湖北地区现今地壳运动的GPS监测与分析

聂兆生　熊　维　黄　勇

1　中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉市洪山侧路40号，430071 2　中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉市洪山侧路40号，430071



湖北地区现今地壳运动的GPS监测与分析

聂兆生1,2熊维1, 2黄勇1, 2

1中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉市洪山侧路40号，430071 2中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉市洪山侧路40号，430071

利用GAMIT/GLOBK软件处理湖北CORS网络、陆态网络等76个连续站2011-05～2013-06 的GPS观测数据，得到各测站的精确坐标及测站的时间序列。给出全部测站的水平速度场，各测站的运动速度为6～9 mm/a，运动方向以东向或东南向为主，与华南块体的运动特征基本一致。初步结果表明，湖北地区内部不存在明显的差异运动。同时，计算了湖北地区的主应变率、最大剪应变率。结果表明，湖北地区最大剪应变率敏感区主要分布于断裂带集中的地区，分别位于巴东、秭归和郧县-竹山附近，最大值约为(1.43～1.73)×10-7/a，这一结果与湖北2014年秭归发生的4.5级、4.7级地震以及2014年房县4.0级地震有明显的对应关系。关键词： GPS速度场；时间序列；主应变率；最大剪应变率

GPS作为高精度、高分辨率的观测技术，可以直接观测到地震前后的地壳运动、地壳形变等信息，对于研究地震的应力应变分布及破裂特征等具有重要意义。因此，地球动力学等研究越来越依赖大规模的观测技术，遍布全球的各种观测网络应运而生，如美国有“板块边界实验室”(PBO，包含近800个测站)，日本有“地球观测网络”(GEONET，包含1 200个测站)；国内有中国地震局等六部委共建的包含260个GNSS CORS的中国大陆构造环境监测网络(简称“陆态网络”)，北京、上海、江苏、广东、湖北等省市先后完成的省级GNSS CORS系统等[1]。

湖北省位于秦岭褶皱系南缘与扬子地台北侧两大构造单元的衔接地带，地震构造环境具有两者兼备的特点，地壳深部结构、地质演化、构造变形、断裂活动和新构造运动相对复杂[2]。三峡大坝位于湖北省内，许多机构、学者一直以来关注着三峡水库是否会诱发地震、是否会给周边地区带来地质构造的局部变化。但是，由于地质与地球物理学证据的缺失，上述问题依然存在诸多疑问。

为开展基础测绘、气象监测及形变监测，湖北省测绘局、地震局及气象局联合建立了湖北CORS网络。平均分布在湖北各地区的80个测站使得湖北地区测站密度大幅提高，有效提高了该地区形变监测的空间分辨率和精度，为研究现今地壳运动提供了良好的基础[3]。本文利用湖北CORS系统、 “陆态网络”基准站(湖北区域)的GPS数据，在完成高精度数据处理的基础上，获取了湖北地区较高分辨率的水平地壳形变图像及应变图像，并开展了初步的运动学分析。

1　数据处理

本文使用了76个湖北CORS系统连续参考站及4个湖北省内“陆态网络”基准站的数据，站点均匀覆盖全省，间距在50～70 km。GPS观测均采用双频接收机，主要型号有Trimble系列的R7 GNSS、NetR8、NetRS接收机，Leica的1200接收机。观测均采用高精度测地型天线，采样间隔为30 s。计算选取的数据时间跨度为2011-05-01～2013-06-30。

GPS观测数据处理采用GAMIT/GLOBK 10.4软件，分别计算站点坐标和卫星轨道的单日松弛解。GPS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、卫星相位中心偏差等。卫星轨道的初值由IGS精密星历提供，观测数据模型改正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。选取中国大陆及周边的BJFS、URUM等12个IGS站作为基准站，分网处理的单日松弛解由12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[4-6]。为保证参考框架的稳定，参考框架点尽可能全球均匀分布，并剔除板块边界带的不稳定点。计算单日松弛解的同时，生成坐标残差图，通过查看各站点坐标残差图，删掉各站点解算精度差的当天数据。最后在ITRF2008框架下进行整网平差，计算站点坐标及速度值。计算过程中发现有7个测站位移出现异常，本文未予采用。

2　时间序列

限于篇幅，图1仅列出SYZX、HGMC、XNTS、ESXE、HBJM、HBZG(站址位于湖北竹溪、麻城、通山、宣恩、荆门、秭归，分别处于鄂西北、鄂东北、鄂东南、鄂西南、江汉平原地震构造区)6个站点的时间序列。对比观察，可得出以下结论：

1)6个站点的水平位移基本稳定，东向运动较为显著，运动趋势也相对明显；而南北向绝对位移量较小，位移趋势表现为微弱的南向运动。

2)6个站点的垂直位移基本都具有较明显的周年、半周年运动。进一步分析表明，各站周年振幅最大、最小值出现的月份基本一致，表明湖北各地区大气层状况无明显差别。

3)HBZG、HBJM两站的垂向时间序列好于其余4站，原因有二：一是两站建站时间较其他站要早近两年；二是两站选址于地震台站内，基岩开挖深度较深，地质构造环境好于其他站点。而对于同期建设的站点，基岩站点的稳定性要好于土层站，因观测墩建成后有一个稳定过程，土层站的稳定周期较长，且受气象、环境等因素影响较为显著[7]。

图1　SYZX、HGMC、XNTS、ESXE、HBJM、HBZG站的时间序列Fig.1　Time series of SYZX, HGMC, XNTS, ESXE, HBJM and HBZG stations

3　水平形变场分析

经检查剔除后，最终参与平差计算的CORS测站总计69个。表1给出ITRF2008框架下的湖北CORS站点的速度值及中误差，水平E、N方向平均运动速度分别为34.40 mm/a、-9.4 mm/a，其解算精度均优于1 mm/a；垂直U方向平均运动速度为-5.06 mm/a，解算精度优于1.5 mm/a。

为更准确地估计湖北地区的相对形变信息，需扣除本身所处欧亚板块的运动速度，故将各站ITRF2008框架下的速度转换至欧亚板块框架下。欧亚板块欧拉矢量参数表2。转换后，得到湖北CORS站相对于欧亚大陆的运动速度(图2)，同时也给出了“陆态网络”湖北地区4个GPS基准站的速度信息，其中各站中水平方向最大、最小的运动速度分别为 10.63 mm/a、 5.32 mm/a，测定精度优于1 mm/a，与文献[8-9]给出的华南地块6～11 mm/a的运动速度一致。

表1　ITRF2008框架下的湖北CORS站

表2　欧拉矢量参数表

f1:郧西-郧县断裂；f2:宝丰-房县断裂；f3:青峰断裂；f4:襄樊-广济断裂；f5:雾渡河断裂；f6:天阳坪断裂；f7:仙女山断裂；f8:麻城-团风断裂；f9:郯城-庐江断裂图2　湖北地区现今地壳运动水平速度场(相对于欧亚板块)Fig.2　Crustal movement horizontal velocity field in Hubei region (relative to the Eurasian plate)

4　应力应变分析

f1:郧西-郧县断裂；f2:宝丰-房县断裂；f3:青峰断裂；f4:襄樊-广济断裂；f5:雾渡河断裂；f6:天阳坪断裂；f7:仙女山断裂；f8:麻城-团风断裂；f9:郯城-庐江断裂图3　湖北地区主应变率分布Fig.3　Distribution of principle strain rates in Hubei region

断裂带的分布在一定程度上影响着应变场的空间分布，相对完整的块体内部应变场较为均匀，量值很小[10-11]。利用2011-05-01～2013-06-30的GPS观测数据，计算得到湖北地区的主应变率分布(图3)。结果表明，湖北地区最大主压应变集中分布在主要断裂构造带周围：1)量值最大区主要集中在宜昌、秭归附近的NNW向的仙女山断裂带以及NWW向的雾渡河断裂、天阳坪断裂附近，基本上以近南北向主压应变为主，主压应力轴分布与断裂走向基本一致，总体方向呈近东西向分布。2)NWW向的襄樊-广济断裂西段也存在相当程度的主压应变，主压应力轴与断裂带走向夹角约60°～70°，总体走向为北西向；郧县-郧西断裂兼有主压应变和主张应变，其中主张应变略为突出，其应力轴与断裂走向夹角约30°；宝丰-房县断裂基本上表现为主压应变，而其东北区则表现为主张应变，应力轴几乎与断裂走向一致。3)横贯湖北境内的襄樊-广济断裂中段两侧也存在一定程度的应变，主要表现为平行于断裂以张应变为主、垂直于断裂以压应变为主，而与麻城-团风断裂交界处则表现为垂直于襄樊-广济断裂走向的主张应变；其他区域，如江汉平原等地区，整体应变较小，量值均匀，表明局部块体内部运动平稳，体现出其刚性特征。

由通过2011-05-01～2013-06-30的GPS观测数据计算得到的湖北地区最大剪应变率分布图(图4)可知，敏感区域集中分布在宜昌市秭归县、恩施市巴东县周边50 km区域内、十堰市的郧县及郧西地区、襄樊-广济断裂中段的安陆至黄冈条带区；最大值约为(1.43～1.73)×10-7/a，分别位于宜昌与恩施交界处、十堰地区的竹山至郧西-郧县的辖区内，前者恰好与2014年的秭归4.5级及4.7级地震对应，后者所在区域则可能与2014年房县4.0级地震对应。其他地区基本均匀分布，量值集中在(1～10)×10-8/a区间内。

f1:郧西-郧县断裂；f2:宝丰-房县断裂；f3:青峰断裂；f4:襄樊-广济断裂；f5:雾渡河断裂；f6:天阳坪断裂；f7:仙女山断裂；f8:麻城-团风断裂；f9:郯城-庐江断裂图4　湖北地区最大剪应变率分布Fig.4　Distribution of maximum shear strain rates in Hubei region

从湖北地区历史地震的分布(图2)可知，鄂西山区与江汉平原的交汇区、湖北与江西交界的周边区域(郯城-庐江地震带两侧)是地震的主要发生区[12]，与GPS揭示的形变规律、主应变率集中区域以及剪应变率敏感区分布基本一致，表明了本文计算结果的可靠性。

5　结　语

1)站点时间序列表明，水平位移基本稳定，东向运动趋势显著，南北向表现为微弱的南向运动；垂直位移则具有明显的周年、半周年运动，且基岩站点稳定性明显优于土层站点。另外，GPS垂向位移易受参考框架、非构造运动作用等因素影响。有关研究表明，当GPS观测时间大于 4～5 a时，垂向速率结果方可视为相对稳定，可用于各种构造解释。因本次所使用的湖北CORS数据仅持续2 a多，相对较短，故本文研究对该地区垂向位移不予考虑，待日后再作分析。

2)湖北CORS系统的建设完成，使得湖北地区GPS测站空前加密，进而得以获取更为精细的区域变形图像。由图2可以看出，湖北各地地壳运动方向均为正东或东略偏南，运动速度没有明显差异，平均运动速度为7～8 mm/a，除湖北中部江汉平原地区略低外，湖北东、西部地区较为均衡，表明湖北地区内部不存在明显的差异运动。三峡库区周边测站运动速度也均为7 mm/a左右，较之其他地区并无明显变化，未来将联合三峡大坝形变监测网(连续、流动)资料对该区域进行更为细致的研究。

3)湖北地区最大主压应变集中分布在主要断裂构造带周围(图3)，主要集中在宜昌、秭归附近的NNW向的仙女山断裂带以及NWW向的雾渡河断裂、天阳坪断裂附近，NWW走向的襄樊-广济断裂西段也存在相当程度的主压应变，郧县-郧西断裂兼有主压应变和主张应变，宝丰-房县断裂基本上表现为主压应变，襄樊-广济断裂中段两侧也有一定程度的应变。其他区域，如江汉平原等地区，整体应变较小、量值均匀，表明局部块体内部运动平稳，体现出其刚性特征。而由湖北地区最大剪应变率分布图(图4)可知，敏感区域集中分布在宜昌市秭归县、恩施州巴东县周边50 km区域内、十堰市的郧县及郧西地区、襄樊-广济断裂中段的安陆至黄冈条带区；最大值约为(1.43～1.73)×10-7/a，分别位于宜昌与恩施交界处、十堰地区的竹山至郧西-郧县的辖区内。前者恰好与2014年的秭归4.5级及4.7级地震对应，后者所在区域则可能与2014年房县4.0级地震对应。

[1]曾波，张彦芬，姜卫平，等.山西CORS网基准站速度场分析[J]. 武汉大学学报：信息科学版，2012,37(12)：1 401-1 404(Zeng Bo,Zhang Yanfen,Jiang Weiping,et al.Velocity Analysis of Shanxi CORS Fiducial Station [J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2012, 37(12):1 401-1 404)

[2]湖北省地震志编委会.湖北省地震志[M].武汉：湖北人民出版社，2008(Editorial Committee of Hubei Province Seismic Record. Seismic Records in Hubei Province [M]. Wuhan: Hubei People Press,2008)

[3]聂兆生,黄勇,刘刚,等.湖北CORS 系统数据质量评估分析[J].大地测量与地球动力学,2013,33(6):53-56(Nie Zhaosheng,Huang Yong,Liu Gang,et al.Quality Evolution of Data from CORS in Hubei[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics,2013,33(6):53-56)

[4]Altamimi Z,Collilieux X,Métivier L.ITRF2008: An Improved Solution of the International Terrestrial Reference Frame[J]. Journal of Geodesy,2011,85:457-473

[5]Altamimi Z,Meacutetivier L，Collilieux X. ITRF2008 Plate Motion Model[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres,2012, 117(B07 402):47-56

[6]Santamaria-Comez A, Bouin M，Collileux X ，et al.Correlated Errors in GPS Position Time Series :Implications for Velocity Estimates[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2011, 116(B1):384-398

[7]乔学军，王琪，吴云，等.中国大陆GPS基准站的时间序列特征[J]. 武汉大学学报:信息科学版，2003,28(4)：413-416(Qiao Xuejun,Wang Qi,Wu Yun,et al.Time Series Characteristic of GPS Fiducial Stations in China [J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2003, 28(4)：413-416)

[8]李强，游新兆，杨少敏，等.中国大陆构造变形高精度大密度GPS监测—现今速度场[J].中国科学：地球科学，2012，42(5)：629-632(Li Qiang,You Xinzhao,Yang Shaomin,et al.A Precise Velocity Field of Tectonic Deformation in China as Inferred from Intensive GPS Observations [J]. Science China:Earth Science,2012,55:695-698)

[9]王伟，杨少敏，赵斌，等.中国大陆现今地壳运动速度场[J].大地测量与地球动力学，2012，32(6)：29-32(Wang Wei,Yang Shaomin,Zhao Bin,et al.Present-Day Crustal Movement Velocity Field in Chinese Mainland [J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2012，32(6)：29-32)

[10]王敏，沈正康，牛之俊,等.中国大陆地壳运动与活动块体模型[J].中国科学：D辑,2003,33(增):21-32(Wang Min,Shen Zhengkang,Niu Zhijun,et al.Present-Day Crustal Movement of Chinese Mainland and Active Block Model[J].Science in China: Series D,2003,33(S1):21-32)

[11]李杰,王琪,王晓强,等.南天山-帕米尔现代地壳形变特征与应变场分布[J].大地测量与地球动力学,2012,32(1):1-4(Li Jie,Wang Qi,Wang Xiaoqiang,et al.Characteristics of Present Crustal Deformation and Distribution of Strain Field in Southern Tianshan-Pamir Region[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics,2012,32(1):1-4)

[12] 张丽芬，姚运生，申学林，等.三峡水库地震类型: 构造触发和非构造诱发地震及发震机理研究[J].大地测量与地球动力学，2014,34(4)：77-82(Zhang Lifen,Yao Yunsheng,Shen Xuelin,et al.Study on Type and Focal Mechanism of the Earthquakes in Three Gorges Reservoir[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2014,34(4)：77-82)

About the first author:NIE Zhaosheng, associate researcher,majors in GPS observation technology and its application in the seismology, E-mail:niezhaosheng @126.com.

Analysis of Present-Day Crustal Deformation in Hubei by GPS Observation

NIEZhaosheng1, 2XIONGWei1, 2HUANGYong1, 2

1Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071,China 2Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics，CEA，40 Hongshance Road, Wuhan 430071,China

In this study, we calculate GPS observation data from 76 continuous sites between May 2011 and June 2013 of the CMONOC and HBCORS networks. We get the precise coordinates, the time series, and the horizontal movement velocity field of each station. The results show that the movement speed is about 6-9 mm/a, and gives priority to movement to the east or southeast direction, which is almost the same as the movement characteristics of the south China block. The preliminary results show that there is no obvious difference in the Hubei region. Also, we calculate the principal strain rate and the maximum shear strain rate. The results show that the maximum shear strain rate sensitive area is mainly the area where the faults distribute centrally; the maximum value mainly distributes in Badong, Zigui and Zhushan-Yunxian and its neighbor area; the value is about (1.43-1.73)×10-7/a, ,the results correspond obviously to Zigui M4.5 and M4.7 earthquakes, and Fangxian M4.0 earthquake in Hubei region in 2014.

GPS velocityfield; time series; principle strain rate; maximum shear strain rate

Director Fund of Institute of Seismology,CEA,No.IS201326129；Special Fund for Earthquake Research of CEA,No.201508003,201508009;National Natural Science Foundation of China,No.41504011.

2015-09-23

聂兆生，副研究员，主要研究方向为GPS观测技术及其应用等，E-mail:niezhaosheng @126.com。

10.14075/j.jgg.2016.10.017

1671-5942(2016)010-0922-05

P315

A

项目来源：中国地震局地震研究所所长基金(IS201326129);中国地震局地震行业科研专项(201508003,201508009);国家自然科学基金(41504011,41572354)。