基于GNSS观测资料分析乌鲁木齐地区形变特征①

苏力坦·玉散， 艾力夏提·玉山， 刘代芹， 李桂荣， 方 伟

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

GPS观测以其高精度、高时空分辨率的特点获得越来越多科技工作者和众多研究机构的青睐，并将其应用到各个领域的观测工作中。在地壳形变研究工作中，利用GNSS技术可以获取水平定位精度优于3 mm，垂直精度优于5 mm的高精度地壳形变信息，这为地震趋势预测提供了可靠准确的基础观测资料[1-2]。特别是地震发生前后，GNSS观测资料的异常变化可以为地震中长期判定提供参考依据。乌鲁木齐地区在大地构造上，近场区北部为乌鲁木齐山前坳陷东南部，东部为博格达复背斜西端，南部为柴窝堡山间坳陷西部[3]。乌鲁木齐山前坳陷在研究区域内构造活动较强烈的地区，研究区域的断层信息(表1)(1)新疆防御自然灾害研究所.乌鲁木齐万达广场项目工程场地地震安全性评价报告, 2014年1月.。该区域历史上发生过多次中、强地震。研究区域附近2016年呼图壁发生过MS6.2地震，最近的一次地震是2015年乌鲁木齐MS5.1地震。

表1 乌鲁木齐区域主要断裂带

1 GPS资料及数据处理

目前中国地震局携手省局共建260个GNSS站的陆态网络，新疆区域有31个。乌鲁木齐城市勘察测绘研究院2008年建立乌鲁木齐CORS基准网络系统，该网络系统由7个基准站组成，目前已经有10多年的宝贵数据。该区域有2个IGS站(URUM和XJNS)和1个陆态网络站(URU2)。在陆态网络区域站的基础上，2016年新疆地震测绘研究院在乌鲁木齐市及周边地区建立了16个流动GNSS观测站，16个流动GNSS观测站，这些观测数据为研究乌鲁木齐地区的地壳运动现状提供重要支持[4](图1)。本文中采用2012～2019年的连续观测数据，站点均匀覆盖该研究区域，测站间距在30～95 km，CORS系统连续基准站有CHJZ、CWPZ、DBCZ、FUKZ、SEDB、URMZ和WJQZ。连续GPS观测站配置有Leica的1200双频GNSS接收机和扼流圈天线(GNSS天线型号为LEIAT504GG)，数据采样间隔为30 s。

图1 乌鲁木齐及周边地区站点和地震分布图Fig.1 Distribution of stations and earthquakes in Urumqi and its surrounding areas

GPS观测数据采用GAMIT/GLOBK10.6软件处理。为保证数据一致性及可靠性,数据处理采用统一的处理策略(表2)。选取欧亚大陆12个IGS站(CHUM、NVSK、NOVM、KIT3、IRKJ、POL2、ARTU、HYDE、IISC、LHAZ、URUM、ULAB) 做为基准站,分网处理的单日松弛解由12个均匀分布的IGS站做为公共站,与SOPAC处理的单日全 球解绑定,并采用七参数相似变换转换至 ITRF14参考框架。在ITRF14框架下进行整网平差得到测站单日坐标解的时间序列及求解站点在ITRF14参考框架下的三维速度值，在最新的ITRF14参考框架下运动速率反映该区域的动态运动。为了更好地展示大陆内部特征，以ITRF14框架约束的全球板块运动模型为背景场，获得该区域内相对欧亚板块的速度场[5-11]。

表2 解算数据采用的参数

2 资料处理结果

2.1 GNSS时间序列

通过数据处理，得到UCORS各连续基准站在ITRF2014框架下的坐标时间序列。对各基准站的坐标时间序列进行线性拟合得到7个站在NS向、EW向、垂直向3个方向的速率。CHJZ、SEDB两个站的坐标变化趋势有较好的一致性，离散度小且稳定(图2～3)。CHJZ站和SEDB站距离2016年12月8日呼图壁MS6.2地震分别为78 km和84 km。从站点时间序列图上看出此次地震发生前这些台站未出现明显的异常信息。震后CHJZ站北方向有微小的永久性变形，但变化量不大，原因是此次地震震源深度深，离震中距离远。

研究区域西部站点的北向运动速率高于东部站点的北向运动速率，西部区域的东向运动速率小于东部区域站点的东向运动速率(图2～8)。乌鲁木齐地区东南部的博格达弧形推覆隆起带，构造样式受前展式弧形推覆作用，新构造时期的平均抬升速率近1 mm·a-1。西山断裂、碗窑沟断裂、雅玛里克断裂为分界，南部的URUZ、DBCZ、CWPZ、SEDB四个站的坐标变化趋势一致，比较稳定，垂直向有微小的上升趋势。北部为准噶尔盆地南部沉降区，以沉降运动为主。北部的WJQZ、CHJZ、FUKZ三个站点的水平方向运动量基本一致且稳定，垂直方向均有下沉趋势，这与区域整体运动一致。DBCZ站因观测室建筑拆除，2016～2017年观测中断417 d，新建观测室后，将仪器架设在原有观测墩上，继续观测，以保持其观测的连续性，并数据质量满足地壳运动需求[12-15]。

图2 CHJZ站时间序列图(a) NS向 (b) EW向 (c) UP向Fig.2 Time series of station CHJZ 图3 SEDB站时间序列图(a) NS向 (b) EW向 (c) UP向 Fig.3 Time series of station SEDB

图4 DBCZ站时间序列图(a) NS向 (b) EW向 (c) UP向Fig. 4 Time series of station DBCZ 图5 CWPZ站时间序列图 (a) NS向 (b) EW向 (c) UP向 Fig.5 Time series of station CWPZ

WJQZ的垂直方向沉降速率显著，达到(-33.77±1.87) mm·a-1，同时存在强烈的季节性运动(图8)。测站位于气象局院内，站址为沙土，观测墩周围常年浇水，并被南、北、东3个方向树木遮挡严重。该站点南侧2 km处有大型水库。冬季水库水量多，夏季水库水供应灌溉后，水量相对较少，与该站时间序列的转折变化有很强的对应性。此外，该站附近东面、南面都有大面积的种植地，土质松软，水渗透力较强；附近地下水开发也直接影响到该站持续下沉。距离该测站26 km的CHJZ和31 km的FUKZ年平均垂直运动速率分别为(-4.14±0.23) mm·a-1和(-7.63±1.12) mm·a-1，远小于WJQZ的沉降速率。

2.2 GNSS水平速度场结果

表3显示各基准站在ITRF2014框架下的坐标速估值及误差，水平EW、NS方向平均速度分别为32.05 mm·a-1、5.13 mm·a-1，其解算精度均优于0.14 mm·a-1；垂直方向平均速度为-5.67 mm·a-1，解算精度均优于0.63 mm·a-1。水平方向的速度精度优于垂直方向。基准站NS向最大速率为32.46 mm·a-1,最小为31.59 mm·a-1,各站平均速率值为32.05 mm·a-1;东西向最大速率为7.41 mm·a-1,最小的速率为3.94 mm· a-1，各站的平均速率值为5.13 mm·a-1。

表3 ITRF2014框架下的乌鲁木齐UCORS站运动速度及中误差统计表(单位：mm·a-1)

为准确估算乌鲁木齐地区的相对形变信息，需减除该区域所处欧亚板块的运动速度,故将各站ITRF2014框架下的速度转换至欧亚板块框架下。表4是欧亚板块欧拉矢量参数。图9为相对欧亚大陆的运动速度图，蓝色是陆态网络区域站2012～2019年速度，红色是URCORS站速度，黑色是乌鲁木齐地区16个GPS流动站2016～2019年速度。各连续站附近的IGS(URUM)站水平方向运动趋势与中国地震局GNSS数据产品服务平台提供的研究区域附近的IGS站和“陆态网络”一致，表明结果可靠。从各点位的运动速率可以看出，博格达弧形断裂主要在近NNE向运动趋势的应力作用呈现出继承性运动，每年移位量不大。

表4 欧拉矢量参数表

图9 乌鲁木齐及周边地区现今地壳运动水平速度场Fig.9 Horizontal velocity field of present crustal movement in Urumqi and its surrounding areas

2.3 GNSS站点基线结果

由图9～13基准站和断层位置可以看到，从西山断裂、雅玛里克断裂以及碗窑沟断裂为分界线，南部站到北部站基线变化为拉张趋势，变化趋势基本一致且不明显，CWPZ与WJQZ之间有3个断裂带、URMZ与WJQZ之间有2个断裂带，其基线变化比其他基线变化大，与WJQZ沉降有关，其垂直方向变化量大。

图10 SEDB—CHJZ基线时间序列图Fig.10 Baseline time series of SEDB—CHJZ图11 DBCZ—FUKZ基线时间序列Fig.11 Baseline time series of DBCZ—FUKZ

图12 CWPZ—WJQZ基线时间序列Fig.12 Baseline time series of CWPZ—WJQZ图13 URMZ—WJQZ基线时间序列Fig.13 Baseline time series of URMZ—WJQZ

3 结 语

采用GAMIT/BLOBK软件对研究区域内的URCORS基准站和陆态网路和以及流动站数据解算，得到最新的ITRF2014框架下的各基准站的运动速度。对各基准站的时间序列分析，研究区域西部站点的南北向运动速率高于东部站点的南北向运动速率，西部区域站点的东西向运动速率小于东部区域站点的东西向运动速率。URCORS基准站的整体运动变化趋势与周边的IGS站和陆态网络基准站一致。本文中的FUKZ、SEDB、CWPZ、DBCZ四个站附近有陆态网络流动站，最近距离0.2 km，最远距离12 km，这些流动站和UCORS连续站总体运动趋势一致。各站点的时间序列表明，水平方向位移基本稳定，南北向运动趋势比较显著。URCORS基准站和流动GPS站的建设，将不断加强该区域的形变监测能力。