湖北地區現今地殼運動的GPS監測與分析

聶兆生　熊　維　黃　勇

1　中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢市洪山側路40號，430071 2　中國地震局地殼應力研究所武漢科技創新基地，武漢市洪山側路40號，430071

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湖北地區現今地殼運動的GPS監測與分析

聶兆生1,2熊維1, 2黃勇1, 2

1中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢市洪山側路40號，430071 2中國地震局地殼應力研究所武漢科技創新基地，武漢市洪山側路40號，430071

利用GAMIT/GLOBK軟件處理湖北CORS網絡、陸態網絡等76個連續站2011-05～2013-06 的GPS觀測數據，得到各測站的精確坐標及測站的時間序列。給出全部測站的水平速度場，各測站的運動速度為6～9 mm/a，運動方向以東向或東南向為主，與華南塊體的運動特征基本一致。初步結果表明，湖北地區內部不存在明顯的差異運動。同時，計算了湖北地區的主應變率、最大剪應變率。結果表明，湖北地區最大剪應變率敏感區主要分布于斷裂帶集中的地區，分別位于巴東、秭歸和鄖縣-竹山附近，最大值約為(1.43～1.73)×10-7/a，這一結果與湖北2014年秭歸發生的4.5級、4.7級地震以及2014年房縣4.0級地震有明顯的對應關系。關鍵詞： GPS速度場；時間序列；主應變率；最大剪應變率

GPS作為高精度、高分辨率的觀測技術，可以直接觀測到地震前后的地殼運動、地殼形變等信息，對于研究地震的應力應變分布及破裂特征等具有重要意義。因此，地球動力學等研究越來越依賴大規模的觀測技術，遍布全球的各種觀測網絡應運而生，如美國有“板塊邊界實驗室”(PBO，包含近800個測站)，日本有“地球觀測網絡”(GEONET，包含1 200個測站)；國內有中國地震局等六部委共建的包含260個GNSS CORS的中國大陸構造環境監測網絡(簡稱“陸態網絡”)，北京、上海、江蘇、廣東、湖北等省市先后完成的省級GNSS CORS系統等[1]。

湖北省位于秦嶺褶皺系南緣與揚子地臺北側兩大構造單元的銜接地帶，地震構造環境具有兩者兼備的特點，地殼深部結構、地質演化、構造變形、斷裂活動和新構造運動相對復雜[2]。三峽大壩位于湖北省內，許多機構、學者一直以來關注著三峽水庫是否會誘發地震、是否會給周邊地區帶來地質構造的局部變化。但是，由于地質與地球物理學證據的缺失，上述問題依然存在諸多疑問。

為開展基礎測繪、氣象監測及形變監測，湖北省測繪局、地震局及氣象局聯合建立了湖北CORS網絡。平均分布在湖北各地區的80個測站使得湖北地區測站密度大幅提高，有效提高了該地區形變監測的空間分辨率和精度，為研究現今地殼運動提供了良好的基礎[3]。本文利用湖北CORS系統、 “陸態網絡”基準站(湖北區域)的GPS數據，在完成高精度數據處理的基礎上，獲取了湖北地區較高分辨率的水平地殼形變圖像及應變圖像，并開展了初步的運動學分析。

1　數據處理

本文使用了76個湖北CORS系統連續參考站及4個湖北省內“陸態網絡”基準站的數據，站點均勻覆蓋全省，間距在50～70 km。GPS觀測均采用雙頻接收機，主要型號有Trimble系列的R7 GNSS、NetR8、NetRS接收機，Leica的1200接收機。觀測均采用高精度測地型天線，采樣間隔為30 s。計算選取的數據時間跨度為2011-05-01～2013-06-30。

GPS觀測數據處理采用GAMIT/GLOBK 10.4軟件，分別計算站點坐標和衛星軌道的單日松弛解。GPS單日松弛解的處理主要遵循估計參數寬泛約束的原則，同時估計了衛星軌道參數、測站坐標、天頂對流層延遲及其梯度、地球自轉參數、衛星相位中心偏差等。衛星軌道的初值由IGS精密星歷提供，觀測數據模型改正采用最新的通用模型，如IGS08絕對天線相位中心改正、FES2004海潮改正、IERS2010極潮改正、IERS2003固體潮汐改正等。考慮到大氣負荷改正在IGS常規數據處理中尚未正式采用，在處理中未對觀測值進行大氣負荷模型改正。選取中國大陸及周邊的BJFS、URUM等12個IGS站作為基準站，分網處理的單日松弛解由12個均勻分布的IGS站作為公共站，與SOPAC處理的單日全球解綁定，并采用七參數相似變換轉換至ITRF2008參考框架[4-6]。為保證參考框架的穩定，參考框架點盡可能全球均勻分布，并剔除板塊邊界帶的不穩定點。計算單日松弛解的同時，生成坐標殘差圖，通過查看各站點坐標殘差圖，刪掉各站點解算精度差的當天數據。最后在ITRF2008框架下進行整網平差，計算站點坐標及速度值。計算過程中發現有7個測站位移出現異常，本文未予采用。

2　時間序列

限于篇幅，圖1僅列出SYZX、HGMC、XNTS、ESXE、HBJM、HBZG(站址位于湖北竹溪、麻城、通山、宣恩、荊門、秭歸，分別處于鄂西北、鄂東北、鄂東南、鄂西南、江漢平原地震構造區)6個站點的時間序列。對比觀察，可得出以下結論：

1)6個站點的水平位移基本穩定，東向運動較為顯著，運動趨勢也相對明顯；而南北向絕對位移量較小，位移趨勢表現為微弱的南向運動。

2)6個站點的垂直位移基本都具有較明顯的周年、半周年運動。進一步分析表明，各站周年振幅最大、最小值出現的月份基本一致，表明湖北各地區大氣層狀況無明顯差別。

3)HBZG、HBJM兩站的垂向時間序列好于其余4站，原因有二：一是兩站建站時間較其他站要早近兩年；二是兩站選址于地震臺站內，基巖開挖深度較深，地質構造環境好于其他站點。而對于同期建設的站點，基巖站點的穩定性要好于土層站，因觀測墩建成后有一個穩定過程，土層站的穩定周期較長，且受氣象、環境等因素影響較為顯著[7]。

圖1　SYZX、HGMC、XNTS、ESXE、HBJM、HBZG站的時間序列Fig.1　Time series of SYZX, HGMC, XNTS, ESXE, HBJM and HBZG stations

3　水平形變場分析

經檢查剔除后，最終參與平差計算的CORS測站總計69個。表1給出ITRF2008框架下的湖北CORS站點的速度值及中誤差，水平E、N方向平均運動速度分別為34.40 mm/a、-9.4 mm/a，其解算精度均優于1 mm/a；垂直U方向平均運動速度為-5.06 mm/a，解算精度優于1.5 mm/a。

為更準確地估計湖北地區的相對形變信息，需扣除本身所處歐亞板塊的運動速度，故將各站ITRF2008框架下的速度轉換至歐亞板塊框架下。歐亞板塊歐拉矢量參數表2。轉換后，得到湖北CORS站相對于歐亞大陸的運動速度(圖2)，同時也給出了“陸態網絡”湖北地區4個GPS基準站的速度信息，其中各站中水平方向最大、最小的運動速度分別為 10.63 mm/a、 5.32 mm/a，測定精度優于1 mm/a，與文獻[8-9]給出的華南地塊6～11 mm/a的運動速度一致。

表1　ITRF2008框架下的湖北CORS站

表2　歐拉矢量參數表

f1:鄖西-鄖縣斷裂；f2:寶豐-房縣斷裂；f3:青峰斷裂；f4:襄樊-廣濟斷裂；f5:霧渡河斷裂；f6:天陽坪斷裂；f7:仙女山斷裂；f8:麻城-團風斷裂；f9:郯城-廬江斷裂圖2　湖北地區現今地殼運動水平速度場(相對于歐亞板塊)Fig.2　Crustal movement horizontal velocity field in Hubei region (relative to the Eurasian plate)

4　應力應變分析

f1:鄖西-鄖縣斷裂；f2:寶豐-房縣斷裂；f3:青峰斷裂；f4:襄樊-廣濟斷裂；f5:霧渡河斷裂；f6:天陽坪斷裂；f7:仙女山斷裂；f8:麻城-團風斷裂；f9:郯城-廬江斷裂圖3　湖北地區主應變率分布Fig.3　Distribution of principle strain rates in Hubei region

斷裂帶的分布在一定程度上影響著應變場的空間分布，相對完整的塊體內部應變場較為均勻，量值很小[10-11]。利用2011-05-01～2013-06-30的GPS觀測數據，計算得到湖北地區的主應變率分布(圖3)。結果表明，湖北地區最大主壓應變集中分布在主要斷裂構造帶周圍：1)量值最大區主要集中在宜昌、秭歸附近的NNW向的仙女山斷裂帶以及NWW向的霧渡河斷裂、天陽坪斷裂附近，基本上以近南北向主壓應變為主，主壓應力軸分布與斷裂走向基本一致，總體方向呈近東西向分布。2)NWW向的襄樊-廣濟斷裂西段也存在相當程度的主壓應變，主壓應力軸與斷裂帶走向夾角約60°～70°，總體走向為北西向；鄖縣-鄖西斷裂兼有主壓應變和主張應變，其中主張應變略為突出，其應力軸與斷裂走向夾角約30°；寶豐-房縣斷裂基本上表現為主壓應變，而其東北區則表現為主張應變，應力軸幾乎與斷裂走向一致。3)橫貫湖北境內的襄樊-廣濟斷裂中段兩側也存在一定程度的應變，主要表現為平行于斷裂以張應變為主、垂直于斷裂以壓應變為主，而與麻城-團風斷裂交界處則表現為垂直于襄樊-廣濟斷裂走向的主張應變；其他區域，如江漢平原等地區，整體應變較小，量值均勻，表明局部塊體內部運動平穩，體現出其剛性特征。

由通過2011-05-01～2013-06-30的GPS觀測數據計算得到的湖北地區最大剪應變率分布圖(圖4)可知，敏感區域集中分布在宜昌市秭歸縣、恩施市巴東縣周邊50 km區域內、十堰市的鄖縣及鄖西地區、襄樊-廣濟斷裂中段的安陸至黃岡條帶區；最大值約為(1.43～1.73)×10-7/a，分別位于宜昌與恩施交界處、十堰地區的竹山至鄖西-鄖縣的轄區內，前者恰好與2014年的秭歸4.5級及4.7級地震對應，后者所在區域則可能與2014年房縣4.0級地震對應。其他地區基本均勻分布，量值集中在(1～10)×10-8/a區間內。

f1:鄖西-鄖縣斷裂；f2:寶豐-房縣斷裂；f3:青峰斷裂；f4:襄樊-廣濟斷裂；f5:霧渡河斷裂；f6:天陽坪斷裂；f7:仙女山斷裂；f8:麻城-團風斷裂；f9:郯城-廬江斷裂圖4　湖北地區最大剪應變率分布Fig.4　Distribution of maximum shear strain rates in Hubei region

從湖北地區歷史地震的分布(圖2)可知，鄂西山區與江漢平原的交匯區、湖北與江西交界的周邊區域(郯城-廬江地震帶兩側)是地震的主要發生區[12]，與GPS揭示的形變規律、主應變率集中區域以及剪應變率敏感區分布基本一致，表明了本文計算結果的可靠性。

5　結　語

1)站點時間序列表明，水平位移基本穩定，東向運動趨勢顯著，南北向表現為微弱的南向運動；垂直位移則具有明顯的周年、半周年運動，且基巖站點穩定性明顯優于土層站點。另外，GPS垂向位移易受參考框架、非構造運動作用等因素影響。有關研究表明，當GPS觀測時間大于 4～5 a時，垂向速率結果方可視為相對穩定，可用于各種構造解釋。因本次所使用的湖北CORS數據僅持續2 a多，相對較短，故本文研究對該地區垂向位移不予考慮，待日后再作分析。

2)湖北CORS系統的建設完成，使得湖北地區GPS測站空前加密，進而得以獲取更為精細的區域變形圖像。由圖2可以看出，湖北各地地殼運動方向均為正東或東略偏南，運動速度沒有明顯差異，平均運動速度為7～8 mm/a，除湖北中部江漢平原地區略低外，湖北東、西部地區較為均衡，表明湖北地區內部不存在明顯的差異運動。三峽庫區周邊測站運動速度也均為7 mm/a左右，較之其他地區并無明顯變化，未來將聯合三峽大壩形變監測網(連續、流動)資料對該區域進行更為細致的研究。

3)湖北地區最大主壓應變集中分布在主要斷裂構造帶周圍(圖3)，主要集中在宜昌、秭歸附近的NNW向的仙女山斷裂帶以及NWW向的霧渡河斷裂、天陽坪斷裂附近，NWW走向的襄樊-廣濟斷裂西段也存在相當程度的主壓應變，鄖縣-鄖西斷裂兼有主壓應變和主張應變，寶豐-房縣斷裂基本上表現為主壓應變，襄樊-廣濟斷裂中段兩側也有一定程度的應變。其他區域，如江漢平原等地區，整體應變較小、量值均勻，表明局部塊體內部運動平穩，體現出其剛性特征。而由湖北地區最大剪應變率分布圖(圖4)可知，敏感區域集中分布在宜昌市秭歸縣、恩施州巴東縣周邊50 km區域內、十堰市的鄖縣及鄖西地區、襄樊-廣濟斷裂中段的安陸至黃岡條帶區；最大值約為(1.43～1.73)×10-7/a，分別位于宜昌與恩施交界處、十堰地區的竹山至鄖西-鄖縣的轄區內。前者恰好與2014年的秭歸4.5級及4.7級地震對應，后者所在區域則可能與2014年房縣4.0級地震對應。

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About the first author:NIE Zhaosheng, associate researcher,majors in GPS observation technology and its application in the seismology, E-mail:niezhaosheng @126.com.

Analysis of Present-Day Crustal Deformation in Hubei by GPS Observation

NIEZhaosheng1, 2XIONGWei1, 2HUANGYong1, 2

1Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071,China 2Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics，CEA，40 Hongshance Road, Wuhan 430071,China

In this study, we calculate GPS observation data from 76 continuous sites between May 2011 and June 2013 of the CMONOC and HBCORS networks. We get the precise coordinates, the time series, and the horizontal movement velocity field of each station. The results show that the movement speed is about 6-9 mm/a, and gives priority to movement to the east or southeast direction, which is almost the same as the movement characteristics of the south China block. The preliminary results show that there is no obvious difference in the Hubei region. Also, we calculate the principal strain rate and the maximum shear strain rate. The results show that the maximum shear strain rate sensitive area is mainly the area where the faults distribute centrally; the maximum value mainly distributes in Badong, Zigui and Zhushan-Yunxian and its neighbor area; the value is about (1.43-1.73)×10-7/a, ,the results correspond obviously to Zigui M4.5 and M4.7 earthquakes, and Fangxian M4.0 earthquake in Hubei region in 2014.

GPS velocityfield; time series; principle strain rate; maximum shear strain rate

Director Fund of Institute of Seismology,CEA,No.IS201326129；Special Fund for Earthquake Research of CEA,No.201508003,201508009;National Natural Science Foundation of China,No.41504011.

2015-09-23

聶兆生，副研究員，主要研究方向為GPS觀測技術及其應用等，E-mail:niezhaosheng @126.com。

10.14075/j.jgg.2016.10.017

1671-5942(2016)010-0922-05

P315

A

項目來源：中國地震局地震研究所所長基金(IS201326129);中國地震局地震行業科研專項(201508003,201508009);國家自然科學基金(41504011,41572354)。