汶川地震前后四川盆地CORS站运动特性分析

李 萌，黄丁发，严 丽，廖 华，冯 威，袁林果

1．西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；2．四川省地震局减灾救助研究所，四川 成都 610041

汶川地震前后四川盆地CORS站运动特性分析

李 萌1，黄丁发1，严 丽1，廖 华2，冯 威1，袁林果1

1．西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；2．四川省地震局减灾救助研究所，四川 成都 610041

为探讨四川盆地在汶川地震前后地壳运动的规律，对2006年3月至2012年9月四川12个连续运行参考站（continuously operating reference stations，CORS）6年多的观测资料进行了详细的处理和分析。通过比较震前震后CORS站运动的相似性和差异性发现：由于震后形变的影响，震后第一主成分（principle component first，PC1）的贡献率下降20%～40%；震后多站的速度场发生了明显的变化，突出表现在PIXI、CHDU、MYAN等站，YAAN、QLAI站处于闭锁状态；盆地垂直分量的周年振幅在震前一年偏大，震后逐年减小。以上发现表明汶川地震可能改变了四川盆地原有的运动特性。

汶川地震；CORS；震后形变；闭锁

1 引 言

自21世纪以来，全球发生的强震（Mw＞7．5）共有78次，强震对地壳形变的影响非常深远［1］。利用GPS对地观测技术分析强震地壳形变，在时空上具有其他大地测量技术不可比拟的优势，在远场同震位移的观测中，精度可达毫米级［2］，在测站速度场的估计中，能达到0．3 mm／a的精度［3］。另外，利用连续的GPS时间序列，还可判断区域内站点的运动特征及噪声特性［4－7］。

2008年的汶川地震属于罕见的大陆型高角度逆冲强震［8］，在震后的地壳形变研究中，由于毗邻于西侧的巴颜喀拉块体较四川盆地运动活跃，一般会把四川盆地作为刚性基准，研究龙门山断裂带的运动形态［9］，但对四川盆地在震前震后地壳形变的研究却相对偏少。有研究认为，川西地区活跃的地壳垂直隆升运动不仅仅是受青藏高原区域中下地壳的低黏滞性“管流”层的影响，还因为刚性四川盆地的阻挡作用［10］；也有研究指出，地震能量的释放大部分在震前［11－13］。因此，刚性四川盆地在震前和震后的运动状态及位于其地表CORS站的运动特性是一个值得探索的课题。

本文对分布在四川盆地内的CORS站运动特性的深入分析，不仅能较好地反映地块的运动特性，还能定量地探讨四川盆地内多种地球物理现象对CORS站的影响。另外，通过对震前震后四川盆地CORS站序列的对比研究，可发现震前震后CORS站运动特征的变化，从而进一步深入探讨地震对四川盆地可能产生的影响。

2 CORS站坐标序列解算与预处理

本文采用的GPS观测资料来源于四川省CORS网，12个CORS站的分布如图1。通过对以天为单位，汶川地震前后6年多的观测数据的解算，不仅能发现站点的运动变化，还可通过较均匀站点的分布反映四川盆地的运动规律。

图1 四川CORS测站分布图Fig．1 The geography location of CORS sites of Sichuan province

利用上述CORS测站连续观测数据与周边IGS测站（BJFS、KUNM、LHAZ、SHAO、WUHN）一起通过GAMIT形成单天解，再通过GLOBK与全球GPS数据处理的单天解融合并确定参考框架，得到ITRF 2005框架下的坐标［14］。为获得信噪比和精度更佳的坐标时序，本文采用QOCA软件计算并改正了地表质量负荷对测站的影响［15－16］，图2为CHDU站不同的坐标分量受地表质量负荷影响的时序图。

图2 CHDU站受地表质量负荷影响时序图Fig．2 The deformation time series of CHDU caused by surface mass loading

地表质量负荷对所有CORS站水平方向速率的影响不足0．2 mm／a，对垂直方向的影响小于0．3 mm／a，因此可忽略其对测站速率的影响。改正前后对水平分量基本无影响，因此暂不讨论其对水平方向振幅的影响。分析中，选取的噪声模型为白噪声＋闪烁噪声，表1为U分量坐标序列振幅的改正统计。经统计发现：地表质量负荷改正前后，CORS站U分量振幅的年周期项平均减小了2．34 mm，减小的幅度达到了40．9%，半年周期项改变较小，与文献［17］的研究结果基本上一致。值得注意的是，改正后坐标序列的精度也相应提高了8%～9%。

表1 地表质量负荷改正前后高程U分量周年和半周年信号振幅对比Tab．1 The comparison of the annual and semi－annual amplitudes in the up direction before and after surface mass loading correction mm

改正后，分别对坐标序列进行了线性项和阶跃项改正，并采用了移动平均法滤波。其中，对阶跃项的改正包括汶川地震引起的同震形变。值得注意的是，地震发生后，除YAAN、QLAI测站的同震位移方向为西南，其他CORS站的同震位移方向均指向西北，其中，PIXI、MYAN、CHDU 3个CORS测站形变最大。笔者利用震前震后7 d的平均值之差作为其永久性形变，统计情况如表2。

表2 四川CORS站由地震引起的永久性形变Tab．2 The offsets of CORS sites caused by the earthquake mm

以CHDU站N方向为例，处理流程如图3所示，主要包括：①扣除地表质量负荷影响；②粗差剔除、阶跃项、线性项改正；③滤波。图4为处理后的12个CORS站的坐标序列图。

图3 CHDU站N方向处理流程Fig．3 The processing procedure of CHDU in the north direction

图4 CORS站预处理后坐标序列Fig．4 Position time series of CORS stations after processing

3 站点运动的相似性分析

通过主成分分析（principle component analysis，PCA）方法分析各CORS运动相似性，并利用KLE（Karhunen－Loeve estimation）方法进行检验，可获得较高精度的主成分值和空间响应，并能够抑制本地较大噪声的影响［18－19］。对盆地12个CORS站震前、震后的时序分析发现：震前，PCA前3个主成分在N、E、U方向所占贡献率分别为：83．01%、4．86%、4．16%；70．69%、10．69%、5．31%；88．02%、2．93%、1．91%，KLE结果为83．22%、4．68%、4．16%；70．00%、11．19%、 5．04%；88．09%、2．91%、1．87%；震后，N、E、U 3方向中PCA前3个主成分下降至64．20%、15．10%、7．05%；39．46%、34．20%、9．48%；48．18%、18．82%、13．09%，KLE结果下降至64．80%、12．37%、7．26%；44．70%、28．15%、9．83%；48．80%、16．14%、11．59%。震后，第一主成分贡献率显著降低了20%～40%。

图5给出了震前、震后北、东、高3个方向前3个主成分空间响应，可看出震前四川CORS站第一主成分在3个分量上具有较一致的空间分布模式，但在震后，空间分布的一致性明显下降。

图5 震前（左）震后（右）前3个主成分空间响应Fig．5 Spatial response of the first three leading PC components before（left）and after（right）the earthquake

通常前n个主分量的累积贡献率大于85%，可认为前n个主成分综合了变量中的大部分信息［20］。笔者将前3个主成分之和作为区域网的“共模误差”，剩下的作为本地噪声影响来对待。共模误差由多种因素引起，大致可分为两类，第一类为GPS本身固有的误差，如太阳光压摄动、GPS配置的周年效应、参考框架的影响等［21－22］；另一类为多种地球物理因素的影响所构成，如地下水升降、高阶电离层扰动、地表质量负荷的影响、地球扩张与收缩振荡的影响［23］、观测墩的不稳定性等。

图6为共模误差序列图，实线为谐波拟合的结果，对应的Lomb－Scargle频谱如图7所示。由图可看出，3个分量上均具有明显的周年信号，半年周期信号较周年信号偏弱。

图6 共模误差序列图Fig．6 Common mode errors series

图7 共模误差频谱图Fig．7 Spectra of the common mode errors

滤除共模误差的数据，虽然能凸显出测站本身运动的不一致性，可优化精度和离散度；但由于震前震后的共模性并不一致，扣除共模误差后并不利于具体测站垂直方向震前震后振幅项的对比分析。因此，在对后文的差异性分析中，笔者仍采用预处理后的数据。

4 站点运动特征建模与震前震后差异性分析

中国地震局的研究指出，汶川地震周边的龙门山断裂带具有很低的粘性系数，弛豫时间常数为8 d，95%的置信区间为15 d。震后形变随时间衰减，衰减过程可用对数函数表示A loge［1＋（ti－Tgj）／τj］，而较稳固四川盆地内站点，距离震源最近的PIXI站也相隔有50 km以上。通过对所有站震后10 d～15 d的数据拟合发现，不存在有震后衰减的运动特征。因此，在此处忽略了震后的衰减过程对坐标序列的影响。

从汶川地震开始，截至2012年10月，发生在四川区域内震级大于5级的余震共有86次，其中大于6级的占4次。然而，通过比较包含有余震发生的单日解与前后5 d数据解算的结果，发现余震对CORS站点的位移基本上无影响，可能由于站点距离震源远，余震引起的为弹性形变，以天为单位的数据平差消除了其影响。

忽略震后衰减和余震的影响，笔者采用了以下的参数模型进行分析

式中，ti（i＝1，2，…，N），为以年为单位的时间；a为序列的初始值；v为速度；Δv为地震引起的速率变化量；H为阶梯函数（heaviside step function）；Tf为地震发生的时刻；Ai、φi和θi分别为周期项振幅、频率和相位；εi为噪声。

利用极大似然估计法，先后采用了以下6种噪声模型［24－27］：白噪声＋闪烁噪声（WN＋FN）；白噪声＋功率谱噪声（WN＋PL）；可变白噪声＋闪烁噪声（VW＋FN）；白噪声＋随机游走噪声（WN＋RWN）；白噪声＋闪烁噪声＋随机游走噪声（WN＋FN＋RWN）；白噪声＋一阶马尔可夫噪声（WN＋FOGM）进行分析。利用VW＋FN解算的极大似然估计（maximum likelihood estimation，MLE）值最大，意味着其为最优噪声模型，但精度偏差，且可变白噪声对振幅的影响也未知；利用WN＋PL解算精度虽为最佳，但幂律噪声偏大，谱指数的变化对振幅的解算结果也有一定影响；WN＋FN为除VW＋FN之外的最优噪声模型，占总体的84%，且谱指数大小固定，故选取了WN＋FN作为CORS站坐标时序噪声模型。

4．1 测站速度场变化

基于ITRF2005全球参考框架，采用WN＋FN噪声模型对四川CORS站震前震后速度场的估算见图8和表3，震后与震前速度场之差如图9。震后较震前对比，多个测站的运动形态并不一致，突出表现在PIXI、CHDU、MYAN等站，CHDU、MYAN两站的速度场均指向西方，PIXI站指向龙门山断裂带中断，其同震位移最大，可发现PIXI站受震后形变的影响也是最大的；位于西南处的QLAI、YAAN、LESH和盆地中部的JYAN、NEIJ测站速率基本上没多大变化，RENS、ZHJI站由于海拔偏高，距离龙泉山断裂带较近，因此震后的运动形态偏一致，均指向西北方，YBIN、LUZH两站距离震源较远，但运动形态也受到了不同程度的影响，这可能与两站靠近川滇板块，受川滇板块运动的影响有关。

表3 基于WN＋FN，ITRF2005框架CORS站速度场变化值及精度Tab．3 The velocities ant their uncertainties of CORS sites based on the WN＋FN model，ITRF2005 mm／a

4．2 振幅及周期项变化

站点运动的周期项主要包含年周期和半年周期，而周期项振幅的差异性主要表现在U分量上，N、E分量的差异性小于1．0 mm，因此笔者只比较了U分量。为了突出比较震前震后的整体性差异，以2006年3月为起始，以一年为准，通过12个CORS站振幅的加权平均计算了四川盆地整体性年周期和半年周期振幅（由地震和其他原因所引起的阶跃项已尽可能消除），如图10。

从四川区域年周期振幅的整体性变化规律，不难发现如下几点：震前一年，盆地的U分量周年振幅明显偏大，达到了10．1 mm，表明震前板块的垂向运动有可能处于活跃期。震后，U分量周年振幅逐年下降，在2011－03—2012－03仅有1．90 mm，甚至低于半年周期振幅，表明板块受震后的弹性形变影响在逐年减小，整体性运动趋于平衡。半年周期的振幅项并没有表现出明显的运动规律。

5 结论与建议

利用四川CORS站连续6年多的观测资料，进行相关数据处理及分析，发现：

（1）共模误差呈现出明显的季节性变化规律，其中，在E和U方向要强于N方向，年周期的信号明显强于半年周期。

（2）震前震后，四川CORS站的运动形态并不一致，这不仅跟测站距离震源距离的远近有关，还跟测站本身所处的地理位置有一定关系。

（3）汶川地震后，YAAN、QLAI等站处于闭锁状态，表明了地震后的应变能在此处并未得以释放。

U方向季节性信号也体现了一定的规律性，表现在盆地年周期振幅的整体性变化规律，在震前一年偏大，震后逐年减小。笔者认为这跟地震发生前能量的积累，震后弹性形变的影响具有较大关联，其影响程度是下一步需要探索的工作。通过对残差序列的分析发现，未经空间滤波的U方向季节性变化明显强于水平方向，且在夏季要强于冬季，导致这方面的因素很有可能跟GPS卫星、电离层扰动有关。

图8 震前，震后速度场红线表示震前速度场，蓝线表示震后速度场Fig．8 The velocity field before and after Wenchuan earthquake

图9 相对震前，震后速度场变化Fig．9 The change of the velocity field after the earthquake

图10 U分量年周期和半年周期振幅统计Fig．10 The statistics of the annual and semi－annual amplitudes in the U component

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（责任编辑：陈品馨）

Characteristics of Position Time Series at CORS Stations in Sichuan Basin before and after Wenchuan Earthquake

LI Meng1，HUANG Dingfa1，YAN Li1，LIAO Hua2，FENG Wei1，YUAN Linguo1
1．Faculty of Geosciences and Environment Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2．Disaster Relief Research Institute，Sichuan Provincial Earthquake Bureau，Chengdu 610041，China

The sites’movement characteristics before and after Wenchuan Earthquake are investigated using the daily position time series of 12 continuously operating reference stations（CORS）in Sichuan province from 2006 March to 2012 September．The displacements due to surface mass loading effects such as pressure loading，nontidal ocean loading，snow depth and soil moisture loading have been calculated and removed to reduce the root mean square（RMS）of the vertical component．A spatial filtering method based on the principle component analysis（PCA）is employed to extract the common mode errors（CME）from the daily time series．The method of maximum likelihood estimation is also utilized to choose the optimal noise model and assess the model parameters of the time series．The results indicate that the spatial response of the first principal component with the PCA analysis is reduced obviously by 20%～40% after the earthquake due to the effect of the post－seismic deformation．The velocity field has also changed obviously，especially at the PIXI，CHDU and MYAN sites，while they seem to be locked at the YAAN and QLAI sites．The annual amplitude of Sichuan basin is the largest just one year before the earthquake，and after that it becomes smaller gradually．The results above imply that the Wenchuan Earthquake has potentially changed the movement characteristics of Sichuan Basin．

Wenchuan Earthquake；CORS；post－seismic deformation；locked

LI Meng（1986—），male，PhD candidate，majors in crustal deformation observed by GPS．

P228

A

1001－1595（2014）06－0582－08

国家自然科学基金（41374032；41104020）

2013－04－10

李萌（1986—），男，博士生，主要研究方向为GPS地壳形变研究。

LI Meng，HUANG Dingfa，YAN Li，et al．Characteristics of Position Time Series at CORS Stations in Sichuan Basin before and after Wenchuan Earthquake［J］．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2014，43（6）：582－589．（李萌，黄丁发，严丽，等．汶川地震前后四川盆地CORS站运动特性分析［J］．测绘学报，2014，43（6）：582－589．）

10．13485／j．cnki．11－2089．2014．0107

修回日期：2013－08－25

E－mail：nemon818＠163．com