基于GNSS的青?，敹郙7.4級地震的地表形變分析

李康，蔣光偉,3，高春偉，王祖順，高新妍，黨引群

( 1. 自然資源部大地測量數(shù)據(jù)處理中心, 西安 710054；2. 青海省基礎測繪院, 西寧 810001；3. 長安大學地質工程與測繪學院 , 西安 710054 )

0 引 言

北京時間2021年5月22日02時04分，青海省果洛州瑪多縣(98.34°E，34.59°N)發(fā)生M7.4地震，震源深度17 km. 這是自2008年汶川地震以來我國境內發(fā)生的震級最高的一次地震，也是自2017年九寨溝地震后又一次震級大于7.0級的地震.

青海省位于青藏高原東北部，是板塊碰撞活躍區(qū)域，受到來自太平洋板塊對歐亞板塊向下俯沖與印度板塊向北碰撞擠壓，在兩大動力源的作用下，青藏高原以及周邊構造活動強烈，形成強震多發(fā)態(tài)勢. 青?，敹?.4級地震是巴顏喀拉塊體邊界斷裂持續(xù)活動的結果，距離地震最近的斷層是甘德南緣斷裂帶，震源機制為走滑型破裂[1-4]. 近年來，以全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)為代表的的空間大地測量技術因具有時空分辨率高、覆蓋范圍廣、高精度等特點，被廣泛應用于地殼形變分析和快速監(jiān)測，為地震監(jiān)測和地震機理研究發(fā)揮了重要作用[5-8].

本文擬利用GAMIT/GLOBK軟件以及TRACK模塊，分別采用靜態(tài)解算和動態(tài)解算兩種方法處理青海省GNSS連續(xù)運行參考站(CORS)數(shù)據(jù)，得到各站點的震前、震后位移以及震時動態(tài)坐標序列，并分析震后地表永久性形變和震時地表動態(tài)形變過程，為地震機理研究和評估地震影響提供參考.

1 資料收集介紹

1.1 IGS站觀測數(shù)據(jù)情況

利用GNSS分析地震對地表形變的影響，關鍵是選取穩(wěn)定的基準站，因此，分析了國際GNSS服務(IGS)站及我國數(shù)據(jù)后，選取了2021-05-18—05-22 BJFS、WUHN、URUM、PIMO、CUSV、HYDE、KIT3、POL2、ULAB 9個IGS站作為框架站.

1.2 陸態(tài)網觀測情況

中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網絡(簡稱“陸態(tài)網”)是覆蓋我國大陸及近海的高精度、高時空分辨率的地殼運動監(jiān)測網絡，可為地震分析提供完整、可靠、連續(xù)的GNSS觀測數(shù)據(jù). 為分析地震影響，本文選取了2021-05-18—05-22 XJRQ、XJJJ、DXIN、YANC、XIAA、CQCS、XZYD、XZSH 8個陸態(tài)網站點數(shù)據(jù)，站點距震中距離均大于700 km，站點分布情況見圖1所示.

圖1 選取的IGS站和陸態(tài)網站分布圖

1.3 青海省GNSS CORS情況

本文收集了2021-05-18—05-22 45座青海省GNSS CORS的高頻觀測數(shù)據(jù)，站點距震中距離均在400 km以內，其中距震中在100 km以內有江多站(JDUO)距震中35 km、瑪多(MADU)距震中38 km、花石峽(HSHX)距震中74 km、康窮(KANQ)距震中79 km.站點分布情況見圖2所示.

圖2 青海省GNSS CORS分布圖

2 GNSS數(shù)據(jù)處理

GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理采用GAMIT/GLOBK10.70軟件，基于ITRT2014參考框架，2021.381歷元，計算震前、震后GNSS連續(xù)運行基準站的坐標變化，進而分析震后形變[9-10]. GNSS靜態(tài)解算參數(shù)設置如表1所示.

表1 GNSS靜態(tài)解算參數(shù)設置

高頻GNSS動態(tài)數(shù)據(jù)處理采用GAMIT自帶的TRACK模塊，采用無電離層雙差組合觀測值進行震時動態(tài)坐標解算，具體解算時采用IGS精密星歷，基線處理模式為長基線模式，采用卡爾曼濾波平滑算法來消除大部分測站的漂移誤差[11-13].

GNSS動態(tài)數(shù)據(jù)處理時，選取遠離震區(qū)的穩(wěn)定的GNSS基準站為參考站，對震區(qū)周圍的1 s采樣間隔的高頻觀測數(shù)據(jù)逐歷元進行坐標解算，獲得地震瞬間的地表動態(tài)形變.

3 地表形變分析

3.1 GNSS靜態(tài)形變分析

為了分析地震引起的周圍地表形變，采用兩種方案進行綜合分析，具體如下：

方案一：以我國周邊BJFS、WUHN、URUM、PIMO、CUSV、HYDE、KIT3、POL2、ULAB 9個穩(wěn)定的IGS站為框架站，對青海省GNSS CORS數(shù)據(jù)進行基線解算，得到單日松弛解. 采用相似變換分別對震前、震后單日松弛解進行聯(lián)合平差，得出站點震前、震后坐標差異.

方案二：在對青海省GNSS CORS解算之前，首先分析陸態(tài)網站點的穩(wěn)定性，以選取的9個穩(wěn)定的IGS站為框架站，對青海省周邊的XJRQ、XJJJ、DXIN、YANC、XIAA、CQCS、XZYD、XZSH 8個陸態(tài)網站點進行單日基線解算和網平差，將各站點的震前、震后成果進行比對，分析地震對周邊陸態(tài)網站點的影響. 其次，以陸態(tài)網站點為起算基準站，分析青海省GNSS CORS震前、震后坐標變化.

由表2可知，所選取的8個陸態(tài)網站點在震前、震后坐標差異量級很小，且無系統(tǒng)性偏差，表明地震對青海省周邊的8個陸態(tài)網站點沒有影響，站點穩(wěn)定.

表2 選取的陸態(tài)網站點震前、震后坐標差異統(tǒng)計表 m

因此，采用方案二對青海省GNSS CORS數(shù)據(jù)進行基線解算和網平差，獲得CORS站震前、震后坐標差異也是可行的.

方案一和方案二解算的坐標成果精度統(tǒng)計如表3所示.

表3 方案一和方案二解算成果精度統(tǒng)計表 mm

由方案一和方案二的結果可得，站點的震前成果精度優(yōu)于震后，一方面是由于震前觀測數(shù)據(jù)時段多于震后(震前3天，震后1天)；另一方面是主震發(fā)生后的一系列余震會對站點造成影響，進而降低解算成果精度. N、E方向平均精度均優(yōu)于2 mm，垂直方向平均精度在6 mm量級，方案一和方案二所獲得的青海省GNSS CORS成果精度相當.

由表4的方案1和方案2震前、震后變化量差異可得，平面方向上差異小于1 mm，垂直方向上相差最大為2.1 mm，兩種方案均可得到較為可靠的結果，本文僅對方案2的結果進行統(tǒng)計分析.

表4 方案一和方案二震前、震后變化量差異 mm

青海省GNSS CORS震前、震后坐標變化量見表5所示，站點震后位移圖如圖3～4所示.

圖3 站點震后平面變化位移圖

表5 站點震前、震后坐標變化量

圖4 站點震后垂直變化位移圖

從青海省GNSS CORS震后位移可以得出，站點震后形變量級與距震中距離呈現(xiàn)衰減特征.

1)地震對距震中100 km以內站點造成的位移量級最大，平均水平位移約22.1 cm；其中距震中最近的JDUO水平方向產生28.0 cm的位移；距震中100～200 km的站點水平方向平均變化2.8 cm；距震中200 km外的站點水平位移量級較小，約1 cm.

2)距震中100 km的震源區(qū)，平面方向上JDUO產生東偏南28.0 cm的震后位移，KANQ、MADU、HSHX分別產生西偏北27.1 cm、25.7 cm、7.7 cm的震后位移，震源區(qū)表現(xiàn)為走滑型運動，這與本次地震的震源機制相吻合.

3)垂直方向上來看，MADU(-1.2 cm)、KANQ(-2.0 cm)表現(xiàn)為沉降，甘德(+2.3 cm)表現(xiàn)為抬升，其余站點在垂直方向上未見明顯位移.

4)從震后位移圖可以看出，地震對100 km內的震源區(qū)影響表現(xiàn)為走滑型運動，且區(qū)域位移特征以拉張運動為主，北西-南東(NW-SE)向拉張，北東-南西(NE-SW)向擠壓.

3.2 時間序列分析

對地震當天(UTC 0:00—24:00)的GNSS CORS按每2 h分割成12個數(shù)據(jù)文件，每2 h進行GNSS分時段靜態(tài)解算，獲得各站點12個時段的坐標成果，進而得出地震當天站點的時間序列. 解算結果平面精度平均約為±1.5 cm，高程精度平均約為±3 cm.

鑒于文章篇幅，本文僅列出JDUO、MADU、HSHX、KANQ 4個站的靜態(tài)解算時間序列，如圖5～8所示：

圖5 JDUO靜態(tài)時間序列

圖6 MADU靜態(tài)時間序列

圖7 HSHX靜態(tài)時間序列

圖8 KANQ靜態(tài)時間序列

1) 4個站點震后在水平方向發(fā)生明顯階躍，階躍方向和量級與上文GNSS靜態(tài)形變分析解算得出的變化量一致，且震后變形未回歸，表現(xiàn)為永久性位移.

2)地震當天分時GNSS靜態(tài)解算時，由于每個時段僅用2 h的觀測數(shù)據(jù)，坐標結果精度相對不高，距震中100 km外的站點地靜態(tài)解算精度量級與震后形變量級相差不大，因此站點時間序列階躍并不明顯，在此不予展示.

3.3 震時GNSS動態(tài)形變分析

選取距離震中較遠的陜西省靖邊站(SNJB)距震中983 km和青海格爾木站(GERM)距震中372 km為參考站，獲得青海省GNSS CORS的高頻同震坐標變化，本文選取的兩個參考站獲得的站點動態(tài)同震位移結果相差不大，表明動態(tài)數(shù)據(jù)處理結果可靠，本文對SNJB為參考站的同震形變過程進行分析.

距震中最近的JDUO、MADU、HSHX、KANQ 4個站的同震動態(tài)形變明顯，見圖9～12，可得：

圖9 JDUO同震動態(tài)位移

圖12 KANQ同震動態(tài)位移

1)當?shù)卣鸢l(fā)生后，4個站點發(fā)生波動，波動持續(xù)一段時間后結束，最終在N、E方向均產生永久性位移.

2) JDUO、HSHX在N方向表現(xiàn)為反向形變，JDUO先行向北振動，最大量級約14 cm，隨后向南回跳，最后產生向南的永久性位移；HSHX先行向南振動，最大量級約5 cm，隨后向北回跳，最后產生向北的永久性位移.

3)震時最大瞬間位移量級比震后永久性位移大；高頻GNSS動態(tài)形變分析得出的站點震后永久性位移量級，與前文GNSS靜態(tài)解算得出量級基本一致.

4 結 論

通過對青海省GNSS CORS的數(shù)據(jù)處理和分析，得出以下結論：

1)地震對距震中100 km以內的站點影響最大，站點位移量級隨著震中距的加大而迅速衰減，距震中最近的JDUO站產生東偏南28.0 cm的永久性位移.距震中100～200 km的站點平均產生了2.8 cm的水平位移；距震中200 km外的站點影響量級較小，約1 cm.

2)在垂直方向上來看，MADU(-1.2 cm)、KANQ(-2.0 cm)表現(xiàn)為沉降，GAND(+2.3 cm)表現(xiàn)為抬升，其余站點在垂直方向上未見明顯位移.

3)整體來看，地震對100 km內的震源區(qū)影響表現(xiàn)為走滑型運動，與震源機制相吻合；地震對周邊區(qū)域影響整體表現(xiàn)為拉張運動，NW-SE向拉張和NESW向擠壓.