趙 斌 聶兆生 黃 勇 王 偉 張彩紅 譚 凱 杜瑞林

1)武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，武漢 430079

2)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點(diǎn)實驗室)，武漢 430071

大規(guī)模GPS揭示的華北地區(qū)現(xiàn)今垂直運(yùn)動*

趙 斌1，2)聶兆生2)黃 勇2)王 偉2)張彩紅2)譚 凱2)杜瑞林2)

1)武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，武漢 430079

2)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點(diǎn)實驗室)，武漢 430071

對華北地區(qū)1999年以來的大規(guī)模GPS流動站、連續(xù)站觀測資料采用最新的數(shù)據(jù)處理策略進(jìn)行統(tǒng)一處理，獲得364個測站的有效垂直運(yùn)動速度場。結(jié)果顯示，該區(qū)域垂直形變有升有降，總體上與地貌相關(guān):山西高原、燕山及蘇魯帶以隆升為主，而華北平原由于開采地下水造成大面積下沉。通過對垂直運(yùn)動場進(jìn)行區(qū)域平均分析，得到山西高原平均上升速率為1.8 mm/a，蘇魯造山帶及燕山地區(qū)上升速率不顯著。華北平原的垂直運(yùn)動主要以沉陷為主，最大下沉速率達(dá)144.0 mm/a，平均為40.0 mm/a。大規(guī)模GPS垂直運(yùn)動特征顯示，華北地區(qū)現(xiàn)今垂直運(yùn)動是新構(gòu)造運(yùn)動的繼承，并疊加有人為造成的地面沉降。

GPS資料;垂直運(yùn)動速率;區(qū)域平均;華北地區(qū);地面沉降

GPS 可用于垂直形變監(jiān)測［1－2］，但受制于信號傳播路徑中各類誤差的影響，其誤差是水平方向的2～5倍。為了獲得可靠的精度，一般需要較長時段(10～20 a)的觀測積累。連續(xù)觀測的GPS站在測定垂直位移的精度和可靠性方面，比采用流動觀測有很大提升。在一些垂直運(yùn)動幅度較大的地區(qū)(北美、新西蘭、意大利、冰島等)，GPS基準(zhǔn)臺網(wǎng)已先期開展相關(guān)研究，證實可以在較短時間(5～10 a)內(nèi)以高于1.0 mm/a 的精度測定構(gòu)造隆升或沉降［3－6］。國內(nèi)研究人員曾采用連續(xù)GPS站及較長時間的基準(zhǔn)站研究中國大陸的垂直形變，但由于測站稀疏、形變量小，對認(rèn)識整個中國大陸的垂直形變特征有限［7－11］。

自中生代以來，華北克拉通發(fā)生大規(guī)模的構(gòu)造形變和巖漿活動，主要體現(xiàn)為地殼的伸展、減薄等特征［9］。上新世以來，華北地塊停止斷陷活動，開始整體下沉［10－11］。1951～1981年精密水準(zhǔn)測量結(jié)果顯示，垂直速率除天津區(qū)域達(dá) －8.0～ －10.0 mm/a、蘇魯造山帶為1.0 mm/a隆升外，其他地區(qū)約為－1.0 ～ －2.0 mm/a［12］。

近50 a來，由于對地下水的過度開采，造成華北地區(qū)大面積沉陷。地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測部門建立了多手段的垂直形變監(jiān)測網(wǎng)，以獲取定量化、高時空分辨率的垂直形變區(qū)域。由于監(jiān)測區(qū)域小、測站稀疏等因素，華北地區(qū)大范圍垂直形變整體特征的量化分析不足。本文收集了該區(qū)域不同時間尺度、多個監(jiān)測網(wǎng)的密集GPS資料，通過數(shù)據(jù)處理獲得該區(qū)域現(xiàn)今垂直運(yùn)動的整體圖像，為該地區(qū)的垂直運(yùn)動特征、盆山構(gòu)造等研究提供了寶貴資料。

1 GPS資料及數(shù)據(jù)處理

采用的GPS數(shù)據(jù)主要以流動站觀測為主，輔以連續(xù)站資料(表1)。其中，流動觀測資料由“中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)”(簡稱網(wǎng)絡(luò)工程)和“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”(簡稱陸態(tài)網(wǎng)絡(luò))組成;連續(xù)站由網(wǎng)絡(luò)工程、陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)、天津市連續(xù)站及山東省連續(xù)站構(gòu)成。

GPS資料處理采用GAMIT/GLOBK 10.4。單日松弛解的處理主要遵循估計參數(shù)寬泛約束的原則，同時估計了衛(wèi)星軌道參數(shù)、測站坐標(biāo)、天頂對流層延遲及其梯度、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)及衛(wèi)星相位中心偏差等參數(shù)。觀測數(shù)據(jù)改正模型采用最新的通用模型，如IGS08絕對天線相位中心改正、FES2004海潮改正、IERS2010極潮改正、IERS2003固體潮汐改正等?？紤]到大氣負(fù)荷改正在IGS常規(guī)數(shù)據(jù)處理中尚未正式采用，在處理中未對觀測值進(jìn)行大氣負(fù)荷模型改正。分網(wǎng)處理的單日松弛解由10余個均勻分布的IGS站作為公共站與SOPAC處理的單日全球解綁定，并采用七參數(shù)相似變換轉(zhuǎn)換至ITRF2008參考框架［13］。為保證參考框架的穩(wěn)定，參考框架點(diǎn)盡可能全球均勻分布，并對板塊邊界帶受地震影響的測站進(jìn)行同震改正。

對每個GPS測站垂直向坐標(biāo)時間序列進(jìn)行線性擬合，得到單測站的垂直運(yùn)動速率。在GPS資料涵蓋的時間段內(nèi)，對該區(qū)域造成影響的地震為2011-03-11日本東海Mw9.0地震，遠(yuǎn)場同震形變結(jié)果表明該地震對該區(qū)域的最大水平形變不大于1.5 cm［14］，而垂向并沒有影響。因而，估計垂直速率時并沒有顧及同震形變的影響。

為驗證處理結(jié)果的精度及可靠性，對流動站垂向速率誤差(Su)、垂直向坐標(biāo)重復(fù)性精度［15］(WRMSu)及觀測時間跨度(T)進(jìn)行綜合分析。在僅考慮白噪聲誤差的條件下，速率誤差與年平均坐標(biāo)重復(fù)性精度(WRMSu/T)相當(dāng)。華北地區(qū)流動站垂向速率誤差、坐標(biāo)重復(fù)性精度及觀測時間跨度3個量的關(guān)系見圖1?？梢钥闯觯昶骄鴺?biāo)重復(fù)性精度與速率誤差呈線性關(guān)系，并且分布在斜率為1的虛線兩側(cè)，個別測站速率誤差偏大，嚴(yán)重背離虛線。速率誤差和年平均坐標(biāo)重復(fù)性精度隨著觀測時間的增長而減小。華北地區(qū)流動站的速率誤差和年平均坐標(biāo)重復(fù)性精度均集中在0.1～10.0 mm/a，其中觀測時長為約14 a的“網(wǎng)絡(luò)工程”流動站的速率誤差(紅色圓點(diǎn))集中在0.1 ～6.0 mm/a，平均為0.6 mm/a;而觀測時長為4 a左右的“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”流動站的速率誤差(藍(lán)色圓點(diǎn))平均為1.2mm/a，觀測時長小于2a的測站的速度誤差(粉紅色圓點(diǎn))則顯著增大?？紤]到流動站觀測時間短會引起速率值估計的偏差，并注意到“陸態(tài)工程”流動站平均速率誤差是“網(wǎng)絡(luò)工程”的2倍，本文僅對“網(wǎng)絡(luò)工程”流動站及其他連續(xù)站進(jìn)行后續(xù)分析，剔除圖1中速率誤差大于10.0 mm/a的測站后，共得到364個有效觀測值。

圖1 華北地區(qū)流動站觀測垂直速率誤差、重復(fù)性精度及觀測時長分布Fig.1 Standard error of vertical velocities，annual averaged weighted RMS，and length of observation of campaign GPS sites

2 資料處理結(jié)果

整個華北地區(qū)的高空間分辨率垂直運(yùn)動圖顯示，華北地區(qū)垂直形變有升有降(見圖2，(a)為華北地區(qū)垂直運(yùn)動場，藍(lán)色箭頭和橙色箭頭表示下沉，紅色箭頭表示上升，藍(lán)、白色虛線框分別為圖3、4的剖面位置;(b)為垂直運(yùn)動等值線圖，紅色實線為上升，藍(lán)色虛線為下沉;(c)為華北地區(qū)三維地形圖)。整體來看，垂直形變與其地貌特性密切相關(guān)，造山帶、高原地區(qū)基本處于隆升區(qū)，主要有太行山以西的山西高原、華北地塊北部的燕山山脈及蘇魯造山帶;而地殼伸展區(qū)、地塹系、平原地區(qū)則為沉降區(qū)，主要為山西拉張盆地及廣袤的華北平原，行政區(qū)域涵蓋京、津、冀、魯、豫、蘇等地。

2.1 山西高原垂直形變特征

圖2顯示，跨太行山斷裂帶垂直形變梯度帶依太行山東邊界展布，斷裂帶以西的山西高原呈整體上升運(yùn)動，速率在0.1～4.0 mm/a，說明太行山以東的山西高原仍持續(xù)上升。個別位于山西地塹的拉張盆地的測點(diǎn)速率為負(fù)，顯示拉張盆地仍在發(fā)育?？缣猩奖辈康拇怪彼俣绕拭骘@示，太行山以西、山西高原西北部300 km范圍內(nèi)，總體呈隆升勢態(tài)。山西北部雁列式拉張盆地兩側(cè)GPS垂直速率沒有明顯差異，垂直運(yùn)動速率基本在平均速率1.8 mm/a(圖2中紅色虛線)上下波動。盡管單個測站的GPS垂直精度并不能與其水平向精度媲美，但是鑒于該區(qū)域GPS觀測時間跨度最長達(dá)14 a，并且該區(qū)域GPS垂直運(yùn)動的群體一致性很強(qiáng)，因而區(qū)域平均獲得的1.8 mm/a垂直上升速度是客觀的，反映了山西高原中北部地區(qū)持續(xù)隆升的構(gòu)造運(yùn)動現(xiàn)狀。本文測定的平均上升速率與1951～1982年精密水準(zhǔn)測量獲得的垂直運(yùn)動有較好的一致性［12］。與山西高原北部整體隆升相對應(yīng)的是以大同盆地、忻定盆地為代表的拉張盆地邊緣地區(qū)GPS測站的下沉，有限測站的平均下沉速率為1.0 mm/a(圖2中藍(lán)色虛線)。瞿偉等［16］也計算了大同盆地GPS站的垂直速率，同樣揭示了大同盆地內(nèi)部下沉、邊緣上升的特點(diǎn)。但由于與本文的測站不同，其最大下沉速率達(dá)10.8 mm/a。山西中南部的現(xiàn)今垂直運(yùn)動與北部相似，升降區(qū)域與地形相吻合，是新構(gòu)造運(yùn)動的繼承。該區(qū)域除太原盆地、臨汾盆地等因開采地下水造成沉降外，其他地區(qū)隆升速率微弱。

2.2 華北平原沉陷區(qū)形變特征

大規(guī)模的GPS監(jiān)測結(jié)果表明，以太行山作為西邊界、燕山為北邊界、蘇魯造山帶為東邊界，形成一條狹長的、北東-西南走向的長約600 km、寬約300 km的沉降帶(圖2(b))。該沉降帶主要轄京、津、冀、豫4個省市，覆蓋面積約30余萬km2。區(qū)域內(nèi)最大沉降速率高達(dá)140.0 mm/a，平均下降速率為40.0 mm/a，形成以城市為中心的若干漏斗區(qū)。整體上呈北快南慢的沉降特點(diǎn)。

圖2 華北地區(qū)的高空間分辨率垂直運(yùn)動圖Fig.2 Vertical motion in north China with high spatial resolution

圖3 山西高原北部垂直運(yùn)動速度剖面Fig.3 GPS vertical motion profile across the north Shanxi plateau，red dot denotes uplift，blue dot represents subsidence.

圖3所示的垂直速度場剖面橫跨太行山及蘇魯造山帶，華北平原正處在U形的底部，形成寬約300 km的沉降帶。太行山斷裂帶以東300km范圍內(nèi)，位于華北平原的測站垂直下沉速率在 －1.0～－144.0 mm/a范圍內(nèi)，如此大幅度的下降速率主要反映的是地下水過度開采所致的大幅下沉信號，而微弱的地殼構(gòu)造運(yùn)動信息則湮沒在巨幅的地表沉降中。巨幅沉降區(qū)集中在太行山以東100 km左右，寬約200 km。

2.3 其他地區(qū)垂直形變特征

張渤斷裂帶以北的燕山地區(qū)垂直形變微弱，明顯低于太行山北部高原的垂直速率。一方面反映了張渤斷裂帶以北地區(qū)相對穩(wěn)定，另一方面可能也與該斷裂控制的純走滑運(yùn)動為主的構(gòu)造背景有關(guān)。

太行山以東300～500 km內(nèi)測站有升有降(圖4)，其中隆升測站位于蘇魯造山帶。GPS揭示的蘇魯造山帶的現(xiàn)今隆升速率整體偏低，比山西北部高原上升速度低，符合該地區(qū)的弱地震活動性及構(gòu)造背景。

圖4 華北平原沉陷區(qū)垂直速度場剖面Fig.4 GPS vertical motion profile across the north China Plain

3 結(jié)論

1)華北地區(qū)的垂直運(yùn)動既包含長期的構(gòu)造形變信息，也包含地下水開采造成的地面大幅沉降信號。該區(qū)域的垂直運(yùn)動與地形、地貌具有高度一致性，平原、盆地呈下降趨勢，高原呈上升趨勢，充分說明華北地區(qū)的垂直運(yùn)動是新構(gòu)造運(yùn)動的繼承，在平原、盆地地區(qū)疊加了強(qiáng)烈的地面沉降信號。

2)山西高原現(xiàn)今的上升速率約為1.8 mm/a，這種上升速率并不受山西地塹系的影響，地塹兩側(cè)的垂直上升速率沒有顯著差異。有限的測站樣本顯示，山西高原內(nèi)部的拉張盆地處于下沉狀態(tài)，平均速率為－1.0 mm/a，個別測站受到地下水開采影響，沉降顯著。

3)華北平原是地面沉陷的重災(zāi)區(qū)，大量GPS觀測顯示，沉降最嚴(yán)重的區(qū)域位于太行山山前以東125 km處，最大沉降速率達(dá) －144.0 mm/a，平均下沉速率達(dá)－40.0 mm/a，形成近NE-SW走向的長條形沉陷區(qū)。

4)GPS觀測結(jié)果顯示，燕山地區(qū)隆升信號微弱，可能與張渤斷裂帶以走滑運(yùn)動為主、蒙古高原古老并且相對穩(wěn)定有關(guān);蘇魯?shù)貐^(qū)垂直運(yùn)動也不顯著。

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致謝 感謝地殼運(yùn)動監(jiān)測工程研究中心提供“網(wǎng)絡(luò)工程”和“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”GPS觀測資料，天津市地震局、山東省地震局提供連續(xù)GPS站觀測資料。

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

地震行業(yè)科研專項(201308009);國家自然科學(xué)基金項目(41304019);河北省地震局地震科研基金項目(201209)。

趙斌，男，1981年生，助理研究員，從事GPS高精度數(shù)據(jù)處理及地殼形變分析研究。E－mail:cugzhaobin@163.com。