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利用GNSS基线分析芦山Ms7.0级地震前后应变演变特征

徐克科 李伟

徐克科, 李伟. 利用GNSS基线分析芦山Ms7.0级地震前后应变演变特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(8): 1054-1060. doi: 10.13203/j.whugis20150060
引用本文: 徐克科, 李伟. 利用GNSS基线分析芦山Ms7.0级地震前后应变演变特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(8): 1054-1060. doi: 10.13203/j.whugis20150060
XU Keke, LI Wei. Strain Evolution Characteristics Before and After Lushan Ms7.0 Earthquake Using GNSS Baseline[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(8): 1054-1060. doi: 10.13203/j.whugis20150060
Citation: XU Keke, LI Wei. Strain Evolution Characteristics Before and After Lushan Ms7.0 Earthquake Using GNSS Baseline[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(8): 1054-1060. doi: 10.13203/j.whugis20150060

利用GNSS基线分析芦山Ms7.0级地震前后应变演变特征

doi: 10.13203/j.whugis20150060
基金项目: 

国家自然科学基金 41404023

河南省高等学校青-骨干教师培养计划 2016GGJS-041

河南理工大学博士基金 B2017-15

河南理工大学青-骨干教师项目 672105/181

详细信息
    作者简介:

    徐克科, 博士, 副教授, 研究方向为GNSS数据处理和地壳形变分析。12xkk@tongji.edu.cn

  • 中图分类号: P228

Strain Evolution Characteristics Before and After Lushan Ms7.0 Earthquake Using GNSS Baseline

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41404023

Universities Young-backbone Teacher Preparation Programs in Henan Province 2016GGJS-041

Doctoral Fund of Henan Polytechnic University B2017-15

Young-backbone Teacher Project of Henan Polytechnic University 672105/181

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    Author Bio:

    XU Keke, PhD, associate professor, specializes in GNSS data-processing and crustal deformation analysis. E-mail:12xkk@tongji.edu.cn

图(7)
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-12
  • 刊出日期:  2017-08-05

利用GNSS基线分析芦山Ms7.0级地震前后应变演变特征

doi: 10.13203/j.whugis20150060
    基金项目:

    国家自然科学基金 41404023

    河南省高等学校青-骨干教师培养计划 2016GGJS-041

    河南理工大学博士基金 B2017-15

    河南理工大学青-骨干教师项目 672105/181

    作者简介:

    徐克科, 博士, 副教授, 研究方向为GNSS数据处理和地壳形变分析。12xkk@tongji.edu.cn

  • 中图分类号: P228

摘要: 利用中国地壳运动观测网络6个GNSS基准站2011~2014年的观测数据,解算了芦山Ms7.0级地震近场区域的GNSS基线长度变化时间序列。从投影后的平面基线出发,给出了由基线长度变化求解面应变的方法。利用基线线应变、基线所得的最大剪应变、最大面应变和第一、第二剪应变等5个物理量分析了地震前后地壳运动的动态演变过程。线应变序列结果显示,整体地壳形变表现为NW-SE向挤压,S-N向拉张状态,震前线应变异常并不明显,震后经过调整又恢复为原线性变化趋势,总的线应变仍在持续积累。面应变序列结果显示,震前出现了不同程度的非正常偏离,尤其出现了明显的闭锁状态和反向加速过程,整个变化曲线类似抛物线的弧形,与岩石力学形变理论相吻合。由第一剪应变的显著异常变化,推断发震断层南缘在这次地震活动中产生了强大的左旋剪切构造力。

English Abstract

徐克科, 李伟. 利用GNSS基线分析芦山Ms7.0级地震前后应变演变特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(8): 1054-1060. doi: 10.13203/j.whugis20150060
引用本文: 徐克科, 李伟. 利用GNSS基线分析芦山Ms7.0级地震前后应变演变特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(8): 1054-1060. doi: 10.13203/j.whugis20150060
XU Keke, LI Wei. Strain Evolution Characteristics Before and After Lushan Ms7.0 Earthquake Using GNSS Baseline[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(8): 1054-1060. doi: 10.13203/j.whugis20150060
Citation: XU Keke, LI Wei. Strain Evolution Characteristics Before and After Lushan Ms7.0 Earthquake Using GNSS Baseline[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(8): 1054-1060. doi: 10.13203/j.whugis20150060
  • 利用地壳形变观测数据研究地震孕育机制,一直是地震预报研究中的热点问题。观测、研究地壳运动应变场及其随时间的变化过程,对探索震源的孕育过程和地震的监测预报具有重要的意义[1-3]。自2010年下半年开始, 中国地壳运动观测网络工程陆续在中国大陆地震活跃地带建立了GNSS连续观测基准站。2013年4月20日8时02分四川省雅安市芦山县(30.3°N, 103.0°E)发生Ms7.0级地震,震源深度13 km。持续4 a的GNSS基准站连续观测为该地震危险性分析提供了宝贵的资料。由于基线时间序列不受参考基准框架的影响,一定程度上削弱了系统误差和共模噪声的影响,基线相对精度可达10-8~10-10量级,有望捕捉地壳微动态形变信息。相关研究发现,2001年昆仑山口西Ms8.1级地震、2008年汶川Ms8.0级强震与2011年日本Ms9.0地震前,部分GNSS基线时间序列在震前数月至1 a以上的时间内发生了显著的异常变化[4, 5]。当基线方向与地震破裂方向近似于45°时,基线长度和基线方向在震前都有明显反映[6]。而芦山地震震级为Ms7.0级,水平近场同震位移场幅度不超过cm级[7],而且周边GNSS基准站除SCTQ站(缺失数据严重)离震源较近外,其他站都在100 km之外,且基线组合多种多样。能否从仅有的4 a基准站连续观测数据中,寻找震前异常基线的变化,发现此次地震的孕震前兆形变信息,对研究地震危险性评估至关重要。本文利用近场GNSS基准站数据,解算了相对高精度的GNSS基线长度变化时间序列。并以投影后的平面基线解算了地震近场区域线应变和面应变变化时间序列,研究了芦山Ms7.0地震前后地壳形变的动态演变过程。

    • 本文选择的研究区域位于距震中约300 km范围内。考虑到建站之初不稳定因素的影响,选择的观测时间段从建站半年后开始(2010-01-01~2014-10-22)。选择的中国地壳运动观测网络连续基准站有SCTQ、SCXJ、SCSM、SCMB、SCYX、SCDF、SCJL、SCLH、SCLT、LUZH及中国大陆周边9个IGS基准站(SHAO、WUHN、CHAN、BJFS、URUM、LHAZ、TNML、TWTF、KUNM)。其中离震中最近的是SCTQ站,直线距离约为34.21 km,受同震影响较大,基线时间序列同震最大变化约为20 mm,因数据缺失严重,在后续的时序分析中没有采用;其次是SCXJ站,直线距离约为98.26 km。为了更好地分析地震前后GNSS基线序列的变化情况,以SCXJ站为中心,构建星型基线网,形成了5条基线,分别为SCXJ-SCLH、SCXJ-SCDF、SCXJ-SCSM、SCXJ-SCYX、SCXJ-SCMB,如图 1所示。

      图  1  GNSS基线构成

      Figure 1.  Component of GNSS Baseline

      数据处理采用GAMI T10.4软件[8],解算单日无约束松弛解。同时利用BERNESE5.2软件进行解算,比较了两种软件解算结果的一致性和离散度。其中基线SCXJ-SCLH时间变化序列见图 2。由图 2可以看出,两种软件解算结果整体吻合度较高,时序曲线变化趋势一致。两者DX、基线长度DL离散度均在5 mm之内,DY、DZ离散度在10 mm之内。计算基线解算结果N、E、U向和长度L的重复率见图 3,其中基线重复率的固定部分单位为mm,比例部分的基线长度L单位为km。可见,单天解的相对精度达到了10-9量级。即使选择图 1中GNSS网中最长的基线SCXJ-SCMB(264 428.667 m),计算后基线N、E、U向和长度L的重复率分别为0.77 mm、1.14 mm、3.54 mm和1.04 mm,绝对重复率水平也较高,基本能够满足高精度地壳形变监测的要求。

      图  2  基线SCLH-SCXJ三分量与基线长

      Figure 2.  Three Components and Lengths of Baseline SCLH-SCXJ

      图  3  基线重复率

      Figure 3.  Repetition Rate of Baseline

    • 为求面应变,本文先采用高斯-克吕格投影方法将空间基线转换为平面基线。为分析投影变形误差对形变信息提取的影响程度,设椭球面上的基线长为S,则高斯投影后平面基线长D为:

      $$ D = S\left( {1 + \frac{{y_m^2}}{{2R_m^2}} + \frac{{\Delta {y^2}}}{{2R_m^2}} + \frac{{y_m^4}}{{24R_m^4}}} \right) $$ (1)

      式中,Rm为平均曲率半径;ym为大地线中点处横坐标;Δy为大地线两端横坐标之差。若由于地壳运动基线发生了形变,其椭球面上的基线形变量为ds。通常构造形变极其微弱(一般为mm到cm量级)。因此式(1) 中ym和Δy的变化,发生形变后相对于上百km的基线长度来说可忽略不计。则平面基线D的形变量为:

      $$ \begin{array}{l} {\rm{d}}D = \left( {S + {\rm{d}}s} \right)\left( {1 + \frac{{y_m^2}}{{2R_m^2}} + \frac{{\Delta {y^2}}}{{2R_m^2}} + \frac{{y_m^4}}{{24R_m^4}}} \right) - \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;S\left( {\frac{{y_m^2}}{{2R_m^2}} + \frac{{\Delta {y^2}}}{{24R_m^2}} + \frac{{y_m^4}}{{24R_m^4}}} \right) = \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{d}}s\left( {1 + \frac{{y_m^2}}{{2R_m^2}} + \frac{{\Delta {y^2}}}{{2R_m^2}} + \frac{{y_m^4}}{{24R_m^4}}} \right) \end{array} $$ (2)

      根据式(2),即使考虑投影变形最大的情况(6°带),基线位于投影带的边缘,由平面基线所提取的形变量与椭球面基线发生的形变量也相差甚微,其差别约为真实形变量的1/1 000。可见,虽然单日解投影变形较大,而应变计算采用的是基线每日投影后结果之差,投影误差作为系统误差并不会影响到构造形变信息的提取。

      利用基线长度的变化计算小尺度单元应变张量[9]。设S为变形前的基线长度,对应基线向量为(Δx, Δy),S′为形变后的基线长度,ΔS、ΔS′分别为沿边长S、S′的微元,由弹性力学理论得:

      $$ {\rm{d}}{S^{'2}} - {\rm{d}}{S^2} = 2{E_{kl}}\left( {X,t} \right){\rm{d}}{X_k}{\rm{d}}{X_l} $$ (3)

      式中,Ekl为拉格朗日应变张量。公式两边沿边长S积分,并且顾及Ekl为常量,得:

      $$ {S^{'2}} - {S^2} = 2{E_{kl}}\Delta {X_k}\Delta {X_l} $$ (4)

      顾及Ekl为对称张量,式(4) 可展开为:

      $$ {S^{'2}} - {S^2} = \Delta {X^2}{E_{11}} + 2\Delta {Y^2}{E_{22}} + 4\Delta X\Delta Y{E_{12}} $$ (5)

      S′-SS远小于S,设基线线应变εS/S,基线方位角为α,则式(5) 可改写为:

      $$ \varepsilon = {\sin ^2}\alpha {E_{11}} + {\cos ^2}\alpha {E_{22}} + \sin \alpha \cos \alpha {E_{12}} $$ (6)

      由式(6) 可知,只要三角形3个点不在一条直线上,就可通过三角形3基线的线应变作为观测值构建观测方程,唯一解算出应变张量E11E12E22。对式(6) 中α求导,令其为0,可得最大主应变方向为:

      $$ \varphi = \frac{1}{2}{\rm{arctg}}\frac{{2{E_{12}}}}{{{E_{11}} - {E_{22}}}} $$ (7)

      由应变张量E1E2E3和最大主应变方向角φ解算得最大主应变E1和最小主应变E2分别为:

      $$ {E_1} = {\sin ^2}\varphi {E_{11}} + {\cos ^2}\varphi {E_{22}} + \sin \varphi \cos \varphi {E_{12}} $$ (8)
      $$ \begin{array}{*{20}{c}} {{E_2} = {{\sin }^2}\left( {\varphi + \frac{{\rm{\pi }}}{2}} \right){E_{11}} + {{\cos }^2}\left( {\varphi + \frac{{\rm{\pi }}}{2}} \right){E_{22}} + }\\ {\sin \left( {\varphi + \frac{{\rm{\pi }}}{2}} \right)\cos \left( {\varphi + \frac{{\rm{\pi }}}{2}} \right){E_{12}}} \end{array} $$ (9)

      则最大面膨胀为:

      $$ I = {E_1} + {E_2} $$ (10)

      最大剪应变为:

      $$ T = \frac{1}{2}\left( {{E_1} - {E_2}} \right) $$ (11)

      第一、第二剪应变为:

      $$ {T_1} = {E_{11}} - {E_{22}} $$ (12)
      $$ {T_2} = {E_{12}} $$ (13)
    • 解算所得的5条基线线应变时间序列如图 4所示。基线SCXJ-SCSM、SCXJ-SCYX表现为持续的线性拉张状态,平均拉张速率为2.5×10-8/a,且变化趋势较一致,说明测站SCSM和SCYX运动特征相似。基线SCXJ-SCMB相对平稳,线应变基本保持不变。SCXJ-SCLH和SCXJ-SCDF处于持续的线性压缩状态,其中,SCXJ-SCLH平均压缩速率为-3.8×10-8/a,SCXJ-SCDF为-2.0×10-8/a。区域整体地壳形变特征表现为NW-SE向挤压,SN向拉张,该形变背景有利于近南北向断层发生张性破裂和NW-SE向左旋剪切破裂。地震现场应急科学考察表明,邻近地段地表可见到一些脆性水泥路面挤压破裂现象,说明在双石镇、太平镇、龙门乡、隆兴乡等地存在NW-SE向局部地壳缩短[10],与上述基线线应变特征相吻合。5条基线震前异常并不十分明显,震后经过短暂的调整又恢复为原线性变化趋势。从整体来看,大范围的应变并未解除或减缓,总的线变量仍在呈线性增加趋势持续累积。当这种应变能量累积到一定程度可能就会面临危险,如同芦山地震的发生一样。因此需要进一步继续跟踪监测该区域地壳形变演变特征,以对未来地震危险性作出进一步评估。

      图  4  GNSS基线线应变时间变化序列

      Figure 4.  Linear Strain Time Series of GNSS Baseline

    • 为进一步分析地震前后区域构造形变面应变的动态演变特征,本文选择了几何结构构成较好的基线三角形作为形变单元,分别为SCSM-SCYX-SCMB、SCSM-SCXJ-SCDF和SCXJ-SCSM-SCMB,如图 5所示。利用§2的方法,由基线长度变化计算了这3个形变单元的面应变变化时间序列,包括最大剪应变,最大面膨胀、第一剪应变和第二剪应变4个物理量,结果如图 6图 7所示。

      图  5  所选的3个形变单元

      Figure 5.  Three Deformation Units

      图  6  3个应变单元的最大剪应变和面膨胀时变序列

      Figure 6.  The Maximum Shear Strain and the Surface Expansion Time Series of Three Strain Units

      图  7  3个应变单元的第一、第二剪应变时变序列

      Figure 7.  The First and Second Shear Strain Time Series of Three Strain Units

      图 6,从整体来看,3个区域最大剪应变和面膨胀时间变化序列均呈现线性持续增强趋势。但比较来说,SCSM-SCXJ-SCDF区域在震前1 a左右,即2012年5月开始,就出现稍微趋势性异常变化。一开始是线性均匀变化,自2012年5月开始出现约有8个月的加速变化过程(2012-05~2012-12);后自2013年1月起出现约有4个月的短暂稳定闭锁状态(2013-01~2013-04-20),这种闭锁状态一直持续到2013年4月20日地震发生;震后经1个月的调整阶段(2013-04-20~2013-05) 后又恢复到原线性变化趋势。而其他两个区域的最大剪应变和面膨胀异常变化特征并不明显。由图 7可知,除SCSM-SCYX-SCMB区域的第一剪应变的异常变化不明显外,其他区域的第一、第二剪应变也经历了类似的闭锁状态、发震、震后调整和恢复到原变化趋势的过程。另外,SCSM-SCYX-SCMB区域的第一剪应变、SCSM-SCXJ-SCDF区域第二剪应变在震前有出现明显的闭锁状态和反向加速过程,整个变化曲线类似抛物线的弧形,尤其SCSM-SCYX-SCMB区域的第一剪应变异常变化更为显著。因为第一剪切应变描述的是NE/NW走向断层的剪切特性,正值表示NE向左旋剪切和NW向右旋剪切;第二剪切应变率反映EW/NS走向断层的剪切特性,正值表示NS向左旋剪切和EW向右旋剪切[5, 11]。结合芦山发震断层走向212°,倾向为NW[10],得出SCSM-SCYX-SCMB区域即发震断层南缘在这次地震活动中发生了显著的左旋剪切构造动力的异常变化。相关研究也表明,发生芦山地震的龙门山断裂带南段一直处于闭锁状态, 汶川地震后南东向挤压应变积累速率明显加大,且主应变率方向使发震断层呈逆冲兼左旋剪切变形状态,加速了此次芦山地震的孕育过程[12]。龙门山断裂带南段进行的原位地应力测量结果也表明这一区域的最大水平主应力已达断层活动应力临界下限值,断裂活动进入临界状态,芦山地震正是发震断层面上剪切应力超过阈值引起的断层错动[13]

      分析认为,反向加速变化符合弹性回跳理论的表现,说明部分断层此时可能已经开始发生了微破裂。根据岩石力学形变理论,当应力达到岩石弹性极限后,会产生屈服现象。当屈服到一定程度后,由于内部晶粒重新排列,其抵抗变形能力又重新提高,此时变形虽然发展很快,但却只能随着应力的提高而提高,直至应力达到最大值。此后,抵抗形变的能力明显降低,除了产生弹性形变外,开始集中在最薄弱处某一局部区域发生明显的部分塑性形变,出现颈缩现象,直至岩层完全断裂[14]。可见,震前的异常变化与岩石力学形变理论相吻合。由此可以推断,在孕震初期,整个断层在构造应力作用下稳定滑动,表现为最初的均匀线性运动趋势。由于断面性质及断层内介质的不均匀性,当两盘相对运动到某一时刻时,在断层的某个局部区域内摩擦强度增大,如断面不规则突起的啮合,形成了最断层运动的闭锁区。在构造应力场的作用下,断层上的滑动区仍继续发生相对运动,并不断将剪切应力向闭锁区集中,导致闭锁区内积累的弹性形变不断增加,而其几何尺寸可认为变化不大。在这一阶段,通过长时间的闭锁导致应变能量积累增强,当闭锁区的应力集中达到一定程度时,应力值最高的闭锁区端部便发生非弹性形变。该区域内的微裂隙逐渐扩展和串通,承载力不断下降。当这一过程发展到某种程度时,就其承受和积累弹性应变的能力而言,闭锁区的这一部分被“解锁”而成为滑动区的一部分[15]。此时,断层之间的摩擦力开始逐渐减小,会在断层的薄弱部位首先发生破坏,从而造成闭锁区范围的减小,即发生应变的反向变化。闭锁区的收缩使滑动区得以扩展,使剩余闭锁区内,特别是新的断点附近的应力进一步集中,应力重新分布,再次引起次薄弱部位的破坏,这就是震前发生的小震,上述过程不断进行,最后,当几经收缩而应力集中程度越来越高的闭锁区无法支持积累起来的强大的剪切应力时,整个闭锁区发生瞬间的突变失稳,断层错动,地震发生。

    • 基线长度不受参考框架本身漂移、旋转和共模噪声等因素影响,能够更客观地反映地壳相对运动变化信息。本文以提取的GNSS站间基线长度变化时间序列分析为基础,利用投影后的平面基线长度变化时间序列,解算了线应变和面应变的最大主应变、最大剪应变、面膨胀和第一和第二剪应变,研究了区域地壳形变的动态演变过程。

      地震前后基线线应变结果显示,区域整体地壳形变特征表现为NW-SE向挤压,S-N向拉张,5条基线震前异常并不十分明显,震后经过调整又恢复为原线性变化趋势。整体上,大范围的应变并未解除或减缓,总的线变量仍在呈线性增加趋势累积,仍存危险性,需进一步继续跟踪监测分析。

      通过芦山Ms7.0级地震的震前后面应变序列研究, 发现基线应变变化趋势在震前数月内出现了明显的非正常偏离,呈均匀变化阶段-稳定闭锁-发震-震后调整阶段-恢复原变化趋势。这种过程可能就是芦山地震孕育过程。SCSM-SCYX-SCMB区域的第一剪应变在震前异常变化更为显著,与岩石力学形变理论相吻合。

      第一剪应变异常变化相对最明显,芦山地震发震断层在龙门山断裂带南段,走向212°,倾向为NW,这与第一剪应变反映NE、NW向剪切应变是相符的,表明第一剪应变更能够提取与北东向的发震断裂关联紧密的地壳形变信息。因此推断发震断层南缘在这次地震活动中发生了显著的左旋剪切构造动力的异常变化,有可能强化了芦山地震的孕育发生。

      芦山Ms7.0级地震震前基线变化异常并不如Ms8.0级以上地震那么明显。这除了与震级有关之外,可能还与所选基线离震中较远,地震破裂方向与基线方向的关系不同有关。在求面应变时,尽管所用模型是应变模型,但由于测站之间的空间跨距较大,其中包含了不同的构造单元,所估计的应变参数并非均匀应变结果,是一个块体作为一个整体的应变参数,它所反映的是一个块体的整体平均应变状态,但仍不影响整体趋势性的判断。

      由于GPS观测资料积累时间尚短,加上近场GNSS基准站较少,虽然GNSS基准站基线所反映的相对运动与应变积累的动态变化在一定程度上能够客观反映芦山地震孕育发展过程中的变化异常,但仍需继续探索产生这种异常变化现象的原因,进一步揭示地震孕育发生的动力学背景。

参考文献 (15)

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