新疆4次MS≥6.0地震基線時間序列異常變化特征研究①

丁 宇, 李桂榮, 朱治國, 李 瑞, 蘇力坦·玉散, 李 杰, 劉代芹, 楊 磊, 趙 磊, 孫小旭, 塔依爾·喀哈爾

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

GNSS觀測能夠提供大尺度、全天候、高精度的位置信息，因此被廣泛應用于測量、軍事、交通運輸和大氣研究等諸多科研和生產(chǎn)領域[1-2]。特別是地殼運動觀測網(wǎng)絡和中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡的建設，大幅度提高了連續(xù)GNSS觀測的密度和觀測的精度，為其應用于高精度地殼形變監(jiān)測提供了海量可靠的基礎數(shù)據(jù)。GPS基線時間序列能在一定程度上削弱系統(tǒng)誤差和共模噪聲的影響，因此比單個測站坐標時間序列更能靈敏的反映周圍構造環(huán)境的變化[3]。新疆地區(qū)地震活動頻度高、強度大、分布廣、災害重，歷史上曾發(fā)生過多次強震，造成了巨大的生命財產(chǎn)損失。2011年以來，新疆共發(fā)生了10次MS≥6.0地震和1次MS≥7.0地震。那么這些強震前后GPS基線是否有變化？GPS基線時間序列是否揭示了MS≥6.0強震的前兆形變信息？能否從GPS基線時間序列變化來探討MS≥6.0地震的時空強？本文中應用PANDA軟件對新疆4次MS≥6.0地震震中附近GNSS基本站的數(shù)據(jù)進行解算，然后運用線性擬合和平滑濾波方法對基線進行處理，并基于此探討MS≥6.0地震GPS基線時間序列特征震中周邊構造環(huán)境變化，分析新疆地區(qū)部分GPS基線近期的異常變化情況，同時期望為未來地震活動性的分析研究提供有參考價值的結果。

1 GPS數(shù)據(jù)處理

本文中使用的數(shù)據(jù)是中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡連續(xù)站2011～2020年的觀測資料，GPS連續(xù)站觀測值的數(shù)據(jù)處理采用武漢大學衛(wèi)星導航定位技術研究中心編寫的精密定軌定位軟件(PANDA)完成[4]。PANDA軟件采用的是非差處理模式，數(shù)據(jù)編輯采取和周跳探測與修復方法一致的單站數(shù)據(jù)自動處理，軟件具備處理包括GPS、衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)(SLR)、K頻段測距系統(tǒng)(KBR)、衛(wèi)星姿態(tài)與加速度計等多種類型觀測數(shù)據(jù)的功能，這些數(shù)據(jù)可以單獨或聯(lián)合起來估計地面測站坐標、天頂延遲、GPS衛(wèi)星精密軌道與鐘差、低軌衛(wèi)星精密軌道、地球自轉等參數(shù)[4]。數(shù)據(jù)處理的基本流程包括數(shù)據(jù)準備和數(shù)據(jù)處理。除了準備相關的觀測文件以及下載相應的星歷文件、鐘差文件之外，還需要準備相關的表文件，一方面是需要設置的表文件，如控制文件gnss.cfg、站星參數(shù)信息文件session.obj，另一方面還需要更新表文件，如測站天線坐標文件gnss.sit、命名文件panda_file.name、接收機天線相位中心改正文件igs08.atx等文件[5]。先用(1)式的線性擬合方法[6]，然后用(2)式對基線時間序列進行處理得到各條基線扣除趨勢的殘差結果，進而分析基線異常特征變化。

y=ax+b.

(1)

y′-y0=△y.

(2)

式中，y為基線長度，a為線性變化速度，x為時間，b為基線初始長度，y′為觀測值，y0為首期觀測值，△y為基線變化量。

2 GPS基線時間序列變化特征分析

在探討4次MS≥6.0地震的GPS基線時間序列的異常變化特征之前，首先從整體上把握GPS基線時間序列10 a以來的趨勢性運動特征。從天山中段和南天山西段年度危險區(qū)及大震強震的重點發(fā)震區(qū)域選取17條GPS基線時間序列結果經(jīng)過擬合濾波處理，并進行了趨勢性運動特征分析，基線時間序列顯示，新疆GPS基線目前有短期異常和背景異常(圖1)，從圖上可以看出，阿爾金、南天山西段、西昆侖、阿勒泰的基線出現(xiàn)異常變化的時間基本在2020年，時間較短，為短期關注，用紅色標注；以庫爾勒為節(jié)點，周邊基線基本為背景變化，庫爾勒以西為拉張，以東為擠壓；南天山山前至盆地的交匯區(qū)域，主要為擠壓變化；庫車至巴音布魯克，庫爾勒至烏拉斯臺，庫車至昭蘇區(qū)域，顯示出擠壓應力增強。以巴音布魯克、庫爾勒、庫車、芨芨臺、富蘊為節(jié)點的區(qū)域2年內(nèi)的區(qū)域變化較為明顯。

圖1 新疆近期基線短期異常和背景異常匯總圖Fig.1 Summary of short-term baseline anomalies and background anomalies in Xinjiang

3 4次MS≥6.0地震前GPS基線時間序列變化分析

閆偉等通過研究青海昆侖山口西MS8.1地震得到基線長度和方向在某種程度上都可以反映地震前或地震破裂過程，但在不同方位上，變化特征是有差異的。地震前后基線長度與方向的變化特征很大程度上依賴于地震破裂方向。在與破裂方向平行的方位上，基線長度變化較為顯著；而與其垂直方位上，地震后基線方向變化則較為顯著；在與破裂方向成-45°或135°方位上，震前有可能觀測到基線長度與方向的顯著變化的結論[7]。本文中通過分析4次MS≥6.0地震前后周邊不同方向基線異常變化特征(圖2)，結合震源機制解及區(qū)域地質(zhì)構造和地震活動背景，進一步探討基線異常特征變化和地震之間的關系。

圖2 新疆4次MS≥6.0地震與震中周邊基線圖Fig.2 Baseline map of four MS≥6.0 earthquakes and their peripherals in Xinjiang

(1) 2016年11月25日阿克陶MS6.7地震

陳杰、聶曉紅等認為阿克陶MS6.7地震發(fā)生在帕米爾內(nèi)部張性剪切斷裂帶的北段，震中位于木吉盆地北緣斷裂附近，該斷裂是公格爾拉張系最北端的全新世活動轉換斷層，走向NWW[8-9]。陳杰認為帕米爾構造結構造變形以前緣地殼縮短、兩側走滑、構造結內(nèi)部拉張為特征，形成一系列向北凸出的弧形活動構造帶[10]。本文中選取和地震破裂方向近似平行的塔什庫爾干—布倫口基線(圖3a)、近于垂直的布倫口—烏恰基線(圖3b)與近45°夾角的布倫口—葉城基線(圖3c)作具體分析。

圖3 阿克陶MS6.7地震震中3方向基線時間序列圖(a) 塔什庫爾干—布倫口 (b) 布倫口—烏恰 (c) 布倫口—葉城Fig.3 Baseline time series of Akto MS6.7 earthquake in epicenter three directions

從2011年開始塔什庫爾干—布倫口基線持續(xù)性擠壓，2016年10月擠壓趨勢出現(xiàn)快速拉張，隨后在2016年11月25日發(fā)生阿克陶地震，拉張幅度達4 mm。布倫口—烏恰基線一直持續(xù)擠壓，說明該區(qū)域持續(xù)受力，這與印度板塊運動擠壓有關，即使在地震發(fā)生后該區(qū)域依然沒有改變運動趨勢，說明此次地震并沒有改變該區(qū)域的受力狀態(tài)，后續(xù)還需持續(xù)關注。2011年5月～2015年11月，布倫口—葉城基線為持續(xù)拉張，拉張幅度為11.6 mm，2015年11月趨勢轉變并快速擠壓，2016年4月趨勢又轉變?yōu)榧铀倮瓘?，至地震發(fā)生，拉張幅度達9.6 mm。上述變化說明該區(qū)域受力不穩(wěn)定不均勻，值得后續(xù)關注。

(2) 2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震

高榮等認為呼圖壁MS6.2地震發(fā)生在北天山山麓地帶，地震破裂以逆沖為主，與發(fā)震構造清水河子斷裂的錯段性質(zhì)一致，地震的發(fā)震構造可能為NWW走向、具有逆沖性質(zhì)的清水河子斷裂[11]。選取和NWW走向大致平行的石河子—烏魯木齊基線(圖4a)、近乎垂直的烏魯木齊—烏拉斯臺基線(圖4b)、成45°夾角的石河子—烏拉斯臺基線(圖4c)進一步分析。

圖4 呼圖壁MS6.2地震震中3方向基線時間序列圖(a) 石河子—烏魯木齊 (b) 烏魯木齊—烏拉斯臺 (c) 石河子—烏拉斯臺Fig.4 Baseline time series of Hutubi MS6.2 earthquake in epicenter three directions

石河子—烏拉斯臺基線總體趨勢持續(xù)擠壓，但在2016年6月發(fā)生短暫趨勢轉向開始拉張，拉張幅度為3.5 mm，2016年9月恢復擠壓狀態(tài)，然后發(fā)生地震，地震發(fā)生后依然持續(xù)擠壓，說明該區(qū)域持續(xù)受力，此次地震并沒有將構造壓力釋放完畢。烏魯木齊—烏拉斯臺基線變化趨勢持續(xù)擠壓，但從2016年6月開始擠壓速率變小，或許該區(qū)域構造受力趨于閉鎖，直至發(fā)生地震，地震發(fā)生后該區(qū)域受力改變繼續(xù)加速擠壓。石河子—烏魯木齊基線一直都有規(guī)律的年變現(xiàn)象，但2015年的年變幅只有3 mm，而2016年地震發(fā)生時的年變幅達到了4.5 mm，之后逐漸恢復至正常的年變狀態(tài)。

(3) 2017年8月9日精河MS6.6地震

翟亮等認為精河MS6.6地震是一次逆沖型地震，通過反演得到的大量小震震源機制解的結果與主震震源機制解結果相一致。結合余震震中分布、主震及余震的震源機制解以及震源區(qū)的地質(zhì)構造，發(fā)震構造可能為近EW走向具有逆沖性質(zhì)的庫松木楔克山前斷裂[12]。選取與發(fā)震構造近乎平行的伊寧—新源基線(圖5a)、幾乎垂直的獨山子—巴音布魯克基線(圖5b)、成45°夾角的新源—獨山子基線進行分析(圖5c)。

圖5 精河MS6.6地震震中3方向基線時間序列圖(a) 伊寧—新源 (b) 獨山子—巴音布魯克 (c) 新源—獨山子Fig.5 Baseline time series of Jinghe MS6.6 earthquake in epicenter three directions

2015年11月以前新源—獨山子基線為持續(xù)拉張，之后趨勢出現(xiàn)小幅擠壓，2017年4月開始加速擠壓直至發(fā)生地震，4個月時間擠壓變量達4 mm。獨山子—巴音布魯克基線成持續(xù)擠壓趨勢，發(fā)震前13個月擠壓速率增大，發(fā)震前4個月趨勢轉變?yōu)槔瓘?，地震發(fā)生后又恢復到繼續(xù)擠壓狀態(tài)。2011年4月至2017年4月伊寧—新源基線擠壓幅度達15 mm，地震發(fā)生前有8個月的閉鎖狀態(tài)，2017年5月開始加速拉張，至地震發(fā)生，2個月的拉張幅度達5 mm，地震發(fā)生后恢復擠壓狀態(tài)。

(4) 2020年1月19日伽師MS6.4地震

孟令媛等認為伽師MS6.4主震為一次逆沖為主兼有走滑分量的破裂事件，與NEE走向的柯坪斷裂構造性質(zhì)一致[13]?？缕簲嗔褜儆谀咸焐轿鞫慰缕耗鏇_推覆構造帶。柯坪斷裂走向為EW-NEE向，斷錯性質(zhì)為左行走滑逆斷層[14]。以NEE向為破裂方向，選取與破裂方向幾乎平行的烏恰—巴楚基線(圖6a)、近似垂直的巴楚—烏什基線(圖6b)、近似45°夾角的巴楚—布倫口基線(圖6c)進一步分析基線異常變化特征。

圖6 伽師MS6.4地震震中3方向基線時間序列圖(a) 烏恰—巴楚 (b) 巴楚—烏什 (c) 巴楚—布倫口Fig.6 Baseline time series of Jiashi MS6.4 earthquake in epicenter three directions

從2016年開始巴楚—布倫口基線持續(xù)拉張，2019年2月趨勢轉為擠壓，2019年9月又恢復到拉張狀態(tài)，至地震發(fā)生時，4個月累計拉張幅度為4.5 mm，地震發(fā)生后開始加速擠壓，分析認為可能是印度板塊和歐亞板塊的相互作用，特別是受塔吉克斯塔MS7.8地震的影響，加劇了葉城—巴楚應力的作用[15]；巴楚—烏什基線為持續(xù)擠壓狀態(tài)，地震發(fā)生前有擠壓趨勢加速的現(xiàn)象，地震發(fā)生后擠壓趨勢減緩，可能該區(qū)域受力逐漸平衡，開始出現(xiàn)閉鎖狀態(tài)。烏恰—巴楚基線在阿克陶MS6.7地震以后一直為緩慢擠壓趨勢，2019年9月開始加速擠壓，至地震發(fā)生時，4個月擠壓幅度為2.5 mm，地震發(fā)生后持續(xù)小幅波動趨于穩(wěn)定閉鎖狀態(tài)。

4 認識與討論

梳理新疆4次MS≥6.0地震前后GPS基線時間序列，當基線與地震破裂方向近似平行時，4次地震前均出現(xiàn)了基線長度的異常，最大長度變化為5 mm，最小長度變化為2.5 mm；當基線與地震破裂方向近似垂直時，精河MS6.6地震前基線有較明顯的趨勢轉折變化，呼圖壁MS6.2地震前后基線擠壓趨勢速率變小，伽師MS6.4地震擠壓趨勢速率增大，阿克陶MS6.7地震前后基線趨勢變化不明顯；當基線與地震破裂方向大致成45°夾角時，4次地震在震前均出現(xiàn)基線長度和趨勢的異常變化，其中阿克陶MS6.7地震和精河MS6.6地震前異常變化較為明顯。

通過對新疆4次MS≥6.0地震前后GPS基線異常特征的變化差異性分析，初步得出結論：地震前后基線變化的幅度和趨勢跟地震的破裂方向有一定的關系。基線方向如果與地震破裂方向平行，則基線長度變化有較好的震前指示意義；基線方向如果與地震破裂方向垂直，則基線趨勢變化有一定的震前指示意義，但有些異常特征不明顯，需仔細分析；基線方向如果與地震破裂方向成45°或135°夾角，則基線長度變化和趨勢變化都有一定的震前指示意義。

因此，結合地質(zhì)構造背景及斷層活動性，依據(jù)GPS基線異常變化特征，按照上述初步結論分析，或許可以作為地震異常前兆信息的判斷依據(jù)。后續(xù)還會結合更多震例總結，為新疆地區(qū)MS≥6.0地震積累震例資料，進一步為能夠做出具有減災實效的震前預報提供基礎實踐數(shù)據(jù)。

致謝：在論文的寫作過程中得到新疆維吾爾自治區(qū)地震局王曉強研究員、陳麗高級工程師在數(shù)據(jù)分析方面給予的悉心指導,得到新疆地震臺張琳琳高級工程師在震源機制解上的答疑解惑，在此一并衷心感謝。