南北向動(dòng)態(tài)位移時(shí)間序列。結(jié)果表明：1)地震使QHMD站發(fā)生不可逆的位移變化，說明地下的塑性物質(zhì)在過程中起主導(dǎo)作用，而其他GPS站的位移在震后很快恢復(fù)到震前狀態(tài)，說明地下彈性物質(zhì)在過程中起主導(dǎo)作用。2)瑪多地震對周圍各站位移產(chǎn)生的影響，尤其對南北向位移的影響，與站點(diǎn)方位角有較大的相關(guān)性。該研究可為今后瑪多地震形變分析提供參考。