基于高频GPS位移时序的芦山地震特性分析

基于高频GPS位移时序的芦山地震特性分析
顾铁;李萌;陈聪;刘江
【摘要】通过解算芦山地震周边20个CORS站的10 Hz数据,分析震时地表形变特征,探索水平位移峰值衰减规律并反演面波震级.结果表明:所有测站都产生了不同程度的震动,震动位移均为厘米级,震中距较小的QLAI、SCTQ和YAAN站受地震影响最大,水平位移峰值在50 mm左右,其他测站水平位移峰值在18 ～28 mm范围内.高频GPS测定的水平位移峰值与震中距呈指数关系衰减.利用Gutenberg经验回归公式反演面波震级,结果为6.78,所用最短时间为震后142 s.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2015(015)016
【总页数】6页(P128-133)
【关键词】芦山地震;高频GPS;地表形变;震中距;水平位移峰值;震级
【作者】顾铁;李萌;陈聪;刘江
【作者单位】四川省地震局,成都610041;成都理工大学,成都610000;四川省地震局,成都610041;四川省地震局,成都610041
【正文语种】中文
【中图分类】P315.73
2013年4月20日8∶02∶46四川省芦山县发生Ms 7.0级地震，此次地震给国家和人民带来了极大的灾难。

地震发生后，如果能够快速获取震时信息，对确定地
震三要素、震源破裂过程和地壳形变特征等具有重大意义。

目前，我国主要采用地震仪获取震时地表运动参数，进而确定地震三要素、同震位移场等，但无法获得地表震时运动过程，从而限制了对近场地表运动学特征的研究。

当有强震发生时，地震仪易产生振幅饱和现象，以致低估地震的破坏程度［1—3］。

近几年，GPS技术用于地震学的研究已是国际热点，逐渐形成了“GPS 地震学”［3，4］。

相对于地震仪，GPS的最大优势是可直接获取地动位移，且其精
度随震动位移的增大而提高［5—7］。

高频 GPS具有很高的时间分辨率，能不失真地详细记录地表瞬时形变过程，不存在振幅饱和现象，这也为准确地反演地震震级提供了可能［8，9］。

近几年高频GPS在反演震级方面得到了广泛应用，2011年Allen等人通过高频GPS地震数据获取断裂带的平均位移量，根据矩震级计算公式探讨了其适用性，
结果表明由高频GPS技术反演的震级能够用于地震预警［10，11］。

2012 年Wright等首次提出采用高频GPS实时PPP数据处理结果确定地震矩震级［12］。

2013年，方荣新等采用实时精密单点定位算法获取高频GPS测定的水平位移峰值，根据Gutenberg经验震级公式证明了高频GPS具有面波震级反演的能力［13］。

现通过解算芦山地震近震区20个GPS站的10Hz数据，获取地震引起的地表运
动过程，分析其形变特征，拟合GPS测站水平位移峰值与震中距的关系，并根据Gutenberg经验回归公式反演芦山地震的面波震级。

1 数据解算
所用高频GPS数据来源于四川省地震局GPS观测网络和中国地震局陆态网络数据，测站分布如图1。

图1 CORS测站点位分布图(红色五角星表示震中位置)Fig.1 The distribution of CORS sites(the red star represents the epicenter of Lushan earthquake)
利用rtklib程序中数据后处理rtkpost模块对芦山地震10 Hz GPS数据进行解算，采用双差动态定位模式。

为提高数据处理精度，经测试程序设置如下:对流层改正
采用Saastamoinen模型，电离层延迟采用双频消电离层模型，卫星截止高度角
设置为15°，卫星轨道采用国际GNSS服务组织(IGS)提供的精密星历。

数据处理时，基准站的选取至关重要。

地震发生时，近震区所有测站都会引发震动，若选取远震区测站作为基准站又因基线过长而使数据解算精度降低，因此数据处理时选取了RENS和JIGE两个测站作为基准站。

四川地区S波速度约为3.2 km/s ［14，15］，从测站的位移时序估计震动持续了 40 s，因此数据处理时控制流动站与基准站到震中的距离之差大于128 km，确保流动站在震动过程中基准站是静止不动的。

数据解算结果E方向标准偏差均小于9 mm，N方向标准偏差均小于
11 mm，U方向标准偏差均小于29 mm。

数据处理所得位移时间序列如图2所示。

表1 双差数据解算基准站的选取方案Table 1 The scheme of base station with double difference基准站测站震中距/km 基准站测站震中距/km QLAI 30 SCXD 231 SCTQ 34 SCSN 249 YAAN 36 PENX 266 JIGE SCXJ 99 RENS SCSP 269 PIXI 100 SCJU 279 RENS 107 LUZH 284 CHDU 110 SCNC 287 ZHJI 169 JIGE 325 SCMX 174 SCGY 363 SCYX 191 SCBZ 398
2 震时地表运动特征
为详细分析芦山地震地表位移随时间的变化情况，图2自上而下依次列出了六个
测站在东西、南北、垂直方向的震时位移时间序列。

为突出数据变化主要受地震影响，三分向曲线除去了时序线性项。

图中横轴表示北京时间8时02分00秒～8
时04分44秒，纵轴表示位移分量值。

为便于比较，将各个测站的位移分量在竖
直方向做了一定量的偏移，测站依据震中距大小排列，震中距由下往上递增。

从图2可看出，地震发生后，在时间上因测站震中距不同，起始变形时刻不同;从
振幅看不同测站的振幅不同，随测站震中距的增大，振幅逐渐减小;同一测站不同
方向的振幅也存在差异。

地震波到达震中距相对较大的三个测站PIXI、RENS、CHDU所用时间与到达震中距较小的三个测站QLAI、SCTQ、YAAN所用时间存
在一个明显的时间差，时间差虽小，但如果能够用于地震快速预警，对地震应急，减灾救助有很大意义［16—18］。

图2 GPS测站位移时间序列Fig.2 Time series of GPS sites displacements
为分析芦山地震在空间域内地表运动情况，因篇幅有限，仅给出了四个测站在震后1 min的水平运动轨迹，如图3所示。

从图3中可以看出，地震发生后，四个测
站都有不同程度的震动，震动位移均在厘米级范围内。

距离震中最近的QLAI站先向西南方向运动，在西北方向达到水平位移峰值，最后稳定在震前位置的西南方向;SCTQ站一直在相对于震前位置的西南方向运动;YAAN站先围绕震前位置震动，在西南方向达到水平位移峰值，最后稳定在震前位置的正北方向。

图3 GPS测站震时水平运动轨迹(红色圆圈表示震前测站位置，红色正方形表示测站最大振幅位置，黑色三角形表示震后稳定位置)Fig.3 Horizontal trajectory of GPS sites(The red circles represent the sites position before the earthquake，the red squares represent the peak amplitude of the sites position and the black triangles represent the stable position after the earthquake)
3 高频GPS反映的芦山地震特性
3.1 水平位移峰值衰减特性
计算所选20个测站的水平位移提取最大值，即为水平位移峰值。

表2列出了所有测站的震中距和水平位移峰值。

通过比较发现距离震中最近的三个测站QLAI，SCTQ和YAAN水平位移峰值在50 mm左右，其次是CHDU站，水平位移峰值
为28 mm，其他测站水平位移峰值均在18～27 mm范围内。

表2 20个CORS站的震中距和水平位移峰值Table 2 The epicentral distance
and peak horizontal displacement of CORS sites测站震中距/km水平位移峰值/mm 测站震中距/km水平位移峰值/mm QLAI 30 57.9 SCXD 229 21.8 SCTQ 34 48.8 SCSN 247 23.1 YAAN 35 44.1 PENX 264 18.5 SCXJ 98 20.1 SCSP 267 21.9 PIXI 99 27.2 SCJU 278 19.8 RENS 107 19.6 LUZH 282 22.0 CHDU 109 28.4 SCNC 286 19.2 ZHJI 167 20.3 JIGE 323 20.4 SCMX 173 22.5 SCGY 360 19.7 SCYX 189 21.2 SCBZ 396 18.9
地震动位移的衰减是地震区划与安全性评价的重要依据，用于揭示地震动场的分布规律［19—21］。

Crowell等在2009年总结出最大地动位移(PGD)和震中距(r)的关系，PGD大约与r－2成比例衰减，并指出这一关系可用于地震震级的反演［8］。

为探索基于高频GPS数据的四川地区地震动水平位移峰值衰减特征，根据20个测站的水平位移峰值(PHD)和震中距(r)，拟合二者衰减关系曲线。

结果表明PHD 与r－1.66呈正比关系衰减，衰减曲线如图4中黑色实线所示，此关系恰好与Gutenberg经验回归公式中水平位移峰值和震中距的关系相吻合，为下文反演面波震级提供了可行性。

图4 芦山地震水平位移峰值与震中距的关系(蓝色圆点表示所有测站的水平位移峰值，黑色实线表示水平位移峰值衰减曲线)Fig.4 The relation between peak horizontal displacement and epicentral distance(The blue dots represent the peak horizontal displacements of all sites，the black line is the line of slope，representing the attenuation in peak displacememt with epicentral distance)
3.2 震级反演
2013年武汉大学方荣新，等利用三次强震2010年EI Mayor-Cucapah 7.2级、2011年Tohoku-oki 9.0级和2010年Maule 8.8级地震的高频GPS数据，根据
1945年Gutenberg由大量地震数据推导出的经验震级公式，探索了高频GPS技术在面波震级反演中的应用，反演所得面波震级分别为7.18±0.18、8.74±0.06、8.7±0.1，表明高频 GPS技术具有强震面波震级反演的能力［13］。

本文以下对芦山地震面波震级的探讨采用Gutenberg经验回归公式［13］，即
式(1)中，A为水平方向最大位移，r为震中距。

节3.1已说明芦山地震高频GPS水平位移峰值用于式(1)的可行性，采用式(1)来反演芦山地震面波震级，结果如表3所示。

从表3可看出，距离震中最近的三个测站QLAI、SCTQ和YAAN，震级估计在5.8左右，其余测站震级估计在6.21～7.19范围内。

表3 芦山地震面波震级反演结果Table 3 Estimated magnitude results of all sites测站震级测站震级QLAI 5.82 SCXD 6.86 SCTQ 5.83 SCSN 6.94 YAAN 5.82 PENX 6.89 SCXJ 6.21 SCSP 6.97 PIXI 6.35 SCJU 6.96 RENS 6.26 LUZH 7.01 CHDU 6.44 SCNC 6.97 ZHJI 6.60 JIGE 7.08 SCMX 6.67 SCGY 7.14 SCYX 6.71 SCBZ 7.19
震中距较小的三个测站QLAI、SCTQ和YAAN，所得震级较小，原因是测站距离震中较近，并不能近似视震中为点源［13］。

震中距较小的测站是地震波较先到达的测站，虽震级估计较小，不适合用来获取可靠的震级值，但对地震预警系统中的震级估计有很大意义。

为清楚地分析震级估计结果，绘制震级与震中距的关系图，如图5所示。

从图中可以看出，震中距较小时，震级估计较小，随着震中距的增大，震级估计也随之变大，到震中距大约为300 km时，可提供可靠的震级值。

去除QLAI、SCTQ和YAAN站，计算平均震级为6.78。

图5 芦山地震震级值反演结果Fig.5 The results of estimated magnitude value
地震发生后，如果能在最短时间内计算出可靠震级，对抗震救灾具有重大作用。

为了评估地震发生后，基于高频GPS的震级反演在多长时间内能够提供可靠的震级值，以芦山地震为例，提取各测站运动至水平位移峰值的时间，计算平均震级，绘制平均震级与时间的关系图，结果如图6所示。

图6 芦山地震平均震级随时间变化图Fig.6 The estimated average magnitude changed with time after Lushan earthquake
图6展示了芦山地震发生后震级随时间的变化，横轴表示时间，纵轴表示平均震级，从图中可看出随着震后时间的推移，平均震级逐渐增大，地震发生后的1 min 左右，震级估计较小，可提供参考，用于震后预警等;到震后的142 s，可以得出稳定可靠的震级值，这一结果表明高频GPS可用于震级的快速反演。

当然获取可靠震级值所需最短时间主要取决于测站相对于震中的位置和地震波的传播速度，因此测站分布、地壳机制的不同都会造成结果的不一致。

4 结语
利用20个CORS站在芦山地震前后5 min的10 Hz数据，探索了高频GPS位移时间序列在获取地表运动过程、水平位移峰值衰减规律和面波震级反演中的应用。

结果如下。

(1)高频GPS可以详细地记录地震发生时地表的运动过程和形变特征。

地震波到时各站均有不同程度的震动，距离震中较近的 QLAI、SCTQ和YAAN站受地震影响最大，水平方向的最大位移在50 mm左右，其他测站水平位移峰值在18～27 mm范围内。

地震使得近震区的部分测站产生了不同程度的同震形变。

(2)分布于芦山地震周边的20个CORS站震时地表的运动特征表明，四川地区震时地表的水平位移峰值与震中距呈指数关系衰减，即 PHD与r－1.66呈正比关系衰减。

这一关系不仅揭示了芦山地震影响场的分布情况，也为采用Gutenberg经验回归公式反演芦山地震震级提供了可行性。

(3)距离震中较近的三个测站QLAI、SCTQ和YAAN，震级反演结果在5.8左右，与实际情况相差较大，后续研究将进一步探索其原因并改进。

剔除QLAI、SCTQ
和 YAAN站，其他测站所得震级在6.21～7.19范围内，平均震级为6.78，获得
此震级值所用最短时间为震后142 s，表明高频GPS可用于地震震级的快速反演。

较精确地反映了芦山地震的地表形变特征和震动强度，为指导地震应急救援奠定了基础。

同时，还应进一步深入速度、加速度时间序列分析，结合地震仪数据更详细地反演震源破裂过程、地震影响场等。

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