用超長基線解算分析汶川地震動態形變特征*

劉 剛 譚 凱 彭懋磊 聶兆生

(中國地震局地震研究所，武漢 430071)

用超長基線解算分析汶川地震動態形變特征*

劉 剛 譚 凱*彭懋磊 聶兆生

(中國地震局地震研究所，武漢 430071)

以遠距離的IGS武漢GPS站為參考站，用超長基線雙差瞬時精密定位技術，獲取汶川Ms8.0地震震時震區連續GPS站1 Hz動態形變序列。同時以較近距離的雅安站為參考站解算動態形變序列，結果顯示，兩者的形變結果具有很好的一致性。距離斷層較近的郫縣、成都、綿陽、中江等站形變較大(形變最大的郫縣站最大振幅達1.034 m);位于震中南側的邛崍、雅安等站形變較小。利用動態時序的地震波到時和震中距離估計地震波地殼平均速度為3.1 km/s。

超長基線;雙差定位;汶川地震;高采樣率GPS;動態形變特征

1 引言

高采樣率GPS數據能獲取震時大幅度的地殼動態位移［1，2］。靜態、動態GPS時序與地震波聯合可為研究地震滑動分布和破裂過程提供強有力的約束［3，4］，因而高采樣率GPS的應用中已成為大地測量和地震學關注的熱點。

四川GPS連續站以1 s采樣率記錄了2008年汶川地震瞬間產生的極大變形。文獻［5，6］采用瞬時精密定位技術進行動態數據處理，以雅安站作為參考站，得到了相對的動態形變。本文將以超長基線的定位方式和瞬時精密定位技術獲取汶川地震GPS連續站形變時序(以及近似絕對的動態形變量)，并根據GPS動態形變進行地震波速估算和地震震中定位。

2 數據處理方法

本文數據來源于四川省GPS連續觀測網絡的郫縣(PIXI)、成都(CHDU)、綿陽(MYAN)、中江(ZHJI)等13個GPS觀測站以及IGS武漢站(WUHN)，數據采樣率1 s。汶川地震使數據傳輸中斷，四川省GPS連續觀測站只記錄了震時67 s 1 Hz的GPS數據(成都站只記錄了48 s的數據)，所以處理數據時段的長度為3 601 s(震前3 534 s和震時的67 s)。處理軟件為Bernese5.0，使用IGS精密星歷，并采用瞬時相對定位方式進行單歷元坐標解算。

由于武漢站距震中約1 061 km，地震波對1 Hz GPS站點在67s的數據長度時間里造成動態形變時，尚未對武漢站產生位移影響(可認為武漢站在地震時67 s內不具有由于地震產生的非線性動態位移)，因此使用武漢站作為參考站進行超長基線動態數據處理，可以認為獲取的是震中附近郫縣等1HzGPS站的絕對動態形變時序。

為了驗證超長基線處理結果的可靠性，本文同時對較短基線進行了動態處理，并與超長基線的處理結果相比較。在動態處理較短基線選擇(合適的)參考站時，首先計算獲取各1 Hz GPS站點同震形變(圖1，表1)，從中選擇同震形變較小、距離較近的雅安站和邛崍站作為備選參考站;然后使用超長基線處理得到備選參考站的動態變化(圖2，表1)，從圖2不難發現，雅安站震時的形變比邛崍站平緩(邛崍站震時東西方向最大位移達到了283 mm，雅安站東西向的最大位移為47 mm)，因此我們將雅安站作為較短基線動態處理的參考站，得到了其他1 Hz GPS站震時動態形變時序。

3 形變結果與特征分析

解算得到的4個1 Hz GPS站在震前35 s和震時67 s的水平向動態形變時序如圖3所示。超長基線處理結果(圖3(a)、(b))水平向的均方根誤差在2 cm左右;較短基線處理結果(圖3(c)、(d))水平向的均方根誤差在1cm內，兩種結果在初動時刻、變化趨勢和震時振幅都具有很高的一致性。將兩種處理結果的水平向作差得到的差值序列如圖4所示，東西向差值均值約為8.55 mm，南北向差值均值約為11.20 mm。此外4個站點的差值序列變化趨勢全部呈現出一致性的規律，說明超長基線定位結果的誤差具有空間相似性。

圖1 四川GPS連續站同震形變場Fig.1 Co-seismic deformation field of Sichuan permanent GPS stations

表1 各GPS站的靜態同震位移與動態形變最大振幅(單位：m)Tab.1 Static co-seismic deformation and the largest kinematic amplitude at each station(unit：m)

從圖3還可以看出，各站點在水平方向上的位移清晰，并且總體上時序初動時間與站點距離震中的遠近相對應。各站點時序的振幅隨震中距減弱，顯示出了地震波能量隨距離衰減。表1中列出了4個站的同震位移和動態位移振幅峰值，其中距離震中最近的郫縣動態位移峰值最大，中江最小，與永久位移的大小分布相吻合，并且震時的動態位移峰值比靜態同震位移大。各站點的動態時序基本上由兩個脈沖組成，第一個脈沖均向西北方向波動，攜帶能量較小，形成的位移較小;第二個脈沖也均向西北方向波動，攜帶能量較大，形成的位移較大。由于4個站點全部位于斷層的南盤、震中的東南方，因此與脈沖方向相同，并與同震位移方向一致。綿陽站距離震中相對于成都站、中江站遠，但動態位移的峰值和同震位移量大于成都站與中江站，分析認為可能是綿陽站距斷層較近、且位于地震破裂方向上，地震波傳播到綿陽站時能量較大之故。1 Hz GPS站震時67 s在水平面的運動軌跡如圖5所示，4個站點運動軌跡雖不完全一致，但總體趨勢均具有兩個特點：地震發生后開始幾秒內在原地蠕動(定位誤差的體現);地震后數十秒至數據中斷時段，站點出現明顯的位移變化，并都向西北方向運動，其中郫縣由于距離破裂最近，記錄地震激發的形變時間最長，而且運動軌跡還記錄到了回彈變化。

郫縣站與綿陽站在垂直向的波動清晰，與水平向變化具有很好的時間相關性。其中郫縣站峰值為0.153 m，綿陽站峰值為0.26 m。與水平向相似，綿陽站的垂直向最大振幅也大于其他站的最大振幅。超長基線解算的垂向形變(圖6(a))均方根誤差約5 cm，較短基線解算的垂向形變(圖6(b))均方根誤差在2 cm左右。在垂向形變上，雖然用超長基線解算結果的噪聲基底較大，但總體趨勢和最大振幅與較短基線的解算結果一致。

圖2 邛崍站與雅安站震時的動態形變(以武漢站為參考站)Fig.2 Kinematic deformations of Qionglai and Yaan GPS stations referred IGS Wuhan station

圖3 4個1 Hz GPS站水平向動態形變時序Fig.3 Kinematic deformation series of horizontal component at 4 1-Hz-GPS stations

圖4 超長基線與較短基線處理結果在水平向的差值序列Fig.4 Difference value series between ultra long baseline results and shorter baseline results

圖5 1-Hz-GPS站點在震時的水平向運動軌跡Fig.5 Horizontal tracks of 1-Hz-GPS stations during the earthquake

圖6 基線垂直動態時序Fig.6 Kinematic deformation series of the baselines

4 超長基線動態形變時序濾波

通過解算震前多天的結果發現，用超長基線獲取的動態形變時序存在明顯的日重復性的多路徑誤差和區域性的空間共模誤差。該誤差通過改進的恒星日法和空間疊加法對超長基線動態形變時序進行濾波可以削弱(圖7)。

圖7 經過改進的恒星日法和空間疊加法濾波后超長基線動態時序Fig.7 Filtered ultra long base line kinematic deformation series by modified sidereal filtering and spatial filtering

5 地震波速估計

GPS動態時序地震波到時清晰，且符合地震波傳播規律，用GPS動態時序進行地震波地殼平均波速估計結果如表2所示。為評估由GPS動態時序估計地震波速的準確程度，取中國地震臺網測定震中(31.08°N，103.27°E)、震源深度(14 km)、發震時刻(06：28：04(UTC))作為初值，使用估計的地震波平均波速進行地震定位，地震波速在3.1 km/s時，定位結果差值最小，因而我們認為此波速估計比較準確(與川西地殼平均s波速度接近［7，8］)。由均值3.071 km/s進行地震定位，發震時刻差值僅0.7 s，震中位置差值9.974 m。

表2 地震波速估計與地震定位結果Tab.2 Estimated velocities of earthquake wave and results from earthquake positioning

6 結論

利用超長基線瞬時精密定位技術解算得到的震時1 Hz GPS動態形變時序，能夠反映汶川地震動態形變特征。該方法可以避免較短基線瞬時定位中選擇相對穩定參考站的困難，而且可以得到近似絕對的動態形變時序。利用超長基線解算得到距震中最近的郫縣站的東西向形變達到了1 m，相對較近的站也達到了亞米量級，顯示震時地表形變劇烈。

動態形變時序反映了地震波傳播特性。通過應用改進的恒星日濾波法和空間疊加濾波法，可以消除明顯的日重復性多路徑誤差和區域性的空間共模誤差，提高超長基線定位結果的精度。

根據動態形變時序的到時和震中距估計得到的川西地區地殼平均地震波速為3.1 km/s，與用其他方法得到的結果基本一致。

致謝 感謝四川省地震局提供研究數據!

1 Kristine M，et al.Using 1-HZ GPS data to measure deformations caused by the Denali fault earthquake［J］.Science，2003，300：1 421-1 424.

2 Bock Y，et al.Instantaneous geodetic positioning at medium distances with the Global Positioning System［J］.J Geophys Res.，2000，105(B12)，28 223-28 253.

3 Chen Ji，et al.Slip history of the 2003 Simeon earthquake constrained by combining 1-Hz GPS，strong motion and teleseismic data［J］.Geophysical Research Letters，2004，31，L17608，doi：10.1029/2004GL020448.

4 Yusuke Yokota，et al.Ability of 1-HZ GPS to infer the source process of a medium-sized earthquake：the 2008 Iwate-Miyagi Nairiku，Japan，earthquake［J］.Geophysical Research Letters，2009，36(L12301).

5 熊永良，等.長距離動態GPS數據處理方法與汶川地震引起的動態地殼形變特征分析［J］.武漢大學學報(信息科學版)，2009，34(3)：265-269.(Xiong Yongliang，et al.Long distance kinematic GPS data processing and kinematic crustal deformation features analysis of Wenchuan earthquake［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2009，34(3)：265-269)

6 徐韶光，等.汶川地震同震形變的靜態和動態分析［J］.大地測量與地球動力學，2010，(3)：27-30，54.(Xu Shaoguang，et al.Static and kinemaic analysis of coseismic deformation of Wenchuan 8.0 earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(3)：27-30，54)

7 吳建平，等.川滇地區速度結構的區域地震波形反演研究［J］.地球物理學報，2006，49(5)：1 369-1 376.(Wu Jianping，et al.Regional waveform inversion for crustal and upper mantle velocity structure below Chuandian region［J］.Chinese Journal of Geophysics，2006，49(5)：1 369-1 376)

8 楊海燕，等.川西地區殼幔結構與汶川Ms8.0地震的孕震背景［J］.地球物理學報，2009，52(2)：356-364.(Yang Haiyan，et al.Crust-mantle structure and seismogenic background of Wenchuan Ms8.0 earthquke in Western Sichuan area［J］.Chinese Journal of Geophysics，2009，52 (2)：356-364)

USING ULTRA LONG BASELINE TO MEASURE CO-SEISMIC KINEMATIC DEFORMATIONS OF WENCHUAN EARTHQUAKE

Liu Gang，Tan Kai，Peng Maolei and Nie Zhaosheng
(Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

We used Wuhan，one of IGS stations，as a reference to form ultra long baseline and solve instantaneous 1-Hz-GPS positions and measure the co-seismic kinematic deformations caused by Wenchuan earthquake.Compared with the results from using Yaan as the reference which is nearby 1-Hz-GPS stations，the deformation solutions show good consistence with different reference stations.The maximum deformation amplitude is found for station Pixian，which had the largest deformation about 1.034 meter.The deformations of stations，such as Pixian，Chengdu，Mianyang，Zhongjiang are relatively larger and also show the propagation direction of seismic waves.The smaller deformations occurred in Qionglai，Yaan，in the south of the epicenter，which indicate that the fault ruptured from the epicenter to the northeast.On the basis of the arrival time of seismic wave recorded in kinematic time series and the distance between 1-Hz-GPS stations and the epicenter，the estimated average velocity of seismic wave in the crust is 3.1 km/s.

ultra long baseline;double-difference positioning;Wenchuan earthquake;high-rate GPS;kinematic deformation feature

1671-5942(2011)05-0014-06

2011-02-14

國家自然科學基金(40974012);中國地震局地震研究所科技發展基金(IS200726005)

劉剛，男，1984年生，碩士，主要研究GPS精密數據處理.E-mail：whgpslg@gmail.com

譚凱，男，1972年生，博士，主要研究大地測量與地球動力學.E-mail：whgpstan@sina.com

P315.72+5

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