基于GPS的2021年玛多MW7.4地震同震静、动态形变场

2022-10-10熊仕昭王迪晋熊赵利江乔学军

大地测量与地球动力学 2022年10期

熊仕昭刘刚,2 林牧王迪晋熊维赵利江赵斌乔学军

1 中国地震局地震大地测量重点实验室，武汉市洪山侧路40号，430071 2 防灾科技学院，河北省三河市学院街465号，065201 3 青海省基础测绘院，西宁市黄河路13号，810001

据中国地震台网测定，2021-05-22 02:04青海省果洛藏族自治州玛多县发生MW7.4地震，震中位于34.61°N、98.37°E，震源深度约为17 km，是2008年汶川地震以来中国大陆发生的震级最大的地震。截至2021-05-24 10:00共记录到余震1 872次，其中5.0～5.9级余震1次，4.0～4.9级余震10次，3.0～3.9级余震30次。

此次地震发生于青藏高原中北部地区的巴颜喀拉块体。该块体东西长2 200 km，南北较窄(最小宽度80 km)，沿北西走向，是新生代以来非常具有代表性的侧向挤出活动块体之一[1-2]。巴颜喀拉块体东西南北边界处分别有龙门山逆冲断裂带、阿什库勒-平顶山正滑断裂带和硝尔库勒走滑-正滑断裂带、玛尼-玉树-鲜水河走滑断裂带、东昆仑走滑断裂带，平均海拔5 000 km左右，是目前青藏高原强震活动的主体区域，在整个青藏高原中地势最为平坦[3]。自1997年玛尼7.5级地震以来，中国大陆所有7级以上的地震均发生于此区域，包括2001年昆仑山口西(MS8.1)、2008年于田(MS7.3)、2008年汶川(MS8.0)、2010年玉树(MS7.1)、2013年芦山(MS7.0)、2014年于田(MS7.3)、2017年九寨沟(MS7.0)等地震，且目前强震活动仍在继续[4-5]。但巴颜喀拉块体内部相对稳定，仅在1947年发生过一次7.7级达日地震[6]。本次地震震中位于东昆仑断裂带南部活动速度相对较低的昆仑山口-江错断裂带的东南段(图1)。该断裂带强震复发周期偏长[7-8]，且此前对该区域的构造活动研究较少，因此从不同角度分析玛多地震具有重要的研究价值。

本文通过解算青海省CORS网记录到的2021年玛多地震的同震GPS数据，得到同震永久位移、动态形变波形，并据此对此次地震的同震形变场特征进行分析。

1 静态数据处理与同震永久形变场

收集玛多地震震中附近300 km范围内43个青海省CORS网站点地震前后共5 d的数据，采样率为30 s。为确保参考框架的统一与自洽，保证同震位移解算结果的精度与可靠性，加入周边地区15个IGS台站的数据，得到由58个站点组成的一个观测网。以24 h为一个测段，使用GAMIT/GLOBK 10.71软件对原始观测数据进行基线解算获得单日松弛解，该软件利用双差观测值可以较好地消除GPS卫星钟差和接收机钟差，输出的单日解文件包括定位和定轨数据信息，是求解玛多地震同震位移的可靠观测值。解算策略中，采用最新的地球自转参数、太阳星历、月亮星历、章动参数及天线相位中心参数文件等，并加入电离层模型改正。采用分段线性插值法，每2 h估算一次对流层天顶延迟参数，同时估算大气的延迟水平梯度。为避免系统误差，并保证和IGS精密轨道产品间较好的自洽性，采用全球海潮模型FES2004修正海潮荷载引起的站点地壳形变，并考虑其导致的地球质心变化。在网平差处理阶段，将上一步解算的松弛约束区域解与SOPAC(Scripps Orbital and Permanent Array Center)生成的全球解相结合，并通过选定全球范围内分布的15个IGS参考站，采用平移、旋转和缩放的七参数相似变换将得到的单日解坐标转换到ITRF2014框架下。因数据质量较好且完整，故对于震前只采用4 d的数据，而采用震后1 d的数据是为了规避较大的余震对处理结果的影响。对于这些连续站，将震后1 d的坐标值与震前4 d的坐标平均值作差，所得即为此次玛多地震的同震位移量。水平位移形变场见图1，三维形变数值结果见表1。

误差椭圆置信区间为70%图1 玛多MW7.4地震GPS水平方向同震形变场Fig.1 GPS horizontal coseismic deformation field of Maduo MW7.4 earthquake

表1 基于静态GPS解算的同震位移

GPS观测数据在水平方向精度较高，误差为3～5 mm，垂向误差约为其2～3倍。从图1看出，KANQ、MADU、JDUO这3个站距离震中最近，位移量也较大，水平向均接近0.3 m。说明此次地震在玛多县城及其附近区域产生显著的水平同震位移，该结果与李志才等[9]低频GPS数据解算的形变特征一致。结合紧靠断裂面地段的地形图可以判断，位于断层南侧的JDUO等站发生朝南东向的位移，位于断层北侧的KANQ、MADU、HSHX等站发生朝北西向的位移，符合此次玛多地震的左旋走滑机制，与断层所在的巴颜喀拉块体具有向东运动的特征[3]相符。在发震断层的东端，可以看到BUDR和GAND站除向东运动外还有向南运动的趋势，可能是走滑错动的端部拉张变形所致。距离震中150 km以内的站点均能反映出cm级的位移；从距离震中200 km开始，如LAJA、YUSH等站，同震位移快速衰弱，只能反映出mm级的位移；对于距离震中300 km的测站，如YANH、GERM、JZHA等，不能反映出明显的同震位移，可认为这些远场测站受到此次同震的影响偏小。综上，本次玛多MW7.4强震的同震影响集中在震中距300 km的区域范围内。

2 动态数据处理与同震动态波形

垂直虚线为发震时刻，倾斜虚线为本次地震的走时曲线图2 震时地表运动图Fig.2 Earth surface movement during earthquake

表2 测站地震波速信息

从图2看出，测站记录到了清晰的同震位移波形。GCMT给出的发震时刻为UTC 18:04:29，在震后11 s JDUO站首次产生明显的峰谷变化，随后各个测站的位移波形显示出地震波由震中向外传播的过程，并随着震中距的增加，位移量下降，表明传播过程中伴随着地震波能量的衰减。从图3看出，JDUO和KANQ站的震时三维运动轨迹显示出一定的逆进椭圆样式，同时伴随着水平向振荡，表明记录到了层状介质中激发的Love波和Rayleigh波。

图3 JDUO和KANQ站三维运动轨迹Fig.3 Three-dimensional motion trajectory at JDUO and KANQ stations

确定测站波形的初动时刻和震中距后，可计算出地震波传播速度，结果见表2，表中瞬时位移时刻以UTC 18：00(即动态解算起始时间)为起点，采用误差阈值法来确定每个测站的地震波初至时刻[10]，其与震源发震时刻之差即为地震的传播时间。方荣新[11]假定地震到达各个测站的波速相等，基于GPS观测数据对汶川地震震中进行反演，计算得到的平均地震波速为3.939 km/s。本文得到的地震波速约2.8～4.9 km/s，与地震学估计的一维速度模型中S波速度基本一致[2]。距离震中较远的BUDR和GAND站的波速大于其他近场站，可能是破裂向东传播的方向性或者较高的破裂速度导致的。上述特征表明，地震波能量传播不仅与震中距离有关，同时也会受到地壳介质分布及震源破裂的动态效应、方向效应的影响。本文得到的S波速仅是在有限的数据中获取的估算值，当数据量足够时，依据本文的解算精度可以进一步反演出可靠的震中信息、发震时刻的波速及其随传播路径的时间变化。

Gutenberg[12]给出远场面波的峰值位移和震中距与震级之间的关系为：

M=lg(A)+1.66lg(Δ)+2.0

(1)

式中，A是以μm为单位的水平峰值位移，Δ是以(°)为单位的震中距。

Fang等[13]使用3个地震实例证明了该公式对于含有近场站的GPS位移仍然是适用的。本文基于该公式获取15个震幅明显的站点的震时地表峰值位移与震中距之间的关系，结果见图4，其中，图4(a)表示峰值位移随震中距的衰减，图4(b)表示在10的幂次方尺度下峰值位移与震中距之间呈斜率为-1.66的线性关系，蓝色直线的值即为拟合震级。依据上述公式，本文估计的震级区间在6.8～7.6，拟合平均震级为7.35±0.15。为了研究该经验公式估算玛多地震可靠震级所需要的时间，本文根据站点解算数据作为时间的函数，得到图5。结果表明，地震发生后33 s内可实现震级的估算，时间主要取决于站点位置与地震波的速度。由于该估算震级的大小受数据解算质量、测站地质环境等的影响，因此存在一定的波动性，但总体能在70 s后稳定于一个大致的范围内。