基于GNSS觀測資料分析烏魯木齊地區(qū)形變特征①

蘇力坦·玉散， 艾力夏提·玉山， 劉代芹， 李桂榮， 方 偉

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

GPS觀測以其高精度、高時空分辨率的特點獲得越來越多科技工作者和眾多研究機構(gòu)的青睞，并將其應用到各個領域的觀測工作中。在地殼形變研究工作中，利用GNSS技術(shù)可以獲取水平定位精度優(yōu)于3 mm，垂直精度優(yōu)于5 mm的高精度地殼形變信息，這為地震趨勢預測提供了可靠準確的基礎觀測資料[1-2]。特別是地震發(fā)生前后，GNSS觀測資料的異常變化可以為地震中長期判定提供參考依據(jù)。烏魯木齊地區(qū)在大地構(gòu)造上，近場區(qū)北部為烏魯木齊山前坳陷東南部，東部為博格達復背斜西端，南部為柴窩堡山間坳陷西部[3]。烏魯木齊山前坳陷在研究區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動較強烈的地區(qū)，研究區(qū)域的斷層信息(表1)(1)新疆防御自然災害研究所.烏魯木齊萬達廣場項目工程場地地震安全性評價報告, 2014年1月.。該區(qū)域歷史上發(fā)生過多次中、強地震。研究區(qū)域附近2016年呼圖壁發(fā)生過MS6.2地震，最近的一次地震是2015年烏魯木齊MS5.1地震。

表1 烏魯木齊區(qū)域主要斷裂帶

1 GPS資料及數(shù)據(jù)處理

目前中國地震局攜手省局共建260個GNSS站的陸態(tài)網(wǎng)絡，新疆區(qū)域有31個。烏魯木齊城市勘察測繪研究院2008年建立烏魯木齊CORS基準網(wǎng)絡系統(tǒng)，該網(wǎng)絡系統(tǒng)由7個基準站組成，目前已經(jīng)有10多年的寶貴數(shù)據(jù)。該區(qū)域有2個IGS站(URUM和XJNS)和1個陸態(tài)網(wǎng)絡站(URU2)。在陸態(tài)網(wǎng)絡區(qū)域站的基礎上，2016年新疆地震測繪研究院在烏魯木齊市及周邊地區(qū)建立了16個流動GNSS觀測站，16個流動GNSS觀測站，這些觀測數(shù)據(jù)為研究烏魯木齊地區(qū)的地殼運動現(xiàn)狀提供重要支持[4](圖1)。本文中采用2012～2019年的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，站點均勻覆蓋該研究區(qū)域，測站間距在30～95 km，CORS系統(tǒng)連續(xù)基準站有CHJZ、CWPZ、DBCZ、FUKZ、SEDB、URMZ和WJQZ。連續(xù)GPS觀測站配置有Leica的1200雙頻GNSS接收機和扼流圈天線(GNSS天線型號為LEIAT504GG)，數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s。

圖1 烏魯木齊及周邊地區(qū)站點和地震分布圖Fig.1 Distribution of stations and earthquakes in Urumqi and its surrounding areas

GPS觀測數(shù)據(jù)采用GAMIT/GLOBK10.6軟件處理。為保證數(shù)據(jù)一致性及可靠性,數(shù)據(jù)處理采用統(tǒng)一的處理策略(表2)。選取歐亞大陸12個IGS站(CHUM、NVSK、NOVM、KIT3、IRKJ、POL2、ARTU、HYDE、IISC、LHAZ、URUM、ULAB) 做為基準站,分網(wǎng)處理的單日松弛解由12個均勻分布的IGS站做為公共站,與SOPAC處理的單日全 球解綁定,并采用七參數(shù)相似變換轉(zhuǎn)換至 ITRF14參考框架。在ITRF14框架下進行整網(wǎng)平差得到測站單日坐標解的時間序列及求解站點在ITRF14參考框架下的三維速度值，在最新的ITRF14參考框架下運動速率反映該區(qū)域的動態(tài)運動。為了更好地展示大陸內(nèi)部特征，以ITRF14框架約束的全球板塊運動模型為背景場，獲得該區(qū)域內(nèi)相對歐亞板塊的速度場[5-11]。

表2 解算數(shù)據(jù)采用的參數(shù)

2 資料處理結(jié)果

2.1 GNSS時間序列

通過數(shù)據(jù)處理，得到UCORS各連續(xù)基準站在ITRF2014框架下的坐標時間序列。對各基準站的坐標時間序列進行線性擬合得到7個站在NS向、EW向、垂直向3個方向的速率。CHJZ、SEDB兩個站的坐標變化趨勢有較好的一致性，離散度小且穩(wěn)定(圖2～3)。CHJZ站和SEDB站距離2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震分別為78 km和84 km。從站點時間序列圖上看出此次地震發(fā)生前這些臺站未出現(xiàn)明顯的異常信息。震后CHJZ站北方向有微小的永久性變形，但變化量不大，原因是此次地震震源深度深，離震中距離遠。

研究區(qū)域西部站點的北向運動速率高于東部站點的北向運動速率，西部區(qū)域的東向運動速率小于東部區(qū)域站點的東向運動速率(圖2～8)。烏魯木齊地區(qū)東南部的博格達弧形推覆隆起帶，構(gòu)造樣式受前展式弧形推覆作用，新構(gòu)造時期的平均抬升速率近1 mm·a-1。西山斷裂、碗窯溝斷裂、雅瑪里克斷裂為分界，南部的URUZ、DBCZ、CWPZ、SEDB四個站的坐標變化趨勢一致，比較穩(wěn)定，垂直向有微小的上升趨勢。北部為準噶爾盆地南部沉降區(qū)，以沉降運動為主。北部的WJQZ、CHJZ、FUKZ三個站點的水平方向運動量基本一致且穩(wěn)定，垂直方向均有下沉趨勢，這與區(qū)域整體運動一致。DBCZ站因觀測室建筑拆除，2016～2017年觀測中斷417 d，新建觀測室后，將儀器架設在原有觀測墩上，繼續(xù)觀測，以保持其觀測的連續(xù)性，并數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足地殼運動需求[12-15]。

圖2 CHJZ站時間序列圖(a) NS向 (b) EW向 (c) UP向Fig.2 Time series of station CHJZ 圖3 SEDB站時間序列圖(a) NS向 (b) EW向 (c) UP向 Fig.3 Time series of station SEDB

圖4 DBCZ站時間序列圖(a) NS向 (b) EW向 (c) UP向Fig. 4 Time series of station DBCZ 圖5 CWPZ站時間序列圖 (a) NS向 (b) EW向 (c) UP向 Fig.5 Time series of station CWPZ

WJQZ的垂直方向沉降速率顯著，達到(-33.77±1.87) mm·a-1，同時存在強烈的季節(jié)性運動(圖8)。測站位于氣象局院內(nèi)，站址為沙土，觀測墩周圍常年澆水，并被南、北、東3個方向樹木遮擋嚴重。該站點南側(cè)2 km處有大型水庫。冬季水庫水量多，夏季水庫水供應灌溉后，水量相對較少，與該站時間序列的轉(zhuǎn)折變化有很強的對應性。此外，該站附近東面、南面都有大面積的種植地，土質(zhì)松軟，水滲透力較強；附近地下水開發(fā)也直接影響到該站持續(xù)下沉。距離該測站26 km的CHJZ和31 km的FUKZ年平均垂直運動速率分別為(-4.14±0.23) mm·a-1和(-7.63±1.12) mm·a-1，遠小于WJQZ的沉降速率。

2.2 GNSS水平速度場結(jié)果

表3顯示各基準站在ITRF2014框架下的坐標速估值及誤差，水平EW、NS方向平均速度分別為32.05 mm·a-1、5.13 mm·a-1，其解算精度均優(yōu)于0.14 mm·a-1；垂直方向平均速度為-5.67 mm·a-1，解算精度均優(yōu)于0.63 mm·a-1。水平方向的速度精度優(yōu)于垂直方向?；鶞收綨S向最大速率為32.46 mm·a-1,最小為31.59 mm·a-1,各站平均速率值為32.05 mm·a-1;東西向最大速率為7.41 mm·a-1,最小的速率為3.94 mm· a-1，各站的平均速率值為5.13 mm·a-1。

表3 ITRF2014框架下的烏魯木齊UCORS站運動速度及中誤差統(tǒng)計表(單位：mm·a-1)

為準確估算烏魯木齊地區(qū)的相對形變信息，需減除該區(qū)域所處歐亞板塊的運動速度,故將各站ITRF2014框架下的速度轉(zhuǎn)換至歐亞板塊框架下。表4是歐亞板塊歐拉矢量參數(shù)。圖9為相對歐亞大陸的運動速度圖，藍色是陸態(tài)網(wǎng)絡區(qū)域站2012～2019年速度，紅色是URCORS站速度，黑色是烏魯木齊地區(qū)16個GPS流動站2016～2019年速度。各連續(xù)站附近的IGS(URUM)站水平方向運動趨勢與中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務平臺提供的研究區(qū)域附近的IGS站和“陸態(tài)網(wǎng)絡”一致，表明結(jié)果可靠。從各點位的運動速率可以看出，博格達弧形斷裂主要在近NNE向運動趨勢的應力作用呈現(xiàn)出繼承性運動，每年移位量不大。

表4 歐拉矢量參數(shù)表

圖9 烏魯木齊及周邊地區(qū)現(xiàn)今地殼運動水平速度場Fig.9 Horizontal velocity field of present crustal movement in Urumqi and its surrounding areas

2.3 GNSS站點基線結(jié)果

由圖9～13基準站和斷層位置可以看到，從西山斷裂、雅瑪里克斷裂以及碗窯溝斷裂為分界線，南部站到北部站基線變化為拉張趨勢，變化趨勢基本一致且不明顯，CWPZ與WJQZ之間有3個斷裂帶、URMZ與WJQZ之間有2個斷裂帶，其基線變化比其他基線變化大，與WJQZ沉降有關(guān)，其垂直方向變化量大。

圖10 SEDB—CHJZ基線時間序列圖Fig.10 Baseline time series of SEDB—CHJZ圖11 DBCZ—FUKZ基線時間序列Fig.11 Baseline time series of DBCZ—FUKZ

圖12 CWPZ—WJQZ基線時間序列Fig.12 Baseline time series of CWPZ—WJQZ圖13 URMZ—WJQZ基線時間序列Fig.13 Baseline time series of URMZ—WJQZ

3 結(jié) 語

采用GAMIT/BLOBK軟件對研究區(qū)域內(nèi)的URCORS基準站和陸態(tài)網(wǎng)路和以及流動站數(shù)據(jù)解算，得到最新的ITRF2014框架下的各基準站的運動速度。對各基準站的時間序列分析，研究區(qū)域西部站點的南北向運動速率高于東部站點的南北向運動速率，西部區(qū)域站點的東西向運動速率小于東部區(qū)域站點的東西向運動速率。URCORS基準站的整體運動變化趨勢與周邊的IGS站和陸態(tài)網(wǎng)絡基準站一致。本文中的FUKZ、SEDB、CWPZ、DBCZ四個站附近有陸態(tài)網(wǎng)絡流動站，最近距離0.2 km，最遠距離12 km，這些流動站和UCORS連續(xù)站總體運動趨勢一致。各站點的時間序列表明，水平方向位移基本穩(wěn)定，南北向運動趨勢比較顯著。URCORS基準站和流動GPS站的建設，將不斷加強該區(qū)域的形變監(jiān)測能力。