基于GPS的2021年瑪多MW7.4地震同震靜、動(dòng)態(tài)形變場(chǎng)

熊仕昭 劉 剛,2 林 牧 王迪晉熊 維 趙利江 趙 斌 喬學(xué)軍

1 中國(guó)地震局地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071 2 防災(zāi)科技學(xué)院，河北省三河市學(xué)院街465號(hào)，065201 3 青海省基礎(chǔ)測(cè)繪院，西寧市黃河路13號(hào)，810001

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2021-05-22 02:04青海省果洛藏族自治州瑪多縣發(fā)生MW7.4地震，震中位于34.61°N、98.37°E，震源深度約為17 km，是2008年汶川地震以來(lái)中國(guó)大陸發(fā)生的震級(jí)最大的地震。截至2021-05-24 10:00共記錄到余震1 872次，其中5.0～5.9級(jí)余震1次，4.0～4.9級(jí)余震10次，3.0～3.9級(jí)余震30次。

此次地震發(fā)生于青藏高原中北部地區(qū)的巴顏喀拉塊體。該塊體東西長(zhǎng)2 200 km，南北較窄(最小寬度80 km)，沿北西走向，是新生代以來(lái)非常具有代表性的側(cè)向擠出活動(dòng)塊體之一[1-2]。巴顏喀拉塊體東西南北邊界處分別有龍門山逆沖斷裂帶、阿什庫(kù)勒-平頂山正滑斷裂帶和硝爾庫(kù)勒走滑-正滑斷裂帶、瑪尼-玉樹-鮮水河走滑斷裂帶、東昆侖走滑斷裂帶，平均海拔5 000 km左右，是目前青藏高原強(qiáng)震活動(dòng)的主體區(qū)域，在整個(gè)青藏高原中地勢(shì)最為平坦[3]。自1997年瑪尼7.5級(jí)地震以來(lái)，中國(guó)大陸所有7級(jí)以上的地震均發(fā)生于此區(qū)域，包括2001年昆侖山口西(MS8.1)、2008年于田(MS7.3)、2008年汶川(MS8.0)、2010年玉樹(MS7.1)、2013年蘆山(MS7.0)、2014年于田(MS7.3)、2017年九寨溝(MS7.0)等地震，且目前強(qiáng)震活動(dòng)仍在繼續(xù)[4-5]。但巴顏喀拉塊體內(nèi)部相對(duì)穩(wěn)定，僅在1947年發(fā)生過(guò)一次7.7級(jí)達(dá)日地震[6]。本次地震震中位于東昆侖斷裂帶南部活動(dòng)速度相對(duì)較低的昆侖山口-江錯(cuò)斷裂帶的東南段(圖1)。該斷裂帶強(qiáng)震復(fù)發(fā)周期偏長(zhǎng)[7-8]，且此前對(duì)該區(qū)域的構(gòu)造活動(dòng)研究較少，因此從不同角度分析瑪多地震具有重要的研究?jī)r(jià)值。

本文通過(guò)解算青海省CORS網(wǎng)記錄到的2021年瑪多地震的同震GPS數(shù)據(jù)，得到同震永久位移、動(dòng)態(tài)形變波形，并據(jù)此對(duì)此次地震的同震形變場(chǎng)特征進(jìn)行分析。

1 靜態(tài)數(shù)據(jù)處理與同震永久形變場(chǎng)

收集瑪多地震震中附近300 km范圍內(nèi)43個(gè)青海省CORS網(wǎng)站點(diǎn)地震前后共5 d的數(shù)據(jù)，采樣率為30 s。為確保參考框架的統(tǒng)一與自洽，保證同震位移解算結(jié)果的精度與可靠性，加入周邊地區(qū)15個(gè)IGS臺(tái)站的數(shù)據(jù)，得到由58個(gè)站點(diǎn)組成的一個(gè)觀測(cè)網(wǎng)。以24 h為一個(gè)測(cè)段，使用GAMIT/GLOBK 10.71軟件對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算獲得單日松弛解，該軟件利用雙差觀測(cè)值可以較好地消除GPS衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差，輸出的單日解文件包括定位和定軌數(shù)據(jù)信息，是求解瑪多地震同震位移的可靠觀測(cè)值。解算策略中，采用最新的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、太陽(yáng)星歷、月亮星歷、章動(dòng)參數(shù)及天線相位中心參數(shù)文件等，并加入電離層模型改正。采用分段線性插值法，每2 h估算 一次對(duì)流層天頂延遲參數(shù)，同時(shí)估算大氣的延遲水平梯度。為避免系統(tǒng)誤差，并保證和IGS精密軌道產(chǎn)品間較好的自洽性，采用全球海潮模型FES2004修正海潮荷載引起的站點(diǎn)地殼形變，并考慮其導(dǎo)致的地球質(zhì)心變化。在網(wǎng)平差處理階段，將上一步解算的松弛約束區(qū)域解與SOPAC(Scripps Orbital and Permanent Array Center)生成的全球解相結(jié)合，并通過(guò)選定全球范圍內(nèi)分布的15個(gè)IGS參考站，采用平移、旋轉(zhuǎn)和縮放的七參數(shù)相似變換將得到的單日解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到ITRF2014框架下。因數(shù)據(jù)質(zhì)量較好且完整，故對(duì)于震前只采用4 d的數(shù)據(jù)，而采用震后1 d的數(shù)據(jù)是為了規(guī)避較大的余震對(duì)處理結(jié)果的影響。對(duì)于這些連續(xù)站，將震后1 d的坐標(biāo)值與震前4 d的坐標(biāo)平均值作差，所得即為此次瑪多地震的同震位移量。水平位移形變場(chǎng)見圖1，三維形變數(shù)值結(jié)果見表1。

誤差橢圓置信區(qū)間為70%圖1 瑪多MW7.4地震GPS水平方向同震形變場(chǎng)Fig.1 GPS horizontal coseismic deformation field of Maduo MW7.4 earthquake

表1 基于靜態(tài)GPS解算的同震位移

GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)在水平方向精度較高，誤差為3～5 mm，垂向誤差約為其2～3倍。從圖1看出，KANQ、MADU、JDUO這3個(gè)站距離震中最近，位移量也較大，水平向均接近0.3 m。說(shuō)明此次地震在瑪多縣城及其附近區(qū)域產(chǎn)生顯著的水平同震位移，該結(jié)果與李志才等[9]低頻GPS數(shù)據(jù)解算的形變特征一致。結(jié)合緊靠斷裂面地段的地形圖可以判斷，位于斷層南側(cè)的JDUO等站發(fā)生朝南東向的位移，位于斷層北側(cè)的KANQ、MADU、HSHX等站發(fā)生朝北西向的位移，符合此次瑪多地震的左旋走滑機(jī)制，與斷層所在的巴顏喀拉塊體具有向東運(yùn)動(dòng)的特征[3]相符。在發(fā)震斷層的東端，可以看到BUDR和GAND站除向東運(yùn)動(dòng)外還有向南運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，可能是走滑錯(cuò)動(dòng)的端部拉張變形所致。距離震中150 km以內(nèi)的站點(diǎn)均能反映出cm級(jí)的位移；從距離震中200 km開始，如LAJA、YUSH等站，同震位移快速衰弱，只能反映出mm級(jí)的位移；對(duì)于距離震中300 km的測(cè)站，如YANH、GERM、JZHA等，不能反映出明顯的同震位移，可認(rèn)為這些遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)站受到此次同震的影響偏小。綜上，本次瑪多MW7.4強(qiáng)震的同震影響集中在震中距300 km的區(qū)域范圍內(nèi)。

2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理與同震動(dòng)態(tài)波形

垂直虛線為發(fā)震時(shí)刻，傾斜虛線為本次地震的走時(shí)曲線圖2 震時(shí)地表運(yùn)動(dòng)圖Fig.2 Earth surface movement during earthquake

表2 測(cè)站地震波速信息

從圖2看出，測(cè)站記錄到了清晰的同震位移波形。GCMT給出的發(fā)震時(shí)刻為UTC 18:04:29，在震后11 s JDUO站首次產(chǎn)生明顯的峰谷變化，隨后各個(gè)測(cè)站的位移波形顯示出地震波由震中向外傳播的過(guò)程，并隨著震中距的增加，位移量下降，表明傳播過(guò)程中伴隨著地震波能量的衰減。從圖3看出，JDUO和KANQ站的震時(shí)三維運(yùn)動(dòng)軌跡顯示出一定的逆進(jìn)橢圓樣式，同時(shí)伴隨著水平向振蕩，表明記錄到了層狀介質(zhì)中激發(fā)的Love波和Rayleigh波。

圖3 JDUO和KANQ站三維運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Three-dimensional motion trajectory at JDUO and KANQ stations

確定測(cè)站波形的初動(dòng)時(shí)刻和震中距后，可計(jì)算出地震波傳播速度，結(jié)果見表2，表中瞬時(shí)位移時(shí)刻以UTC 18：00(即動(dòng)態(tài)解算起始時(shí)間)為起點(diǎn)，采用誤差閾值法來(lái)確定每個(gè)測(cè)站的地震波初至?xí)r刻[10]，其與震源發(fā)震時(shí)刻之差即為地震的傳播時(shí)間。方榮新[11]假定地震到達(dá)各個(gè)測(cè)站的波速相等，基于GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)汶川地震震中進(jìn)行反演，計(jì)算得到的平均地震波速為3.939 km/s。本文得到的地震波速約2.8～4.9 km/s，與地震學(xué)估計(jì)的一維速度模型中S波速度基本一致[2]。距離震中較遠(yuǎn)的BUDR和GAND站的波速大于其他近場(chǎng)站，可能是破裂向東傳播的方向性或者較高的破裂速度導(dǎo)致的。上述特征表明，地震波能量傳播不僅與震中距離有關(guān)，同時(shí)也會(huì)受到地殼介質(zhì)分布及震源破裂的動(dòng)態(tài)效應(yīng)、方向效應(yīng)的影響。本文得到的S波速僅是在有限的數(shù)據(jù)中獲取的估算值，當(dāng)數(shù)據(jù)量足夠時(shí)，依據(jù)本文的解算精度可以進(jìn)一步反演出可靠的震中信息、發(fā)震時(shí)刻的波速及其隨傳播路徑的時(shí)間變化。

Gutenberg[12]給出遠(yuǎn)場(chǎng)面波的峰值位移和震中距與震級(jí)之間的關(guān)系為：

M=lg(A)+1.66lg(Δ)+2.0

(1)

式中，A是以μm為單位的水平峰值位移，Δ是以(°)為單位的震中距。

Fang等[13]使用3個(gè)地震實(shí)例證明了該公式對(duì)于含有近場(chǎng)站的GPS位移仍然是適用的。本文基于該公式獲取15個(gè)震幅明顯的站點(diǎn)的震時(shí)地表峰值位移與震中距之間的關(guān)系，結(jié)果見圖4，其中，圖4(a)表示峰值位移隨震中距的衰減，圖4(b)表示在10的冪次方尺度下峰值位移與震中距之間呈斜率為-1.66的線性關(guān)系，藍(lán)色直線的值即為擬合震級(jí)。依據(jù)上述公式，本文估計(jì)的震級(jí)區(qū)間在6.8～7.6，擬合平均震級(jí)為7.35±0.15。為了研究該經(jīng)驗(yàn)公式估算瑪多地震可靠震級(jí)所需要的時(shí)間，本文根據(jù)站點(diǎn)解算數(shù)據(jù)作為時(shí)間的函數(shù)，得到圖5。結(jié)果表明，地震發(fā)生后33 s內(nèi)可實(shí)現(xiàn)震級(jí)的估算，時(shí)間主要取決于站點(diǎn)位置與地震波的速度。由于該估算震級(jí)的大小受數(shù)據(jù)解算質(zhì)量、測(cè)站地質(zhì)環(huán)境等的影響，因此存在一定的波動(dòng)性，但總體能在70 s后穩(wěn)定于一個(gè)大致的范圍內(nèi)。

圖4 峰值位移-震中距函數(shù)圖Fig.4 Function diagram of peak displacements and epicentral distance

圖5 震級(jí)-震后時(shí)間函數(shù)圖Fig.5 Function diagram of estimated magnitudeand time after earthquake onset

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于青海省CORS網(wǎng)連續(xù)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用GAMIT/GLOBK軟件對(duì)瑪多地震同震的靜態(tài)數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，分別獲取地表的同震位移場(chǎng)與震時(shí)地表運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)果表明：

1)位于斷層北側(cè)的近場(chǎng)站朝北西向運(yùn)動(dòng)，位于斷層南側(cè)的近場(chǎng)站朝南東向運(yùn)動(dòng)，符合左旋走滑機(jī)制，震中150 km以內(nèi)的站點(diǎn)均能反映出cm級(jí)的同震位移。

2)近場(chǎng)動(dòng)態(tài)GPS時(shí)序顯示出明顯的地震波傳播特征，估計(jì)得到的地震波速與該區(qū)位的S波速度相當(dāng)，斷層面東端站點(diǎn)估計(jì)的波速明顯大于其他站點(diǎn)，可能與破裂方向性或者破裂速度有關(guān)。

3)由震級(jí)經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)得到震級(jí)為7.35。若進(jìn)行實(shí)時(shí)估算，在震后70 s內(nèi)可得到穩(wěn)定的震級(jí)。

致謝：GPS數(shù)據(jù)來(lái)源于青海省CORS網(wǎng)，瑪多地震震源機(jī)制解來(lái)源于GCMT，余震數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)，數(shù)據(jù)處理軟件為GAMIT，在此一并表示感謝。