陳為濤王閱兵連尉平甘衛(wèi)軍付廣裕

1）地殼運(yùn)動監(jiān)測工程研究中心，北京 100036

2）中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

3）中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

2014年于田MS7.3級地震近場地表運(yùn)動和同震位移的初步分析結(jié)果1

陳為濤1）王閱兵1）連尉平1）甘衛(wèi)軍2）付廣裕3）

1）地殼運(yùn)動監(jiān)測工程研究中心，北京 100036

2）中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

3）中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

基于2014年于田MS7.3級地震周邊地區(qū)的GPS連續(xù)觀測站數(shù)據(jù)，得到了此次地震的近場地表運(yùn)動和同震位移，分析了此次地震的地殼形變特征。結(jié)果表明，此次地震引起的地表運(yùn)動顯著，GPS記錄到的最大位移振幅遠(yuǎn)超過最終的同震位移，其中距離震中約60km的XJYT站記錄到了西向74.7mm和北向39.9mm的最大位移振幅，同震位移為西向20.0mm和北向9.8mm。2008年于田MS7.3級地震在一定程度上觸發(fā)了此次地震。

于田MS7.3級地震 阿爾金斷裂 GPS

引言

2014年2月12日北京時(shí)間17時(shí)19分，新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)于田縣發(fā)生MS7.3級強(qiáng)烈地震，震區(qū)位于青藏高原西北部的高海拔地區(qū)。野外地質(zhì)研究表明，此次地震的發(fā)震斷裂為阿爾金斷裂帶西段，該斷裂是青藏高原北緣的一條大型走滑斷裂，也是歐亞板塊內(nèi)部左旋走滑最顯著的板內(nèi)活動斷裂，它構(gòu)成了青藏高原和塔里木盆地的地質(zhì)邊界，總體走向沿北東向展布，全長2000km以上，此次地震發(fā)生的西段全新世以來的左旋走滑速率可達(dá)9—17.5mm/a。震中周邊近100年以來曾發(fā)生過約22次6.0級以上地震，約6次7.0級以上地震。其中，最近1次7.0級以上地震為2008年3月21日發(fā)生的新疆于田MS7.3級地震，距此次2014年2月12日發(fā)生的新疆于田MS7.3級地震僅約100km，這表明發(fā)震斷裂及其周邊具有相當(dāng)高的地震活動性（徐錫偉等，2003；Cowgill等，2009）。

地震發(fā)生后不久，研究學(xué)者們便研究了此次地震的基本性質(zhì)，他們所給出的震源機(jī)制解揭示了此次地震為一次走滑型事件，但在具體參數(shù)上有微小差異2（Ekstr?m等，2012）。地震精定位的結(jié)果顯示，地震的精確震中位置為82.56°E，36.04°N，震源深度為12.3km（張廣偉等，2014），這與中國地震臺網(wǎng)中心所報(bào)位置存在些許偏差1http://www.ceic.ac.cn/。地震破裂過程的研究表明，此次地震破裂比較集中，滑動主要分布在深部17km處，最大位錯量約為1.8m，而且破裂未出露地表2http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/269361.shtml（張勇等，2014）。而姚振興課題組等公布的破裂模型顯示3http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/201402/t20140214_4032524.html，此次地震破裂持續(xù)時(shí)間約25s，破裂分布比較集中，最大破裂位于9km深處，滑動量約為200cm。上述兩種結(jié)果的不同表明，此次地震的特征尚未完全明確。

綜上所述，雖然利用地震資料反演和地質(zhì)資料可初步得到地震震源位置、發(fā)震斷層的基本屬性以及地震的破裂模型，但是不同學(xué)者所得到的反演結(jié)果之間存在一定的差異。為此，筆者借助于GPS觀測所獲取的近場地表運(yùn)動和同震位移，初步揭示出此次地震的地殼形變特征，這將有助于進(jìn)一步分析此次地震的基本性質(zhì)。

1 GPS連續(xù)觀測站分布與數(shù)據(jù)處理

“十一五”期間實(shí)施的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“中國大陸環(huán)境與構(gòu)造監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”在項(xiàng)目“中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)”的基礎(chǔ)上，將中國大陸連續(xù)GPS觀測站數(shù)量從原有的27個(gè)增加到260個(gè)，非連續(xù)GPS觀測站數(shù)量從1056個(gè)增加到2056個(gè)，密集地覆蓋了中國大陸及部分周邊區(qū)域，并于2012年正式投入運(yùn)行，為監(jiān)測研究中國大陸地殼形變和構(gòu)造運(yùn)動提供了重要的基礎(chǔ)（甘衛(wèi)軍等，2012）。為了得到此次地震的近場地表運(yùn)動和同震位移，本文收集了震中1000km范圍內(nèi)的27個(gè)GPS連續(xù)觀測站的30s觀測數(shù)據(jù)（圖1紅色三角形）和震中附近8個(gè)GPS站的高頻（1Hz）觀測數(shù)據(jù)（圖1藍(lán)色三角形），具體測站分布如圖1所示。

上述30s觀測數(shù)據(jù)觀測時(shí)間跨度為2014年1月1日到2014年2月15日，采用麻省理工學(xué)院等開發(fā)的GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行解算?？紤]到此次地震的影響范圍，本文利用距離震中500km外的GPS連續(xù)觀測站定義了區(qū)域參考框架（圖1黃色三角形），從而得到震中500km范圍內(nèi)GPS測站的同震位移。計(jì)算過程中的具體參數(shù)設(shè)置為：基線處理模式為RELAX（松弛解），使用IGS發(fā)布的精密星歷作為軌道約束，并對軌道初始條件實(shí)施1m的松弛約束，并對臺站進(jìn)行9m的松弛約束；衛(wèi)星鐘差模型為廣播星歷誤差的鐘差參數(shù)，數(shù)據(jù)處理以24小時(shí)為一時(shí)段，衛(wèi)星截止高度角為10°，數(shù)據(jù)誤差分布是與衛(wèi)星截止高度角有關(guān)的函數(shù)（sigma=a2+b2/sin2（elev），其中，sigma表示誤差，單位mm，elev表示衛(wèi)星高度角，a2以及b2為常數(shù)系數(shù)，由數(shù)據(jù)殘差擬合確定）；對流層干分量的天頂延遲由GPT模型計(jì)算獲得（Boehm等，2007），同時(shí)對每個(gè)測站估計(jì)13個(gè)參數(shù)以改正濕分量導(dǎo)致的天頂延遲，映射函數(shù)采用GMF模型（Boehm等，2006），同時(shí)考慮到大氣的不均勻性，對每個(gè)測站估計(jì)南北向和東西向共2個(gè)大氣水平梯度參數(shù)（王敏，2009；Jiang等，2014）。

高頻（1Hz）數(shù)據(jù)解算采用上述軟件的TRACK模塊。由于震中周邊測站稀疏，站間距大，測站間地震波到時(shí)不同，采用逐級傳遞方法（Yin等，2013）來選擇不同的參考站。根據(jù)PREM模型結(jié)果（Dziewonski等，1981a；1981b），地殼平均P波速度約為6.3km/s，震中距相差200km左右的測站有著約31s的時(shí)間窗可以不受地震影響，因此最終確定XJYC站、XJRQ站以及XZGZ站作為解算的參考站。在選定參考站后，收集IGS發(fā)布的地震當(dāng)天的精密星歷作為解算過程的軌道約束并進(jìn)行解算。

圖1 于田地震周邊構(gòu)造背景及GPS連續(xù)觀測站分布圖Fig. 1 Distribution of faults and continuous GPS stations in around 2014 Yutian earthquake

2 GPS觀測結(jié)果與分析

近場地表運(yùn)動解算結(jié)果顯示，XJYT站觀測到了清晰的近場地表運(yùn)動，如圖2所示。橫坐標(biāo)時(shí)間從地震發(fā)震時(shí)刻17h19min50s開始，黑色豎向虛線表示各測站的理論P(yáng)波到時(shí)，黑色橫向虛線表示各測站震前震后的位移值，黑色箭頭表示發(fā)生最大振幅的位置。

觀測顯示，距離震中60km的XJYT站，在地震發(fā)生19s后，地表呈現(xiàn)出微弱的南向運(yùn)動，以及持續(xù)的西向運(yùn)動；35s后該站南北向運(yùn)動達(dá)到最大振幅，量級為39.9mm；39s后東西向運(yùn)動達(dá)到最大振幅，量級為?74.7mm。此后地表運(yùn)動的波幅開始收窄趨于穩(wěn)定，到80s時(shí)XJYT站地表位移已回彈至北向13.4mm，東向?28.6mm，與最終測定的永久位移相近。同震位移計(jì)算結(jié)果表明，距離300km以外的測站水平位移和所有測站的垂直位移均不明顯，距離震中最近的6個(gè)測站的水平位移如表1所示。從表1可以看出，XJYT站是此次地震中唯一有明顯位移變形的臺站。此次地震引起該站向北位移約9.8mm，向西位移約20.0mm，其余測站的同震水平位移均在1mm之內(nèi)。

圖2 XJYT站觀測到的近場地表運(yùn)動以及時(shí)間序列Fig. 2 The ground motion and time series observed at XJYT station

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

近場地表運(yùn)動和同震位移的結(jié)果均清晰地顯示，此次地震引起的地表運(yùn)動顯著，但同震位移范圍有限，距震中～330km的XJHT站已經(jīng)沒有明顯的同震位移，XJYT站記錄到的最大位移振動幅度要遠(yuǎn)高于最終的同震位移，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張的性質(zhì)。

3 討論

由于地震震中500km范圍內(nèi)GPS測站稀疏，未能完整地呈現(xiàn)出此次地震引起的地殼形變，但利用僅有的測站位移記錄來分析研究，對于了解此次地震的基本特征也具有些許的參考意義。

3.1 同震位移差異分析

對于XJYT站，高頻GPS記錄到的在80s時(shí)的地表位移，與GPS單日解得到的同震位移相比，雖然運(yùn)動方向上相似，但在量級上要偏大，東向偏高約8.6mm，北向偏高約3.6mm。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因除去兩者的定位精度不同之外，高頻GPS定位是單歷元定位，難以有效消除衛(wèi)星軌道和鐘差、電離層延遲、多路徑效應(yīng)等誤差因素，定位精度較低，水平向一般為5—8mm（Langbein等，2004；Elosegui等，2006）。而應(yīng)用30s觀測數(shù)據(jù)的單日解定位，不僅可得到更好的模糊度解，還可通過參數(shù)估計(jì)和模型化等方法來削弱上述誤差因素的影響，定位精度更高，水平向可達(dá)到2—3mm（Gan等，2007；Liang等，2013）；更重要的原因則在于記錄的形變特征不同，同震位移只是地表運(yùn)動的永久非彈性“殘余”部分，彈性部分在震后隨即恢復(fù)了，而在地震的過程中，彈性與非彈性形變相疊加，必然顯示出更大的地表振動幅度。

3.2 同震位移的理論模型研究

在研究斷層錯動問題時(shí)，斷層可簡化為由上部閉鎖層和下部蠕滑層組成，其中閉鎖層在間震期處于閉鎖或強(qiáng)耦合狀態(tài)，蠕滑層在應(yīng)力作用下進(jìn)行著持續(xù)運(yùn)動，從而導(dǎo)致閉鎖層產(chǎn)生能量積累，當(dāng)超過斷層本身介質(zhì)所能承受的上限時(shí)，便會發(fā)生破裂而造成地震，然后重新逐漸閉鎖，開始新一輪的能量積累過程（Reid，1910）。如果將地球巖石圈簡化為彈性介質(zhì)，便可以將斷層運(yùn)動與地表運(yùn)動之間的相互關(guān)系以完全的解析方式進(jìn)行表述（Okada，1985；Wang等，2006）。不過上述研究是平面空間下的關(guān)系描述，Sun等（2009）在前人分析研究的基礎(chǔ)上，提出更接近真實(shí)情況的球面空間下的關(guān)系解析解，也就是“球體位錯理論”。

為了研究此次地震的同震位移，本文計(jì)算了此次地震的理論同震位移，并與GPS實(shí)測的同震位移進(jìn)行了對比分析，探討了此次地震可能的破裂方式及其引起的地表形變。

在模擬計(jì)算過程中，使用的巖石圈介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型參考PREM模型（Dziewonski等，1981a；1981b），地震破裂模型分別采用了前文述及的陳運(yùn)泰研究小組和姚振興研究小組提供的兩種模型，基于球體位錯理論方法分別計(jì)算了這兩種模型在XZGZ、XJHT、XJQM、XJTZ、XJYT、XJYC、XJRQ、XZRT站處引起的位移，得到的結(jié)果如表2和表3以及圖2所示。

表2 地震破裂模型（E1，N1）及其模型平移后（E2，N2）計(jì)算得到的同震位移（依據(jù)陳運(yùn)泰研究小組的結(jié)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）計(jì)算得到的同震位移（依據(jù)姚振興研究小組的結(jié)果）Table 3 The coseismic deformation calculated from Yao Zhenxing’s model and the shifted model

從表2和表3中可以看出，無論是陳運(yùn)泰小組或姚振興小組結(jié)果計(jì)算得到的位移，除了在XJYT站有超過10mm的水平位移外，在其他臺站的位移均不超過1mm，這說明此次地震影響范圍不大，同時(shí)也與表1中GPS觀測到的同震位移相一致。

圖3 于田地震理論位移與實(shí)測位移間的差異Fig. 3 The difference between calculated displacement and observed displacement of Yutian earthquake

XJYT站理論位移和實(shí)測位移對比顯示（圖3左上附圖），依據(jù)陳運(yùn)泰小組結(jié)果計(jì)算得到的理論位移（圖3紅色箭頭）雖然在方向上與GPS觀測得到的同震位移（圖3藍(lán)色箭頭）一致，但在量級上相差甚遠(yuǎn)，只有實(shí)測值的約54%。而利用姚振興結(jié)果得到的理論位移（圖3綠色箭頭）接近GPS實(shí)測值，方向上往西偏了約9°，不過仍然位于實(shí)測值的誤差橢圓范圍內(nèi)。XJHT站、XJTZ站的理論位移與實(shí)測位移基本一致，XJQM站、XZGZ站、XZRT站在位移上有些許偏差，但均在1mm以內(nèi)屬于GPS觀測誤差影響范圍之內(nèi)。

上述位移結(jié)果的差異來源與2個(gè)地震破裂模型之間的差異相關(guān)，這些差異有：①地震破裂面所處位置的差異，前者位于圖3中藍(lán)色實(shí)線所標(biāo)位置，距離GPS連續(xù)觀測站較遠(yuǎn)；后者位于圖3中綠色實(shí)線所標(biāo)位置，距離GPS連續(xù)觀測站較近。②地震破裂方式的差異，前者破裂集中于震中附近；后者是雙向破裂，主破裂區(qū)位于震中東北。③發(fā)震斷層幾何模型的差異，陳運(yùn)泰小組采用的斷層走向?yàn)?42°，傾角78°；姚振興小組采用的斷層走向240°，傾角71.9°。④地震釋放能量的差異，前者最終的平均滑動量約為0.29m，震級為MW6.9；后者的平均滑動量約為0.52m，震級為MW7.0。

在上述這些差異中，震中位置的差異是主要的，原因在于研究地震破裂模型時(shí)所使用的遠(yuǎn)震資料無法有效分辨地震破裂發(fā)生的絕對位置，所得到的震中位置與實(shí)際地震往往會存在較大差異，因而需要參考近場地震波形資料才能得到的地震精定位結(jié)果（圖3黑色五角星）（張廣偉等，2014）。為了進(jìn)一步分析此次地震的同震位移，本文將兩種模型的空間位置平移至地震精定位位置處，所得理論位移如表2和表3所示。就XJYT站來說，前者較原有模型更為接近實(shí)測值；后者則出現(xiàn)一定程度的偏差，其他測站未有明顯變化?？偟膩碚f，兩種破裂模型均較好地反映了此次地震的破裂過程，陳運(yùn)泰研究小組的破裂模型若選擇精定位結(jié)果作為震中位置，或許可得到更加精確的破裂模型。

需要說明的是，由于地震周邊區(qū)域GPS連續(xù)觀測站分布稀疏，僅有單臺GPS觀測到有效的位移結(jié)果，進(jìn)一步的研究分析需要GPS區(qū)域站或InSAR等其他大地測量手段所得到的同震位移來驗(yàn)證。若在地震破裂模型研究中，考慮上述同震位移的近場約束作用，將有助于獲取更加精確的地震破裂模型（Wald等，1996；Ji等，2004；Delouis，2010；張勇等，2014）。

3.3 2次于田地震間的關(guān)系

此次于田地震發(fā)生的構(gòu)造背景從大尺度上來說，是在印度板塊向青藏高原北向不斷楔入的影響下，柴達(dá)木地塊持續(xù)向東運(yùn)動，造成了該地塊西北部邊界斷裂——阿爾金斷裂北東向左旋兼拉張活動的結(jié)果。在此次地震西南方向～90km處，曾在2008年發(fā)生了MS7.3級地震，但2次地震類型截然相反，上次地震為走向近南北的正斷兼具少量左旋走滑的地震，震中位于阿爾金斷裂西段與康西瓦斷裂和瑪爾蓋茶卡斷裂交會部位，由阿爾金斷裂西南尾部的張性構(gòu)造運(yùn)動所誘發(fā)，并在地表形成全場約30km的破裂帶，地質(zhì)考察最大左旋位移1.8m，最大垂直位移約2.0m（徐錫偉等，2011）。GPS同震位移研究表明，GPS站運(yùn)動以東南向?yàn)橹鳎C實(shí)了地質(zhì)考察提出的左旋走滑分量（王凡等，2011）。而此次地震則是左旋走滑兼具些許拉張的地震，由阿爾金斷裂西段所控制，同震位移以西北向運(yùn)動為主。盡管這2次地震存在差異，但在斷裂活動性關(guān)系上存在一定的關(guān)聯(lián)，萬永革等（2011）的庫侖破裂應(yīng)力變化結(jié)果顯示，此次地震的發(fā)震斷層處于上次地震所引起庫侖應(yīng)力變化的應(yīng)力加載區(qū)，而且上次地震GPS震后觀測表明，位于發(fā)震斷裂北側(cè)的普魯斷裂的左旋活動也被觸發(fā)了（王凡等，2011），因而推斷此次發(fā)震斷層的左旋活動性，在一定程度上受到了上次地震的觸發(fā)影響。

4 結(jié)論

本文通過對于田地震周邊1000km范圍內(nèi)的GPS連續(xù)觀測站所記錄的30s和1Hz數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了此次于田地震的近場地表運(yùn)動和同震位移，初步揭示了此次地震的地殼形變特征，并對此次地震性質(zhì)、破裂模型間的差異進(jìn)行了探討?？偟膩碚f，此次地震引起的地表運(yùn)動顯著，GPS記錄到的最大位移振幅遠(yuǎn)高于同震位移。實(shí)測同震位移與初始模型及平移模型后的位移進(jìn)行比較后顯示，陳運(yùn)泰研究小組和姚振興研究小組的破裂模型均較好地反映了此次地震破裂過程，若前者以地震精定位結(jié)果作為震中位置，或許可獲取更加精確的地震破裂模型。GPS同震位移作為近場數(shù)據(jù)，在研究地震破裂模型時(shí)，對反演獲取更加精確的結(jié)果可以起到一定的約束作用，因而下一步研究工作擬以已有的地震破裂模型為初始模型，搜集處理更多的GPS數(shù)據(jù)，并以之為約束進(jìn)行反演研究，以求獲取更加精確的地震破裂模型。

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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

陳為濤，王閱兵，連尉平，甘衛(wèi)軍，付廣裕，2014年于田MS7.3級地震近場地表運(yùn)動和同震位移的初步分析結(jié)果．震災(zāi)防御技術(shù)，9（4）：838—846．

10.11899/zzfy20140411

地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（XH14063）、地殼運(yùn)動監(jiān)測工程研究中心主任基金（NEIS201403）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41274101）聯(lián)合資助

2014-06-19

陳為濤，男，生于1983年。助理研究員。主要研究地殼運(yùn)動和GPS地震學(xué)。E-mail：wtchen @neis.cn

連尉平，男，生于1978年。副研究員。主要研究地殼運(yùn)動和地球動力學(xué)。E-mail：tab@seis.ac.cn

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