2014年于田MS7.3級地震近場地表運動和同震位移的初步分析結果1

陳為濤王閱兵連尉平甘衛軍付廣裕

1）地殼運動監測工程研究中心，北京 100036

2）中國地震局地質研究所，北京 100029

3）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2014年于田MS7.3級地震近場地表運動和同震位移的初步分析結果1

陳為濤1）王閱兵1）連尉平1）甘衛軍2）付廣裕3）

1）地殼運動監測工程研究中心，北京 100036

2）中國地震局地質研究所，北京 100029

3）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

基于2014年于田MS7.3級地震周邊地區的GPS連續觀測站數據，得到了此次地震的近場地表運動和同震位移，分析了此次地震的地殼形變特征。結果表明，此次地震引起的地表運動顯著，GPS記錄到的最大位移振幅遠超過最終的同震位移，其中距離震中約60km的XJYT站記錄到了西向74.7mm和北向39.9mm的最大位移振幅，同震位移為西向20.0mm和北向9.8mm。2008年于田MS7.3級地震在一定程度上觸發了此次地震。

于田MS7.3級地震 阿爾金斷裂 GPS

引言

2014年2月12日北京時間17時19分，新疆維吾爾自治區和田地區于田縣發生MS7.3級強烈地震，震區位于青藏高原西北部的高海拔地區。野外地質研究表明，此次地震的發震斷裂為阿爾金斷裂帶西段，該斷裂是青藏高原北緣的一條大型走滑斷裂，也是歐亞板塊內部左旋走滑最顯著的板內活動斷裂，它構成了青藏高原和塔里木盆地的地質邊界，總體走向沿北東向展布，全長2000km以上，此次地震發生的西段全新世以來的左旋走滑速率可達9—17.5mm/a。震中周邊近100年以來曾發生過約22次6.0級以上地震，約6次7.0級以上地震。其中，最近1次7.0級以上地震為2008年3月21日發生的新疆于田MS7.3級地震，距此次2014年2月12日發生的新疆于田MS7.3級地震僅約100km，這表明發震斷裂及其周邊具有相當高的地震活動性（徐錫偉等，2003；Cowgill等，2009）。

地震發生后不久，研究學者們便研究了此次地震的基本性質，他們所給出的震源機制解揭示了此次地震為一次走滑型事件，但在具體參數上有微小差異2（Ekstr?m等，2012）。地震精定位的結果顯示，地震的精確震中位置為82.56°E，36.04°N，震源深度為12.3km（張廣偉等，2014），這與中國地震臺網中心所報位置存在些許偏差1http://www.ceic.ac.cn/。地震破裂過程的研究表明，此次地震破裂比較集中，滑動主要分布在深部17km處，最大位錯量約為1.8m，而且破裂未出露地表2http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/269361.shtml（張勇等，2014）。而姚振興課題組等公布的破裂模型顯示3http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/201402/t20140214_4032524.html，此次地震破裂持續時間約25s，破裂分布比較集中，最大破裂位于9km深處，滑動量約為200cm。上述兩種結果的不同表明，此次地震的特征尚未完全明確。

綜上所述，雖然利用地震資料反演和地質資料可初步得到地震震源位置、發震斷層的基本屬性以及地震的破裂模型，但是不同學者所得到的反演結果之間存在一定的差異。為此，筆者借助于GPS觀測所獲取的近場地表運動和同震位移，初步揭示出此次地震的地殼形變特征，這將有助于進一步分析此次地震的基本性質。

1 GPS連續觀測站分布與數據處理

“十一五”期間實施的國家重大科技基礎設施“中國大陸環境與構造監測網絡”在項目“中國地殼運動觀測網絡”的基礎上，將中國大陸連續GPS觀測站數量從原有的27個增加到260個，非連續GPS觀測站數量從1056個增加到2056個，密集地覆蓋了中國大陸及部分周邊區域，并于2012年正式投入運行，為監測研究中國大陸地殼形變和構造運動提供了重要的基礎（甘衛軍等，2012）。為了得到此次地震的近場地表運動和同震位移，本文收集了震中1000km范圍內的27個GPS連續觀測站的30s觀測數據（圖1紅色三角形）和震中附近8個GPS站的高頻（1Hz）觀測數據（圖1藍色三角形），具體測站分布如圖1所示。

上述30s觀測數據觀測時間跨度為2014年1月1日到2014年2月15日，采用麻省理工學院等開發的GAMIT/GLOBK軟件進行解算。考慮到此次地震的影響范圍，本文利用距離震中500km外的GPS連續觀測站定義了區域參考框架（圖1黃色三角形），從而得到震中500km范圍內GPS測站的同震位移。計算過程中的具體參數設置為：基線處理模式為RELAX（松弛解），使用IGS發布的精密星歷作為軌道約束，并對軌道初始條件實施1m的松弛約束，并對臺站進行9m的松弛約束；衛星鐘差模型為廣播星歷誤差的鐘差參數，數據處理以24小時為一時段，衛星截止高度角為10°，數據誤差分布是與衛星截止高度角有關的函數（sigma=a2+b2/sin2（elev），其中，sigma表示誤差，單位mm，elev表示衛星高度角，a2以及b2為常數系數，由數據殘差擬合確定）；對流層干分量的天頂延遲由GPT模型計算獲得（Boehm等，2007），同時對每個測站估計13個參數以改正濕分量導致的天頂延遲，映射函數采用GMF模型（Boehm等，2006），同時考慮到大氣的不均勻性，對每個測站估計南北向和東西向共2個大氣水平梯度參數（王敏，2009；Jiang等，2014）。

高頻（1Hz）數據解算采用上述軟件的TRACK模塊。由于震中周邊測站稀疏，站間距大，測站間地震波到時不同，采用逐級傳遞方法（Yin等，2013）來選擇不同的參考站。根據PREM模型結果（Dziewonski等，1981a；1981b），地殼平均P波速度約為6.3km/s，震中距相差200km左右的測站有著約31s的時間窗可以不受地震影響，因此最終確定XJYC站、XJRQ站以及XZGZ站作為解算的參考站。在選定參考站后，收集IGS發布的地震當天的精密星歷作為解算過程的軌道約束并進行解算。

圖1 于田地震周邊構造背景及GPS連續觀測站分布圖Fig. 1 Distribution of faults and continuous GPS stations in around 2014 Yutian earthquake

2 GPS觀測結果與分析

近場地表運動解算結果顯示，XJYT站觀測到了清晰的近場地表運動，如圖2所示。橫坐標時間從地震發震時刻17h19min50s開始，黑色豎向虛線表示各測站的理論P波到時，黑色橫向虛線表示各測站震前震后的位移值，黑色箭頭表示發生最大振幅的位置。

觀測顯示，距離震中60km的XJYT站，在地震發生19s后，地表呈現出微弱的南向運動，以及持續的西向運動；35s后該站南北向運動達到最大振幅，量級為39.9mm；39s后東西向運動達到最大振幅，量級為?74.7mm。此后地表運動的波幅開始收窄趨于穩定，到80s時XJYT站地表位移已回彈至北向13.4mm，東向?28.6mm，與最終測定的永久位移相近。同震位移計算結果表明，距離300km以外的測站水平位移和所有測站的垂直位移均不明顯，距離震中最近的6個測站的水平位移如表1所示。從表1可以看出，XJYT站是此次地震中唯一有明顯位移變形的臺站。此次地震引起該站向北位移約9.8mm，向西位移約20.0mm，其余測站的同震水平位移均在1mm之內。

圖2 XJYT站觀測到的近場地表運動以及時間序列Fig. 2 The ground motion and time series observed at XJYT station

表1 GPS觀測站的同震位移及其方差Table 1 The coseismic deformation and the errors observed by GPS stations

近場地表運動和同震位移的結果均清晰地顯示，此次地震引起的地表運動顯著，但同震位移范圍有限，距震中～330km的XJHT站已經沒有明顯的同震位移，XJYT站記錄到的最大位移振動幅度要遠高于最終的同震位移，XJYT站西北向的同震位移可能部分反映了此次地震兼具部分拉張的性質。

3 討論

由于地震震中500km范圍內GPS測站稀疏，未能完整地呈現出此次地震引起的地殼形變，但利用僅有的測站位移記錄來分析研究，對于了解此次地震的基本特征也具有些許的參考意義。

3.1 同震位移差異分析

對于XJYT站，高頻GPS記錄到的在80s時的地表位移，與GPS單日解得到的同震位移相比，雖然運動方向上相似，但在量級上要偏大，東向偏高約8.6mm，北向偏高約3.6mm。出現這種現象的原因除去兩者的定位精度不同之外，高頻GPS定位是單歷元定位，難以有效消除衛星軌道和鐘差、電離層延遲、多路徑效應等誤差因素，定位精度較低，水平向一般為5—8mm（Langbein等，2004；Elosegui等，2006）。而應用30s觀測數據的單日解定位，不僅可得到更好的模糊度解，還可通過參數估計和模型化等方法來削弱上述誤差因素的影響，定位精度更高，水平向可達到2—3mm（Gan等，2007；Liang等，2013）；更重要的原因則在于記錄的形變特征不同，同震位移只是地表運動的永久非彈性“殘余”部分，彈性部分在震后隨即恢復了，而在地震的過程中，彈性與非彈性形變相疊加，必然顯示出更大的地表振動幅度。

3.2 同震位移的理論模型研究

在研究斷層錯動問題時，斷層可簡化為由上部閉鎖層和下部蠕滑層組成，其中閉鎖層在間震期處于閉鎖或強耦合狀態，蠕滑層在應力作用下進行著持續運動，從而導致閉鎖層產生能量積累，當超過斷層本身介質所能承受的上限時，便會發生破裂而造成地震，然后重新逐漸閉鎖，開始新一輪的能量積累過程（Reid，1910）。如果將地球巖石圈簡化為彈性介質，便可以將斷層運動與地表運動之間的相互關系以完全的解析方式進行表述（Okada，1985；Wang等，2006）。不過上述研究是平面空間下的關系描述，Sun等（2009）在前人分析研究的基礎上，提出更接近真實情況的球面空間下的關系解析解，也就是“球體位錯理論”。

為了研究此次地震的同震位移，本文計算了此次地震的理論同震位移，并與GPS實測的同震位移進行了對比分析，探討了此次地震可能的破裂方式及其引起的地表形變。

在模擬計算過程中，使用的巖石圈介質結構模型參考PREM模型（Dziewonski等，1981a；1981b），地震破裂模型分別采用了前文述及的陳運泰研究小組和姚振興研究小組提供的兩種模型，基于球體位錯理論方法分別計算了這兩種模型在XZGZ、XJHT、XJQM、XJTZ、XJYT、XJYC、XJRQ、XZRT站處引起的位移，得到的結果如表2和表3以及圖2所示。

表2 地震破裂模型（E1，N1）及其模型平移后（E2，N2）計算得到的同震位移（依據陳運泰研究小組的結果）Table 2 The coseismic deformation calculated from Chen Yuntai’s model and the shifted model

表3 地震破裂模型（E1，N1）及其模型平移后（E2，N2）計算得到的同震位移（依據姚振興研究小組的結果）Table 3 The coseismic deformation calculated from Yao Zhenxing’s model and the shifted model

從表2和表3中可以看出，無論是陳運泰小組或姚振興小組結果計算得到的位移，除了在XJYT站有超過10mm的水平位移外，在其他臺站的位移均不超過1mm，這說明此次地震影響范圍不大，同時也與表1中GPS觀測到的同震位移相一致。

圖3 于田地震理論位移與實測位移間的差異Fig. 3 The difference between calculated displacement and observed displacement of Yutian earthquake

XJYT站理論位移和實測位移對比顯示（圖3左上附圖），依據陳運泰小組結果計算得到的理論位移（圖3紅色箭頭）雖然在方向上與GPS觀測得到的同震位移（圖3藍色箭頭）一致，但在量級上相差甚遠，只有實測值的約54%。而利用姚振興結果得到的理論位移（圖3綠色箭頭）接近GPS實測值，方向上往西偏了約9°，不過仍然位于實測值的誤差橢圓范圍內。XJHT站、XJTZ站的理論位移與實測位移基本一致，XJQM站、XZGZ站、XZRT站在位移上有些許偏差，但均在1mm以內屬于GPS觀測誤差影響范圍之內。

上述位移結果的差異來源與2個地震破裂模型之間的差異相關，這些差異有：①地震破裂面所處位置的差異，前者位于圖3中藍色實線所標位置，距離GPS連續觀測站較遠；后者位于圖3中綠色實線所標位置，距離GPS連續觀測站較近。②地震破裂方式的差異，前者破裂集中于震中附近；后者是雙向破裂，主破裂區位于震中東北。③發震斷層幾何模型的差異，陳運泰小組采用的斷層走向為242°，傾角78°；姚振興小組采用的斷層走向240°，傾角71.9°。④地震釋放能量的差異，前者最終的平均滑動量約為0.29m，震級為MW6.9；后者的平均滑動量約為0.52m，震級為MW7.0。

在上述這些差異中，震中位置的差異是主要的，原因在于研究地震破裂模型時所使用的遠震資料無法有效分辨地震破裂發生的絕對位置，所得到的震中位置與實際地震往往會存在較大差異，因而需要參考近場地震波形資料才能得到的地震精定位結果（圖3黑色五角星）（張廣偉等，2014）。為了進一步分析此次地震的同震位移，本文將兩種模型的空間位置平移至地震精定位位置處，所得理論位移如表2和表3所示。就XJYT站來說，前者較原有模型更為接近實測值；后者則出現一定程度的偏差，其他測站未有明顯變化。總的來說，兩種破裂模型均較好地反映了此次地震的破裂過程，陳運泰研究小組的破裂模型若選擇精定位結果作為震中位置，或許可得到更加精確的破裂模型。

需要說明的是，由于地震周邊區域GPS連續觀測站分布稀疏，僅有單臺GPS觀測到有效的位移結果，進一步的研究分析需要GPS區域站或InSAR等其他大地測量手段所得到的同震位移來驗證。若在地震破裂模型研究中，考慮上述同震位移的近場約束作用，將有助于獲取更加精確的地震破裂模型（Wald等，1996；Ji等，2004；Delouis，2010；張勇等，2014）。

3.3 2次于田地震間的關系

此次于田地震發生的構造背景從大尺度上來說，是在印度板塊向青藏高原北向不斷楔入的影響下，柴達木地塊持續向東運動，造成了該地塊西北部邊界斷裂——阿爾金斷裂北東向左旋兼拉張活動的結果。在此次地震西南方向～90km處，曾在2008年發生了MS7.3級地震，但2次地震類型截然相反，上次地震為走向近南北的正斷兼具少量左旋走滑的地震，震中位于阿爾金斷裂西段與康西瓦斷裂和瑪爾蓋茶卡斷裂交會部位，由阿爾金斷裂西南尾部的張性構造運動所誘發，并在地表形成全場約30km的破裂帶，地質考察最大左旋位移1.8m，最大垂直位移約2.0m（徐錫偉等，2011）。GPS同震位移研究表明，GPS站運動以東南向為主，證實了地質考察提出的左旋走滑分量（王凡等，2011）。而此次地震則是左旋走滑兼具些許拉張的地震，由阿爾金斷裂西段所控制，同震位移以西北向運動為主。盡管這2次地震存在差異，但在斷裂活動性關系上存在一定的關聯，萬永革等（2011）的庫侖破裂應力變化結果顯示，此次地震的發震斷層處于上次地震所引起庫侖應力變化的應力加載區，而且上次地震GPS震后觀測表明，位于發震斷裂北側的普魯斷裂的左旋活動也被觸發了（王凡等，2011），因而推斷此次發震斷層的左旋活動性，在一定程度上受到了上次地震的觸發影響。

4 結論

本文通過對于田地震周邊1000km范圍內的GPS連續觀測站所記錄的30s和1Hz數據進行處理，得到了此次于田地震的近場地表運動和同震位移，初步揭示了此次地震的地殼形變特征，并對此次地震性質、破裂模型間的差異進行了探討。總的來說，此次地震引起的地表運動顯著，GPS記錄到的最大位移振幅遠高于同震位移。實測同震位移與初始模型及平移模型后的位移進行比較后顯示，陳運泰研究小組和姚振興研究小組的破裂模型均較好地反映了此次地震破裂過程，若前者以地震精定位結果作為震中位置，或許可獲取更加精確的地震破裂模型。GPS同震位移作為近場數據，在研究地震破裂模型時，對反演獲取更加精確的結果可以起到一定的約束作用，因而下一步研究工作擬以已有的地震破裂模型為初始模型，搜集處理更多的GPS數據，并以之為約束進行反演研究，以求獲取更加精確的地震破裂模型。

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The Ground Motion and Coseismic Deformation of 2014 Yutian MS7.3 Earthquake

Chen Weitao1），Wang Yuebing1），Lian Weiping1），Gan Weijun2）and Fu Guangyu3）

1）National Earthquake Infrastructure Services，Beijing 100036，China
2）Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
3）Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China

The ground motion and coseismic deformation of 2014 Yutian MS7.3 earthquake are acquired by processing the data from continuous GPS stations around the earthquake．The result shows that the ground motion was remarkable．The maximum displacement amplitude recorded by GPS is greater than the coseismic deformation which is observed in limited region．The maximum displacement at XJYT station，which is 60km away from the epicenter，is about 74.7 mm westward and 39.9 mm northward．The coseismic deformation at XJYT on the other hand，is about 20.0 mm westward and 9.8 mm northward．This earthquake may be trigged by the 2008 Yutian MS7.3 earthquake in some degree．

Yutian earthquake；Altyn fault；GPS

陳為濤，王閱兵，連尉平，甘衛軍，付廣裕，2014年于田MS7.3級地震近場地表運動和同震位移的初步分析結果．震災防御技術，9（4）：838—846．

10.11899/zzfy20140411

地震科技星火計劃項目（XH14063）、地殼運動監測工程研究中心主任基金（NEIS201403）和國家自然科學基金項目（41274101）聯合資助

2014-06-19

陳為濤，男，生于1983年。助理研究員。主要研究地殼運動和GPS地震學。E-mail：wtchen @neis.cn

連尉平，男，生于1978年。副研究員。主要研究地殼運動和地球動力學。E-mail：tab@seis.ac.cn

2 http://www.globalcmt.org，http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/269348.shtml