2021年云南漾濞MS6.4地震GNSS基準(zhǔn)站形變分析

史 珂 黃功文 王海濤 趙 紅 李 陽

1 云南省基礎(chǔ)測繪技術(shù)中心，昆明市西昌路223號，650034 2 自然資源部大地測量數(shù)據(jù)處理中心，西安市友誼東路334號，710054

GNSS技術(shù)可以便捷地提供高精度、大尺度的定量地殼形變信息，被廣泛用于現(xiàn)今地殼形變和地震危險性研究[1-2]。川滇地區(qū)斷層分布廣泛、地震活動頻繁，是我國地殼形變非常活躍的區(qū)域之一，給GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的穩(wěn)定運(yùn)行帶來影響。

2021-05-21云南省漾濞縣(25.67°N，99.87°E)發(fā)生MS6.4地震，震源深度8 km，地震最高烈度為Ⅷ度，Ⅵ度及以上區(qū)域面積約6 600 km2，對當(dāng)?shù)厝罕娫斐奢^為嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失[3]。本文采用不同解算模式和計算方案解算云南漾濞附近的GNSS基準(zhǔn)站2021-05-21前后幾天連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，確定本次震區(qū)基準(zhǔn)站同震形變的大小及影響范圍，并對計算結(jié)果的可靠性進(jìn)行對比驗(yàn)證。該研究對利用GNSS基準(zhǔn)站分析破裂滑動分布反演具有參考價值。

1 GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)情況

收集漾濞地震周邊長期穩(wěn)定運(yùn)行的10個陸態(tài)網(wǎng)和國家站、5個省級基準(zhǔn)站doy139～143的觀測數(shù)據(jù)，站點(diǎn)分布如圖1所示。處理GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)時，動態(tài)PPP解算采用PRIDE PPP-AR[4]軟件，靜態(tài)解算采用GAMIT 10.70/GLOBK 5.31軟件。

圖1 漾濞MS6.4地震震中周邊站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of stations around the epicenter of Yangbi MS6.4 earthquake

2 GNSS數(shù)據(jù)處理模式與方案

2.1 GNSS動態(tài)解算

采用武漢大學(xué)PRIDE PPP-AR軟件，使用武漢大學(xué)提供的混合精密星歷、混合精密鐘差、相位偏差、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)ERP文件等產(chǎn)品對基準(zhǔn)站地震當(dāng)天(doy141)的1 Hz高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，具體解算策略如表1所示。

表1 高頻動態(tài)解算策略

2.2 GNSS靜態(tài)解算

以地震時刻為界，將數(shù)據(jù)分為2段進(jìn)行處理，震前數(shù)據(jù)為doy139～141(震前)，震后數(shù)據(jù)為doy141(震后)～143。IGS站設(shè)置約束為0.05 m、0.05 m、0.10 m，分別解算ITRF2014參考框架(歷元2021.386)和2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)下坐標(biāo)。其他主要解算設(shè)置如表2所示。

表2 靜態(tài)解算模型和策略

本文采用2組解算方案進(jìn)行計算。

方案1 采取逐級控制的原則，以中國及周邊IGS站為起算點(diǎn)解算大理周邊陸態(tài)網(wǎng)站點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)平差結(jié)果，分析地震前后陸態(tài)網(wǎng)站點(diǎn)穩(wěn)定性；再以陸態(tài)網(wǎng)站點(diǎn)為基準(zhǔn)站起算，解算大理地區(qū)的GNSS基準(zhǔn)站，平差處理得到ITRF2014參考框架和CGCS2000下的坐標(biāo)成果。

方案2 采用聯(lián)合解算的原則，分別在ITRF2014參考框架和CGCS2000下，以中國及周邊IGS站為起算點(diǎn)解算大理地區(qū)的GNSS基準(zhǔn)站；根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，再以IGS站和離震中較遠(yuǎn)的基巖站作為起算點(diǎn)，求解震中附近的GNSS基準(zhǔn)站坐標(biāo)。

2.2.1 方案1結(jié)果

1)起算點(diǎn)穩(wěn)定性分析。選定長期穩(wěn)定運(yùn)行的9個IGS站(BJFS、SHAO、WUHN、LHAZ、IISC、KIT3、PIMO、ULAB、URUM)和大理州以外地區(qū)7個陸態(tài)網(wǎng)站(震中距>120km)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，基線解算時對9個IGS站進(jìn)行松弛約束，按照震前、震后分段解算，得到7個陸態(tài)網(wǎng)站點(diǎn)坐標(biāo)成果(表3)。

表3 地震前后陸態(tài)網(wǎng)站點(diǎn)ENU坐標(biāo)變化量(震后-震前)

從表3可以看出，7個陸態(tài)網(wǎng)站點(diǎn)解算結(jié)果坐標(biāo)差異極小，未受到本次云南漾濞地震的影響，說明陸態(tài)網(wǎng)站點(diǎn)距離震中較遠(yuǎn)，站點(diǎn)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，可以作為云南大理地區(qū)GNSS基準(zhǔn)站的起算點(diǎn)。

2)基線精度。統(tǒng)計在ITRF2014參考框架和CGCS2000下分別解算的震前、震后的基線精度，結(jié)果如表4所示。可以看出，2種框架下震前、震后基線解算精度較高且基本一致，解算結(jié)果可靠。

表4 地震前后基線解算精度統(tǒng)計

3)坐標(biāo)精度。統(tǒng)計在ITRF2014參考框架和CGCS2000下平差得到的震前、震后坐標(biāo)成果精度，結(jié)果如表5所示?？梢钥闯觯鸺壙刂品桨刚鹎?、震后各站點(diǎn)平差后坐標(biāo)精度相當(dāng)，說明解算和平差結(jié)果正確可靠，靜態(tài)解算結(jié)果可以作為分析基準(zhǔn)站形變的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表5 地震前后GNSS站坐標(biāo)解算精度統(tǒng)計

2.2.2 方案2結(jié)果

1)起算點(diǎn)穩(wěn)定性分析。首先在基線解算時將IGS站進(jìn)行松弛約束，按照震前、震后分段解算。分別在ITRF2014參考框架和CGCS2000下進(jìn)行平差，以方案1中9個IGS站為約束，求解YNYS、YNYL、NJIA三個距震中較遠(yuǎn)的基巖站在地震前后的坐標(biāo)變化，結(jié)果如表6所示。可以看出，3個基巖站平面坐標(biāo)差異均在4 mm以內(nèi)；YNYL和NJIA站因部分?jǐn)?shù)據(jù)可用歷元較少，高程精度略差，但也均在6 mm以內(nèi)，表明這3個基巖站未受到本次云南漾濞地震的影響。為進(jìn)一步檢驗(yàn)其穩(wěn)定性，利用PPP動態(tài)解算采樣率為1 Hz的高頻數(shù)據(jù)，得到Y(jié)NYS、YNYL、NJIA三個基巖站在地震當(dāng)天的坐標(biāo)變化，限于篇幅，僅給出YNYL站結(jié)果(圖2，藍(lán)色豎線為地震發(fā)生時刻，下同)?？梢钥闯?，YNYL站穩(wěn)定性較好。

表6 地震前后3個基巖站ENU方向變化量

圖2 YNYL站高頻數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.2 Results of high-frequency data processingat YNYL station

靜態(tài)和動態(tài)解算結(jié)果都顯示，上述3個基巖站均未受到此次地震的影響，站點(diǎn)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，可以作為漾濞震中附近其余5個GNSS基準(zhǔn)站的起算點(diǎn)。

2)基線精度。本方案最終以9個IGS站和3個基巖站數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算。由表7可知，2種框架下地震前后基線解算結(jié)果基本一致，相鄰點(diǎn)基線水平方向優(yōu)于1.2 mm，高程方向優(yōu)于5.5 mm。

表7 地震前后基線解算精度統(tǒng)計

3)坐標(biāo)精度。分別統(tǒng)計2種框架下平差得到的震前、震后坐標(biāo)成果精度，結(jié)果如表8所示?？梢钥闯觯卣鹎昂蟾髡军c(diǎn)平差后坐標(biāo)精度相當(dāng)，可為形變分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

表8 地震前后坐標(biāo)解算精度統(tǒng)計

3 結(jié)果分析

3.1 GNSS動態(tài)解算結(jié)果

GNSS動態(tài)解算結(jié)果表明，距震中最近(5.3 km)的YABI站在水平和垂直方向都存在較為顯著的同震位移，其中E方向?yàn)?0.3±4.5 mm，N方向?yàn)?13.6±5.7 mm，U方向?yàn)?7.7±10.5 mm(圖3)；其他站點(diǎn)未記錄到明顯的同震位移信號。

圖3 YABI站動態(tài)PPP解算結(jié)果Fig.3 Dynamic PPP solution results at YABI station

3.2 GNSS靜態(tài)解算結(jié)果

方案1(表9)的結(jié)果表明，YABI和XIAG站的水平方向位移顯著。其中，在ITRF2014參考框架下，YABI站向東變化39.6±1.1 mm，向南變化26.4±1.0 mm；XIAG站向東變化11.9±1.3 mm，向南變化1.2±1.2 mm。在CGCS2000下，YABI站向東變化40.2±1.1 mm，向南變化26.5±1.0 mm，水平方向變化48.1 mm(最大站點(diǎn)位移)；XIAG站向東變化12.0±1.3 mm，向南變化1.2±1.2 mm，水平方向變化12.0 mm。

表9 地震前后ENU坐標(biāo)變化(方案1)

方案1的優(yōu)點(diǎn)是各站點(diǎn)的基線距離較為均勻統(tǒng)一，避免了長短邊混合，可確保解算精度和可靠性，同時也可避免因IGS站距離震區(qū)較遠(yuǎn)帶來的長距離解算誤差，而且能驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，還獲取了震區(qū)基準(zhǔn)站在CGCS2000下的坐標(biāo)變化量，便于災(zāi)后測繪基準(zhǔn)的恢復(fù)重建；缺點(diǎn)是需要解算的基準(zhǔn)站較多，在地震發(fā)生后對各類數(shù)據(jù)的實(shí)時推送要求較高。

方案2(表10)的結(jié)果也表明，YABI和XIAG站在水平方向位移顯著，其他站點(diǎn)位移較小。其中，在ITRF2014參考框架下，YABI站向東變化38.2±1.1 mm，向南變化25.6±1.0 mm；XIAG站向東變化10.7±1.3 mm，向南變化0.2±1.1 mm。

表10 地震前后ENU坐標(biāo)變化(方案2)

方案2的優(yōu)點(diǎn)是需要的數(shù)據(jù)較少，地震后可以第一時間開展形變計算，同時采用穩(wěn)定基巖站作為短邊進(jìn)行誤差控制，可以更有效地保證解算精度；缺點(diǎn)是必須對起算的基巖站變化進(jìn)行詳盡可靠的分析。

本文采用靜態(tài)解算和PPP動態(tài)解算2種方式分別檢驗(yàn)震區(qū)附近基巖站在地震當(dāng)天的坐標(biāo)變化，從而確定有效起算點(diǎn)，其水平方向變化如圖4所示?？梢钥闯觯煌蚣芟?組方案結(jié)果一致性較好，驗(yàn)證了本次解算分析結(jié)果正確可靠。震中附近的YABI和XIAG站水平方向位移顯著，主要表現(xiàn)為東南方向右旋走滑運(yùn)動特征；震區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)在高程方向無顯著位移變化，地震主要影響區(qū)域?yàn)檎鹬懈浇?0 km左右，這與文獻(xiàn)[3,5-6]的研究結(jié)果一致。

圖4 大理區(qū)域GNSS基準(zhǔn)站不同方案地震前后水平位移變化Fig.4 Variations of horizontal displacements of GNSS reference stations before and after the earthquake for different schemes in Dali area

4 結(jié) 語

1)GNSS動態(tài)解算結(jié)果表明，距震中最近的YABI站在地震后向東移動30.3±4.5 mm，向南移動13.6±5.7 mm，其余站點(diǎn)無顯著位移變化。但受快速星歷、鐘差以及實(shí)時數(shù)據(jù)流質(zhì)量等影響，動態(tài)解算精度受到一定限制，與靜態(tài)計算結(jié)果存在差異，不過該方法能很好地反映地震發(fā)生過程中基準(zhǔn)站的瞬時位移。

2)GNSS靜態(tài)計算考慮了坐標(biāo)框架、站點(diǎn)間距、起算點(diǎn)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)獲取時效性等因素，并采用不同方案進(jìn)行比對分析。結(jié)果表明，在ITRF2014參考框架下，YABI基準(zhǔn)站(樓頂)在地震后向東移動39.6±1.1 mm，向南移動26.4±1.0 mm；XIAG站(基巖)向東移動11.9±1.3 mm，向南移動1.2±1.2 mm，主要表現(xiàn)為東南方向右旋走滑運(yùn)動特征,其余站點(diǎn)無顯著位移變化。

3)漾濞地震主要影響區(qū)域?yàn)檎鹬懈浇s50 km。