2008年汶川大地震临震前震中附近是否存在显著的地壳垂直运动?

王 敏 沈正康

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2)北京大学地球和空间科学学院，北京 100871

0 引言

地震是否可预测在学界一直存在争议。理论上，地震前由于应力应变逐渐积累和加强，震源区及附近物质发生一系列物理、化学和生物的异常变化是可能的。由于相似的变化可能有不同的成因，因此如何捕捉这些异常变化及如何区分异常的成因非常关键。近10年来中国大陆及周边地区发生多次大地震，每次大震发生后都有关于震前异常的研究论文发表，这些研究在一定程度上对强震研究以及未来地震活动监测分析是有意义的。但是，也有很多震前异常的证据经不住推敲，不排除是受到与地震发生过程无关的一些事件，如气象、潮汐、人为干扰等因素的影响。

2008年5月12日的汶川MS8.0地震是自1976年唐山地震以来发生在中国大陆的最大灾难事件，地震造成近9万人遇难，直接经济损失达8千亿元人民币。地震发生3年后，通过对GPS数据的动态处理分析，顾国华等(2011)认为在地震前1小时内震中附近有非常显著的地壳垂直运动发生，其中距震中约36km的郫县GPS连续站(PIXI)垂向位移超过300mm。这一成果的发表很大程度上提升了地震学界对通过高频GPS观测技术实现地震短临预报的预期，因为如果在地震临震前存在如此大的地壳形变异常，高频GPS观测技术确实具有实时的监测能力，对于地震的监测和预报将具有非常重要的意义。

高频GPS观测技术是近年来GPS技术发展的一个重要方面，在研究地震前后地壳形变短期变化过程(Larson et al.，2003;Bock et al.，2004)、地震震源破裂过程(Ji et al.，2004;Crowell et al.，2012)等方面取得了非常广泛的应用。但是，高频GPS数据解算的精度和可靠性还是受到多种因素的制约，特别是载波相位的周跳探测、整周模糊度解算都极大地依赖于观测点至参考点的距离(双差模式)或精密的星历和钟差(非差模式)(方荣新等，2009;张小红等，2010;Liu，2011)。

本文提出了一种基于数据静态处理得到的载波相位观测残差来分析测站位置动态变化的方法;采用这种方法对汶川地震前震中附近几个GPS连续站的数据进行分析，结果表明汶川地震前震中附近并不存在显著的地壳运动。

1 数据分析方法

与动态处理技术相比，GPS数据的静态处理技术已相当成熟，各种误差源对测站位置影响的改正也日渐精确。固体潮、极潮和海潮的影响采用模型改正可以达到mm量级的精度(Petit et al.，2010);电离层折射的一阶项影响可以采用L1和L2载波观测量的去电离层线性组合消除，对流层折射延迟则可以通过模型加天顶延迟参数估计的方法得到有效改正;利用双频的精码伪距组成Melbourne－Wübbena组合(Melbourne，1985;Wübbena，1985)则可显著提高载波相位模糊度的整周固定率(Steigenberger et al.，2006;Shen et al.，2011)。因此，如果测站在某一时间段内发生瞬时扰动，那么将这一时间段的数据进行静态处理，处理后的相位观测残差则主要反映了测站的位置扰动和多路径效应。如果忽略或削弱测站多路径效应的影响，测站相对于数据时段平均位置的扰动则成为相位观测残差的主要来源。

假设测站相对于数据时段平均位置的瞬时位置为［xexnxu］(以下简称测站位置)，忽略测站多路径效应的影响，则同一时刻的相位观测残差Li和其误差σi可分别表示为

上式中ei、di和αi分别为相位观测残差Li的截止高度角、天顶距和方位角，di=90－ei;a和b为测站观测误差系数，等同于数据静态处理中所确定的结果(Herring et al.，2010)。因为任意时刻都能跟踪到6～12颗卫星，因此，通过最小二乘方法可以得到任意时刻的位置，从而构成测站位置时间序列。

2 GPS测站的动态变化

汶川地震发生在2008年5月12日北京时间14:28:04，即2008年133(年积)日的UTC时间06:28:04。采用GAMIT软件(Herring et al.，2010)对汶川地震近－中场的几个GPS连续站(图1)和周边CMONOC基准站2008年127—133日地震发生前的数据进行单日静态处理，并采用上述方法产出30s间隔的测站位置时间序列，其中成都站(CHDU)、郫县站(PIXI)和都江堰站(DUJY)的垂向位置时间序列如图2所示(虽然127—132日数据均有24h时长，但为了便于对比分析，图中只展示了与133日数据时段相关的部分)。从图2可以看出，位置时间序列在相邻日的近似时刻有着相似的起伏变化趋势，虽然在不同站上的相似程度有所不同。

图1 GPS连续站的位置及其汶川地震的同震位移Fig.1 Continuous GPS station locations and their Wenchuan earthquake coseismic displacements.

GPS卫星的运行周期约为11h58min。在同一测站上，不同天的卫星空间分布相同，只是每天提前约4min。相同的卫星空间分布决定了一个测站不同天的观测受到的多路径影响是相似的。如果多路径效应是相位观测残差的主要来源，那么所获得的位置时间序列的相关性就高，反之就低。我们计算了每个测站相邻2天位置时间序列(间隔23h56min)的相关系数(表1)，结果显示水平分量的相关系数通常大于垂向分量的相关系数，这与多路径效应对低角度观测影响显著而低角度观测对水平向定位贡献较大的基本认知是一致的。对流层延迟的影响仍然是垂向定位误差的一个主要来源，但对流层延迟的影响与大气湿度有较大的相关性，呈现偶然性误差特征，与多路径效应所具有的恒星日重复性明显不同。从位置时间序列相邻2天的相关性可以看出DUJY的多路径效应比较严重，PIXI次之，CHDU最弱。

测站位置时间序列中的多路径效应可以利用卫星轨道重复性的特征构建模型进行修正(Ge et al.，2000;Choi et al.，2004)。本文对每个GPS站127—132日对应于相同卫星分布的观测相位残差取平均，得到一个简单的测站多路径效应改正模型。经过多路径效应改正模型修正后的133日测站垂向位置时间序列见图3。

3 结果和讨论

图2 2008年127—133日GPS连续站的垂向位置时间序列Fig.2 Vertical component time series of GPS stations from day 127 to day 133 of 2008.

图3给出的测站垂向位置时间序列反映了测站在垂向上的动态变化，从中可以看出CHDU、PIXI和DUJY的垂向位置在2cm的范围内呈现偶然性的波动而没有继承性的变化，这表明汶川地震发生前3个站都不存在cm量级的垂向形变。此外，3个站132日与133日的位置时间序列相关性(表1)，特别是DUJY垂向分量的相关系数高达0.74，也表明133日与132日相比并没有明显的附加误差源或形变源。DUJY比PIXI距地震震中更近，距离约为25km，如果主震前有能量释放导致的断层面位错发生，那么DUJY的形变应大于PIXI。DUJY的观测在地震前7min突然停止，原因有待调查与核实。

汶川地震发生于5月12日UTC时间06:28:04，由于本文采用的数据为30s采样，因此只能看到测站在06:28前的变化而难以分析地震发生时的变化。殷海涛等(2010)曾利用PIXI仅有的65s时长的高频数据(1Hz)分析了震时的形变过程并与强震仪的结果进行比对，其结果显示地震波达到前(到时约为06:08:25)PIXI并没有明显的震动过程。

表1 测站位置时间序列的相关系数Table 1 Correlation coefficients between station coordinate time series

图3 2008年5月12日汶川地震前GPS站的垂向位置变化Fig.3 Vertical movement of GPS stations before the May 12 Wenchuan earthquake，2008.

图1给出了汶川地震近－中场的几个GPS连续站的静态同震位移，该位移是利用地震前后各3天的数据获得的，地震当天的数据未采用(Shen et al.，2009;王敏，2009)。如果PIXI在地震前1小时存在300mm的下沉，那么，其静态垂向位移应远＞300mm，而事实上，PIXI的静态垂向位移仅为80mm。而且，虽然汶川地震以逆冲为主，垂向位移非常显著，但图1显示的GPS站同震水平向位移还是远大于垂向位移，整体图像基本遵从弹性半空间内逆冲破裂造成的位移场分布特征。同样，如果主震前发生的断层面位错造成地表形变，那么其特征也应与同震位移的类似，即DUJY、PIXI等GPS站的震前地表位移也应是水平方向大于垂直方向，而水平位移比垂向位移更容易被监测到。

本文的分析结果表明2008年汶川大地震前震中附近并不存在显著的地壳运动。高频GPS作为一个新的监测手段可以为认识地壳瞬时运动状态、研究地震破裂过程提供基础资料，但数据分析的正确性是至关重要的。而且，对数据异常的分析不能违背一些已知的与地震过程相关的地质学和地球物理学的基础知识和规律。只有这样，才能通过对一系列大地震相关观测资料的分析和研究探寻与地震发生过程密切相关的观测量及其变化规律，并由此加深对构造演化、震源物理和破裂过程等重大科学问题的认识，提升地震预测研究的水平。

本文提出的基于静态数据处理得到的相位观测残差分析测站位置动态变化的方法，其应用的前提是测站位置的变化不会造成载波相位观测的整周突变，加之不能实时实现，因此并不能替代高频GPS方法用于大地震的震时动态过程监测。但是，该方法基于静态定位原理和算法，具有更高的精度和可靠性，可以作为高频GPS方法的一种检验或补充的手段，为非震时的地壳形变异常监测提供可靠性的保证。