利用高頻GPS反演強(qiáng)震面波震級(jí)的最優(yōu)適用范圍探討

陳 娜 龔 濤 李 萌 馮 威 費(fèi)先明

1 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都市高新區(qū)西部園區(qū)，611756

2 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都市東三路1號(hào)，610059

相對(duì)于地震儀，高頻GPS技術(shù)可詳細(xì)地記錄短周期地表運(yùn)動(dòng)軌跡，不會(huì)產(chǎn)生振幅飽和現(xiàn)象，且地動(dòng)位移越大，在同震形變監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)越明顯。目前，高頻GPS 已廣泛用于強(qiáng)震的動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)、震源破裂過(guò)程及滑移分布等［1－7］。但是，高頻GPS在反演地震震級(jí)方面的研究較少。Blewitt等［8－10］在2006年提出了一種基于高頻GPS的矩震級(jí)確定方法，被Allen等用于地震預(yù)警研究，但這種方法不利于實(shí)現(xiàn)震級(jí)快速預(yù)報(bào)；2013年，方榮新等［11］采用RTPPP 算法獲取水平位移峰值，根據(jù)Gutenberg經(jīng)驗(yàn)震級(jí)公式證明了高頻GPS具有面波震級(jí)反演的能力。受地震臺(tái)網(wǎng)的限制，目前我國(guó)震級(jí)的確定方式仍主要采用面波震級(jí)，但當(dāng)?shù)卣鹫鸺?jí)較小或者GPS測(cè)站距離震中較遠(yuǎn)時(shí)，地表震動(dòng)位移較小，高頻GPS技術(shù)易受環(huán)境噪聲的影響，此時(shí)其位移信息在面波震級(jí)研究中的優(yōu)勢(shì)并不明顯。

本文主要通過(guò)對(duì)2010年美國(guó)El Mayor－Cucapah Mw7.2地震周邊的GPS測(cè)站1Hz數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲取地震引起的地表位移時(shí)間序列和水平位移峰值，聯(lián)合強(qiáng)震儀數(shù)據(jù)，擬合水平位移峰值衰減曲線，探索高頻GPS技術(shù)根據(jù)Gutenberg經(jīng)驗(yàn)震級(jí)公式反演面波震級(jí)的最優(yōu)適用范圍。

1 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用美國(guó)El Mayor－Cucapah 2010－04－04Mw7.2地震數(shù)據(jù)，共搜集到高頻GPS測(cè)站數(shù)據(jù)80個(gè)，采樣率為1 Hz，震中距為50～1 000 km；強(qiáng)震儀數(shù)據(jù)50個(gè)，采樣率為100 Hz，震中距為60～400km。

高頻GPS 數(shù)據(jù)采用rtklib軟件中數(shù)據(jù)后處理rtkpost模塊進(jìn)行解算。選用雙差動(dòng)態(tài)定位方式，程序設(shè)置如下：對(duì)流層改正采用Saastamoinen模型，電離層延遲采用消電離層模型，衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為15°，衛(wèi)星軌道采用國(guó)際GNSS服務(wù)組織（IGS）提供的精密星歷。

強(qiáng)震儀數(shù)據(jù)采用美國(guó)SeismoSoft公司開發(fā)的SeismoSignal軟件進(jìn)行解算。其解算原理為：通過(guò)對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，得到地震產(chǎn)生的地表運(yùn)動(dòng)速度和位移。解算時(shí)，采用3次基線校正、Butterworth帶通濾波方式進(jìn)行降噪處理。

2 高頻GPS測(cè)定的位移時(shí)序

將高頻GPS位移時(shí)序與強(qiáng)震儀位移時(shí)序進(jìn)行比較分析。因篇幅有限，本文僅展示近震區(qū)震中周邊4個(gè)GPS測(cè)站和與其距離最近的強(qiáng)震儀測(cè)站的位移時(shí)序。測(cè)站信息見表1，位移時(shí)序如圖1、2所示。

從圖1、2可見，隨著震中距的增大，地動(dòng)水平位移的幅值逐漸減小。地震波到達(dá)測(cè)站前后，高頻GPS位移時(shí)序可明顯地反映出地表的運(yùn)動(dòng)情況，與強(qiáng)震儀的位移時(shí)序雖不能完全重合，但二者在趨勢(shì)和幅值方面具有很好的一致性，且地動(dòng)幅值越大，二者的吻合性越好，高頻GPS的優(yōu)勢(shì)越明顯。

此次地震斷裂帶破裂方向?yàn)楸甭云鳎渲袃蓪?duì)測(cè)站（P472和03156與raap和DPP）位于斷裂帶破裂方向的垂直方向，其E方向的位移峰值明顯小于N方向；另外兩對(duì)測(cè)站（slms和11628與P485和BOR）位于斷裂帶破裂方向，E方向和N方向的位移幅值基本一致。

表1 高頻GPS和強(qiáng)震儀（SM）測(cè)站信息Tab.1 Collocated high－rate GPS and strong motion（SM）stations

圖1 高頻GPS和強(qiáng)震儀測(cè)站N 方向位移時(shí)序圖Fig.1 Comparison of displacement time series of N direction on co－located GPS and seismic instruments

圖2 高頻GPS和強(qiáng)震儀測(cè)站E 方向位移時(shí)序Fig.2 Comparison of displacement time series of Edirection on co－located GPS and seismic instruments

3 高頻GPS測(cè)定的水平位移峰值

對(duì)搜集到的GPS測(cè)站和強(qiáng)震儀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲取N、E兩個(gè)方向的位移峰值，繪制所有測(cè)站水平位移峰值與震中距關(guān)系圖（圖3、4）。

圖3 高頻GPS和強(qiáng)震儀N 方向位移峰值與震中距的衰減關(guān)系Fig.3 The relation between peak displacement and epicentral distance of N direction on GPS and strong motion

圖4 高頻GPS和強(qiáng)震儀E 方向位移峰值與震中距的衰減關(guān)系Fig.4 The relation between peak displacement and epicentral distance of Edirection on GPS and strong motion

因沒有搜集到震中距＞400km 的強(qiáng)震儀數(shù)據(jù)，在測(cè)試分析時(shí)，采用了50個(gè)強(qiáng)震儀測(cè)站數(shù)據(jù)擬合的位移峰值衰減曲線。

從圖3、4可以發(fā)現(xiàn)，由高頻GPS技術(shù)獲取的水平位移峰值相對(duì)于震中距呈指數(shù)關(guān)系衰減，距離震中較近的GPS測(cè)站和強(qiáng)震儀測(cè)站的水平位移峰值具有很好的一致性，震中距＞350km 的GPS測(cè)站，其水平方向的位移峰值均位于由強(qiáng)震儀數(shù)據(jù)擬合的位移峰值衰減曲線的上方，也就是說(shuō)相對(duì)于強(qiáng)震儀，高頻GPS測(cè)定的水平位移存在“向上漂移”現(xiàn)象。

4 震級(jí)反演與最優(yōu)范圍探討

2013年方榮 新 等［11］利 用3 次 強(qiáng) 震（2010年EI Mayor－Cucapah 7.2級(jí)、2011年Tohoku－oki 9.0級(jí)、2010年Maule 8.8級(jí)）的高頻GPS數(shù)據(jù)，根據(jù)Gutenberg經(jīng)驗(yàn)震級(jí)公式，探索了高頻GPS技術(shù)在面波震級(jí)反演中的應(yīng)用，由1Hz GPS數(shù)據(jù)反演得到的震級(jí)結(jié)果分別為7.18±0.18、8.74±0.06、8.7±0.1，表明高頻GPS技術(shù)具有強(qiáng)震面波震級(jí)反演的能力。本文以下的探討分析都是根據(jù)Gutenberg經(jīng)驗(yàn)震級(jí)公式：

式中，A為水平方向位移峰值，Δ為震中距。

對(duì)于2010－04－04El Mayor－Cucapah地震，美國(guó)USGS 組織公布的震級(jí)結(jié)果是Mw7.2級(jí)。Wells等的研究［12］表明，當(dāng)?shù)卣鹫鸺?jí)在5.7～8.0之間時(shí)，矩震級(jí)與面波震級(jí)之間沒有系統(tǒng)偏差，可認(rèn)為是一致的。因此，本文以下的探討均以震級(jí)7.2為準(zhǔn)。

利用式（1）計(jì)算所有GPS測(cè)站和強(qiáng)震儀的震級(jí)值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 高頻GPS和強(qiáng)震儀技術(shù)反演的地震震級(jí)值Fig.5 The earthquake magnitude value of high－rate GPS and seismic instruments

由圖5可知，由強(qiáng)震儀反演所得震級(jí)值平均分布在7.2±0.4區(qū)間內(nèi)，高頻GPS技術(shù)在震中距＜350km 時(shí)，所得震級(jí)值均分布在M7.2 周圍，與由強(qiáng)震儀反演的震級(jí)值接近；高頻GPS測(cè)站距離震中＞350km 時(shí)，所得震級(jí)值為7.6～8.0。

以每100km 震中距范圍為間隔，計(jì)算每100 km 內(nèi)GPS測(cè)站的平均震級(jí)，結(jié)果如表2。

表2 每100km 震中距范圍內(nèi)高頻GPS測(cè)定的震級(jí)Tab.2 Average magnitude in every 100km epicentral distance of high－rate GPS

由表2可知，測(cè)站距離震中較近時(shí)，由高頻GPS數(shù)據(jù)計(jì)算的震級(jí)值較小。震中距為150～250km 時(shí)，由高頻GPS數(shù)據(jù)計(jì)算所得的平均震級(jí)與美國(guó)USGS 組織公布的結(jié)果一致。震中距＞350km 時(shí)，其平均震級(jí)相對(duì)較大。

為更精確地探討高頻GPS震級(jí)反演的可靠性及評(píng)估基于高頻GPS的Gutenberg經(jīng)驗(yàn)震級(jí)公式的最佳適用范圍，以50km 為間隔，計(jì)算位于每段震中距范圍內(nèi)的所有測(cè)站的平均震級(jí)，結(jié)果如表3。

表3 不同震中距范圍高頻GPS測(cè)定的震級(jí)Tab.3 Average magnitude in different epicentral distance of high－rate GPS

由表3可知，當(dāng)測(cè)站在50～350km 時(shí)，由震級(jí)公式（1）反演的震級(jí)與USGS公布的結(jié)果最吻合，震中距＞350km 的高頻GPS 測(cè)站所得震級(jí)較大。結(jié)合表2可知，測(cè)站到震中的距離在50～350km 時(shí)，高頻GPS技術(shù)可獲取可靠的震級(jí)值；測(cè)站到震中的距離＞350km 時(shí)，高頻GPS反演的震級(jí)值相對(duì)于USGS 公布的震級(jí)偏大。從以上分析可得出結(jié)論，利用高頻GPS數(shù)據(jù)采用Gutenberg震級(jí)公式反演面波震級(jí)時(shí)最佳適用范圍為50～350km。

本次實(shí)驗(yàn)因沒有收集到震中距小于50km的高頻GPS測(cè)站數(shù)據(jù)，無(wú)法進(jìn)行震中距小于50 km 范圍內(nèi)的面波震級(jí)反演。筆者采用Gutenberg經(jīng)驗(yàn)震級(jí)公式，取震級(jí)值為定值7.2，以每10km 震中距為間隔，計(jì)算其理論水平位移峰值，結(jié)果如表4所示。

表4 不同震中距反演的理論水平位移峰值Tab.4 The peak horizontal displacement of different epicentral distance in theory

由于采用的Gutenberg經(jīng)驗(yàn)震級(jí)公式包含對(duì)數(shù)關(guān)系，對(duì)數(shù)關(guān)系的性質(zhì)決定了此公式存在上限。從表4可看出，對(duì)于7.2級(jí)地震，當(dāng)震中距為10km時(shí)，其理論值達(dá)到了7.24m，且是震中距40km 的水平位移峰值的10倍，這與實(shí)際情況明顯不符。

另外，目前已有的關(guān)于反演面波震級(jí)的研究成果表明，當(dāng)震中距為0～50km 時(shí)，利用高頻GPS技術(shù)得出的面波震級(jí)并不可靠［13］。

Gutenberg經(jīng)驗(yàn)震級(jí)公式適用于點(diǎn)源地震，或者測(cè)站距震源較遠(yuǎn)，可近似視震源為點(diǎn)源［11］。當(dāng)測(cè)站距震中較近時(shí)，不能近似地把震源看成點(diǎn)源，這也是筆者認(rèn)為震中距在0～50km 范圍不適用震級(jí)反演的另一原因。

利用距離震中大于350km 的測(cè)站數(shù)據(jù)反演得到的震級(jí)值偏大，是由其水平位移峰值存在“上漂現(xiàn)象”引起的。分析其“上漂”原因認(rèn)為，由于測(cè)站距離震中較遠(yuǎn)，地表震動(dòng)位移較小，受高頻GPS技術(shù)自身局限性和觀測(cè)環(huán)境噪聲等的影響，所得結(jié)果誤差較大，致使與強(qiáng)震儀數(shù)據(jù)結(jié)果存在較大差距。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)美國(guó)El Mayor－Cucapah Mw7.2級(jí)地震高頻GPS 數(shù)據(jù)的解算，提取地表動(dòng)態(tài)形變位移，聯(lián)合強(qiáng)震儀數(shù)據(jù)探討高頻GPS技術(shù)在強(qiáng)震面波震級(jí)反演中的最優(yōu)適用范圍。結(jié)果如下：

1）高頻GPS技術(shù)可以獲取詳細(xì)的地表運(yùn)動(dòng)過(guò)程。地表震動(dòng)位移的大小與震中距、斷裂帶的破裂方向有關(guān)，且地動(dòng)位移越大，高頻GPS的優(yōu)勢(shì)越明顯。

2）高頻GPS水平位移峰值與震中距呈指數(shù)關(guān)系衰減。測(cè)站到震中的距離在50～350km 范圍內(nèi)時(shí)，其水平位移峰值與強(qiáng)震儀在趨勢(shì)和大小方面具有很好的一致性。測(cè)站震中距＞350km時(shí)，高頻GPS技術(shù)相對(duì)于強(qiáng)震儀所測(cè)定的水平位移峰值存在“上漂現(xiàn)象”。

3）高頻GPS技術(shù)用于強(qiáng)震面波震級(jí)的反演存在最佳適用范圍。建議利用高頻GPS建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头囱輳?qiáng)震面波震級(jí)時(shí)，應(yīng)考慮其適用范圍。

［1］殷海濤，甘衛(wèi)軍，肖根如，等.利用高頻GPS技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的研究進(jìn)展［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2009，24（6）：2 012－2 019（Yin Haitao，Gan Weijun，Xiao Genru，et al.Progress on Monitoring Strong Earthquake Ground Motions Using High－Rate GPS［J］.Progress of Geophys，2009，24（6）：2 012－2 019）

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