2011年3月11日,日本本州岛北部以东海域发生9.0级地震,此次地震及其引发的海啸造成了极大的破坏和严重的人员伤亡。据日本官方统计,实际死亡人数超过2万7千人,本州岛东北部地区大量沿海村镇被地震引发的海啸卷入海中。地震对福岛核电站4个核反应堆造成破坏,导致大气和海水遭受放射性污染。

由日本境内GPS观测数据计算得到的同震位移场结果显示,本州岛北部地区存在显著的东向位移,水平位移量最大达5～6 m(尹继尧,朱元清,2011)。日本9.0级地震对我国的GPS基准站同震影响有多大?日本境内及周边的IGS基准站基线时间序列是否包含了此次大震的孕震形变信息?本文利用国家重大科技基础设施项目“中国大陆构造环境监测网络”积累的10年多的GPS连续观测资料以及中国大陆周边包含日本境内的IGS基准站数据,分析此次地震对中国大陆GPS基准站产生的同震影响,对地震前日本境内及周边IGS基准站基线时序结果的趋势性异常变化情况进行分析,并通过对中国大陆内部GPS基准站基线时间序列近期变化情况的总结分析,初步探讨日本9.0级地震对中国大陆构造形变场的影响。

本文使用的数据是1999年初至2011年9月25日的中国地壳运动观测网络基准站及中国大陆周边包含日本境内的IGS基准站记录的观测资料,GPS连续站观测值的数据处理采用GAMIT/GLOBK软件完成(Herring et al,2010)。数据处理的基本流程:首先利用GAMIT获得网络工程33个连续站及中国大陆周围IGS测站的区域单日松弛解(王敏等,2005a,2005b,2007)。GAMIT计算中加入周边16个IGS站(IRKT、KIT3、USUD、SUWN、ULAB、TSKB、TWTF、DAEJ、KHAJ、IISC、MIZU、PIMO、POL2、SELE、YAKT和YSSK)相应时间段内记录的数据一并进行处理。再利用GLOBK将SOPAC给出的全球单日松弛解和计算所得的区域单日松弛解进行综合平差,在此基础上通过IGS核心站求解相对于全球参考框架ITRF2005的相似变换7参数,从而获得ITRF2005下的单日解,即GLOBK的NEU坐标值,不同于通常的站心坐标,其具体含义可参阅黄立人等(2006)的研究。要计算两点之间的大地线(武艳强等,2007,2009),须先获取两个端点精确经纬度,具体计算程序可参阅GAMIT/GLOBK程序包,最后根据大地主题解算公式(孔祥元等,2001)就可以计算得到两点间的大地线长度。

2011年3月11日日本9.0级地震是自20世纪有仪器记录以来的第4大地震。日本列岛地处太平洋西北,是太平洋板块、北美板块、菲律宾板块和欧亚板块的交汇处。此次地震发生在太平洋板块与北美板块交界的俯冲带上,在该区域太平洋板块以80 mm/a的速率相对欧亚板块向西运动(DeMets et al,1994),插入北美板块下部。

为了探讨日本9.0级大震前GPS基线的变化情况,本文选择了部分IGS基准站进行分析。包括中俄边界的基准站KHAJ,中国东北的基准站CHAN,朝鲜半岛上的基准站SUWN和DAEJ,日本境内的4个IGS基准站(YSSK、MIZU、USUD和TSKB),其中离此次地震最近的IGS基准站为MIZU,其次为TSKB和USUD(图1)。

由于所选择的部分IGS测站距离日本9.0级地震震中相对较近,因此GPS基线时间序列的同震变化较大,尤其是与测站MIZU相连的基线最大同震变化达3 m。同震变化的巨大量级掩盖了震前的

图1 日本境内及周边IGS基准站和基线分布
Fig.1 Distribution of IGS reference stations and baselines in Japan and its surrounding area

本文的分析侧重于GPS基线时间序列的趋势性转折变化,即时间序列的最低频部分,反映的是构造形变成分。而基线时间序列的非构造形变周期成分(如年周期、半年周期等)、随机漫步噪声、闪烁噪声、白噪声等中高频成分可以在时间序列的后期处理中通过各种滤波方法进行分解和剔除(黄立人,2006; 黄立人,符养,2007; 杨国华等,2007)。由图2可看出,由于长时间趋势变化幅度远大于高频信息(包括高频噪声和各种误差),在不剔除高频信息的情况下,同样能显示出构造活动引起的低频趋势性变化。因此本文只讨论GPS基线时间序列的最低频部分的构造形变信息,以观察其在大震发生前可能出现的异常。

本文实际分析的时序基线分布如图1所示,限于篇幅,图2只给出了其中部分基线时序曲线。图2中有4条基线(USUD-TSKB、YSSK-TSKB、SUWN-YSSK 和DAEJ-YSSK)震前的趋势性变化出现了转折。其中YSSK-TSKB从2006年下半年开始转折转平,而SUWN-YSSK和DAEJ-YSSK两条基线也都在2006年下半年发生转折,2006年下半年之前基线的变化为线性缩短,缩短速率约10 mm/a,之后基线缩短速率明显减小,约为3 mm/a。YSSK-TSKB、SUWN-YSSK 和DAEJ-YSSK这3条基线在2006年下半年的同步转折变化不能排除YSSK单点变化的可能性。但作为IGS基准站,选点及点位保护是比较完善的,甚至很可能是基岩点,假如在同一块基岩上再建一个点,这两个点的运动会比较一致,这里所谓的单点变化,很可能已不是通常意义上的因为点位不稳定引起的单点变化,也可能是代表局部一定范围内的地壳运动。

值得关注的是日本境内的基线USUD-TSKB的变化,USUD和TSKB这两个测站距离日本9.0级大震震中比YSSK测站近的多(YSSK是日本境内距震中最远的一个IGS基准站),基线USUD-TSKB呈东西向展布。在1999～2008年近10年的时间内这条基线的运动都是相对平稳的线性缩短,缩短速率约4 mm/a,2008年开始,该基线的运动出现转折。2008年至2011年3月11日地震前3年多的时间内基线只有小幅的波动,运动趋势既没有持续伸长也没有缩短,处于相对闭锁的状态。震后USUD-TSKB基线出现巨幅拉伸,同震伸长了约400 mm,由于同震形变巨大,3月11日后的时间序列图本文没有给出。距离地震震中较近的MIZU-TSKB和MIZU-USUD基线震前的趋势性运动并没有出现异常,与东西向展布的USUD-TSKB基线不同,MIZU-TSKB基线近南北向展布,而MIZU-USUD基线为北北东向展布。

图2 日本9.0级地震前部分GPS基线时间序列的变化
(a)USUD-TSKB基线;(b)MIZU-TSKB基线;(c)MIZU-USUD基线;
(d)YSSK-TSKB基线;(e)SUWN-YSSK基线;(f)DAEJ-YSSK基线
Fig.2 Time series variation of some GPS baselines before Japan M9.0 earthquake

表面上看以上6条基线的变化不是很一致,但从统一的机理上还是能够给出较为圆满的解释。首先,6条基线都呈缩短的变化,基线的展布方向为北东向至东西向,这与该区域主要受来自北东向北美板块的挤压与来自东向太平洋板块的挤压有关。其次,相对长边缩短的量偏大,说明在统一地壳应力场的变化中基线的缩短有弹性变形的成分。当应变一定时,总弹性变形量与基线的长度成正比,但由于地壳的不均匀性,包括塑性、蠕变等非线性变形在空间域和时间域中均广泛存在,其正比关系并不严密。其中东西向展布的基线USUD-TSKB近10年的长趋势运动特征为线性缩短,尽管缩短量不是最大的,但考虑其边长短,其应变量是最大的,显示了地壳应力应变在空间上存在着不均匀性。且该基线离震中较近,是震前受太平洋板块东西向挤压较强烈的地方,因此东西向应变最大,同震巨幅拉伸达400 mm。地震破裂发生时,强大的东西向压应力突然释放,长期积累的压应变的弹性部分必然同时释放,导致USUD-TSKB基线巨幅拉伸。但是从2008年开始至2011年3月11日地震发生前3年多的时间内,这条基线的运动趋势出现了明显的偏离,转折进入了非正常的闭锁状态,这种闭锁可能是日本9.0级大震前的一种临界状态。相比之下,同样离地震震中较近的MIZU-TSKB和MIZU-USUD基线震前趋势缩短速率明显偏小,主要是因为基线展布方向为北东向和南北向,而该期间主要应力加强的方向为东西向。其余3条基线总的缩短量较大,与基线较长有关。3条基线在2006～2007年前后出现了同步转折,压性缩短的速度同步变缓,可能意味着在较大范围内进入了较强的压应变临界状态,但2008年6月13日日本本州岛北部岩手—宫城里氏7.2级大震产生的同震形变并不明显,可能是由于这3条基线离震中较远,主要原因可能还是地震震级、地震破裂方向与基线方向的关系决定的。同时这也说明2006～2007年前后3条基线的同步转折异常并没有因2008年7.2级地震而解除,大范围的压应变虽然有所减缓,但并未解除,总的压应变量仍在累积增加,这种压性应变累积到一定程度,就会面临破裂而发震。日本9级特大地震,或许说明了这一点。

表1给出了我国部分GPS基准站日本9.0级地震同震形变量值统计,表中最后两列是王敏等(2011)得出的结果,通过比较可以看出,差别很小,基本都在GPS水平定位的精度范围以内。

表1 我国GPS基准站日本地震同震形变量值统计(单位:m)
Tab.1 Statistic of coseismic deformation value of Japan M9.0 earthquake at GPS reference stations in China(unit:m)

由表1可看出,日本9.0级地震对我国东北和华北地区的GPS基准站造成了毫米至厘米级的同震水平位移,同震形变最大的测站依次为东北的

SUIY,CHUN和HRBN。SUIY站东向位移达28 mm,南向位移达16 mm,另外天津的JIXN站东向位移9 mm,北京的BJSH测站东向位移约8 mm,

图3 东北和华北地区日本地震同震形变显著的部分GPS基准站时序分量
(a)SUIY站东向位移分量;(b)SUIY站北向位移分量;(c)HRBN站东向位移分量;
(d)HRBN站北向位移分量;(e)JIXN站东向位移分量;(f)BJSH站东向位移分量
Fig.3 Time-series components of obvious coseismic deformation at some GPS reference stations in Northeast and North China caused by Japan M9.0 earthquake

华东沿海的SHAO测站东向位移约6 mm。东北地区的GPS基准站东向和南向位移都较显著,华北地区的测站东向位移量显著,南向位移不明显。总的看来,同震位移量向西迅速衰减,至我国西部的GPS基准站如LUZH等已趋近于零。日本地震对我国GPS基准站造成的垂向位移很微弱,GPS的定位精度还无法检测到。图3给出了受日本地震同震影响显著的我国东北和华北地区部分GPS基准站时序分量的结果,其时序曲线是从2010年第269天至2011年第268天整一年的结果。

(1)日本地震对中国大陆GPS基准站的影响

图7 2006或2008年后趋势性异常仍然存在的GPS基线时间序列
(a)HLAR-YANC基线;(b)BJSH-TAIN基线;(c)BJFS-ZHNZ基线;
(d)JIXN-TAIN基线;(e)JIXN-SHAO基线;(f)TAIN-ZHNZ基线
Fig.7 GPS baseline timeseries of trend anomaly after 2006 or 2008

主要表现在水平向坐标时序分量上,地震对我国东北和华北地区的GPS基准站造成了毫米至厘米级的同震水平位移。东北地区的GPS基准站东向和南向位移都较显著,华北地区的测站东向位移量显著,南向位移不明显,同震位移量向西迅速

衰减。日本地震造成的我国GPS基准站垂向位移很微弱,GPS的定位精度还无法检测到。

(2)通过日本9.0级地震前日本境内及周边IGS基准站基线时序结果分析,日本境内的GPS基线USUD-TSKB的运动趋势在2008年出现转折,

图8 西部地区2008年或2010年以来伸长速率减缓的GPS基线时间序列
(a)DLHA-WUSH基线;(b)XIAG-KMIN基线;(c)URUM-DLHA基线;
(d)LHAS-KMIN基线;(e)LUZH-KMIN基线;(f)WUSH-LHAS基线
Fig.8 GPS baseline timeseries of stretch rate turn to slow since 2008 or 2010 in West China

2008～2011年在地震前3年多的时间内,东西向展布USUD-TSKB基线处于相对闭锁的状态,笔者分析认为这种闭锁可能是大震前的一种临界状态。

(3)我国西部地区GPS基线受日本地震影响小,东部地区GPS基线时间序列受日本地震的影响,震后的变化基本上可分为3类:部分基线在日本地震后有所缩短,如HLAR-BJSH、CHUN-SHAO和HLAR-JIXN基线; 部分基线震后开始转折拉伸,如BJFS-JIXN、BJSH-JIXN、BJSH-YANC、CHUN-YANC、JIXN-YANC和CHUN-BJSH,因此日本地震在一定程度上缓解了这些基线近几年以来的趋势性缩短; 另外还有部分基线的变化趋势基本不受日本地震的影响,如HLAR-YANC、BJSH-TAIN、BJFS-ZHNZ、JIXN-TAIN、JIXN-SHAO和TAIN-ZHNZ基线自2006年或2008年以来的趋势性异常变化至今仍然存在。

感谢薄万举研究员对本工作的指导和武艳强高级工程师提供的GPS基线计算程序。