基金项目:国家科技支撑计划重点项目(2006BAC01B03-01-01,2006BAC01B02-02-02)资助.
(1.中国地震局地震预测研究所,北京 100036; 2.中国地震局第一监测中心,天津 300180)
(1.Institute of Earthquake Prediction,CEA,Beijing 100036,China)(2.First Crustal Monitoring and Application Center,CEA,Tianjin 300180,China)
block movement,GPS,rigid movement,strain contribution deformation,irregular deformation,earthquake genesis
备注
基金项目:国家科技支撑计划重点项目(2006BAC01B03-01-01,2006BAC01B02-02-02)资助.
利用GPS时间序列对块体运动的信息进行了分离,发现块体的刚性运动、应变贡献部分变形和非规则变形所占的比重有明显差异,其中第一部分比重最大,其余两部分比重相当。从与地震孕育关系的角度看,后两部分与地震孕育的联系更紧密一些,它们反映了地震孕育过程的能量积累和震前的快速形变。最后,利用BJFS,BJSH,JIXN和KC014个GPS连续站数据计算了不同部分的信息分离结果,并分析了2006年河北文安5.1级地震前块体的变形特征。
We divide the spatial information of the movement of the blocks into rigid movement,strain contribution deformation and irregular deformation.The rigid movement takes the largest portion.The strain deformation and the irregular deformation are equally small portions.And they are relative to the genesis of the earthquake because they reflect the energy accumulation and fast deformation of the crust before the occurrence of the earthquake.Finally,we use the data from BJFS,BJSH,JIXN and KC01 station to calculate different part information,and then discuss the deformation characteristics before M5.1 Wen'an,Hebei earthquake in 2006.
引言
地震工作者在研究地壳形变问题时,常利用GPS资料计算指定区域的位移场、速度场和应变场。李延兴等(2001)、石耀霖和朱守彪(2004,2006)、黄立人和王敏(2003)都对应变场公式进行过深入研究。同时,还有多位研究者利用GPS资料研究中国大陆应变场及块体运动,并取得了丰硕的成果(石耀霖和朱守彪,2004,2006; 黄立人和王敏,2003; 顾国华等,2001; 江在森等,2003; 杨国华等,2002,2008; 张培震等,2003; 王敏等,2003)。但上述几个场的信息只能反映块体地壳运动的总体状况,对地壳运动细节的刻画还需要深入研究,比如GPS时间序列中到底有多大成分属于刚性运动,多大成分属于应变贡献部分变形,又有多大成分属于非规则变形?
张国安等(2002)对不同种类连续形变资料进行了分析,认为GPS连续观测资料对于地壳形变研究具有重要意义。为了挖掘GPS时间序列中隐含的信息,笔者从GPS块体运动模型出发,对GPS时间序列进行定量的信息分离。笔者在对信息分离方法进行讨论的基础上,给出GPS时间序列空间信息分离结果,并初步讨论了各部分信息与地震孕育过程的关系。
1 块体运动模型的原理及信息分离计算公式
块体的运动可以分为整体运动和内部变形。而整体运动可分为平移和旋转,内部变形可分为应变贡献部分变形和非规则变形:
[VE
VN]all=[VE
VN]r+[VE
VN]s+[VE
VN]n.(1)
根据公式(1)并参照李延兴等(2001)、赖锡安等(2004)关于刚性、弹塑性运动模型的论述可知,块体的刚性运动可用欧拉矢量描述,如公式(2)所示; 应变贡献部分变形可用应变张量来描述,公式(3)所示,而对于非规则变形没有合适的模型来描述,但可以用矢量求差的方法得到,如公式(4)所示。
[VE
VN]r=[-rsinφcosλ -rsinφsinλ rcosφ
rsinλ -rcosλ 0][ωx
ωy
ωz],(2)
[VE
VN]s=[εE εEN
εNE εN][(λ-λ0)rcosφ
(φ-φ0)r],(3)
[VE
VN]n=[VE
VN]all-[VE
VN]r-[VE
VN]s.(4)
式(2)、(3)中,λ、φ分别为观测点的经度和纬度,VE和VN为E向位移和N向位移; ωx、ωy和ωz为块体的欧拉矢量; r、λ0、φ0分别为块体的平均曲率半径、几何中心经度和几何中心纬度; εE、εEN、εNE和εN为区域内的应变张量。
根据公式(1)~(4),可以得出利用GPS数据进行信息分离的过程:首先利用公式(1)~(3)计算出6个待定参数(3个欧拉参数和3个应变参数),然后根据公式(2)和公式(3)计算出每个点的刚性运动分量和应变贡献部分变形分量,最后利用公式(4)计算出非规则变形分量(包含噪声部分)。
在计算6个待定参数时原则上有3组GPS数据就可以求解,但3组数据只可以组成6个观测方程(不考虑U分量影响),没有多余观测,由此带来的问题是非规则变形无法识别并且不能评定参数(应变参数和欧拉参数)精度。因此,要进行GPS数据信息分离,至少应使用4个点的观测数据。
另外,公式(1)~(4)是理论公式,在实际应用中由于观测数据误差的影响,每一部分都包含一定的误差,特别是非规则变形部分是由求差的方式得出的,所以其误差可能更大一些。
2 GPS时间序列信息分离实例
通过分析全国GPS连续站的位置以及各连续站的分布特征,笔者选取首都圈区域4个连续站(BJFS、BJSH、JIXN和KC01)进行信息分离分析。该区域的数据积累时间为3年多(KC01较短),其间2006年7月4日河北文安发生5.1级地震。笔者通过信息分离结果分析文安地震的孕震过程。
由于BJFS和KC01距离震源区较近,而BJSH和JIXN距离震源区较远,所以它们所处地点应该有不同的变形特征。
图1~图4展示了首都圈地区的GPS连续站信息分离结果,图中的灰色曲线为各分量结果,黑
BJFS站和KC01站距离文安地震的震中较近,两站应该更能反映其孕震过程。通过观察图1和图4可以发现,位于主破裂西面的BJFS站的应变贡献分量和非规则分量表现为北东向,并且以北向为主,而位于主破裂东面的KC01表现为南西向运动,并且以南向为主。由于文安地震的主破裂为近南北向右旋破裂(江在森等,2006),这两个站的地壳变形方式与震源主破裂方式一致,表现为南北向变形较强,东西向变形较弱,非线性变形很小。
BJSH和JXIN站距离震源较远,对于孕震过程的反映应该弱一些。通过观察图2和图3可以发现,两站的应变贡献分量表现了震源机制特征,而非规则变形部分则出现了反方向变化。其原因可能在于计算应变时假定区域具有均匀变形特性,而BJFS和KC01站因距离震源较近而变形幅度较大,BJSH和JXIN站由于距离震源较远而变形幅度较小,所以在计算时由于比重最大的BJFS和KC01站的拉动,使BJSH和JXIN站测得的非规则变形部分出现反方向变化。另外,从首都圈区域的信息分离结果来看,4个站的北向应变贡献分量和非规则变形分量都有一定的异常反应。
3 结论
通过对GPS连续站信息分离结果的分析,不难发现该分离方法在分析时间序列构成方面是有效的,同时该方法的应用还有利于对地震异常做出判断。
(1)信息分离的优势:① 在信息分离过程中,可以把原来的一组数据分离成3组,从而加大了信息量。② 不同分量反映不同物理意义:刚性分量表征了块体的整体运动,与块体内部地震相关性不大,但与块体的边界带地震可能有一定关系; 应变贡献分量描述了区域内应变积累的过程,反映了块体内地震的能量积累过程; 非规则变形分量描述了块体的非均匀变形。③ 由于非规则变形部分无法建立模型来描述,只能通过矢量求差得到,所以在对该分量进行分析时需要注意其误差较大的特性。
(2)信息分离的特点和需要注意的问题。通过前面的讨论,可以发现距离震源越近的点的信息分离结果越能反映地震的孕震特征。如果某站点的应变贡献分量和非规则变形分量的趋势一致,则表明该站附近存在着一定的异常信息,如果二者趋势相反则说明异常离该站较远。因此,可以根据不同点的信息分离结果对研究区域的异常地点进行定位。另外,在进行信息分离时需要注意块体边界。如果块体边界十分清楚,就可以同时利用块体内的多个点进行信息分离,否则应采用4个点进行信息分离。
(3)对应变计算的建议。根据应变计算公式可知3个不在一条直线上的点就可以计算一组应变参数。但通过前面的讨论可知用3个点计算应变没有多余观测,首先,不能对应变参数和欧拉参数进行精度评定,其次,非规则变形信息因被压入刚性运动和应变贡献变形中而无法识别。所以,建议在应变计算中应至少采用4个点。
中国地壳运动观测网络的有关工作人员提供了GPS时间序列数据,在此表示衷心感谢。
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