福建地殼運(yùn)動(dòng)與地震關(guān)系初探

陳 光,李祖寧,王紫燕,鐘繼茂,陳超賢

(福建省地震局,福州 350003)

福建地殼運(yùn)動(dòng)與地震關(guān)系初探

陳 光,李祖寧,王紫燕,鐘繼茂,陳超賢

(福建省地震局,福州 350003)

基于福建省2005～2009年的 GPS觀測(cè)資料研究福建地區(qū)地塊運(yùn)動(dòng)的時(shí)空變化特征。結(jié)合福建地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、區(qū)域構(gòu)造變形資料,分析了福建塊體的時(shí)間序列、計(jì)算了小區(qū)域內(nèi)一固定不動(dòng)點(diǎn)下各 GPS觀測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速率,探討福建地區(qū)活動(dòng)地塊邊界帶的運(yùn)動(dòng)及塊體內(nèi)部變形的規(guī)律。

地殼運(yùn)動(dòng);GPS;運(yùn)動(dòng)速率;時(shí)間序列;地震構(gòu)造

0 引言

福建省與臺(tái)灣省一水之隔,經(jīng)常受到臺(tái)灣中強(qiáng)地震的波及和影響。影響福建地殼運(yùn)動(dòng)的主要力源是來自印度板塊、歐亞板塊、太平洋板塊和菲律賓板塊之間的相互作用。有關(guān)福建及東南沿海地殼形變的特點(diǎn)、臺(tái)海兩岸地殼相對(duì)運(yùn)動(dòng)是許多學(xué)者關(guān)心的問題。在上個(gè)世紀(jì)80年代以前,因當(dāng)時(shí) GPS還未問世,常規(guī)的大地測(cè)量手段根本無法完成這項(xiàng)工作,只好望洋興嘆。隨著福建 GPS觀測(cè)水平的發(fā)展,加上中國大陸、臺(tái)灣省與全球 GPS觀測(cè)資料的應(yīng)用,這些問題逐步得到了解答。

為了監(jiān)測(cè)福建沿海地區(qū)地殼現(xiàn)今的水平形變,從2001年開始,福建省地震局“十五”重點(diǎn)項(xiàng)目“福建省地殼形變觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)建設(shè)”開始實(shí)施,實(shí)施期間新建的福州、泉州、龍巖、南平、莆田、永春、東山 7個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站與已建的廈門國家 GPS基準(zhǔn)站共8個(gè),加上一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸中心組成了福建 GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)[1]?！笆濉苯Y(jié)束后,為了彌補(bǔ)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò) GPS連續(xù)觀測(cè)站分布密度小且不均勻的不足,福建省地震局正在實(shí)施福建省防震減災(zāi)“十一五”重點(diǎn)項(xiàng)目——“福建省 GNSS連續(xù)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)”建設(shè)。建設(shè)內(nèi)容是在已有的8個(gè) GPS連續(xù)觀測(cè)站的基礎(chǔ)上,新建30個(gè)GNSS連續(xù)觀測(cè)站。觀測(cè)站選址按《中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)規(guī)程》)技術(shù)指標(biāo)開展,2011年后福建省38個(gè) GPS連續(xù)觀測(cè)站將覆蓋全省大部,尤其是在福建省3條大的斷裂帶(政和—海豐帶、邵武—河源帶、長(zhǎng)樂—詔安帶)附近,將重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視,基本達(dá)到50km范圍內(nèi)有一個(gè)基準(zhǔn)站。本文擬對(duì)福建省 GPS臺(tái)網(wǎng)2005年1月～2009年10月間5年的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,對(duì)水平位移時(shí)間序列結(jié)果、運(yùn)動(dòng)速率進(jìn)行分析研究,進(jìn)而探討福建地區(qū)活動(dòng)地塊邊界帶的運(yùn)動(dòng)及塊體內(nèi)部變形的規(guī)律。

1 福建地區(qū)地震構(gòu)造帶分布現(xiàn)狀

福建東南沿海是中國東部地區(qū)強(qiáng)震活動(dòng)區(qū)(帶)之一,歷史上曾在泉州海外發(fā)生過8級(jí)大震。在大陸邊緣的一些海灣和盆地內(nèi),歷史上也曾發(fā)生過多次中、強(qiáng)地震,其中尤以漳州盆地、泉州—汕頭斷裂、政和—海豐斷裂、邵武—河源斷裂、永定—詔安斷裂等地更為突出。區(qū)內(nèi)構(gòu)造受華夏系、新華夏系構(gòu)造體系控制,經(jīng)歷了多次復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加,還發(fā)育了一系列斷陷盆地,內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地震活動(dòng)性上表現(xiàn)出具有分區(qū)特征。按主要地震構(gòu)造帶和區(qū)域地震構(gòu)造格局,福建的新構(gòu)造劃分在全國一、二級(jí)新構(gòu)造區(qū)的基礎(chǔ)上,根據(jù)大地構(gòu)造特征,新構(gòu)造期地殼運(yùn)動(dòng)的主要表現(xiàn)形式,區(qū)域構(gòu)造差異、地震活動(dòng)性特征等,顯示出閩東南近岸海域斷塊差異活動(dòng)的隆升、沉降與間歇性活動(dòng)特征。特別是上新世以來的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng),以垂直運(yùn)動(dòng)及其伴隨的斷塊差異活動(dòng)為主要構(gòu)造活動(dòng)形式,具有繼承性和新生性的特征。因此,大地構(gòu)造環(huán)境對(duì)福建地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的形成和發(fā)展起著決定性作用,構(gòu)造形變性質(zhì)的變化與地球動(dòng)力狀態(tài)密切相關(guān),板塊間的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地幔物質(zhì)對(duì)流是其中兩個(gè)重要因素。隨著時(shí)間的演變,地球動(dòng)力狀態(tài)也發(fā)生著變化,地表的構(gòu)造形變性質(zhì)也隨之改變[2]。

2 GPS觀測(cè)資料數(shù)據(jù)處理

在觀測(cè)資料的預(yù)處理中,使用 GAMIT軟件(10.32版)與同步觀測(cè)的IGS站及中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站的觀測(cè)資料一起進(jìn)行基線解算,以天為時(shí)段,1天的觀測(cè)資料處理出一個(gè)結(jié)果。在完成基線數(shù)據(jù)處理后給出了各測(cè)站的坐標(biāo)值和精度估計(jì)值。主要處理方法和過程及數(shù)據(jù)處理的流程包括預(yù)處理、觀測(cè)值擬合、參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,均以單日時(shí)段(24小時(shí))觀測(cè)數(shù)據(jù)為基本單位,一次性同步解算出各個(gè)測(cè)站的三維坐標(biāo),并利用 GLOB K軟件進(jìn)行聯(lián)合平差,得出較完整的處理結(jié)果。在完成基線數(shù)據(jù)處理后給出了各測(cè)站的坐標(biāo)值和精度估計(jì)值。

選取IGS與中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)參考站的原則是:站坐標(biāo)精度較高、站速度穩(wěn)定以及相對(duì)于監(jiān)測(cè)區(qū)的空間分布較好。將 IGS公布的這些全球站坐標(biāo)和站速度都作為初始值,但對(duì)它們按這些坐標(biāo)和站速度質(zhì)量的優(yōu)劣給予不同的約束。對(duì)于 IGS核心站 SHAO、L HAS、TSKB、IRKT、KIT3給予強(qiáng)約束,南北向、東西向和高程向分別為(3mm、3mm、10mm),其余的 IGS站 (YSSK、GUAM、HYDE、IISC、NTUS、PIMO、POL2、SUWN、TWTF、ULAB)、中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)站(BJ FS、DL HA、DXIN、GUAN、HLAR、KMIN、QION、TAIN、TASH、URUM、WU HN、WUSH、XIAA、XIA G、XNIN、YANC)給予的坐標(biāo)三分量約束為(30mm、40mm、100mm)。在實(shí)際的計(jì)算中 ,測(cè)站的初始坐標(biāo)都經(jīng)過了多次迭代處理,具有很高的精度,所以這樣的約束設(shè)置不會(huì)對(duì)處理結(jié)果帶來不良的影響。

由于采用了這種基于 IGS公布的全球站的ITRF坐標(biāo)的強(qiáng)約束解,因此,可以認(rèn)為這樣處理計(jì)算得到的監(jiān)測(cè)區(qū)各站是在統(tǒng)一的ITRF2000參考框架下的坐標(biāo)。計(jì)算結(jié)果表明,福建地區(qū) GPS連續(xù)站點(diǎn)位水平精度在2.5mm左右,高程精度在5mm左右。

3 資料分析

福建省 GPS連續(xù)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)建設(shè)是福建省“十一五”重點(diǎn)項(xiàng)目防震減災(zāi)體系二期工程建設(shè)中第三個(gè)子項(xiàng)目,于2006年開始建設(shè),計(jì)劃于2010年完成。項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)是在目前已有的8個(gè) GPS連續(xù)觀測(cè)站的基礎(chǔ)上,擴(kuò)充和加密30個(gè) GPS連續(xù)觀測(cè)站(臺(tái)站分布見圖1),并在 GPS連續(xù)觀測(cè)站上配套精密水準(zhǔn)和精密重力測(cè)量,形成覆蓋福建省的有效監(jiān)測(cè)福建省內(nèi)各主要斷裂帶的大跨度、大尺度、高精度地殼運(yùn)動(dòng)、重力場(chǎng)和水準(zhǔn)變化的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng),為福建省及其鄰近地區(qū)地震活動(dòng)、地殼運(yùn)動(dòng)、地球動(dòng)力學(xué)特性分析與研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為地震中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)提供背景資料。同時(shí)在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)將 GPS臺(tái)站的間距控制在50km范圍以內(nèi),建成覆蓋福建省沿海地區(qū)的 GPS網(wǎng)絡(luò),為“數(shù)字福建”、沿海構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)差分服務(wù)(RTK)等服務(wù)打下良好基礎(chǔ)。用GAMIT軟件(10.32版)處理得到 ITRF2000框架下的 GPS坐標(biāo),因此,只要將同一測(cè)站在不同時(shí)間的坐標(biāo)相減,就可得到相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)各點(diǎn)的位移變化量。對(duì)于研究福建沿海的變形來說,去除所有觀測(cè)點(diǎn)跟隨它所處的板塊在全球參考框架下的位移,將使區(qū)域變形特征顯示得更加清楚。

圖1 福建省 GNSS連續(xù)觀測(cè)站分布圖

該臺(tái)網(wǎng)的創(chuàng)新之處在于采用新型多衛(wèi)星接收系統(tǒng)(GNSS/GLONASS/GALIL ES)接收機(jī)及扼流圈天線進(jìn)行觀測(cè),運(yùn)用國際先進(jìn)的參考站網(wǎng)絡(luò)(VRS或FKP網(wǎng)絡(luò))技術(shù)進(jìn)行服務(wù)。采用的新工藝主要有GNSS觀測(cè)墩隔震、觀測(cè)室屋面最上層鋪設(shè)吸波層等技術(shù)(防止多路徑效應(yīng))。

4 觀測(cè)資料在地震中的應(yīng)用研究

用連續(xù) GPS觀測(cè)資料做實(shí)時(shí)、大跨度和高精度的地殼形變運(yùn)動(dòng)分析,可以得到測(cè)站的三維坐標(biāo)、測(cè)站間基線的連續(xù)時(shí)間序列,還可以得到區(qū)域內(nèi)部測(cè)站間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)演化過程,更有利于分析地震的孕育、發(fā)展、發(fā)生過程和進(jìn)行震后趨勢(shì)判斷[3]。福州等8個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站積累至今已經(jīng)有5年以上的觀測(cè)數(shù)據(jù),本文著重分析這些資料在地震中的應(yīng)用。

4.1 基線的時(shí)間序列分析

利用 GPS基線能夠較好地反映應(yīng)變場(chǎng)、位移速度場(chǎng)的變化。在 GPS數(shù)據(jù)處理中得到了各站相對(duì)于其他站東西、南北及高程向的基線時(shí)間序列。在不考慮投影變形的情況下,將計(jì)算出各站點(diǎn)間基線的長(zhǎng)短變化,通過各站點(diǎn)間基線長(zhǎng)度變化可以分析各點(diǎn)間的應(yīng)力狀況。我們利用臺(tái)灣桃園臺(tái)與福建省各個(gè)站點(diǎn)間的水平距離獲取新的時(shí)間序列,如圖2所示[4]。

圖2 福州、廈門、泉州、莆田、東山至桃園基線的時(shí)間序列圖

福州、泉州、廈門 GPS連續(xù)觀測(cè)站分別位于福建沿海地區(qū)的北部、中部和南部,桃園 GPS連續(xù)觀測(cè)站位于臺(tái)灣島,福州—桃園、廈門—桃園、泉州—桃園基線分別跨過臺(tái)灣海峽的北部、中部與南部。從東西方向可以看出,各站變化都較為同步,在2007年以前,各臺(tái)的變化都不大。從2007年起,各站都有較明顯的向東運(yùn)動(dòng),表明福建大陸受到了向東的推力作用。而從南北方向來看,各臺(tái)站在2007年以來均有向北運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),表明應(yīng)力在向沿海遷移,對(duì)福建內(nèi)陸影響不大。

4.2 速度處理結(jié)果分析

在ITRF2000框架下,采用統(tǒng)一的解算軟件、統(tǒng)一的解算參數(shù)得到各 GPS連續(xù)觀測(cè)站的運(yùn)動(dòng)速度[5]。利用解算得到的各點(diǎn)的平均運(yùn)動(dòng)速度,并選取南平站為不動(dòng)點(diǎn)(選取南平為不動(dòng)點(diǎn),是考慮到南平地處福建北部,是福建省少震弱震地區(qū),屬于福建省內(nèi)部較穩(wěn)定的塊體,能較真實(shí)地反映福建省內(nèi)部活動(dòng)塊體的運(yùn)動(dòng)情況),在去掉整體運(yùn)動(dòng)后,福建內(nèi)部各站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及變化如表1所示。

表1 各站點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率表(單位:mm)

圖3 各站點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量分布圖

從圖3及表1可見,2006年相對(duì)于2005年各站的運(yùn)動(dòng)速率,以南平為不動(dòng)點(diǎn)來比較,變化幅度較大,其中福州、龍巖、廈門、莆田變化均超過4mm;2007年相對(duì)于2006年各站的運(yùn)動(dòng)速率,除東山站以外,其他站點(diǎn)的變化幅度都較小,不同程度出現(xiàn)“閉鎖”現(xiàn)象;2008年相對(duì)于2007年各站的運(yùn)動(dòng)速率,較之于2007年相對(duì)于2006年各站的運(yùn)動(dòng)速率明顯變小,且閩南沿海臺(tái)站的運(yùn)動(dòng)方向有向西南方向集中的趨勢(shì)。而正是在2007年、2008年2年內(nèi)福建省內(nèi)接連發(fā)生4次中強(qiáng)地震,表明運(yùn)動(dòng)速率由大變小,出現(xiàn)“自閉鎖”現(xiàn)象后,應(yīng)力處于積累狀態(tài),隨后伴隨著能量的釋放,運(yùn)動(dòng)速率隨之增大,塊體處于較穩(wěn)定狀態(tài)。從2009年相對(duì)于2008年各站的運(yùn)動(dòng)速率也正好印證了這一點(diǎn),目前各點(diǎn)位相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率變化較大,福建內(nèi)陸塊體較穩(wěn)定。

從速度處理結(jié)果來看,福建內(nèi)陸與閩南沿海各站點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)存在差異。目前福建內(nèi)陸地區(qū)塊體運(yùn)動(dòng)不明顯,該地區(qū)可能處于積累過程。而沿海各點(diǎn)方向均有向閩粵交界地帶運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),預(yù)示著福建地區(qū)地震已由內(nèi)陸躍遷到海峽南部一帶。

5 結(jié)論

本文通過5年 GPS資料分析福建地區(qū)地塊運(yùn)動(dòng)變化,反映了福建地區(qū)地殼隨同中國大陸較均勻地向東南方向運(yùn)動(dòng)、方向?yàn)?SE-NE向,在ITRF2000框架下 GPS測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)年速率為20多毫米,福建陸區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)既呈現(xiàn)出水平形變整體非均勻連續(xù)特性,同時(shí)又具分區(qū)變化特征,存在有差異運(yùn)動(dòng)[6]。盡管福建地區(qū)的東西向邊界條件為壓性,但水平形變整體上并非均勻連續(xù),具有分塊特征。相對(duì)而言福建地區(qū)的地殼形變運(yùn)動(dòng)整體上還比較平穩(wěn),每年的變化量較小,約為1cm,遠(yuǎn)比不上大陸其它地殼運(yùn)動(dòng)較大的地區(qū)。計(jì)算結(jié)果表明,福建沿海的地殼水平形變具有南強(qiáng)北弱、東強(qiáng)西弱的特征,這種特征與發(fā)震構(gòu)造和地震活動(dòng)規(guī)律一致。

利用GPS觀測(cè)資料結(jié)合華南地塊運(yùn)動(dòng)背景進(jìn)行福建地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)特征分析僅僅處于初步研究階段,只有長(zhǎng)時(shí)間的積累原始資料,進(jìn)行差異比較,效果才能更明顯地顯現(xiàn)?？紤]到分析問題的局限性,數(shù)據(jù)資料的限制,更詳細(xì)準(zhǔn)確地分析還有待深入探討。

[1] 丁學(xué)仁,史粦華,吳紹祖,等.福建地殼形變觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)建設(shè)進(jìn)展與展望[J].華南地震,2003,24(2):68-72.

[2] 丁詳煥,王耀東,葉盛基,等.福建東南沿?；顒?dòng)斷裂與地震[J].福建地震,1998,13(1):210-214.

[3] 張立成,余敏,孫東穎.汶川Ms8.0級(jí)強(qiáng)震震前龍門山斷裂帶斷層形變異常分析[J].華北地震科學(xué),2009,27(1):35-38.

[4] 丁學(xué)仁,吳紹祖,陳光.福建省 GPS臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)的位移時(shí)間序列特征的初步研究[J].華南地震,2007,29(2):8-14.

[5] 閆偉,牛安福,馬秀香,等.以昆侖山口西地震為例研究 GPS基線長(zhǎng)度與方向?qū)Φ卣鸬拿舾行訹J].地震,2007,27(4):85-90.

[6] 李祖寧,劉序儼,吳紹祖,等.臺(tái)灣海峽兩岸地殼相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2007,27(5):18-21.

Study on the Relationship between Crustal Movement and Seismicity in Fujian Area

CHEN Guang,LI Zu-ning,WAN G Zi-yan,ZHONGJi-mao,CHEN Chao-xian
(Earthquake Administration of Fujian Province,Fuzhou 350003,China)

The crustal movement of Fujian area is studied based on GPS observation data from 2005to 2009.The paper analyzes the Fujian block time series combined with geological structure and regional crustal deformation data,calculate the velocity of GPS observation point relative to a fixed point,discusses the characteristic of the boundary belt movement and crustal deformation of Fujian area.

crustal movement;GPS;movement rate;time series;earthquake structure

P315.5

A

1003-1375(2010)01-0021-05

2009-07-20

福建省“十一五”重點(diǎn)項(xiàng)目“GPS二期連續(xù)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)建設(shè)”

陳光(1980-),男(漢族),陜西咸陽人,福建省地震局工程師,現(xiàn)主要從事地震預(yù)報(bào)、GPS大地測(cè)量與地震波應(yīng)用的研究工作.E-mail:chenguang0912@163.com