大规模GPS揭示的华北地区现今垂直运动*

赵 斌 聂兆生 黄 勇 王 伟 张彩红 谭 凯 杜瑞林

1)武汉大学卫星导航定位技术研究中心，武汉 430079

2)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

大规模GPS揭示的华北地区现今垂直运动*

赵 斌1，2)聂兆生2)黄 勇2)王 伟2)张彩红2)谭 凯2)杜瑞林2)

1)武汉大学卫星导航定位技术研究中心，武汉 430079

2)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

对华北地区1999年以来的大规模GPS流动站、连续站观测资料采用最新的数据处理策略进行统一处理，获得364个测站的有效垂直运动速度场。结果显示，该区域垂直形变有升有降，总体上与地貌相关:山西高原、燕山及苏鲁带以隆升为主，而华北平原由于开采地下水造成大面积下沉。通过对垂直运动场进行区域平均分析，得到山西高原平均上升速率为1.8 mm/a，苏鲁造山带及燕山地区上升速率不显著。华北平原的垂直运动主要以沉陷为主，最大下沉速率达144.0 mm/a，平均为40.0 mm/a。大规模GPS垂直运动特征显示，华北地区现今垂直运动是新构造运动的继承，并叠加有人为造成的地面沉降。

GPS资料;垂直运动速率;区域平均;华北地区;地面沉降

GPS 可用于垂直形变监测［1－2］，但受制于信号传播路径中各类误差的影响，其误差是水平方向的2～5倍。为了获得可靠的精度，一般需要较长时段(10～20 a)的观测积累。连续观测的GPS站在测定垂直位移的精度和可靠性方面，比采用流动观测有很大提升。在一些垂直运动幅度较大的地区(北美、新西兰、意大利、冰岛等)，GPS基准台网已先期开展相关研究，证实可以在较短时间(5～10 a)内以高于1.0 mm/a 的精度测定构造隆升或沉降［3－6］。国内研究人员曾采用连续GPS站及较长时间的基准站研究中国大陆的垂直形变，但由于测站稀疏、形变量小，对认识整个中国大陆的垂直形变特征有限［7－11］。

自中生代以来，华北克拉通发生大规模的构造形变和岩浆活动，主要体现为地壳的伸展、减薄等特征［9］。上新世以来，华北地块停止断陷活动，开始整体下沉［10－11］。1951～1981年精密水准测量结果显示，垂直速率除天津区域达 －8.0～ －10.0 mm/a、苏鲁造山带为1.0 mm/a隆升外，其他地区约为－1.0 ～ －2.0 mm/a［12］。

近50 a来，由于对地下水的过度开采，造成华北地区大面积沉陷。地质环境监测部门建立了多手段的垂直形变监测网，以获取定量化、高时空分辨率的垂直形变区域。由于监测区域小、测站稀疏等因素，华北地区大范围垂直形变整体特征的量化分析不足。本文收集了该区域不同时间尺度、多个监测网的密集GPS资料，通过数据处理获得该区域现今垂直运动的整体图像，为该地区的垂直运动特征、盆山构造等研究提供了宝贵资料。

1 GPS资料及数据处理

采用的GPS数据主要以流动站观测为主，辅以连续站资料(表1)。其中，流动观测资料由“中国地壳运动观测网络”(简称网络工程)和“中国大陆构造环境监测网络”(简称陆态网络)组成;连续站由网络工程、陆态网络、天津市连续站及山东省连续站构成。

GPS资料处理采用GAMIT/GLOBK 10.4。单日松弛解的处理主要遵循估计参数宽泛约束的原则，同时估计了卫星轨道参数、测站坐标、天顶对流层延迟及其梯度、地球自转参数及卫星相位中心偏差等参数。观测数据改正模型采用最新的通用模型，如IGS08绝对天线相位中心改正、FES2004海潮改正、IERS2010极潮改正、IERS2003固体潮汐改正等。考虑到大气负荷改正在IGS常规数据处理中尚未正式采用，在处理中未对观测值进行大气负荷模型改正。分网处理的单日松弛解由10余个均匀分布的IGS站作为公共站与SOPAC处理的单日全球解绑定，并采用七参数相似变换转换至ITRF2008参考框架［13］。为保证参考框架的稳定，参考框架点尽可能全球均匀分布，并对板块边界带受地震影响的测站进行同震改正。

对每个GPS测站垂直向坐标时间序列进行线性拟合，得到单测站的垂直运动速率。在GPS资料涵盖的时间段内，对该区域造成影响的地震为2011-03-11日本东海Mw9.0地震，远场同震形变结果表明该地震对该区域的最大水平形变不大于1.5 cm［14］，而垂向并没有影响。因而，估计垂直速率时并没有顾及同震形变的影响。

为验证处理结果的精度及可靠性，对流动站垂向速率误差(Su)、垂直向坐标重复性精度［15］(WRMSu)及观测时间跨度(T)进行综合分析。在仅考虑白噪声误差的条件下，速率误差与年平均坐标重复性精度(WRMSu/T)相当。华北地区流动站垂向速率误差、坐标重复性精度及观测时间跨度3个量的关系见图1。可以看出，年平均坐标重复性精度与速率误差呈线性关系，并且分布在斜率为1的虚线两侧，个别测站速率误差偏大，严重背离虚线。速率误差和年平均坐标重复性精度随着观测时间的增长而减小。华北地区流动站的速率误差和年平均坐标重复性精度均集中在0.1～10.0 mm/a，其中观测时长为约14 a的“网络工程”流动站的速率误差(红色圆点)集中在0.1 ～6.0 mm/a，平均为0.6 mm/a;而观测时长为4 a左右的“陆态网络”流动站的速率误差(蓝色圆点)平均为1.2mm/a，观测时长小于2a的测站的速度误差(粉红色圆点)则显著增大。考虑到流动站观测时间短会引起速率值估计的偏差，并注意到“陆态工程”流动站平均速率误差是“网络工程”的2倍，本文仅对“网络工程”流动站及其他连续站进行后续分析，剔除图1中速率误差大于10.0 mm/a的测站后，共得到364个有效观测值。

图1 华北地区流动站观测垂直速率误差、重复性精度及观测时长分布Fig.1 Standard error of vertical velocities，annual averaged weighted RMS，and length of observation of campaign GPS sites

2 资料处理结果

整个华北地区的高空间分辨率垂直运动图显示，华北地区垂直形变有升有降(见图2，(a)为华北地区垂直运动场，蓝色箭头和橙色箭头表示下沉，红色箭头表示上升，蓝、白色虚线框分别为图3、4的剖面位置;(b)为垂直运动等值线图，红色实线为上升，蓝色虚线为下沉;(c)为华北地区三维地形图)。整体来看，垂直形变与其地貌特性密切相关，造山带、高原地区基本处于隆升区，主要有太行山以西的山西高原、华北地块北部的燕山山脉及苏鲁造山带;而地壳伸展区、地堑系、平原地区则为沉降区，主要为山西拉张盆地及广袤的华北平原，行政区域涵盖京、津、冀、鲁、豫、苏等地。

2.1 山西高原垂直形变特征

图2显示，跨太行山断裂带垂直形变梯度带依太行山东边界展布，断裂带以西的山西高原呈整体上升运动，速率在0.1～4.0 mm/a，说明太行山以东的山西高原仍持续上升。个别位于山西地堑的拉张盆地的测点速率为负，显示拉张盆地仍在发育。跨太行山北部的垂直速度剖面显示，太行山以西、山西高原西北部300 km范围内，总体呈隆升势态。山西北部雁列式拉张盆地两侧GPS垂直速率没有明显差异，垂直运动速率基本在平均速率1.8 mm/a(图2中红色虚线)上下波动。尽管单个测站的GPS垂直精度并不能与其水平向精度媲美，但是鉴于该区域GPS观测时间跨度最长达14 a，并且该区域GPS垂直运动的群体一致性很强，因而区域平均获得的1.8 mm/a垂直上升速度是客观的，反映了山西高原中北部地区持续隆升的构造运动现状。本文测定的平均上升速率与1951～1982年精密水准测量获得的垂直运动有较好的一致性［12］。与山西高原北部整体隆升相对应的是以大同盆地、忻定盆地为代表的拉张盆地边缘地区GPS测站的下沉，有限测站的平均下沉速率为1.0 mm/a(图2中蓝色虚线)。瞿伟等［16］也计算了大同盆地GPS站的垂直速率，同样揭示了大同盆地内部下沉、边缘上升的特点。但由于与本文的测站不同，其最大下沉速率达10.8 mm/a。山西中南部的现今垂直运动与北部相似，升降区域与地形相吻合，是新构造运动的继承。该区域除太原盆地、临汾盆地等因开采地下水造成沉降外，其他地区隆升速率微弱。

2.2 华北平原沉陷区形变特征

大规模的GPS监测结果表明，以太行山作为西边界、燕山为北边界、苏鲁造山带为东边界，形成一条狭长的、北东-西南走向的长约600 km、宽约300 km的沉降带(图2(b))。该沉降带主要辖京、津、冀、豫4个省市，覆盖面积约30余万km2。区域内最大沉降速率高达140.0 mm/a，平均下降速率为40.0 mm/a，形成以城市为中心的若干漏斗区。整体上呈北快南慢的沉降特点。

图2 华北地区的高空间分辨率垂直运动图Fig.2 Vertical motion in north China with high spatial resolution

图3 山西高原北部垂直运动速度剖面Fig.3 GPS vertical motion profile across the north Shanxi plateau，red dot denotes uplift，blue dot represents subsidence.

图3所示的垂直速度场剖面横跨太行山及苏鲁造山带，华北平原正处在U形的底部，形成宽约300 km的沉降带。太行山断裂带以东300km范围内，位于华北平原的测站垂直下沉速率在 －1.0～－144.0 mm/a范围内，如此大幅度的下降速率主要反映的是地下水过度开采所致的大幅下沉信号，而微弱的地壳构造运动信息则湮没在巨幅的地表沉降中。巨幅沉降区集中在太行山以东100 km左右，宽约200 km。

2.3 其他地区垂直形变特征

张渤断裂带以北的燕山地区垂直形变微弱，明显低于太行山北部高原的垂直速率。一方面反映了张渤断裂带以北地区相对稳定，另一方面可能也与该断裂控制的纯走滑运动为主的构造背景有关。

太行山以东300～500 km内测站有升有降(图4)，其中隆升测站位于苏鲁造山带。GPS揭示的苏鲁造山带的现今隆升速率整体偏低，比山西北部高原上升速度低，符合该地区的弱地震活动性及构造背景。

图4 华北平原沉陷区垂直速度场剖面Fig.4 GPS vertical motion profile across the north China Plain

3 结论

1)华北地区的垂直运动既包含长期的构造形变信息，也包含地下水开采造成的地面大幅沉降信号。该区域的垂直运动与地形、地貌具有高度一致性，平原、盆地呈下降趋势，高原呈上升趋势，充分说明华北地区的垂直运动是新构造运动的继承，在平原、盆地地区叠加了强烈的地面沉降信号。

2)山西高原现今的上升速率约为1.8 mm/a，这种上升速率并不受山西地堑系的影响，地堑两侧的垂直上升速率没有显著差异。有限的测站样本显示，山西高原内部的拉张盆地处于下沉状态，平均速率为－1.0 mm/a，个别测站受到地下水开采影响，沉降显著。

3)华北平原是地面沉陷的重灾区，大量GPS观测显示，沉降最严重的区域位于太行山山前以东125 km处，最大沉降速率达 －144.0 mm/a，平均下沉速率达－40.0 mm/a，形成近NE-SW走向的长条形沉陷区。

4)GPS观测结果显示，燕山地区隆升信号微弱，可能与张渤断裂带以走滑运动为主、蒙古高原古老并且相对稳定有关;苏鲁地区垂直运动也不显著。

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致谢 感谢地壳运动监测工程研究中心提供“网络工程”和“陆态网络”GPS观测资料，天津市地震局、山东省地震局提供连续GPS站观测资料。

VERTICAL MOTION OF NORTH CHINA INFERRED FROM DENSE GPS NEASUREMENTS

Zhao Bin1，2)，Nie Zhaosheng2)，Huang Yong2)，Wang Wei2)，Zhang Caihong2)，Tan Kai2)and Du Ruilin2)
1)GNSS Research Center，Wuhan University，Wuhan 430079
2)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan430071

The data from continuous GPS stations and survey mode campaign GPS stations were processed using up-to-date geophysical correction models and 364 vertical velocities were obtained.The results show that there are uplift areas and subsidence areas in north China.Almost whole north China plain(NCP)surfers from serious ground subsidence，and the largest subsidence rate reaches 144.0 mm/a，average rate reaches 40.0 mm/a.In addition，Shanxi rift also sink due to withdrawing groundwater，the rate is smaller than that in NCP.In the most areas of Shanxi plateau，ground uplifts lightly，with an average rate of 1.8 mm/a，which is larger than that in Sulu and Yanshan orogenic belt.The results reveal that the present vertical motion pattern of north China is consistent with morphologic pattern and neotectonic movement.

GPS data set;vertical deformation rate;spatial averaging;north China area;surface subsidence

P227

A

1671-5942(2014)05-0035-05

2013-12-31

地震行业科研专项(201308009);国家自然科学基金项目(41304019);河北省地震局地震科研基金项目(201209)。

赵斌，男，1981年生，助理研究员，从事GPS高精度数据处理及地壳形变分析研究。E－mail:cugzhaobin@163.com。