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珠峰及周边地区强震影响垂直形变特征研究

党亚民 程传录 杨强 蒋光伟 孙洋洋

党亚民, 程传录, 杨强, 蒋光伟, 孙洋洋. 珠峰及周边地区强震影响垂直形变特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(1): 26-35. doi: 10.13203/j.whugis20210545
引用本文: 党亚民, 程传录, 杨强, 蒋光伟, 孙洋洋. 珠峰及周边地区强震影响垂直形变特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(1): 26-35. doi: 10.13203/j.whugis20210545
DANG Yamin, CHENG Chuanlu, YANG Qiang, JIANG Guangwei, SUN Yangyang. Vertical Deformation Characteristics Affected by Strong Earthquakes in Mount Qomolangma and Surrounding Areas[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(1): 26-35. doi: 10.13203/j.whugis20210545
Citation: DANG Yamin, CHENG Chuanlu, YANG Qiang, JIANG Guangwei, SUN Yangyang. Vertical Deformation Characteristics Affected by Strong Earthquakes in Mount Qomolangma and Surrounding Areas[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(1): 26-35. doi: 10.13203/j.whugis20210545

珠峰及周边地区强震影响垂直形变特征研究

doi: 10.13203/j.whugis20210545
基金项目: 

国家自然科学基金 41974010

中国测绘科学研究院基本科研业务费 AR2004

详细信息
    作者简介:

    党亚民,博士,研究员,主要研究方向为大地测量基准与地球动力学。dangym@casm.ac.cn

    通讯作者: 杨强,博士,副研究员。yangqiang@casm.ac.cn
  • 中图分类号: P228

Vertical Deformation Characteristics Affected by Strong Earthquakes in Mount Qomolangma and Surrounding Areas

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41974010

the Fundamental Scientific Research Funds of Chinese Academy of Surveying and Mapping AR2004

More Information
    Author Bio:

    DANG Yamin, PhD, professor, majors in geodetic datum and geodynamics. E-mail: dangym@casm.ac.cn

    Corresponding author: YANG Qiang, PhD, associate professor. E-mail: yangqiang@casm.ac.cn
图(12) / 表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-12
  • 刊出日期:  2022-01-05

珠峰及周边地区强震影响垂直形变特征研究

doi: 10.13203/j.whugis20210545
    基金项目:

    国家自然科学基金 41974010

    中国测绘科学研究院基本科研业务费 AR2004

    作者简介:

    党亚民,博士,研究员,主要研究方向为大地测量基准与地球动力学。dangym@casm.ac.cn

    通讯作者: 杨强,博士,副研究员。yangqiang@casm.ac.cn
  • 中图分类号: P228

摘要: 2015年尼泊尔地震对珠穆朗玛峰高程的影响,近年一直受到全世界关注。2020年珠穆朗玛峰高程测量在珠穆朗玛峰及周边地区布设了高精度的全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)形变监测网,收集了1999—2020年跨喜马拉雅山脉的32个连续运行参考站(continuously operating reference stations, CORS)的GNSS连续观测数据。利用GNSS数据监测了珠穆朗玛峰周边地区地壳三维形变特征,定量获取了2015年尼泊尔强震对珠穆朗玛峰周边CORS同震位移,以及地震对区域地壳三维形变长期趋势的影响,特别是对该地区垂直形变的影响。研究结果表明,该区域地壳垂直形变由南至北跨喜马拉雅山脉呈明显的阶梯型分布特征;震后印度板块与欧亚板块存在加速汇聚趋势,导致震后地壳隆升速率同步增大。

English Abstract

党亚民, 程传录, 杨强, 蒋光伟, 孙洋洋. 珠峰及周边地区强震影响垂直形变特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(1): 26-35. doi: 10.13203/j.whugis20210545
引用本文: 党亚民, 程传录, 杨强, 蒋光伟, 孙洋洋. 珠峰及周边地区强震影响垂直形变特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(1): 26-35. doi: 10.13203/j.whugis20210545
DANG Yamin, CHENG Chuanlu, YANG Qiang, JIANG Guangwei, SUN Yangyang. Vertical Deformation Characteristics Affected by Strong Earthquakes in Mount Qomolangma and Surrounding Areas[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(1): 26-35. doi: 10.13203/j.whugis20210545
Citation: DANG Yamin, CHENG Chuanlu, YANG Qiang, JIANG Guangwei, SUN Yangyang. Vertical Deformation Characteristics Affected by Strong Earthquakes in Mount Qomolangma and Surrounding Areas[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(1): 26-35. doi: 10.13203/j.whugis20210545
  • 2020年中国进行了第3次国家珠穆朗玛峰(以下简称“珠峰”)高程测量[1],珠峰是否增高,2015年尼泊尔地震对珠峰有多大影响,这些问题受到社会和地学学者的广泛关注,珠峰高海拔地区地壳形变机制与特征成为地学研究的热点[2-6]

    珠峰位于中国青藏高原南端的喜马拉雅山脉,是印度板块与欧亚板块的交界处,是中国和世界最高峰。喜马拉雅山脉位于青藏高原最南端,是印度板块和欧亚板块汇聚的主要形变带,是研究大陆构造形变机制的最具代表性的区域,是地学研究的宝库[7-8]。喜马拉雅山脉特别是在珠峰南北两侧区域地壳形变具有较为明显的差异,呈现阶梯状分布特征。在珠峰南麓的尼泊尔南端属于恒河平原,向北进入海拔2 000 m以下的次喜马拉雅地区,位于加德满都以南的中坡度平缓地区的低喜马拉雅地区、加德满都以北的高喜马拉雅地区,再向北则进入喜马拉雅山脉以北的青藏高原。短短200多公里的距离,出现从平原到世界屋脊的巨大变化,跨越印度和欧亚两大板块[9-10]。由于板块的快速汇聚作用,使得该区域一直是一个强震活动带,有历史记录以来,珠峰周边地区多次发生震级Ms 8.0以上强震,最近一次是2015-04-25发生的Ms 8.1级地震,研究表明,这次地震对珠峰地区地壳形变趋势及珠峰高程都带来较大影响[11-13]

    研究跨喜马拉雅地区,特别是在珠峰周边地壳三维形变特征具有重要的科学价值和现实意义。地学学者针对跨喜马拉雅山脉进行了长期的研究,20世纪90年代以来,随着全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)技术的发展,利用GNSS长期、连续、高精度的技术优势,地学学者在横跨喜马拉雅山脉布设了连续运行参考站(continuously operating reference stations,CORS)网,获得了大量的GNSS观测数据。陆态网络在中国青藏高原地区先后建立了数十个CORS,为研究跨喜马拉雅山脉地壳形变研究提供了丰富的数据资源[14]

    研究表明,喜马拉雅山脉不同区域地壳形变特征差异巨大,低喜马拉雅地区地势平缓,地壳垂直和水平运动与印度板块一致性较好,而到高喜马拉雅地区后,地形存在角度较大的陡坡带,其垂直形变变化较大,青藏高原由南到北则有明显的南北压缩、东西拉伸的区域形变特征[15-17]。为精细化研究该区域地壳形变特征,需要根据不同地质构造分段分区域研究地壳运动与形变。

    本文利用珠峰南北两侧跨喜马拉雅山脉分布的CORS网多年GNSS的观测数据,以及2005年和2020年珠峰高程测量布设的形变监测网精确连续监测珠峰周边地区地壳形变动态变化,研究了珠峰地区地壳垂直形变趋势,定量分析珠峰周边区域2015年尼泊尔地震同震位移,以及地震对区域地壳垂直形变长期趋势的影响,其中,青藏高原研究区域主要集中在西藏块体[18-22]

    • 本文收集了2005年和2020年珠峰高程测量形变监测网GNSS数据,以及1999—2020年分布在跨喜马拉雅山脉的32个CORS连续观测数据,研究了该区域地壳长期形变趋势。CORS分布如图 1所示,其中,14个CORS位于尼泊尔,18个CORS中国青藏高原区域。

      图  1  CORS分布

      Figure 1.  Distribution of CORS

      喜马拉雅山脉南北两侧CORS高程差异很大,如图 2所示,最低位于尼泊尔的BRN2站,大地高约20 m,最高位于中国青藏高原的XZSH站,大地高近5 000 m。这些CORS站点高程呈明显的阶梯状分布,可以精细化监测珠峰周边地壳分段三维形变特征。

      图  2  CORS高程分布

      Figure 2.  Elevation Distribution of CORS

      本文利用GAMIT(GNSS at MIT)软件对GNSS数据进行单天解基线计算,解算方案主要参数的设置如表 1所示。

      表 1  单天解基线解算设置

      Table 1.  Settings of Baseline Resolution

      参数 处理方式
      基线处理模式 RELAX
      观测值 LC+PC组合
      坐标框架 ITRF2014
      对流层延迟 GMF
      海潮改正 otl_FES2004
      固体潮模型 IERS2010
      光压模型 BERNE

      解算获取各站单日解时间序列如图 3所示,单天解精度水平方向优于3 mm,高程方向优于5 mm。利用GLOBK(global Kalman filter)软件进行整体平差,获取区域CORS三维线性速率,平均精度优于0.1 mm/a,其中,NAST、CHLM、KKN4、SNDL等4个CORS因为受2015年尼泊尔地震影响,出现较大跳跃,在水平和高程方向上最大位移超过1 m,无法计算线性速率,故在1999—2020年速率解算中删除这4个站,见图 4

      图  3  CORS单天解时序

      Figure 3.  Time Series of CORS

      图  4  地震同震位移较大的站点

      Figure 4.  Stations with Large Coseismic Displacement

    • 1999—2020年CORS三维运动速率如图 5所示。站点速率水平方向均优于1 mm/a,垂直方向均优于1.5 mm/a。由图 5显示,喜马拉雅山脉南侧CORS水平方向东西速率变化不大,北向速率从南向北有比较明显的递减趋势。恒河平原的BRN2站北向运动速率约35 mm/a至高喜马拉雅地区的SYBC站约17 mm/a;喜马拉雅山脉北侧由南到北则有明显的东向运动速率逐次递增、北向运动速率逐次递增趋势,东向速率由XZZF站约37 mm/a至位于羌塘块体的QHTT站约48 mm/‍a,北向速率由XZZF站约25 mm/a至QHTT站约6.5 mm/a,整体呈右旋趋势。

      图  5  在ITRF2014框架下CORS三维运动速率

      Figure 5.  3D Velocities of CORS in ITRF2014

      垂直方向有明显的阶梯型特征。喜马拉雅山脉南侧,恒河平原和次喜马拉雅地区两个CORS(BRN2和GRIH站),高程方向呈略微下降趋势,其他CORS均呈上升趋势,总体上升为2~3 mm/a;位于喜马拉雅山脉北侧青藏高原各站点均呈上升趋势,总体隆升为3~5 mm/a。研究结果表明,青藏高原垂直方向长期保持整体隆升趋势。

      为分析区域垂直形变特征,分别利用位于印度板块国际GNSS服务组织(International Global Navigation Satellite System Service,IGS)站(HYDE和IISC站)和欧亚板块稳定IGS站(DEAJ和ULAB站),分析珠峰地区相对印度板块和欧亚板块的高程变化如图 6所示。

      图  6  1999—2020年相对于位于印度板块和欧亚板块上的IGS站的垂直形变

      Figure 6.  Vertical Deformation Relative to Indian Plate and Eurasian Plate from 1999 to 2020

      图 6(a)可知,由于1999—2020年HYDE和IISC站高程方向变化相对稳定,高程方向速率很小,平均约0.2 mm/a,因此,相对这两个IGS站,研究区域各CORS高程方向速率基本不变,区域整体垂直形变与在国际地球参考框架(international terrestrial reference frame,ITRF)下的一致。相对位于欧亚板块上的IGS站(DEAJ和ULAB站)站高程方向速率平均约2 mm/a,由图‍6‍(b)可知,在喜马拉雅山脉北侧的由低喜马拉雅地区向高喜马拉雅地区过渡地带的CORS相对DEAJ和ULAB站呈下降趋势,而在高喜马拉雅地区和青藏高原则仍在整体上呈上升趋势。研究表明,地壳整体隆升是珠峰地区乃至青藏高原总体运动趋势,其隆升速率远大于印度板块和欧亚板块。

    • 2015-04-25,尼泊尔发生了Ms 8.1地震。本文利用CORS连续观测数据,分析了地震影响的同震位移;对比地震前后CORS速率,分析了地震对区域地壳形变趋势影响。

    • 本文避开了主震及后Ms 7.0级余震后0.5 h及2015-04-26 Ms 5.0和Ms 7.1级余震。选用UTC时间2015-04-25T03:00:00—06:00:00和07:30:00—10:30:00、2015-04-24T18:00:00—24:00:00和2015-04-25T07:30:00—19:30:00、2015-04-24和2015-04-27、2015-04 22日—24日和2015-04 28日—30日的GNSS观测数据,地震前后3 h、12 h、24 h、72 h的CORS坐标变化见图 7

      图  7  CORS同震位移

      Figure 7.  Coseismic Displacement of CORS

      图 7结果显示,较大地表位移变化主要集中在地震发生的短时间内。地震对距离震中较近(约100 km以内)站点影响较大,其中,CHLM、KKN4、NAST等站同震位移超过1 m。而随着距离震中越远,则影响快速衰减,对于超过200 km站点,同震位移普遍为cm级。中国青藏高原CORS垂直方向普遍出现下降,地震后3 h普遍下降1 cm左右,最大约2 cm;地震前后3 d平差对比,最小下降约2.5 mm,最大下降约15 mm。

    • 尼泊尔地震导致珠峰及周边地区地壳高程下降。长期是否会导致该地区隆升趋势发生变化,本文对地震前后时段(1999-01-01—2015-03-30、2015-07-01—2020-12-31)CORS三维速率变化进行了对比。为避免地震及其余震引起的跳变对长期趋势产生影响,地震前后两个时段中不包括2015年4月—6月数据,以分析地震对珠峰及周边地区形变趋势的影响。2015年地震前后CORS站水平和垂直方向速率差异见图 8,N、E和高程方向运动速率差异见图 9图 8中,蓝色箭头为地震前站点速率,红色箭头为地震后站点速率。

      图  8  2015年尼泊尔地震前后CORS水平和垂直方向速率差异

      Figure 8.  Velocities Difference of Horizontal and Vertical Directions of CORS Before and After 2015 Nepal Earthquake

      图  9  2015年尼泊尔地震前后CORS N、E和高程方向运动速率差异

      Figure 9.  Velocities Difference of N, E and Height Directions of CORS Before and After the 2015 Nepal Earthquake

      珠峰作为印度板块与欧亚板块碰撞汇聚的结果,其垂直形变与水平形变有一定的相关性。采用Delaunay三角形法分别计算了地震前后应变率场[23-24]图 10图 11所示。利用误差传播定律得到应变率精度[25],两期应变率精度在同一量级,东西向应变率中误差平均为1.5×10-8/‍a,南北向应变率中误差平均为1.8×10-8/‍a,剪应变率中误差平均为2.0×10-8/‍a。对比地震前后垂直形变特征,为分析地震前后垂直形变趋势变化动力学机制提供佐证资料。

      图  10  1999—2015年应变率场(箭头表示主应变率)

      Figure 10.  Strain Rate Field of 1999 to 2015 (Arrow Indicates the Principal Strain Rate)

      图  11  2015-2020年应变率场

      Figure 11.  Strain Rate Field of 2015 to 2020

      图 10图 11发现,在2015年尼泊尔地震前,该区域就有明显的挤压收缩形变,地震后印度板块北向运动趋势基本未变,而青藏高原特别是西藏块体北向运动减速,导致该区域挤压形变更为明显;在2015年尼泊尔地震震中至珠峰一线,有明显的应力集中现象,震后应变更为明显,这说明地震有可能导致了印度板块与欧亚板块相对汇聚加速。

      图 8图 9可知,喜马拉雅山脉以南地区,震后高程方向速率上升趋势非常明显,平均隆升速率由平均约1 mm/a上升至约4 mm/a。其中,KKN4站除外,该站在地震同震中高程方向发生了127 mm的同震位移,震后出现明显的下降趋势,可能存在震后回弹现象。在青藏高原,除个别站点外,大部分站点震后速率上升,特别是西藏块体,上升趋势较为明显,由平均约2.3 mm/a上升至约3.6 mm/a。分析可能的原因为印度板块与欧亚板块加速汇聚导致该区域隆升趋势加速。

    • 中国在2005年[26-27]和2020年[1]分别对珠峰高程进行了测量,重合点高程差异如图 12所示。测量期间在周边设立多个GNSS形变监测网,分别在2005年1月—5月和2020年1月—5月,在测绘部门设立的测量标志点,按照国家GPS B级网要求进行的数据采集,每个点连续观测3 d,每天观测8 h。

      图  12  2020年与2005年珠峰高程测量重合点高程差异

      Figure 12.  Elevation Difference of Coincidence Points of Everest Elevation Survey in 2020 and 2005

      选择距离珠峰较近、大地高4 000 m以上的18个重合站点,分别解算得到2005年点位和2020年点位在ITRF2014框架下的三维坐标。各站大地高中误差最大为±3.92 mm,平均为±2.94 mm。对点位大地高进行对比,以此分析在较长时间尺度里,珠峰周边区域垂直方向变化。研究发现,18个重合点大地高均出现不同程度上升,最大达到约3.9 cm,18个重合点平均上升约2.2 cm。

      对比2005年和2020年珠峰高程测量结果,18‍个重合点均出现不同程度隆升,再次证明,长期珠峰地区整体保持隆升趋势。

    • 本文利用珠峰形变监测网及阶梯型分布的CORS 1999—2020年GNSS连续观测数据,研究分析珠峰地区地壳长期形变特征,特别是垂直形变特征;并研究了2015年尼泊尔地震对该区域CORS短期位移影响及地壳长期垂直形变趋势的影响。

      GNSS监测结果表明,珠峰及周边地区地壳垂直方向具有明显的阶梯型特征。喜马拉雅山脉南侧,恒河平原和次喜马拉雅地区地壳垂直形变很小,低喜马拉雅和高喜马拉雅地区均呈上升趋势,总体上升趋势约为2~3 mm/a。喜马拉雅山脉北侧青藏高原各站点全部呈上升趋势。从长期来看,青藏高原保持着整体隆升的趋势,总体隆升趋势为3~5 mm/a。

      2015年地震前后地壳形变趋势变化显示,震后印度板块和欧亚板块交界处应力集中和挤压收缩形变更加显著,说明地震导致了印度板块与欧亚板块有加速汇聚趋势,该趋势有导致震后珠峰区域地壳垂直方向出现加速隆升趋势,该趋势对珠峰南侧影响更为显著,珠峰南侧震后地壳垂直形变由平均约1 mm/a上升至约4 mm/a,珠峰北侧则由平均约2.3 mm/a上升至约3.6 mm/a。

      对比2020珠峰高程测量与2005年珠峰高程测量形变监测网GNSS重合点解算结果,再次证明珠峰地区地壳整体隆升是该区域地壳长期垂直形变趋势。

参考文献 (27)

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