基于GNSS基線變化的區(qū)域構造運動與應變特征提取

姚 笛，徐克科

基于GNSS基線變化的區(qū)域構造運動與應變特征提取

姚 笛1，徐克科2

（1. 濮陽職業(yè)技術學院，河南 濮陽 457000；2. 河南理工大學，河南 焦作 454000）

鑒于地殼形變具有高空間相關性的特點，以全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）觀測網作為一個形變單元，基于三維無約束平差后的高精度基線向量，利用GNSS觀測網絡所有測站相互關聯(lián)的基線向量方向與長度的變化主成分，來綜合反映GNSS網形的變化，利用網形的變化提取區(qū)域高空間相關的構造形變信息，并提出利用高精度基線解算區(qū)域應變時間序列的方法。以日本境內長時間觀測的國際GNSS服務（IGS）網絡為例，解算了近13 a的基線時間序列，獲取了2011年日本Mw9.0地震前后近、遠場區(qū)域形變的時變特征，發(fā)現(xiàn)了近年來的多次強震，在震前數月的時間內均出現(xiàn)不同程度的非趨勢性偏離，即穩(wěn)定閉鎖和反向加速的弧形轉折變化特征，可能存在著應變的積累、釋放與調整，與室內巖石破裂實驗過程相吻合。同時，利用高精度的基線向量分別解算了近、遠場區(qū)域應變動態(tài)變化時間序列，結果表明，多次強震前，均出現(xiàn)了不同程度的剪應變加速變化和面應變的釋放-調整階段，為區(qū)域地震危險性的判定提供了一條重要線索。

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)；基線；構造形變；地殼運動；應變

0 引言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）原始觀測數據處理后，可得到約束解、固定解、松弛解、無約束自由網解等多種類型。利用GNSS三維約束平差后的坐標時間序列，可獲得每個測站位移隨時間的變化過程，直觀地反映地殼形變的絕對量級與方向[1-6]。然而，約束解強烈依賴于參考框架，使用不同的參考基準將會得到完全不同的位移場。而GNSS無約束自由網解的基線向量，則不受參考框架和共模誤差的影響，相對精度高達1×10-10～1×10-8量級，對地殼形變監(jiān)測有著巨大優(yōu)勢。有關研究表明，利用高精度的基線信息，曾成功捕獲了2001年昆侖山口西Ms8.1地震、2008年汶川Ms8.0地震、2011年日本Mw9.0地震和2013年蘆山Ms7.0地震前地殼運動微形變特征[7-12]。然而，基線長度的變化僅能用于反映地殼運動的拉張或壓縮特征，與基線向量方向與斷裂方向息息相關，當基線方向與斷層破裂方向呈不同夾角，形變結果差異顯著。相關研究表明，當基線方向與斷裂走向呈45°時，無論是基線長度或是基線方向在斷層破裂前都有明顯的體現(xiàn)[11]。但對于走滑或剪切旋轉變形，基線長度變化并不明顯，但不能從而推斷沒有形變。此外，一個測站或一條基線的變化，反映的是一個點或一條線的局域的形變信息，是區(qū)域地殼形變的其中很小一部分信息，不能代表高空間相關的區(qū)域地殼形變特征。為此，本文提出將整體GNSS觀測網絡作為一個時空觀測單元，利用GNSS網所有測站間相互關聯(lián)的基線長度與方向的變化信息，來集中反映整個網形的變化；利用網形的變化來檢測區(qū)域地殼形變特征的方法，提出基于高精度的基線信息解算區(qū)域應變動態(tài)變化時間序列。利用該方法分析了日本境內13 a的國際GNSS服務（International GNSS Service, IGS）網絡網形變化和應變時間序列，成功提取了地殼運動微形變異常信息。

1 地殼運動信息檢測方法

1.1 GNSS網絡基線所反映的構造運動

利用整個GNSS觀測網絡相互關聯(lián)的基線變化來反映整個網形的變化，利用網形的變化檢測區(qū)域地殼形變[13]，具體方法如下：

1.2 基于基線變化的區(qū)域應變解算

2 日本2011年Mw9.0地震前后形變特征分析

2.1 GNSS觀測與數據處理

日本境內共分布有7個IGS基準站，分別為MIZU、TSKB、USUD、KSMV、KGNI、MTKA、AIRA。至今已經積累了14 a的數據。自2002—2011年，在MIZU站方圓300 km范圍內，大于等于Mw6.9的地震共發(fā)生4次，包括日本2011年的Mw9.0大地震。因測站AIRA距這幾次地震震中較遠，平均距離約為1300 km，故沒有采用；測站KGNI與MTKA相距較近，約7.46 km，故只選用了KGNI站。因此，采用了MIZU、TSKB、USUD、KSMV、KGNI等5個IGS站自2002—2014年共13 a的GNSS連續(xù)觀測資料。為更清楚地反映區(qū)域地殼微形變信息，以距離震中最近的MIZU站為中心，構建了GNSS星型觀測網絡，見圖1。該網包括4條基線，分別為MIZU-USUD、MIZU-KGNI、MIZU-TSKB、MIZU-TSMV。

圖1 研究區(qū)域與GNSS測站分布（Ok:鄂霍次克板塊;Am:阿穆爾板塊;Pa;太平洋板塊）【審圖號：GS（2022）58號】

4條基線構成的3個夾角USUD-MIZU-KGNI、KGNI-MIZU-TSKB、TSKB-MIZU-KSMV變化時間序列見圖3。

圖2 2002—2014年期間GNSS基線長度變化時間序列

圖3 2002—2014年期間GNSS基線夾角變化時間序列

由圖3可知，隨著與震中距離的減小，GNSS觀測的基線夾角的變化呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。其中變化最大的是TSKB-MIZU-KSMV，量值達0.27″。

2.2 形變信息檢測結果

以2011年Mw9.0級地震發(fā)震時刻為參考，將基線變化時間序列截取為震前和震后兩部分。其中，震前基線長度變化時間序列如圖4所示。

圖4 2011年日本Mw9.0地震前GNSS基線線應變變化時間序列

由圖4可知：4條基線整體均表現(xiàn)為持續(xù)的線性壓縮狀態(tài)，平均壓縮率為1.25×10-8a-1。這也表明了日本地震由于受到太平洋板塊在向歐亞板塊下方俯沖和擠壓時發(fā)生逆沖，導致基線長度縮短。圖5為所有基線長度時間變化序列的第一主成分（principal component 1, PC1），貢獻率為91%。

圖5 2011年日本Mw9.0地震震前GNSS基線長度變化的第一主成分變化序列

從圖5可以看出：4次強震震前均出現(xiàn)了不同程度的非趨勢性異常變化，即閉鎖-反向加速的弧形的轉折變化特征[16]，意味著應變的積累、釋放與調整，反向變化符合彈性回跳理論，很可能是震前的微破裂。與室內巖石破裂試驗結果相吻合[18]，初期表現(xiàn)為穩(wěn)定的線性應變積累特征，在海洋板塊向下俯沖過程中，板塊交界附近地表發(fā)生了水平壓縮和垂向下沉的變形，以遠場上升運動為主。在板塊邊界接觸面形成應變積累區(qū)域。隨著應變持續(xù)積累，應力水平不斷增強并達到極限狀態(tài)，此時該區(qū)域由深到淺變形呈逐步衰減，大陸板塊水平壓縮變形與上升運動開始減緩，進入非線性應變階段。當應變積累達到極限狀態(tài)，孕震單元開始有局部解耦，此階段應變表現(xiàn)為緩慢的釋放狀態(tài)，地表發(fā)生反向運動，即壓縮轉變?yōu)槔瓘埡痛瓜蛏仙D向緩慢下降，此階段通常會有預破裂和慢滑移現(xiàn)象發(fā)生。當預滑動完全克服板塊間的摩擦阻力時，會造成應變能量的一次大釋放即地震發(fā)生。

圖6反映了角度變化并沒有出現(xiàn)類似基線變化的特征，然而發(fā)現(xiàn)自2008年6月13日起，即日本東北發(fā)生Mw6.9地震之后，KGNI-MIZU-TSKB、TSKB-MIZU-KSMV夾角變化發(fā)生了明顯轉折變化，速度突然呈線性快速增加到2011年Mw9.0級地震的發(fā)生時刻。這些角度的變化區(qū)域位于日本東海岸，離震中相對較近，角度的顯著變形可能會導致巨大剪切構造應力的產生，致使區(qū)域剪切構造活動強烈，可能導致了2011年大地震的發(fā)生。

圖6 2011年日本Mw9.0地震震前GNSS基線夾角變化時間序列

2.3 區(qū)域應變變化分析

選擇日本近海岸近、遠場且?guī)缀涡螤钶^好的2個三角形TSKB-KSMV-MIZU和KGNI-KSMV-TSKB，利用三角形三條基線按本文敘述的方法，分別解算了2個區(qū)域應變變化時間序列，4次強震前剪應變均出現(xiàn)了加速變化趨勢，與GNSS基線夾角變化結果相一致，尤其2011年Mw9.0震前，剪應變加速變化更加明顯，應變速率高度6×10-8a-1，約從2009年開始，迅速線性增加到2011年Mw9.0地震的發(fā)生時刻，其結果如圖7所示。相比前幾次地震，應變能量持續(xù)積累時間更長，因此，斷層破裂時釋放能量更大，震級更強。2個區(qū)域的面應變整體呈現(xiàn)壓縮變化特征，4次強震前均出現(xiàn)了不同程度的應變能量釋放與調整，與基線線應變分析結果相一致。2個區(qū)域相比，無論是剪應變的加速變化，還是面壓縮的釋放調整，近場區(qū)域TSKB-KSMV-MIZU均比遠場區(qū)域KGNI-KSMV-TSKB表現(xiàn)更加突出，但二者形變特征相似。

2.4 震后形變分析

2011年3月日本Mw9.0地震震后4 a（2011—2014年）期間，基線長度變化與基線夾角變化時間序列見圖8。圖8反映了震后運動隨時間呈指數的衰減變化特征，體現(xiàn)了大震之后地殼運動的黏彈性弛豫形變過程。震后形變方向與同震形變方向相一致，推斷震后的形變可能是來自地震余滑的影響。形變曲線顯示，震后1a時間內變化量急劇增加，2a后基本平穩(wěn)，并逐漸趨于穩(wěn)定。震后4 a來，基線長度變化最大值約為150 mm，角度變化最大值約為0.03″。量級上約為同震形變的1/10。可見，2011年Mw9.0級地震主震可能釋放了大部分的能量。

3 結束語

GNSS三維無約束自由網解不依賴參考框架，不受共模誤差的影響，相對精度高達1×10-10～1×10-8，對于地殼運動微形變信息的捕獲展現(xiàn)了巨大優(yōu)勢。充分利用斷層破裂所引起的地表形變具有高空間相關性的特點，基于整個觀測網絡相互關聯(lián)的基線變化信息（長度和方向變化）的主成分，反映整個網形的變化，利用網形的變化檢測區(qū)域地殼形變異常。研究結果表明，該方法可顯著提高GNSS觀測資料信噪比，更有利于地殼微形變信息的檢測。通過對日本境內2002—2014年共13 a的IGS站連續(xù)站基線長度和夾角的解算和分析，得到了近、遠場區(qū)域地殼形變動態(tài)演變過程，發(fā)現(xiàn)了日本近年來多次地震，在震前震后前均出現(xiàn)了不同程度的非趨勢性異常偏離，都出現(xiàn)了穩(wěn)定閉鎖和反向加速的變化特征，反映了應變能量積累-釋放的調整過程，與室內巖石破裂實驗過程相吻合。利用高精度的基線信息解算的近、遠場的應變動態(tài)變化時間序列，均出現(xiàn)了不同程度的剪應變加速變化和面應變的釋放與調整，這可能是地震危險性的重要線索。隨著GNSS觀測資料的日益積累和觀測網絡的不斷加密，形成了覆蓋活動斷層區(qū)域時空分辨率越來越高的GNSS時空觀測序列，利用此方法可從不同時空尺度，精細研究地表形變空間分布及其時變特征，為區(qū)域地震危險性有效判定與地震孕震機制的進一步探索提供重要依據。

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Extraction of regional tectonic movement and strain characteristics based on GNSS baselines variation

YAO Di1, XU Keke2

（1. Puyang Vocational and Technical College, Puyang, Henan 457000, China；2. Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454000, China）

The characteristic of the high spatial dependence from the crustal deformation, regarding GNSS (Global Navigation Satellite System) network as a deformation observation unit, based on the high-precision baselines vectors obtained from three dimensional free network adjustment of GNSS network, we proposed a method of regional crustal deformation signals detection by the principal component of all the correlated baselines length and angles variation from the whole GNSS network. A method to calculate regional strain time series by using high precision baseline information is also proposed. Take the long-term IGS (International GNSS Service) observation network in Japan for example, we calculated the baselines time series for 13 years and obtained the dynamic evolution process of the crustal deformation before and after 2011≥Mw9.0 earthquake. The result shows that the obvious abnormal deviation appeared during a period of several months before the several earthquakes and the whole change curve is similar to parabola, which can be explained as the stability lock state and reverse acceleration process, suggesting the accumulation, release and adjustment. It agrees well with the deformation process of rock rupture experiment in the laboratory. Meantime, the high precision baseline vector is used to calculate the time series of regional strain dynamic variation in the near and far field respectively. The results show that the accelerated variation of shear strain and the release-adjustment stage of plane strain occur before many strong earthquakes, which maybe provide an important clue for the determination of seismic risk.

global navigation satellite system；baselines; tectonic deformation; crustal movement; strain

P228

A

2095-4999(2022)01-0069-07

姚笛，徐克科. 基于GNSS基線變化的區(qū)域構造運動與應變特征提取[J]. 導航定位學報, 2022, 10(1): 69-75.（YAO Di, XU Keke. Extraction of regional tectonic movement and strain characteristics based on GNSS baselines variation[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2022, 10(1): 69-75.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20220110.

2021-04-14

國家自然科學基金項目（41774041）；河南理工大學博士基金(B2017-15)。

姚笛（1981—），男，河南濮陽人，碩士，講師，研究方向為大地測量、工程測量與變形監(jiān)測。

徐克科（1979—），男，博士，副教授，研究方向為衛(wèi)星大地測量與地殼形變。