The analysis of ground deformation about Qinghai Maduo M7.4 earthquake based on GNSS
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摘要: 2021年5月22日，青海省玛多县发生M7.4级地震，地震对区域基准站造成了影响. 本文收集了距震中400 km以内的青海省全球卫星导航系统(GNSS)连续运行参考站(CORS)的高频观测数据，以国际GNSS服务 (IGS)站和陆态网为参考基准，分别采用静态模式和动态模式分析了震后地表三维形变. 结果表明：站点位移量级随震中距的加大而呈现衰减趋势，其中距震中约35 km的江多站(JDUO)产生东偏南28.0 cm的永久性位移. 整体来讲，地震对100 km内的震源区的影响表现为走滑型运动，与震源机制相吻合，区域运动特征整体表现为拉张运动，北西-南东(NW-SE)向拉张和北东-南西(NE-SW)向挤压.
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关键词:
- 全球卫星导航系统(GNSS) /
- GAMIT/TRACK /
- 玛多M7.4级地震 /
- 震后位移
Abstract: On May 22, 2021, Beijing time, an M7.4 earthquake occurred in Maduo, Qinghai province, which affected the regional stations. In this paper, we collected high-frequency observation data of Global Navigation Satellite System (GNSS) continuously operating reference stations (CORS) in Qinghai Province , which is less than 400 km from the epicenter. Using International GNSS Service (IGS) stations and China continental tectonic environment monitoring network as reference stations, static and dynamic models were used to analyze the three-dimensional surface deformation after the earthquake. The results show that, the displacement magnitude of the site shows a trend of attenuation as the epicenter distance increases. Among them, the Jiangduo station, which is about 35 km away from the epicenter, produces a permanent displacement of 28.0 cm to the south east. On the whole, the impact of the earthquake on the focal area within 100 km is shown as a strike-slip motion, which is consistent with the focal mechanism. The regional motion characteristics are generally shown as extensional-compression motion, NW-SE extension and NE-SW compression. -
0. 引 言
北京时间2021年5月22日02时04分，青海省果洛州玛多县（98.34°E，34.59°N）发生M7.4地震，震源深度17 km. 这是自2008年汶川地震以来我国境内发生的震级最高的一次地震，也是自2017年九寨沟地震后又一次震级大于7.0级的地震.
青海省位于青藏高原东北部，是板块碰撞活跃区域，受到来自太平洋板块对欧亚板块向下俯冲与印度板块向北碰撞挤压，在两大动力源的作用下，青藏高原以及周边构造活动强烈，形成强震多发态势. 青海玛多7.4级地震是巴颜喀拉块体边界断裂持续活动的结果，距离地震最近的断层是甘德南缘断裂带，震源机制为走滑型破裂[1-4]. 近年来，以全球卫星导航系统(GNSS)为代表的的空间大地测量技术因具有时空分辨率高、覆盖范围广、高精度等特点，被广泛应用于地壳形变分析和快速监测，为地震监测和地震机理研究发挥了重要作用[5-8].
本文拟利用GAMIT/GLOBK软件以及TRACK模块，分别采用静态解算和动态解算两种方法处理青海省GNSS连续运行参考站(CORS)数据，得到各站点的震前、震后位移以及震时动态坐标序列，并分析震后地表永久性形变和震时地表动态形变过程，为地震机理研究和评估地震影响提供参考.
1. 资料收集介绍
1.1 IGS站观测数据情况
利用GNSS分析地震对地表形变的影响，关键是选取稳定的基准站，因此，分析了国际GNSS服务(IGS)站及我国数据后，选取了2021-05-18—05-22 BJFS、WUHN、URUM、PIMO、CUSV、HYDE、KIT3、POL2、ULAB 9个IGS站作为框架站.
1.2 陆态网观测情况
中国大陆构造环境监测网络（简称“陆态网”）是覆盖我国大陆及近海的高精度、高时空分辨率的地壳运动监测网络，可为地震分析提供完整、可靠、连续的GNSS观测数据. 为分析地震影响，本文选取了2021-05-18—05-22 XJRQ、XJJJ、DXIN、YANC、XIAA、CQCS、XZYD、XZSH 8个陆态网站点数据，站点距震中距离均大于700 km，站点分布情况见图1所示.
1.3 青海省GNSS CORS情况
本文收集了2021-05-18—05-22 45座青海省GNSS CORS的高频观测数据，站点距震中距离均在400 km以内，其中距震中在100 km以内有江多站（JDUO）距震中35 km、玛多（MADU）距震中38 km、花石峡（HSHX）距震中74 km、康穷（KANQ）距震中79 km. 站点分布情况见图2所示.
2. GNSS数据处理
GNSS静态数据处理采用GAMIT/GLOBK10.70软件，基于ITRT2014参考框架，2021.381历元，计算震前、震后GNSS连续运行基准站的坐标变化，进而分析震后形变[9-10]. GNSS静态解算参数设置如表1所示.
高频GNSS动态数据处理采用GAMIT自带的TRACK模块，采用无电离层双差组合观测值进行震时动态坐标解算，具体解算时采用IGS精密星历，基线处理模式为长基线模式，采用卡尔曼滤波平滑算法来消除大部分测站的漂移误差[11-13].
GNSS动态数据处理时，选取远离震区的稳定的GNSS基准站为参考站，对震区周围的1 s采样间隔的高频观测数据逐历元进行坐标解算，获得地震瞬间的地表动态形变.
表 1 GNSS静态解算参数设置参数 参数设置 卫星轨道 IGS发布的快速精密星历 卫星截止高度角 10° 数据采样间隔 30 s 坐标约束 起算基准站NEU：5 cm、5 cm、10 cm 对流层改正模型 采用Saastamoinen模型进行标准气象改正 解算处理模式 轨道松弛（RELAX） 光压模型 BERNE[11] 观测值模式 无电离层组合 天顶延迟改正模型 VMF1 天顶延迟参数个数 13个 固体潮模型 IERS2010 海潮模型 FES2004 3. 地表形变分析
3.1 GNSS静态形变分析
为了分析地震引起的周围地表形变，采用两种方案进行综合分析，具体如下：
方案一：以我国周边BJFS、WUHN、URUM、PIMO、CUSV、HYDE、KIT3、POL2、ULAB 9个稳定的IGS站为框架站，对青海省GNSS CORS数据进行基线解算，得到单日松弛解. 采用相似变换分别对震前、震后单日松弛解进行联合平差，得出站点震前、震后坐标差异.
方案二：在对青海省GNSS CORS解算之前，首先分析陆态网站点的稳定性，以选取的9个稳定的IGS站为框架站，对青海省周边的XJRQ、XJJJ、DXIN、YANC、XIAA、CQCS、XZYD、XZSH 8个陆态网站点进行单日基线解算和网平差，将各站点的震前、震后成果进行比对，分析地震对周边陆态网站点的影响. 其次，以陆态网站点为起算基准站，分析青海省GNSS CORS震前、震后坐标变化.
由表2可知，所选取的8个陆态网站点在震前、震后坐标差异量级很小，且无系统性偏差，表明地震对青海省周边的8个陆态网站点没有影响，站点稳定.
因此，采用方案二对青海省GNSS CORS数据进行基线解算和网平差，获得CORS站震前、震后坐标差异也是可行的.
方案一和方案二解算的坐标成果精度统计如表3所示.
表 2 选取的陆态网站点震前、震后坐标差异统计表 m站点 N E U CQCS −0.1 −0.4 −0.6 DXIN −0.2 −0.2 0.6 XIAA 0.5 −0.9 −0.6 XJJJ −0.1 0.0 0.4 XJRQ −0.1 0.1 0.8 XZSH 0.0 0.0 0.1 XZYD 0.2 0.6 0.9 YANC 0.0 −0.4 0.5 表 3 方案一和方案二解算成果精度统计表mm 统计项 地震前 地震后 NRMS ERMS URMS NRMS ERMS URMS 方案一 最小值 0.6 0.6 2.4 1.1 1.1 4.2 最大值 1.1 1.3 4.9 2.2 3.9 11.8 平均值 0.8 0.8 3.2 1.5 1.6 6.1 方案二 最小值 0.6 0.6 2.4 1.1 1.1 4.1 最大值 1.1 1.2 5.3 2.1 3.7 13.6 平均值 0.8 0.8 3.3 1.5 1.6 6.5 由方案一和方案二的结果可得，站点的震前成果精度优于震后，一方面是由于震前观测数据时段多于震后（震前3天，震后1天）；另一方面是主震发生后的一系列余震会对站点造成影响，进而降低解算成果精度. N、E方向平均精度均优于2 mm，垂直方向平均精度在6 mm量级，方案一和方案二所获得的青海省GNSS CORS成果精度相当.
由表4的方案1和方案2震前、震后变化量差异可得，平面方向上差异小于1 mm，垂直方向上相差最大为2.1 mm，两种方案均可得到较为可靠的结果，本文仅对方案2的结果进行统计分析.
表 4 方案一和方案二震前、震后变化量差异mm 统计项 N E U 最小值 −0.2 −0.1 −2.1 最大值 0.1 0.5 0.2 平均值 −0.1 0.2 −0.5 青海省GNSS CORS震前、震后坐标变化量见表5所示，站点震后位移图如图3~4所示.
表 5 站点震前、震后坐标变化量震中距/km
统计项ΔN/cm ΔE/cm ΔU/cm 水平位移/cm 35 JDUO −5.4 27.5 0.5 28.0 38 MADU 9.1 −24.1 −1.2 25.7 74 HSHX 1.4 −7.6 0.5 7.7 79 KANQ 21.3 −16.7 −2.0 27.1 100~200 最小值 −4.1 −2.9 −0.8 1.3 最大值 1.9 3.2 2.3 5.3 平均值 −0.5 0.4 0.4 2.8 200~300 最小值 −0.7 −1.2 −0.5 0.2 最大值 0.7 0.8 0.9 1.4 平均值 −0.1 −0.1 0.2 0.8 300~400 最小值 −0.5 −0.7 −0.8 0.2 最大值 0.3 0.5 0.8 0.9 平均值 −0.1 −0.3 0.1 0.5 从青海省GNSS CORS震后位移可以得出，站点震后形变量级与距震中距离呈现衰减特征.
1）地震对距震中100 km以内站点造成的位移量级最大，平均水平位移约22.1 cm；其中距震中最近的JDUO水平方向产生28.0 cm的位移；距震中100~200 km的站点水平方向平均变化2.8 cm；距震中200 km外的站点水平位移量级较小，约1 cm.
2）距震中100 km的震源区，平面方向上JDUO产生东偏南28.0 cm的震后位移，KANQ、MADU、HSHX分别产生西偏北27.1 cm、25.7 cm、7.7 cm的震后位移，震源区表现为走滑型运动，这与本次地震的震源机制相吻合.
3）垂直方向上来看，MADU（–1.2 cm）、KANQ（–2.0 cm）表现为沉降，甘德（+2.3 cm）表现为抬升，其余站点在垂直方向上未见明显位移.
4）从震后位移图可以看出，地震对100 km内的震源区影响表现为走滑型运动，且区域位移特征以拉张运动为主，北西-南东(NW-SE)向拉张，北东-南西 (NE-SW)向挤压.
3.2 时间序列分析
对地震当天（UTC 0:00—24:00）的GNSS CORS按每2 h分割成12个数据文件，每2 h进行GNSS分时段静态解算，获得各站点12个时段的坐标成果，进而得出地震当天站点的时间序列. 解算结果平面精度平均约为±1.5 cm，高程精度平均约为±3 cm.
鉴于文章篇幅，本文仅列出JDUO、MADU、HSHX、KANQ 4个站的静态解算时间序列，如图5~8所示：
1） 4个站点震后在水平方向发生明显阶跃，阶跃方向和量级与上文GNSS静态形变分析解算得出的变化量一致，且震后变形未回归，表现为永久性位移.
2）地震当天分时GNSS静态解算时，由于每个时段仅用2 h的观测数据，坐标结果精度相对不高，距震中100 km外的站点地静态解算精度量级与震后形变量级相差不大，因此站点时间序列阶跃并不明显，在此不予展示.
3.3 震时GNSS动态形变分析
选取距离震中较远的陕西省靖边站（SNJB）距震中983 km和青海格尔木站（GERM）距震中372 km为参考站，获得青海省GNSS CORS的高频同震坐标变化，本文选取的两个参考站获得的站点动态同震位移结果相差不大，表明动态数据处理结果可靠，本文对SNJB为参考站的同震形变过程进行分析.
距震中最近的JDUO、MADU、HSHX、KANQ 4个站的同震动态形变明显，见图9~12，可得：
1）当地震发生后，4个站点发生波动，波动持续一段时间后结束，最终在N、E方向均产生永久性位移.
2） JDUO、HSHX在N方向表现为反向形变，JDUO先行向北振动，最大量级约14 cm，随后向南回跳，最后产生向南的永久性位移；HSHX先行向南振动，最大量级约5 cm，随后向北回跳，最后产生向北的永久性位移.
3）震时最大瞬间位移量级比震后永久性位移大；高频GNSS动态形变分析得出的站点震后永久性位移量级，与前文GNSS静态解算得出量级基本一致.
4. 结 论
通过对青海省GNSS CORS的数据处理和分析，得出以下结论：
1）地震对距震中100 km以内的站点影响最大，站点位移量级随着震中距的加大而迅速衰减，距震中最近的JDUO站产生东偏南28.0 cm的永久性位移. 距震中100~200 km的站点平均产生了2.8 cm的水平位移；距震中200 km外的站点影响量级较小，约1 cm.
2）在垂直方向上来看，MADU（–1.2 cm）、KANQ（–2.0 cm）表现为沉降，GAND（+2.3 cm）表现为抬升，其余站点在垂直方向上未见明显位移.
3）整体来看，地震对100 km内的震源区影响表现为走滑型运动，与震源机制相吻合；地震对周边区域影响整体表现为拉张运动，NW-SE向拉张和NE-SW向挤压.
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表 1 GNSS静态解算参数设置
参数 参数设置 卫星轨道 IGS发布的快速精密星历 卫星截止高度角 10° 数据采样间隔 30 s 坐标约束 起算基准站NEU：5 cm、5 cm、10 cm 对流层改正模型 采用Saastamoinen模型进行标准气象改正 解算处理模式 轨道松弛（RELAX） 光压模型 BERNE[11] 观测值模式 无电离层组合 天顶延迟改正模型 VMF1 天顶延迟参数个数 13个 固体潮模型 IERS2010 海潮模型 FES2004 
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表 2 选取的陆态网站点震前、震后坐标差异统计表 m
站点 N E U CQCS −0.1 −0.4 −0.6 DXIN −0.2 −0.2 0.6 XIAA 0.5 −0.9 −0.6 XJJJ −0.1 0.0 0.4 XJRQ −0.1 0.1 0.8 XZSH 0.0 0.0 0.1 XZYD 0.2 0.6 0.9 YANC 0.0 −0.4 0.5
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表 3 方案一和方案二解算成果精度统计表
mm 统计项 地震前 地震后 NRMS ERMS URMS NRMS ERMS URMS 方案一 最小值 0.6 0.6 2.4 1.1 1.1 4.2 最大值 1.1 1.3 4.9 2.2 3.9 11.8 平均值 0.8 0.8 3.2 1.5 1.6 6.1 方案二 最小值 0.6 0.6 2.4 1.1 1.1 4.1 最大值 1.1 1.2 5.3 2.1 3.7 13.6 平均值 0.8 0.8 3.3 1.5 1.6 6.5
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表 5 站点震前、震后坐标变化量
震中距/km
统计项ΔN/cm ΔE/cm ΔU/cm 水平位移/cm 35 JDUO −5.4 27.5 0.5 28.0 38 MADU 9.1 −24.1 −1.2 25.7 74 HSHX 1.4 −7.6 0.5 7.7 79 KANQ 21.3 −16.7 −2.0 27.1 100~200 最小值 −4.1 −2.9 −0.8 1.3 最大值 1.9 3.2 2.3 5.3 平均值 −0.5 0.4 0.4 2.8 200~300 最小值 −0.7 −1.2 −0.5 0.2 最大值 0.7 0.8 0.9 1.4 平均值 −0.1 −0.1 0.2 0.8 300~400 最小值 −0.5 −0.7 −0.8 0.2 最大值 0.3 0.5 0.8 0.9 平均值 −0.1 −0.3 0.1 0.5
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