2014年于田MS7.3级地震近场地表运动和同震位移的初步分析结果1

陈为涛王阅兵连尉平甘卫军付广裕

1）地壳运动监测工程研究中心，北京 100036

2）中国地震局地质研究所，北京 100029

3）中国地震局地震预测研究所，北京 100036

2014年于田MS7.3级地震近场地表运动和同震位移的初步分析结果1

陈为涛1）王阅兵1）连尉平1）甘卫军2）付广裕3）

1）地壳运动监测工程研究中心，北京 100036

2）中国地震局地质研究所，北京 100029

3）中国地震局地震预测研究所，北京 100036

基于2014年于田MS7.3级地震周边地区的GPS连续观测站数据，得到了此次地震的近场地表运动和同震位移，分析了此次地震的地壳形变特征。结果表明，此次地震引起的地表运动显著，GPS记录到的最大位移振幅远超过最终的同震位移，其中距离震中约60km的XJYT站记录到了西向74.7mm和北向39.9mm的最大位移振幅，同震位移为西向20.0mm和北向9.8mm。2008年于田MS7.3级地震在一定程度上触发了此次地震。

于田MS7.3级地震 阿尔金断裂 GPS

引言

2014年2月12日北京时间17时19分，新疆维吾尔自治区和田地区于田县发生MS7.3级强烈地震，震区位于青藏高原西北部的高海拔地区。野外地质研究表明，此次地震的发震断裂为阿尔金断裂带西段，该断裂是青藏高原北缘的一条大型走滑断裂，也是欧亚板块内部左旋走滑最显著的板内活动断裂，它构成了青藏高原和塔里木盆地的地质边界，总体走向沿北东向展布，全长2000km以上，此次地震发生的西段全新世以来的左旋走滑速率可达9—17.5mm/a。震中周边近100年以来曾发生过约22次6.0级以上地震，约6次7.0级以上地震。其中，最近1次7.0级以上地震为2008年3月21日发生的新疆于田MS7.3级地震，距此次2014年2月12日发生的新疆于田MS7.3级地震仅约100km，这表明发震断裂及其周边具有相当高的地震活动性（徐锡伟等，2003；Cowgill等，2009）。

地震发生后不久，研究学者们便研究了此次地震的基本性质，他们所给出的震源机制解揭示了此次地震为一次走滑型事件，但在具体参数上有微小差异2（Ekström等，2012）。地震精定位的结果显示，地震的精确震中位置为82.56°E，36.04°N，震源深度为12.3km（张广伟等，2014），这与中国地震台网中心所报位置存在些许偏差1http://www.ceic.ac.cn/。地震破裂过程的研究表明，此次地震破裂比较集中，滑动主要分布在深部17km处，最大位错量约为1.8m，而且破裂未出露地表2http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/269361.shtml（张勇等，2014）。而姚振兴课题组等公布的破裂模型显示3http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/201402/t20140214_4032524.html，此次地震破裂持续时间约25s，破裂分布比较集中，最大破裂位于9km深处，滑动量约为200cm。上述两种结果的不同表明，此次地震的特征尚未完全明确。

综上所述，虽然利用地震资料反演和地质资料可初步得到地震震源位置、发震断层的基本属性以及地震的破裂模型，但是不同学者所得到的反演结果之间存在一定的差异。为此，笔者借助于GPS观测所获取的近场地表运动和同震位移，初步揭示出此次地震的地壳形变特征，这将有助于进一步分析此次地震的基本性质。

1 GPS连续观测站分布与数据处理

“十一五”期间实施的国家重大科技基础设施“中国大陆环境与构造监测网络”在项目“中国地壳运动观测网络”的基础上，将中国大陆连续GPS观测站数量从原有的27个增加到260个，非连续GPS观测站数量从1056个增加到2056个，密集地覆盖了中国大陆及部分周边区域，并于2012年正式投入运行，为监测研究中国大陆地壳形变和构造运动提供了重要的基础（甘卫军等，2012）。为了得到此次地震的近场地表运动和同震位移，本文收集了震中1000km范围内的27个GPS连续观测站的30s观测数据（图1红色三角形）和震中附近8个GPS站的高频（1Hz）观测数据（图1蓝色三角形），具体测站分布如图1所示。

上述30s观测数据观测时间跨度为2014年1月1日到2014年2月15日，采用麻省理工学院等开发的GAMIT/GLOBK软件进行解算。考虑到此次地震的影响范围，本文利用距离震中500km外的GPS连续观测站定义了区域参考框架（图1黄色三角形），从而得到震中500km范围内GPS测站的同震位移。计算过程中的具体参数设置为：基线处理模式为RELAX（松弛解），使用IGS发布的精密星历作为轨道约束，并对轨道初始条件实施1m的松弛约束，并对台站进行9m的松弛约束；卫星钟差模型为广播星历误差的钟差参数，数据处理以24小时为一时段，卫星截止高度角为10°，数据误差分布是与卫星截止高度角有关的函数（sigma=a2+b2/sin2（elev），其中，sigma表示误差，单位mm，elev表示卫星高度角，a2以及b2为常数系数，由数据残差拟合确定）；对流层干分量的天顶延迟由GPT模型计算获得（Boehm等，2007），同时对每个测站估计13个参数以改正湿分量导致的天顶延迟，映射函数采用GMF模型（Boehm等，2006），同时考虑到大气的不均匀性，对每个测站估计南北向和东西向共2个大气水平梯度参数（王敏，2009；Jiang等，2014）。

高频（1Hz）数据解算采用上述软件的TRACK模块。由于震中周边测站稀疏，站间距大，测站间地震波到时不同，采用逐级传递方法（Yin等，2013）来选择不同的参考站。根据PREM模型结果（Dziewonski等，1981a；1981b），地壳平均P波速度约为6.3km/s，震中距相差200km左右的测站有着约31s的时间窗可以不受地震影响，因此最终确定XJYC站、XJRQ站以及XZGZ站作为解算的参考站。在选定参考站后，收集IGS发布的地震当天的精密星历作为解算过程的轨道约束并进行解算。

图1 于田地震周边构造背景及GPS连续观测站分布图Fig. 1 Distribution of faults and continuous GPS stations in around 2014 Yutian earthquake

2 GPS观测结果与分析

近场地表运动解算结果显示，XJYT站观测到了清晰的近场地表运动，如图2所示。横坐标时间从地震发震时刻17h19min50s开始，黑色竖向虚线表示各测站的理论P波到时，黑色横向虚线表示各测站震前震后的位移值，黑色箭头表示发生最大振幅的位置。

观测显示，距离震中60km的XJYT站，在地震发生19s后，地表呈现出微弱的南向运动，以及持续的西向运动；35s后该站南北向运动达到最大振幅，量级为39.9mm；39s后东西向运动达到最大振幅，量级为−74.7mm。此后地表运动的波幅开始收窄趋于稳定，到80s时XJYT站地表位移已回弹至北向13.4mm，东向−28.6mm，与最终测定的永久位移相近。同震位移计算结果表明，距离300km以外的测站水平位移和所有测站的垂直位移均不明显，距离震中最近的6个测站的水平位移如表1所示。从表1可以看出，XJYT站是此次地震中唯一有明显位移变形的台站。此次地震引起该站向北位移约9.8mm，向西位移约20.0mm，其余测站的同震水平位移均在1mm之内。

图2 XJYT站观测到的近场地表运动以及时间序列Fig. 2 The ground motion and time series observed at XJYT station

表1 GPS观测站的同震位移及其方差Table 1 The coseismic deformation and the errors observed by GPS stations

近场地表运动和同震位移的结果均清晰地显示，此次地震引起的地表运动显著，但同震位移范围有限，距震中～330km的XJHT站已经没有明显的同震位移，XJYT站记录到的最大位移振动幅度要远高于最终的同震位移，XJYT站西北向的同震位移可能部分反映了此次地震兼具部分拉张的性质。

3 讨论

由于地震震中500km范围内GPS测站稀疏，未能完整地呈现出此次地震引起的地壳形变，但利用仅有的测站位移记录来分析研究，对于了解此次地震的基本特征也具有些许的参考意义。

3.1 同震位移差异分析

对于XJYT站，高频GPS记录到的在80s时的地表位移，与GPS单日解得到的同震位移相比，虽然运动方向上相似，但在量级上要偏大，东向偏高约8.6mm，北向偏高约3.6mm。出现这种现象的原因除去两者的定位精度不同之外，高频GPS定位是单历元定位，难以有效消除卫星轨道和钟差、电离层延迟、多路径效应等误差因素，定位精度较低，水平向一般为5—8mm（Langbein等，2004；Elosegui等，2006）。而应用30s观测数据的单日解定位，不仅可得到更好的模糊度解，还可通过参数估计和模型化等方法来削弱上述误差因素的影响，定位精度更高，水平向可达到2—3mm（Gan等，2007；Liang等，2013）；更重要的原因则在于记录的形变特征不同，同震位移只是地表运动的永久非弹性“残余”部分，弹性部分在震后随即恢复了，而在地震的过程中，弹性与非弹性形变相叠加，必然显示出更大的地表振动幅度。

3.2 同震位移的理论模型研究

在研究断层错动问题时，断层可简化为由上部闭锁层和下部蠕滑层组成，其中闭锁层在间震期处于闭锁或强耦合状态，蠕滑层在应力作用下进行着持续运动，从而导致闭锁层产生能量积累，当超过断层本身介质所能承受的上限时，便会发生破裂而造成地震，然后重新逐渐闭锁，开始新一轮的能量积累过程（Reid，1910）。如果将地球岩石圈简化为弹性介质，便可以将断层运动与地表运动之间的相互关系以完全的解析方式进行表述（Okada，1985；Wang等，2006）。不过上述研究是平面空间下的关系描述，Sun等（2009）在前人分析研究的基础上，提出更接近真实情况的球面空间下的关系解析解，也就是“球体位错理论”。

为了研究此次地震的同震位移，本文计算了此次地震的理论同震位移，并与GPS实测的同震位移进行了对比分析，探讨了此次地震可能的破裂方式及其引起的地表形变。

在模拟计算过程中，使用的岩石圈介质结构模型参考PREM模型（Dziewonski等，1981a；1981b），地震破裂模型分别采用了前文述及的陈运泰研究小组和姚振兴研究小组提供的两种模型，基于球体位错理论方法分别计算了这两种模型在XZGZ、XJHT、XJQM、XJTZ、XJYT、XJYC、XJRQ、XZRT站处引起的位移，得到的结果如表2和表3以及图2所示。

表2 地震破裂模型（E1，N1）及其模型平移后（E2，N2）计算得到的同震位移（依据陈运泰研究小组的结果）Table 2 The coseismic deformation calculated from Chen Yuntai’s model and the shifted model

表3 地震破裂模型（E1，N1）及其模型平移后（E2，N2）计算得到的同震位移（依据姚振兴研究小组的结果）Table 3 The coseismic deformation calculated from Yao Zhenxing’s model and the shifted model

从表2和表3中可以看出，无论是陈运泰小组或姚振兴小组结果计算得到的位移，除了在XJYT站有超过10mm的水平位移外，在其他台站的位移均不超过1mm，这说明此次地震影响范围不大，同时也与表1中GPS观测到的同震位移相一致。

图3 于田地震理论位移与实测位移间的差异Fig. 3 The difference between calculated displacement and observed displacement of Yutian earthquake

XJYT站理论位移和实测位移对比显示（图3左上附图），依据陈运泰小组结果计算得到的理论位移（图3红色箭头）虽然在方向上与GPS观测得到的同震位移（图3蓝色箭头）一致，但在量级上相差甚远，只有实测值的约54%。而利用姚振兴结果得到的理论位移（图3绿色箭头）接近GPS实测值，方向上往西偏了约9°，不过仍然位于实测值的误差椭圆范围内。XJHT站、XJTZ站的理论位移与实测位移基本一致，XJQM站、XZGZ站、XZRT站在位移上有些许偏差，但均在1mm以内属于GPS观测误差影响范围之内。

上述位移结果的差异来源与2个地震破裂模型之间的差异相关，这些差异有：①地震破裂面所处位置的差异，前者位于图3中蓝色实线所标位置，距离GPS连续观测站较远；后者位于图3中绿色实线所标位置，距离GPS连续观测站较近。②地震破裂方式的差异，前者破裂集中于震中附近；后者是双向破裂，主破裂区位于震中东北。③发震断层几何模型的差异，陈运泰小组采用的断层走向为242°，倾角78°；姚振兴小组采用的断层走向240°，倾角71.9°。④地震释放能量的差异，前者最终的平均滑动量约为0.29m，震级为MW6.9；后者的平均滑动量约为0.52m，震级为MW7.0。

在上述这些差异中，震中位置的差异是主要的，原因在于研究地震破裂模型时所使用的远震资料无法有效分辨地震破裂发生的绝对位置，所得到的震中位置与实际地震往往会存在较大差异，因而需要参考近场地震波形资料才能得到的地震精定位结果（图3黑色五角星）（张广伟等，2014）。为了进一步分析此次地震的同震位移，本文将两种模型的空间位置平移至地震精定位位置处，所得理论位移如表2和表3所示。就XJYT站来说，前者较原有模型更为接近实测值；后者则出现一定程度的偏差，其他测站未有明显变化。总的来说，两种破裂模型均较好地反映了此次地震的破裂过程，陈运泰研究小组的破裂模型若选择精定位结果作为震中位置，或许可得到更加精确的破裂模型。

需要说明的是，由于地震周边区域GPS连续观测站分布稀疏，仅有单台GPS观测到有效的位移结果，进一步的研究分析需要GPS区域站或InSAR等其他大地测量手段所得到的同震位移来验证。若在地震破裂模型研究中，考虑上述同震位移的近场约束作用，将有助于获取更加精确的地震破裂模型（Wald等，1996；Ji等，2004；Delouis，2010；张勇等，2014）。

3.3 2次于田地震间的关系

此次于田地震发生的构造背景从大尺度上来说，是在印度板块向青藏高原北向不断楔入的影响下，柴达木地块持续向东运动，造成了该地块西北部边界断裂——阿尔金断裂北东向左旋兼拉张活动的结果。在此次地震西南方向～90km处，曾在2008年发生了MS7.3级地震，但2次地震类型截然相反，上次地震为走向近南北的正断兼具少量左旋走滑的地震，震中位于阿尔金断裂西段与康西瓦断裂和玛尔盖茶卡断裂交会部位，由阿尔金断裂西南尾部的张性构造运动所诱发，并在地表形成全场约30km的破裂带，地质考察最大左旋位移1.8m，最大垂直位移约2.0m（徐锡伟等，2011）。GPS同震位移研究表明，GPS站运动以东南向为主，证实了地质考察提出的左旋走滑分量（王凡等，2011）。而此次地震则是左旋走滑兼具些许拉张的地震，由阿尔金断裂西段所控制，同震位移以西北向运动为主。尽管这2次地震存在差异，但在断裂活动性关系上存在一定的关联，万永革等（2011）的库仑破裂应力变化结果显示，此次地震的发震断层处于上次地震所引起库仑应力变化的应力加载区，而且上次地震GPS震后观测表明，位于发震断裂北侧的普鲁断裂的左旋活动也被触发了（王凡等，2011），因而推断此次发震断层的左旋活动性，在一定程度上受到了上次地震的触发影响。

4 结论

本文通过对于田地震周边1000km范围内的GPS连续观测站所记录的30s和1Hz数据进行处理，得到了此次于田地震的近场地表运动和同震位移，初步揭示了此次地震的地壳形变特征，并对此次地震性质、破裂模型间的差异进行了探讨。总的来说，此次地震引起的地表运动显著，GPS记录到的最大位移振幅远高于同震位移。实测同震位移与初始模型及平移模型后的位移进行比较后显示，陈运泰研究小组和姚振兴研究小组的破裂模型均较好地反映了此次地震破裂过程，若前者以地震精定位结果作为震中位置，或许可获取更加精确的地震破裂模型。GPS同震位移作为近场数据，在研究地震破裂模型时，对反演获取更加精确的结果可以起到一定的约束作用，因而下一步研究工作拟以已有的地震破裂模型为初始模型，搜集处理更多的GPS数据，并以之为约束进行反演研究，以求获取更加精确的地震破裂模型。

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The Ground Motion and Coseismic Deformation of 2014 Yutian MS7.3 Earthquake

Chen Weitao1），Wang Yuebing1），Lian Weiping1），Gan Weijun2）and Fu Guangyu3）

1）National Earthquake Infrastructure Services，Beijing 100036，China
2）Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
3）Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China

The ground motion and coseismic deformation of 2014 Yutian MS7.3 earthquake are acquired by processing the data from continuous GPS stations around the earthquake．The result shows that the ground motion was remarkable．The maximum displacement amplitude recorded by GPS is greater than the coseismic deformation which is observed in limited region．The maximum displacement at XJYT station，which is 60km away from the epicenter，is about 74.7 mm westward and 39.9 mm northward．The coseismic deformation at XJYT on the other hand，is about 20.0 mm westward and 9.8 mm northward．This earthquake may be trigged by the 2008 Yutian MS7.3 earthquake in some degree．

Yutian earthquake；Altyn fault；GPS

陈为涛，王阅兵，连尉平，甘卫军，付广裕，2014年于田MS7.3级地震近场地表运动和同震位移的初步分析结果．震灾防御技术，9（4）：838—846．

10.11899/zzfy20140411

地震科技星火计划项目（XH14063）、地壳运动监测工程研究中心主任基金（NEIS201403）和国家自然科学基金项目（41274101）联合资助

2014-06-19

陈为涛，男，生于1983年。助理研究员。主要研究地壳运动和GPS地震学。E-mail：wtchen @neis.cn

连尉平，男，生于1978年。副研究员。主要研究地壳运动和地球动力学。E-mail：tab@seis.ac.cn

2 http://www.globalcmt.org，http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/269348.shtml