用超长基线解算分析汶川地震动态形变特征*

刘 刚 谭 凯 彭懋磊 聂兆生

(中国地震局地震研究所，武汉 430071)

用超长基线解算分析汶川地震动态形变特征*

刘 刚 谭 凯*彭懋磊 聂兆生

(中国地震局地震研究所，武汉 430071)

以远距离的IGS武汉GPS站为参考站，用超长基线双差瞬时精密定位技术，获取汶川Ms8.0地震震时震区连续GPS站1 Hz动态形变序列。同时以较近距离的雅安站为参考站解算动态形变序列，结果显示，两者的形变结果具有很好的一致性。距离断层较近的郫县、成都、绵阳、中江等站形变较大(形变最大的郫县站最大振幅达1.034 m);位于震中南侧的邛崃、雅安等站形变较小。利用动态时序的地震波到时和震中距离估计地震波地壳平均速度为3.1 km/s。

超长基线;双差定位;汶川地震;高采样率GPS;动态形变特征

1 引言

高采样率GPS数据能获取震时大幅度的地壳动态位移［1，2］。静态、动态GPS时序与地震波联合可为研究地震滑动分布和破裂过程提供强有力的约束［3，4］，因而高采样率GPS的应用中已成为大地测量和地震学关注的热点。

四川GPS连续站以1 s采样率记录了2008年汶川地震瞬间产生的极大变形。文献［5，6］采用瞬时精密定位技术进行动态数据处理，以雅安站作为参考站，得到了相对的动态形变。本文将以超长基线的定位方式和瞬时精密定位技术获取汶川地震GPS连续站形变时序(以及近似绝对的动态形变量)，并根据GPS动态形变进行地震波速估算和地震震中定位。

2 数据处理方法

本文数据来源于四川省GPS连续观测网络的郫县(PIXI)、成都(CHDU)、绵阳(MYAN)、中江(ZHJI)等13个GPS观测站以及IGS武汉站(WUHN)，数据采样率1 s。汶川地震使数据传输中断，四川省GPS连续观测站只记录了震时67 s 1 Hz的GPS数据(成都站只记录了48 s的数据)，所以处理数据时段的长度为3 601 s(震前3 534 s和震时的67 s)。处理软件为Bernese5.0，使用IGS精密星历，并采用瞬时相对定位方式进行单历元坐标解算。

由于武汉站距震中约1 061 km，地震波对1 Hz GPS站点在67s的数据长度时间里造成动态形变时，尚未对武汉站产生位移影响(可认为武汉站在地震时67 s内不具有由于地震产生的非线性动态位移)，因此使用武汉站作为参考站进行超长基线动态数据处理，可以认为获取的是震中附近郫县等1HzGPS站的绝对动态形变时序。

为了验证超长基线处理结果的可靠性，本文同时对较短基线进行了动态处理，并与超长基线的处理结果相比较。在动态处理较短基线选择(合适的)参考站时，首先计算获取各1 Hz GPS站点同震形变(图1，表1)，从中选择同震形变较小、距离较近的雅安站和邛崃站作为备选参考站;然后使用超长基线处理得到备选参考站的动态变化(图2，表1)，从图2不难发现，雅安站震时的形变比邛崃站平缓(邛崃站震时东西方向最大位移达到了283 mm，雅安站东西向的最大位移为47 mm)，因此我们将雅安站作为较短基线动态处理的参考站，得到了其他1 Hz GPS站震时动态形变时序。

3 形变结果与特征分析

解算得到的4个1 Hz GPS站在震前35 s和震时67 s的水平向动态形变时序如图3所示。超长基线处理结果(图3(a)、(b))水平向的均方根误差在2 cm左右;较短基线处理结果(图3(c)、(d))水平向的均方根误差在1cm内，两种结果在初动时刻、变化趋势和震时振幅都具有很高的一致性。将两种处理结果的水平向作差得到的差值序列如图4所示，东西向差值均值约为8.55 mm，南北向差值均值约为11.20 mm。此外4个站点的差值序列变化趋势全部呈现出一致性的规律，说明超长基线定位结果的误差具有空间相似性。

图1 四川GPS连续站同震形变场Fig.1 Co-seismic deformation field of Sichuan permanent GPS stations

表1 各GPS站的静态同震位移与动态形变最大振幅(单位：m)Tab.1 Static co-seismic deformation and the largest kinematic amplitude at each station(unit：m)

从图3还可以看出，各站点在水平方向上的位移清晰，并且总体上时序初动时间与站点距离震中的远近相对应。各站点时序的振幅随震中距减弱，显示出了地震波能量随距离衰减。表1中列出了4个站的同震位移和动态位移振幅峰值，其中距离震中最近的郫县动态位移峰值最大，中江最小，与永久位移的大小分布相吻合，并且震时的动态位移峰值比静态同震位移大。各站点的动态时序基本上由两个脉冲组成，第一个脉冲均向西北方向波动，携带能量较小，形成的位移较小;第二个脉冲也均向西北方向波动，携带能量较大，形成的位移较大。由于4个站点全部位于断层的南盘、震中的东南方，因此与脉冲方向相同，并与同震位移方向一致。绵阳站距离震中相对于成都站、中江站远，但动态位移的峰值和同震位移量大于成都站与中江站，分析认为可能是绵阳站距断层较近、且位于地震破裂方向上，地震波传播到绵阳站时能量较大之故。1 Hz GPS站震时67 s在水平面的运动轨迹如图5所示，4个站点运动轨迹虽不完全一致，但总体趋势均具有两个特点：地震发生后开始几秒内在原地蠕动(定位误差的体现);地震后数十秒至数据中断时段，站点出现明显的位移变化，并都向西北方向运动，其中郫县由于距离破裂最近，记录地震激发的形变时间最长，而且运动轨迹还记录到了回弹变化。

郫县站与绵阳站在垂直向的波动清晰，与水平向变化具有很好的时间相关性。其中郫县站峰值为0.153 m，绵阳站峰值为0.26 m。与水平向相似，绵阳站的垂直向最大振幅也大于其他站的最大振幅。超长基线解算的垂向形变(图6(a))均方根误差约5 cm，较短基线解算的垂向形变(图6(b))均方根误差在2 cm左右。在垂向形变上，虽然用超长基线解算结果的噪声基底较大，但总体趋势和最大振幅与较短基线的解算结果一致。

图2 邛崃站与雅安站震时的动态形变(以武汉站为参考站)Fig.2 Kinematic deformations of Qionglai and Yaan GPS stations referred IGS Wuhan station

图3 4个1 Hz GPS站水平向动态形变时序Fig.3 Kinematic deformation series of horizontal component at 4 1-Hz-GPS stations

图4 超长基线与较短基线处理结果在水平向的差值序列Fig.4 Difference value series between ultra long baseline results and shorter baseline results

图5 1-Hz-GPS站点在震时的水平向运动轨迹Fig.5 Horizontal tracks of 1-Hz-GPS stations during the earthquake

图6 基线垂直动态时序Fig.6 Kinematic deformation series of the baselines

4 超长基线动态形变时序滤波

通过解算震前多天的结果发现，用超长基线获取的动态形变时序存在明显的日重复性的多路径误差和区域性的空间共模误差。该误差通过改进的恒星日法和空间叠加法对超长基线动态形变时序进行滤波可以削弱(图7)。

图7 经过改进的恒星日法和空间叠加法滤波后超长基线动态时序Fig.7 Filtered ultra long base line kinematic deformation series by modified sidereal filtering and spatial filtering

5 地震波速估计

GPS动态时序地震波到时清晰，且符合地震波传播规律，用GPS动态时序进行地震波地壳平均波速估计结果如表2所示。为评估由GPS动态时序估计地震波速的准确程度，取中国地震台网测定震中(31.08°N，103.27°E)、震源深度(14 km)、发震时刻(06：28：04(UTC))作为初值，使用估计的地震波平均波速进行地震定位，地震波速在3.1 km/s时，定位结果差值最小，因而我们认为此波速估计比较准确(与川西地壳平均s波速度接近［7，8］)。由均值3.071 km/s进行地震定位，发震时刻差值仅0.7 s，震中位置差值9.974 m。

表2 地震波速估计与地震定位结果Tab.2 Estimated velocities of earthquake wave and results from earthquake positioning

6 结论

利用超长基线瞬时精密定位技术解算得到的震时1 Hz GPS动态形变时序，能够反映汶川地震动态形变特征。该方法可以避免较短基线瞬时定位中选择相对稳定参考站的困难，而且可以得到近似绝对的动态形变时序。利用超长基线解算得到距震中最近的郫县站的东西向形变达到了1 m，相对较近的站也达到了亚米量级，显示震时地表形变剧烈。

动态形变时序反映了地震波传播特性。通过应用改进的恒星日滤波法和空间叠加滤波法，可以消除明显的日重复性多路径误差和区域性的空间共模误差，提高超长基线定位结果的精度。

根据动态形变时序的到时和震中距估计得到的川西地区地壳平均地震波速为3.1 km/s，与用其他方法得到的结果基本一致。

致谢 感谢四川省地震局提供研究数据!

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.长距离动态GPS数据处理方法与汶川地震引起的动态地壳形变特征分析［J］.武汉大学学报(信息科学版)，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.汶川地震同震形变的静态和动态分析［J］.大地测量与地球动力学，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 吴建平，等.川滇地区速度结构的区域地震波形反演研究［J］.地球物理学报，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 杨海燕，等.川西地区壳幔结构与汶川Ms8.0地震的孕震背景［J］.地球物理学报，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

国家自然科学基金(40974012);中国地震局地震研究所科技发展基金(IS200726005)

刘刚，男，1984年生，硕士，主要研究GPS精密数据处理.E-mail：whgpslg@gmail.com

谭凯，男，1972年生，博士，主要研究大地测量与地球动力学.E-mail：whgpstan@sina.com

P315.72+5

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