山东及周边地块间近期运动状态分析＊

殷海涛 王 强 朱成林 孟 强 李 杰

(1)山东省地震局,济南 250014 2)泰安基准地震台,泰安 271000 3)烟台市地震局,烟台 264000)

山东及周边地块间近期运动状态分析＊

殷海涛1)王 强2)朱成林1)孟 强3)李 杰1)

(1)山东省地震局,济南 250014 2)泰安基准地震台,泰安 271000 3)烟台市地震局,烟台 264000)

为研究山东所在块体及周边地块间的地壳相对运动状态,利用 2001年以来中国地壳运动观测网络以及2007年以来山东 GPS观测网的观测结果,使用 K-L最佳直线拟合和滑动傅里叶法得到基线变化年周期,以此对处于不同地块的 GPS基准站间基线变化趋势进行分析,得出近期山东内部及周边地块间的地壳运动特征。并利用GPS资料分析了 2011年 3月 11日日本 9.0级强震对山东地区的影响。

地壳运动;GPS;基线变化;地震危险性;日本地震

1 引言

山东地壳运动 GPS观测网的正式运行(2007年1月 1日)弥补了山东地区缺少大范围水平形变测量手段的不足[1,2],为监控山东地区主要构造块体、主要断裂的活动水平提供了连续可靠的观测数据。本文通过由广域到局域的方式分两部分展开研究：一是结合山东与中国大陆地壳运动观测网络的数据,分析山东所在地块与周边地区块体间的相对运动状态,以此来反映较大范围的地壳运动趋势;二是研究山东地区内部近期的地壳运动变化状态,从细部来反映本地区的地震危险性。

2 山东及周边地区相对运动状态分析

为了对山东及周边地区的运动状态以及所受应力情况有一个更全面的认识,就必须对周围的鄂尔多斯地块、华南地块、鲁东-黄海地块、燕山地块与华北平原地块之间的相对运动关系进行研究,揭示其运动方式。

本文选取了处于不同地块的 GPS基准站：北京十三陵 (BJSH)、盐池 (YANC)、泰安 (TA I N)、上海(SHAO)和武汉 (WUHN),利用基准站间的基线结果进行分析 (图 1)。数据时间为：2001-01—2010-06,数据来源于中国地壳观测网络数据中心。

图1 GPS站点分布图Fig.1 Distribution of GPS stations

由于各基线存在明显的长期变化趋势,不能很好地显示基线的相对变化状态,所以本文首先对各基线进行 K-L法最佳直线拟合,然后再利用 Fourier滑动得到年周期。在数字信号处理中标准的频谱分析方法是离散傅里叶变换(DFT),但直接计算DFT,计算量太大;而滑动DFT算法,采用递推运算,充分考虑前一时刻与后一时刻信号的相似性,降低了计算量,同时可以有选择地计算所需要的频谱,使信号的谱分析更为高效[3],其方程为：

从式(1)可以看出,计算 Xk(n),只要通过前一个点 Xk(n-1)减去 x(n-N),加上现在的 x(n),再进行相移来计算即可。通过滑动傅里叶法对基线进行周期估计,结果如图 2所示 (各基线上图为原始值,下图为年周期估计值;SHAO站缺少 2009-06-14—2009-08-12两个月的数据;箭头指示汶川地震发震时间)。

图2 基线长期变化Fig.2 Changes of baselines

从图 2可以看出：1)基线 TA I N-YANC、TA I NBJSH长期变化平稳,没有明显的拉伸和压缩,年变形态较好,波幅小于 1 cm。表明块体间相对运动平稳,运动状态较一致;2)基线 TA I N-SHAO具有 2 mm/a的拉张变化,主要原因是 SHAO向东南运动速率略大于 TA I N,由于其年变周期形态较好,说明块体间的应变状态平稳;3)基线 TA I N-WUHN在2006年以前处于压缩趋势,速度约为 4 mm/a,2006年以后转平,持续至今,而且周期性变化幅度明显减小,可视为块体间的应力在增强。但由于WUHN站资料质量不高,所以本基线的可信度有所降低;4)基线 YANC-BJSH持续压缩,但幅度不大,缩短速度约为 1.5 mm/a;5)根据基线 YANC-WUHN的年变趋势来看,2008年发生异常,主要受汶川地震的影响,但目前趋于稳定,恢复以往形态;6)基线 SHAOWUHN变化平稳,但年变形态不佳,其主要原因是两站数据缺失及质量不高造成的。上述块体间基线变化仅为块体相对运动的一种表现,如果要进行更系统的研究,还需考虑更多站点的运动速率及方向等因素。

3 日本地震对山东的影响

山东地区所处华北地块东部主要受太平洋板块向西的俯冲力作用[4]。本文通过分析 TA I N至日本的 TSKB基线来反映板块间的相对运动关系。从图3可以看出,基线 TA I N-TSKB呈现明显的压缩状态,以约 28 mm/a的速度缩短,2001年至今日本东部及沿海发生了 10余次 7级以上强震,从基线的长期变化趋势来看,基线的变化速率并没有发生明显改变,说明整个应力背景没有发生明显改变。而从周期变化图来看,强震大都发生在年变幅度较小(即加速挤压状态)的时期。结合山东东部沿海的实际震情来看,太平洋板块向西的俯冲所积累的应力,其释放方式主要发生在日本及东部海域地区,对山东东部沿海并没有造成直接的影响。

图3 TSKB-TA I N基线变化Fig.3 Changes of baseline TSKB-TA I N

2011年3月11日,日本发生 9.0级地震。本文利用山东及日本 TSKB站点的 GPS数据,计算了山东地区的同震响应和地震前后各 10天的站间基线变化量,初步结果见图 4和表 1。图 4显示：日本9.0级地震发生约 5分钟后地震波传播到烟台 (YATI)站,使其产生向东的小幅运动,最大波幅约为 4 cm,随后 3分钟左右主震波到达,烟台站产生的 NS向最大波幅约为15 cm,EW向约为20 cm,其他各站振幅随震中距的增大而减小。从表 1中可以看出：日本的 TSKB站点(震中距约为 300 km),目前地震造成的永久形变约为：向北运动 0.066 m,向东运动约 0.4 m,下沉 0.1 m。山东地区各 GPS基准站,受地震影响均向东北方向移动,最东端的烟台站运动量最大,向南运动约 3 mm,向东运动大于 10 mm,其他各站随震中距的增大而减弱。根据此结果可以看出,日本地震使日本所处地块与山东所处地块之间产成了明显的拉张,可能会暂时缓解山东东部及沿海地区的应力状态,但随着后期地壳回弹作用的产生,该地区发生中强地震的可能性会有所增大。目前由于时间仓促及数据量有限,不能全面系统地分析日本地震对山东地区的影响。

图4 日本 9.0级地震时的 GPS站点同震位移Fig.4 Coseismic displacements of GPS stations during the JapanM9.0 earthquake

表1 地震造成的地壳形变(单位:m)Tab.1 Crustal deformation caused by the Japan M9.0 earthquake(un it:m)

4 山东内部地壳运动状态分析

山东所处地块为华北平原地块和鲁东-黄海地块,其边界为沂沭断裂带。目前山东地壳运动 GPS观测网络已建成 9个连续观测的基准站,其中昌邑、荣成和嘉祥在试运行,在建站点 3个,其点位分布见图 5。利用跨沂沭断裂和块体内部的基线对山东地壳运动状态进行分析(图 6)。首先分析跨沂沭带的3条基线：可以发现苍山 (CASH)至日照 (R IZH),泰安(TA I N)至即墨 (J I MO)的基线变化平稳,且具有明显的年变形态,未发现明显的拉张、压缩;基线CASH-R IZH具有明显的周期波动,与 EW分量波动形态相似,表明块体间运动主要受 EW向应力的影响;而无棣(WUD I)至烟台 (YATI)站的基线可以看到明显的缩短,其压缩速率约为 1.8 mm/a。分析其主要原因是：YATI站向东的运动速率较小,这也可能预示着胶东半岛及北部海域存在应力增强的背景。

图5 山东 GPS观测网点位分布Fig.5 Distribution of GPS observation net work in Shandong

图6 山东内部GPS基线变化Fig.6 Changes of baselines in Shandong area

对块体内部基线的分析发现,基线 TA I N-CASH和 YATI-J I MO均变化平稳,基线变化的斜率不超过±1 mm/a,说明没有明显的拉张和挤压趋势,表明块体内部非常稳定。

5 结论与讨论

1)从长期变化趋势来看,处于山东及周边块体的 GPS基准站间基线均变化平稳,且具有较好的年变形态,说明本地区目前运动状态整体平稳。

2)根据 YANC-WUHN基线的年变周期来看, 2008年变化异常,主要受汶川地震的影响,但目前趋于稳定,恢复以往震前的变化形态。

3)基线 TA I N-TSKB,挤压明显,速率较大,约 28 mm/a,2008—2009年日本东部 4次连续 7级以上地震后,近期挤压速率有所减缓。两块体间的应力积累主要在日本及以东地区释放。

4)日本地震使日本所处地块与山东所处地块之间产成了明显的拉张,可能会暂时缓解山东东部及沿海地区的应力状态,但随着后期地壳回弹作用的产生,该地区发生中强地震的可能性会有所增大。

5)基线WUD I-YATI变化呈明显的压缩趋势,主要是 YATI基准站向东的运动速率较小的原因,这也可能预示着胶东半岛及北部海域存在应力增强的背景。

6)山东内部各的基线结果表明：除基线WUD IYATI外,其他均变化平稳,没有明显的拉张和压缩趋势,且具有较好的年变形态,说明鲁东-黄海地块与华北平原地块相对运动整体稳定。

1 杨国华,等.昆仑山口西 8.1级地震震后中国西部地壳水平位移场的变化特征[J].地震研究,2008,31(1)：77 -82. (Yang Guohua,et al.The variation characteristics of the crustal horizontal displacement field in theWestof China after Kunlun Mountain Ms8.1 earthquake[J].J.Seismological Res.,2008,31(1)：77-82)

2 殷海涛,等.汶川地震对山东地区地壳变化特征的初步分析[J].大地测量与地球动力学,2009,(3)：23-27. (Yin Haitao,et al.Research on characteristics of crustal movement of Shandong and Surrounding areas before and afterWenchuan Ms8.0 earthquake[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2009,(3)：23-27)

3 殷海涛,等.基于 GPS观测网的山东地区地壳运动特征分析[J].西北地震学报,2008,30(3)：276-281.(Yin Haitao,et al.Analysis of crustal movement features in Shandong area based on the data of GPS observation net work [J].Northwestern Seismological Journal,2008,30(3)：276 -281)

4 Jacobsen E and Lyons R.The sliding DFT[J].IEEE Signal ProcessingMagazine,2003,74-80.

5 金双根,朱文耀.太平洋板块运动和形变及其边缘现今相对运动[J].大地测量与地球动力学,2002,(2)：57-60.(Jin Shuangyin and Zhu Wenyao.The motion and deformation of Pracific plate and contemporary relative motion at its boundaries[J].Journalof Geodesy and Geodynamics, 2002,(2)：57-60)

ANALYSIS OF PRESENT MOVEM ENT STATE OF SHANDONG AND SURROUIND ING BLOCKS

Yin Haitao1),Wang Qiang2),Zhu Chenglin1),MengQiang3)and Li Jie1)

(1)Earthquake Adm inistration of Shandong Province,Jinan 250014 2)Taian Seism ostation,Taian 271000 3)Earthquake Adm inistration of Yantai City,Yantai 264000)

In order to study the present movement state of Shandong and surrounding blocks,GPS data from the CrustalMovementObservation Network of China(CMONOC)and the ContinuousObservation GPS Network of Shandong Province was used and thus analyzed the baselines between GPS stations on different blocks.Using the K -L best straight line fitting and Slide Fourier method,we got the baselines changes by year cycle,and analyzed the trend of baselines crossing different blocks.In addition,we obtain the present crustal movement characteristics of Shandong and surrounding blocks,and analyzed the influence of Japanese earthquake of 9.0 on Shandong area.

crustalmovement;Shandong province;GPS;baselines change;seis mic risk;Japanese earthquake

1671-5942(2011)04-0037-05

2011-03-01

“十一五”山东省防震减灾重点项目(SD501-04);山东省地震局重点科研基金(JJ1101)

殷海涛,男,1980年生,副研究员,博士,主要从事 GPS高精度解算及地壳形变分析研究.E-mail：yinhaitao121@163.com

P315.72

A