新疆4次MS≥6.0地震基线时间序列异常变化特征研究①

丁 宇, 李桂荣, 朱治国, 李 瑞, 苏力坦·玉散, 李 杰, 刘代芹, 杨 磊, 赵 磊, 孙小旭, 塔依尔·喀哈尔

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

GNSS观测能够提供大尺度、全天候、高精度的位置信息，因此被广泛应用于测量、军事、交通运输和大气研究等诸多科研和生产领域[1-2]。特别是地壳运动观测网络和中国大陆构造环境监测网络的建设，大幅度提高了连续GNSS观测的密度和观测的精度，为其应用于高精度地壳形变监测提供了海量可靠的基础数据。GPS基线时间序列能在一定程度上削弱系统误差和共模噪声的影响，因此比单个测站坐标时间序列更能灵敏的反映周围构造环境的变化[3]。新疆地区地震活动频度高、强度大、分布广、灾害重，历史上曾发生过多次强震，造成了巨大的生命财产损失。2011年以来，新疆共发生了10次MS≥6.0地震和1次MS≥7.0地震。那么这些强震前后GPS基线是否有变化？GPS基线时间序列是否揭示了MS≥6.0强震的前兆形变信息？能否从GPS基线时间序列变化来探讨MS≥6.0地震的时空强？本文中应用PANDA软件对新疆4次MS≥6.0地震震中附近GNSS基本站的数据进行解算，然后运用线性拟合和平滑滤波方法对基线进行处理，并基于此探讨MS≥6.0地震GPS基线时间序列特征震中周边构造环境变化，分析新疆地区部分GPS基线近期的异常变化情况，同时期望为未来地震活动性的分析研究提供有参考价值的结果。

1 GPS数据处理

本文中使用的数据是中国大陆构造环境监测网络连续站2011～2020年的观测资料，GPS连续站观测值的数据处理采用武汉大学卫星导航定位技术研究中心编写的精密定轨定位软件(PANDA)完成[4]。PANDA软件采用的是非差处理模式，数据编辑采取和周跳探测与修复方法一致的单站数据自动处理，软件具备处理包括GPS、卫星激光测距系统(SLR)、K频段测距系统(KBR)、卫星姿态与加速度计等多种类型观测数据的功能，这些数据可以单独或联合起来估计地面测站坐标、天顶延迟、GPS卫星精密轨道与钟差、低轨卫星精密轨道、地球自转等参数[4]。数据处理的基本流程包括数据准备和数据处理。除了准备相关的观测文件以及下载相应的星历文件、钟差文件之外，还需要准备相关的表文件，一方面是需要设置的表文件，如控制文件gnss.cfg、站星参数信息文件session.obj，另一方面还需要更新表文件，如测站天线坐标文件gnss.sit、命名文件panda_file.name、接收机天线相位中心改正文件igs08.atx等文件[5]。先用(1)式的线性拟合方法[6]，然后用(2)式对基线时间序列进行处理得到各条基线扣除趋势的残差结果，进而分析基线异常特征变化。

y=ax+b.

(1)

y′-y0=△y.

(2)

式中，y为基线长度，a为线性变化速度，x为时间，b为基线初始长度，y′为观测值，y0为首期观测值，△y为基线变化量。

2 GPS基线时间序列变化特征分析

在探讨4次MS≥6.0地震的GPS基线时间序列的异常变化特征之前，首先从整体上把握GPS基线时间序列10 a以来的趋势性运动特征。从天山中段和南天山西段年度危险区及大震强震的重点发震区域选取17条GPS基线时间序列结果经过拟合滤波处理，并进行了趋势性运动特征分析，基线时间序列显示，新疆GPS基线目前有短期异常和背景异常(图1)，从图上可以看出，阿尔金、南天山西段、西昆仑、阿勒泰的基线出现异常变化的时间基本在2020年，时间较短，为短期关注，用红色标注；以库尔勒为节点，周边基线基本为背景变化，库尔勒以西为拉张，以东为挤压；南天山山前至盆地的交汇区域，主要为挤压变化；库车至巴音布鲁克，库尔勒至乌拉斯台，库车至昭苏区域，显示出挤压应力增强。以巴音布鲁克、库尔勒、库车、芨芨台、富蕴为节点的区域2年内的区域变化较为明显。

图1 新疆近期基线短期异常和背景异常汇总图Fig.1 Summary of short-term baseline anomalies and background anomalies in Xinjiang

3 4次MS≥6.0地震前GPS基线时间序列变化分析

闫伟等通过研究青海昆仑山口西MS8.1地震得到基线长度和方向在某种程度上都可以反映地震前或地震破裂过程，但在不同方位上，变化特征是有差异的。地震前后基线长度与方向的变化特征很大程度上依赖于地震破裂方向。在与破裂方向平行的方位上，基线长度变化较为显著；而与其垂直方位上，地震后基线方向变化则较为显著；在与破裂方向成-45°或135°方位上，震前有可能观测到基线长度与方向的显著变化的结论[7]。本文中通过分析4次MS≥6.0地震前后周边不同方向基线异常变化特征(图2)，结合震源机制解及区域地质构造和地震活动背景，进一步探讨基线异常特征变化和地震之间的关系。

图2 新疆4次MS≥6.0地震与震中周边基线图Fig.2 Baseline map of four MS≥6.0 earthquakes and their peripherals in Xinjiang

(1) 2016年11月25日阿克陶MS6.7地震

陈杰、聂晓红等认为阿克陶MS6.7地震发生在帕米尔内部张性剪切断裂带的北段，震中位于木吉盆地北缘断裂附近，该断裂是公格尔拉张系最北端的全新世活动转换断层，走向NWW[8-9]。陈杰认为帕米尔构造结构造变形以前缘地壳缩短、两侧走滑、构造结内部拉张为特征，形成一系列向北凸出的弧形活动构造带[10]。本文中选取和地震破裂方向近似平行的塔什库尔干—布伦口基线(图3a)、近于垂直的布伦口—乌恰基线(图3b)与近45°夹角的布伦口—叶城基线(图3c)作具体分析。

图3 阿克陶MS6.7地震震中3方向基线时间序列图(a) 塔什库尔干—布伦口 (b) 布伦口—乌恰 (c) 布伦口—叶城Fig.3 Baseline time series of Akto MS6.7 earthquake in epicenter three directions

从2011年开始塔什库尔干—布伦口基线持续性挤压，2016年10月挤压趋势出现快速拉张，随后在2016年11月25日发生阿克陶地震，拉张幅度达4 mm。布伦口—乌恰基线一直持续挤压，说明该区域持续受力，这与印度板块运动挤压有关，即使在地震发生后该区域依然没有改变运动趋势，说明此次地震并没有改变该区域的受力状态，后续还需持续关注。2011年5月～2015年11月，布伦口—叶城基线为持续拉张，拉张幅度为11.6 mm，2015年11月趋势转变并快速挤压，2016年4月趋势又转变为加速拉张，至地震发生，拉张幅度达9.6 mm。上述变化说明该区域受力不稳定不均匀，值得后续关注。

(2) 2016年12月8日呼图壁MS6.2地震

高荣等认为呼图壁MS6.2地震发生在北天山山麓地带，地震破裂以逆冲为主，与发震构造清水河子断裂的错段性质一致，地震的发震构造可能为NWW走向、具有逆冲性质的清水河子断裂[11]。选取和NWW走向大致平行的石河子—乌鲁木齐基线(图4a)、近乎垂直的乌鲁木齐—乌拉斯台基线(图4b)、成45°夹角的石河子—乌拉斯台基线(图4c)进一步分析。

图4 呼图壁MS6.2地震震中3方向基线时间序列图(a) 石河子—乌鲁木齐 (b) 乌鲁木齐—乌拉斯台 (c) 石河子—乌拉斯台Fig.4 Baseline time series of Hutubi MS6.2 earthquake in epicenter three directions

石河子—乌拉斯台基线总体趋势持续挤压，但在2016年6月发生短暂趋势转向开始拉张，拉张幅度为3.5 mm，2016年9月恢复挤压状态，然后发生地震，地震发生后依然持续挤压，说明该区域持续受力，此次地震并没有将构造压力释放完毕。乌鲁木齐—乌拉斯台基线变化趋势持续挤压，但从2016年6月开始挤压速率变小，或许该区域构造受力趋于闭锁，直至发生地震，地震发生后该区域受力改变继续加速挤压。石河子—乌鲁木齐基线一直都有规律的年变现象，但2015年的年变幅只有3 mm，而2016年地震发生时的年变幅达到了4.5 mm，之后逐渐恢复至正常的年变状态。

(3) 2017年8月9日精河MS6.6地震

翟亮等认为精河MS6.6地震是一次逆冲型地震，通过反演得到的大量小震震源机制解的结果与主震震源机制解结果相一致。结合余震震中分布、主震及余震的震源机制解以及震源区的地质构造，发震构造可能为近EW走向具有逆冲性质的库松木楔克山前断裂[12]。选取与发震构造近乎平行的伊宁—新源基线(图5a)、几乎垂直的独山子—巴音布鲁克基线(图5b)、成45°夹角的新源—独山子基线进行分析(图5c)。

图5 精河MS6.6地震震中3方向基线时间序列图(a) 伊宁—新源 (b) 独山子—巴音布鲁克 (c) 新源—独山子Fig.5 Baseline time series of Jinghe MS6.6 earthquake in epicenter three directions

2015年11月以前新源—独山子基线为持续拉张，之后趋势出现小幅挤压，2017年4月开始加速挤压直至发生地震，4个月时间挤压变量达4 mm。独山子—巴音布鲁克基线成持续挤压趋势，发震前13个月挤压速率增大，发震前4个月趋势转变为拉张，地震发生后又恢复到继续挤压状态。2011年4月至2017年4月伊宁—新源基线挤压幅度达15 mm，地震发生前有8个月的闭锁状态，2017年5月开始加速拉张，至地震发生，2个月的拉张幅度达5 mm，地震发生后恢复挤压状态。

(4) 2020年1月19日伽师MS6.4地震

孟令媛等认为伽师MS6.4主震为一次逆冲为主兼有走滑分量的破裂事件，与NEE走向的柯坪断裂构造性质一致[13]。柯坪断裂属于南天山西段柯坪逆冲推覆构造带。柯坪断裂走向为EW-NEE向，断错性质为左行走滑逆断层[14]。以NEE向为破裂方向，选取与破裂方向几乎平行的乌恰—巴楚基线(图6a)、近似垂直的巴楚—乌什基线(图6b)、近似45°夹角的巴楚—布伦口基线(图6c)进一步分析基线异常变化特征。

图6 伽师MS6.4地震震中3方向基线时间序列图(a) 乌恰—巴楚 (b) 巴楚—乌什 (c) 巴楚—布伦口Fig.6 Baseline time series of Jiashi MS6.4 earthquake in epicenter three directions

从2016年开始巴楚—布伦口基线持续拉张，2019年2月趋势转为挤压，2019年9月又恢复到拉张状态，至地震发生时，4个月累计拉张幅度为4.5 mm，地震发生后开始加速挤压，分析认为可能是印度板块和欧亚板块的相互作用，特别是受塔吉克斯塔MS7.8地震的影响，加剧了叶城—巴楚应力的作用[15]；巴楚—乌什基线为持续挤压状态，地震发生前有挤压趋势加速的现象，地震发生后挤压趋势减缓，可能该区域受力逐渐平衡，开始出现闭锁状态。乌恰—巴楚基线在阿克陶MS6.7地震以后一直为缓慢挤压趋势，2019年9月开始加速挤压，至地震发生时，4个月挤压幅度为2.5 mm，地震发生后持续小幅波动趋于稳定闭锁状态。

4 认识与讨论

梳理新疆4次MS≥6.0地震前后GPS基线时间序列，当基线与地震破裂方向近似平行时，4次地震前均出现了基线长度的异常，最大长度变化为5 mm，最小长度变化为2.5 mm；当基线与地震破裂方向近似垂直时，精河MS6.6地震前基线有较明显的趋势转折变化，呼图壁MS6.2地震前后基线挤压趋势速率变小，伽师MS6.4地震挤压趋势速率增大，阿克陶MS6.7地震前后基线趋势变化不明显；当基线与地震破裂方向大致成45°夹角时，4次地震在震前均出现基线长度和趋势的异常变化，其中阿克陶MS6.7地震和精河MS6.6地震前异常变化较为明显。

通过对新疆4次MS≥6.0地震前后GPS基线异常特征的变化差异性分析，初步得出结论：地震前后基线变化的幅度和趋势跟地震的破裂方向有一定的关系。基线方向如果与地震破裂方向平行，则基线长度变化有较好的震前指示意义；基线方向如果与地震破裂方向垂直，则基线趋势变化有一定的震前指示意义，但有些异常特征不明显，需仔细分析；基线方向如果与地震破裂方向成45°或135°夹角，则基线长度变化和趋势变化都有一定的震前指示意义。

因此，结合地质构造背景及断层活动性，依据GPS基线异常变化特征，按照上述初步结论分析，或许可以作为地震异常前兆信息的判断依据。后续还会结合更多震例总结，为新疆地区MS≥6.0地震积累震例资料，进一步为能够做出具有减灾实效的震前预报提供基础实践数据。

致谢：在论文的写作过程中得到新疆维吾尔自治区地震局王晓强研究员、陈丽高级工程师在数据分析方面给予的悉心指导,得到新疆地震台张琳琳高级工程师在震源机制解上的答疑解惑，在此一并衷心感谢。