基金项目:新疆维吾尔自治区科学研究与技术开发(含攻关)计划(200741121)、“十五”国家重点科技攻关项目子专题(2004B601B01-02-01)及中国地震局科技支撑计划子专题(2006BAC01B-03-01-01)资助.
(1.新疆维吾尔自治区地震局,乌鲁木齐 830011; 2.中国地震局地震预测研究所,北京 100036; 3.中国地震局第一监测中心,天津 300180; 4.中国地震局武汉地震研究所,武汉 430071)
地壳运动; GPS; 剪应变; 巴楚—伽师6.8级地震
(1.Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region,Urumqi 830011,Xinjiang,China)(2.Institute of Earthquake Prediction,CEA,Beijing 100036,China)(3.First Crust Deformation Monitoring and Application Center,CEA,Tianjin 300180,China)(4.Institute of Seismology,CEA,Wuhan 430071,Hubei,China)
Crustal motion; GPS; shear strain; Bachu-Jiashi MS6.8 earthquake
备注
基金项目:新疆维吾尔自治区科学研究与技术开发(含攻关)计划(200741121)、“十五”国家重点科技攻关项目子专题(2004B601B01-02-01)及中国地震局科技支撑计划子专题(2006BAC01B-03-01-01)资助.
利用多期流动GPS观测成果及乌什、塔什库尔干GPS站连续观测资料结果,对2003年2月24日巴楚—伽师6.8级地震前后的地壳形变特征进行了讨论。认为震前震中附近各点以15~20 mm左右的速率向NNW或NNE方向运动并在震中及邻近地区产生高剪应变值集中区,震后震中附近各点运动速率却减为几毫米; 震前出现的高剪应变值集中区震后消失。同时乌什、塔什库尔干GPS连续观测站时间序列在震前2~3月也表现出大幅度突跳。
We discussed the characteristics of crustal deformation before and after the MS6.8 BaChu-JiaShi earthquake,using multiple mobile GPS observation results and continuous observation results in WuShi、Taxkorgan GPS stations.We believe that each point near the epicenter moves to the NNW or NNE direction with the velocity of 15-20mm before the earthquake,which engendering high shear strain concentration area in the epicenter and adjacent area.However,the moving velocity of each point near the epicenter decrease to several millimeters after the earthquake and high shear strain concentration area disappears.At the same time,the time series of Wushi、Taxkorgan GPS continuous observation station appear wide-range sudden jump 2-3 months before the earthquake.
引言
新疆乌恰、伽师地区在1998年强震群结束后经过一个相对平静期,于2003年2月24日又发生了6.8级地震及其强余震。这是建国以来新疆地区伤亡人员最多的一次地震,给当地人民群众的生活、生产和经济发展造成了重大损失。从某种意义上讲,这种接连发生地震的现象预示着该区域进入了新一轮的地震活跃期(龙海英等,2007; 赵俊猛等,2006)。
随着空间大地测量技术的迅速发展,目前GPS相对测量精度已达到10-8~10-9,完全可以满足地壳形变观测与分析的需要。我们在新疆南天山地区布设了数十个GPS流动观测点和两个连续观测站,主要目的就是监测地震活动在地球表面引起的异常运动,从地形变学的角度研究、认识地震的孕育、发生过程。利用这些观测资料,我们对巴楚—伽师6.8级地震的地壳形变特征进行分析研究,试图发现其中的变化和规律。
1 区域构造背景介绍
新疆乌恰、伽师、巴楚等地区位于天山褶皱带、帕米尔弧形构造和塔里木块体三个构造单元的交接地带,是印度板块向中亚大陆楔入最深、受板块动力作用最强烈的地区之一。该区域现代地壳运动异常强烈,中强地震频繁发生,自1996年以来连续发生多次6级以上强震,这是南天山最新构造运动的结果和最重要特征。南天山的最新构造活动以逆冲运动为主,主要分布在山前和山间盆地的边缘,其主要逆冲构造有库车推覆构造和柯坪推覆构造(图1)。巴楚—伽师6.8级地震的主要发震构造是普昌断裂带向南延伸的巴什托普隐伏断裂(沈军等,2006; 徐锡伟等,2006; 吴传勇等,2006)。
F1:喀桑托开断裂; F2:东却勒塔格断裂; F3:却勒塔格断裂;
F4:迈丹断裂带; F5:柯坪断裂; F6:托特拱拜孜—阿尔帕雷
克断裂; F7:普昌断裂(巴什托普); F8:阿图什背斜北缘断裂
2 资料概括及数据处理
我们截取了新疆GPS监测网1998~2005年共8期观测的成果,除第1期使用的是美国TRIMBLE 4000双频GPS接收机外,其它7期均使用美国ASHTECH Z-12双频GPS接收机。1998~2001年每年观测1期,时间在7~8月份; 2002~2003年1月观测了第5期; 2003年2月24日巴楚发生6.8级地震后,3月份我们对震区进行了GPS复测; 2004年2月根据南天山地震情况又进行了第7次观测; 2005年2~3月对南天山及塔里木西侧又作了较大规模的观测。另外,我们还使用了1999~2007年间乌什和塔什库尔干基准站的连续观测成果。
后续资料采用美国麻省理工学院的GAMIT/GLOBK解算软件进行分析处理。以天为单位(24小时为一个单日时段),参考框架采用目前最新的ITRF2000框架,星历采用IGS精密星历(SP3格式)定轨。流动站坐标约束10 m(松弛约束坐标)。解算采取松驰解模式,利用AUTCLN自动修复周跳同时辅以CVIEW进行手工干预剔除周跳残差,最终获得O文件解与H文件解。网平差(GLOBK)计算步骤:固定极移参数,卫星轨道约束20 m,测站约束10 m。综合全球H文件以及本次计算的H文件,由GLOBK求多天整体解,以IGS核心站为参考站建立地球参考框架,由统一基准下的各期的平差结果,按坐标求差方法分别求出GPS监测网中各测站在ITRF2000框架下的速度场,将NNR-NUVEL-1A的速率作为形变场的基准,计算各测站相对于欧亚板块的速度。同时以喀什等点为参考站,计算出相对喀什等地的各点运动速率。精度分析是对GPS结果可靠性的重要评价,多期重复观测表明,网内点位水平分量的精度为±1~±2 mm。相邻点位组成的基线边水平分量重复观测精度为±3 mm左右。
计算应变时,我们假定地球介质(地壳)是一个弹性体并且连续、均匀和形变小,因此可通过建立协方差函数模型,运用最小二乘方法由GPS站点观测位移(运动速率)来获得水平位移速度场的空间分布函数,从而由位移与应变的偏导关系获得应变场率的空间分布(党亚明等,2001)
在GPS测量中,由于有大量的监测点可以利用,所以应变参数的解算可以根据最小二乘法求解。在具体计算中,可以利用监测点运动速率的方差—协方差以及监测点离开所求区域的中心点距离进行定权。确定应变参数后,就可以求出最大剪应变γmax、面应变(面膨胀)Δ、最大主应变ε1、最小主应变ε2、最大主应变方位角α等数值。
3 异常信息的探讨和分析
3.1 形变场分析图2反映了测区各点相对欧亚板块的运动情况。在震前,震中区两侧各点形成两大块体向不同的方向运动,以77°E为界,西侧块体以20 mm/a左右的速度向NNW方向运动,东侧块体以15 mm/a左右的速度向NNE方向运动(特别是巴楚(I076))。我们认为印度板块通过昆仑山、塔里木块体向北推挤的过程中,在巴楚—伽师中间一带受到一个坚硬地块的阻挡,使其分解成两个不同方向的力,这两个力带动着此处的地壳向两侧运动。GPS观测数据直接反映出了这种地壳运动现象,这里两侧块体运动速度相差约5 mm左右,2001年以前该地区的运动除方向略有差别外速度基本相同(王治民等,2007),而现在这里西侧运动速度快、异常面积大,东侧运动速度小,整个区域相对右旋运动,NNW方向的推挤力占据了主导作用。这种现象与其震源机制解所反映的主压应力方向一致(高国英等,2004)。图2b是巴楚6.8级地震后进行复测的结果,我们发现该地区的地壳运动速度已变得很小,只有几毫米,没有了震前的那种大幅度运动现象,运动方向的一致性也较震前差。
图2 2001年6月至2003年1月(a)、2003年1~3月(b)GPS点位相对欧亚板块的运动
Fig.2 Horizontal velocities map of GPS stations relative to Eurasia plate 2001.6-2003.1 before earthquake (a)and 2003.1-2003.3 after earthquake(b)3.2 时间序列的变化分析GPS观测资料的位移时间序列是研究GPS观测精度的可靠依据,也是研究GPS观测点位移的另一种手段,并且还能提取与地震孕育过程有关的信息。图4反映了震中区周围各流动点GPS观
图4 震区周围流动GPS点位移时间序列图
Fig.4 Time-series graph of mobile GPS stations around earthquake region (a-1)、(a-2)I076点北方向、东方向时间序列图;(b-1)、(b-2)I073点北方向、东方向时间序列图; (c-1)、(c-2)I079点北方向、东方向时间序列图;(d-1)、(d-2)I072点北方向、东方向时间序列图; (e-1)、(e-2)I082点北方向、东方向时间序列图;(f-1)、(f-2)QIQI点北方向、东方向时间序列图;(g-1)、(g-2)I074点北方向、东方向时间序列图;(h-1)、(h-2)I077点北方向、东方向时间序列图测点的时间序列。巴楚(I076)、柯坪(I073)、伽师(I079)、阿合奇(I072)、麦盖提(I082)、契恰尔(QIQI)、哈拉峻(I074)、苏滚(I079)等点2001年、2003年1月、2003年3月北方向、东方向的运动与其它时间的运动不符,不成线性关系,出现了突跳,这个突跳随震中距的大小而改变,异常值约为10~15 mm,巴楚离震中最近,北方向突变了近20 mm,哈拉峻离震中约一百多公里,北方向也突变了近10 mm,而通常上述各站的运动规律线性相关性很好。
图5是乌什GPS基准站的时间序列图,可以看出,在北方向和东方向上,在巴楚—伽师6.8级地震发生前2~3个月,曲线出现突跳,其中北方
3.3 应变场分析我们可以通过GPS各点之间的基线变化计算出研究区域的应变场情况。从图7、图8中可以看出,在巴楚—伽师6.8级地震前,木吉、乌帕尔、喀什、伽师、巴楚等地区主压应变明显大于其它地方,特别是在伽师、巴楚之间,应变强度最大,主压应变呈近NWW向。剪应变也在这里得到大量积累,约为5.8×10-7(图8b)。而在此之前,该地区尚无如此大的应变场变化(图8a),剪应变也只有10-7,体现出该地区能量迅速积累需求破裂释放的现象。地震发生后,剪应变在这一区域大量积累的现象迅速消失并回到了1×10-7~2×10-7(图8c),这说明剪应变高度集中的地区与强震确实存在密切的关系。在2004年的GPS复测中,我们同样在乌什西北地区发现了一个剪应变高度集中区(图8d),并据此做了预报,指出乌什西北地区是一个值得关注的地区,有可能发生较大震级的地震,结果2005年2月15日发生了6.2级地震(震级预报偏差较大)。震后,我们立即进行复测,该区的剪应变聚集区已经消失,并在柯坪西部又
图7 2001年8月至2003年1月伽师地区压应变、张应变分布图
Fig.7 Distribution of principal compressive and tensile strain rate in Jiashi and its adjacent region from 2001.08 to 2003.01(before earthquake)图8 伽师地区剪应变分布图
Fig.8 Distribution of the maximum shear strain rate in Jiashi and its adjacent region (a)1998年8月至2001年8月;(b)2001年8月至2003年1月; (c)2003年1月至2003年3月;(d)2003年3月至2004年2月形成了一个新的高剪应变聚集区。由此可以看出,高剪应变聚集区或其边缘是发生强地震的危险区(王晓强等,2005; 江在森,2003)。
4 结论
(1)大地震前震中区及附近地壳出现大范围的向某一方向的整体运动,这一现象在伽师—巴楚地震前的地形变中已得到证实。
(2)GPS观测点的时间序列在强地震前一段时间内也会表现出跳跃,这种跳跃会随离震中区的距离增大或减小,特别是在基准站的时间序列中表现更为明显。
(3)在高剪应变集中区及主应变增大区,其周围及中心区将非常有可能是下次强地震的发震区。
GPS观测技术对于强地震的中、长期预报是一个非常有效的手段,但对于临震预报,只有建立大范围的、密集的连续GPS观测站并结合众多的短周期流动GPS观测,才能有效解决这个问题。
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