利用GPS与GRACE监测陆地水负荷导致的季节性水平形变:以喜马拉雅山地区为例

地表陆地水负荷变化是引起重力场和地壳形变呈现季节性特征的主要因素,并且能够利用地表及空间大地测量技术对其进行有效的监测.本文通过对质量负荷形变效应的理论模拟,描述了水平分量的形变指向以及垂直与水平分量的幅值比可以提高对负荷区域的辨别程度,并且联合GPS坐标时间序列及GRACE模型对喜马拉雅山地区的季节性负荷形变进行了详细对比分析,研究结果显示两者垂直分量的季节性变化具有较好的一致性,且GPS周年项幅值要大于GRACE.而由GRACE解算得到的水平分量结果表明该地区季节性形变主要受东南亚及印度东北部地区的陆地水负荷控制,位于喜马拉雅山地区多数GPS台站的垂直分量及北向分量的初相位与GRACE模型解算结果相近,而部分GPS台站的东向分量与GRACE模型存在明显不同,由此导致GPS与GRACE监测到的形变指向存在差异.通过对GRACE估算精度以及GPS垂直与水平分量幅值比的深入分析,发现GPS对局部周边地区的河流、谷地及农田灌溉等负荷变化造成的形变效应较为敏感,而GRACE由于截断阶次及平滑滤波等影响因素,不仅造成在水平分量上的分辨率远低于垂直分量,而且整体估算精度要低于GPS观测得到的形变信息.

青藏高原中南部近期地壳水平形变

以1999—2011年西藏、青海地区GPS区域站观测结果为基础,利用欧拉模型、多核函数法和球面应变模型,计算了青藏高原中南部地区区域整体无旋转基准下的运动场和应变场,对汶川地震前后两个时段的结果进行了对比分析。结果显示:青藏高原中南部地区多年来的总体运动特征未发生较大改变,整体以东西向拉张运动为主,中部以南北向的压缩变形为主,并且由南向北逐渐向两侧分异。北向运动主要集中在喜马拉雅块体和拉萨块体的中部,在拉萨块体的北部,北向运动已明显减弱。而在拉萨块体与羌塘块体分界处,区域运动方向已经明显转为东西向运动。汶川地震以后研究区东向运动有一定加强。

汶川地震对华北地区水平形变场影响及有关含义的讨论

通过2008年华北地区的GPS监测资料处理,初步分析表明:①华北地区(山西断陷带以东地区)水平形变在汶川地震(MS8.0)临震前数个月及同震时段(震后数个月)内整体有序且与地震相关的差异变化不明显,基本上继承了上一时段(2004—2007年)的运动方式;②从震后偏离上一时段运动方式的偏离结果来看,汶川地震的影响主要体现在山西断陷带的南端,此外也发现华北地区似乎有微弱的动态变化,其东北地区存在某种程度的偏离背景变化,东南与西北地区略有加速的迹象。从信息显著性的角度来看,由于其信息的信噪比不高,所以有关讨论则更侧重于可能性或形变迹象。

玉树和汶川地震前后区域水平形变的空间分布

以1999—2007年和2009—2010年两个时间段的GNSS观测资料为基础,借助于多核函数解析、滤波和应变场的无偏算法以及区域无旋转基准,在运动场连续变化的条件下获得了玉树MS7.1和汶川MS8.0地震前后青藏高原东南地域运动与形变场,并得到如下基本认知:①玉树和汶川地震前震源区构造活动在空间和较长时间上明显弱化,最大正应变和最大剪切应变均处在区域构造活动的最低水平。②与地震破裂相应的旋剪形变最大部位既不位于震源区也不远离震源区,似乎存在某种协调有序活动,玉树地震发震构造断裂带基本上处在区域右旋活动与左旋活动的过渡区上,而左旋活动最大条带却为平行于该断裂带且相距约150km的东北构造活动区内;汶川地震发震构造断裂虽处在右旋活动的龙门山断裂带上,但右旋活动最大条带为平行于该断裂带且相距约200km的西北活动区内。③玉树地震震时较大水平形变的范围较小,汶川地震震后水平形变仍较突出。④理塘—德巫断裂带的北段及周边地区应给予关注,面应变为象限分布图像,最大正应变和最大剪切应变均显示闭锁的迹象。

GPS资料反映大震前后青藏高原东北缘的水平形变

利用1999～2007年和2009～2011年青藏高原东北缘地区水平形变观测与处理结果,分析了汶川、玉树地震前后该区域水平形变场及其变化,得出:(1)1999～2007年水平运动的大小与方向变化明显,但清晰有序,相对运动一般在15mm/a以内,2009～2011年的水平运动轮廓虽然与1999～2007年相似,但变化可辨,主要体现在震源较近的地域;(2)1999～2007年的主压应变优势方向为南东—北西向,有序与一致性较强,值域一般在(±35～38)×10-9/a之内,最大主应变区呈带状分布于祁连构造带上,2009～2011年最大主应变的大小及空间分布则有一定的差别,震中附近最大约为180×10-9/a,但主应变方向与1999～2007年基本保持一致;(3)1999～2007年最大剪切应变率大小的空间分布呈北西向条带状,较大值域的条带为祁连构造带达27×10-9/a,2009～2011年最大剪切应变率的空间状态不同于以前,最大值位于震源及其附近地区接近120×10-9/a,其他区域相对较小;(4)1999～2007年的旋剪形变呈北西向条带左、右旋交替的分布状态;2009～2011年则没有如此清晰,最大值也位于震中及附近地域。总之,震后区域形变场有较大的调整,可能还在继续中。

由GPS观测得到的中国大陆水平形变

通过复测得到的全国19 个GPS点之间两年内(1994 ～1996 年) 的基线长度变化,表明我国西部形变量远大于东部。表现为西部北东向、近南北向基线多为缩短,北西及东西向基线伸长:华北则北东、东西向基线缩短,而北西向基线伸长;华南变化稍大,以北西西向基线缩短为多,北东向基线主要为伸长。缩短基线与震源机制解中P轴方向基本一致。

中国大陆几个主要地震活动区的水平形变

利用中国地壳运动观测网络的GPS复测资料 ,对川滇、青藏高原东北缘、新疆和华北 4个主要地震活动区水平形变的特征进行了分析。结果表明 :①川滇地区的整体变形为 :最大主应变率 9.7± 0 .8(应变率单位均为10 -8/a) ,最小主应变率 - 10 .7± 1.8,最大剪切应变率 2 0 .3± 1.7,面应变率 - 1.0± 1.9;最大主应变方向 33°。②青藏高原东北缘地区的整体变形为 :最大主应变率 8.0± 0 .6 ,最小主应变率 - 15 .1± 1.1,最大剪切应变率 2 3.1±1.2 ,面应变率 - 7.1± 1.2 ;最大主应变方向 14 0°。③新疆地区的整体变形为 :最大主应变率 2 .4± 0 .8,最小主应变率 - 9.1± 0 .8,最大剪切应变率 11.5± 1.1,面应变率 - 6 .7± 1.1;最大主应变方向 10 8°。④华北地区的整体变形为 :最大主应变率 2 .7± 0 .3,最小主应变率 - 1.4± 0 .3,最大剪切应变率 4 .2± 0 .4 ,面应变率 1.3± 0 .4 ;最大主应变方向 173°。⑤每个地区内部既包含上述的整体变形 ,又存在明显的差异运动 ,川滇地区最突出 ;青藏高原东北缘和新疆地区最为有序 ,华北地区相对比较零乱。文中还给出了这 4个地区的应变和水平运动图像。

2013年松原M_S5.8地震的地壳水平形变背景

利用1999—2007年、2011—2013年的流动GNSS观测资料及处理结果,分析了2013年吉林松原MS5.8地震前区域水平形变场及其变化,获得以下结果:1松原MS5.8级地震发生在地壳运动相对较弱的部位;2发震区带1999—2007年主应变和最大剪切应变几乎为零,为全区应变最薄弱的部位,2011—2013年仍然相对较弱;3发震区带1999—2007年为右旋形变区带,2011—2013年为左右旋形变的转换区带,但量级均较弱;4 1999—2007年发震区形变均较小,在性质上以微弱的右旋形变为优势;2011—2013年全区形变率大于之前,在性质上以左旋形变为优势,较大运动部位大体上以震中为中心且平行于北郯庐断裂以东的区域,这样的变化主要来自于日本9.0级大震的震后调整,但似乎不是导致松原地震发生的诱因。

腾冲火山区水平形变初探

介绍了采用精密大地测量的方法，对腾冲火山区域的水平形变情况进行了探索。通过两期相距３８年的实测数据，对火山“休眠期”中岩浆活动与地壳局部变形的相关性进行研究，并提供了部分计算结果。作者认为，采用精密大地测量的方法对火山区域地壳变形进行研究是可行的；火山区域水平形变与构造形变的区别是存在的；腾冲火山区内近几十年内岩浆的动也是明显的，但目前总体为间歇性收缩期；从水平形变测量的结果来看，显示了南面活跃的迹象；且认为可能是岩浆囊的存在才会引起此大范围的地壳活动。

汶川M_S8.0地震前后川滇地区地壳水平形变动态变化初探

利用中国地壳运动观测网络和中国大陆构造环境监测网络GPS区域网观测资料,解算川滇地区1999—2007年、2009—2011年相对欧亚板块的水平速度场,并借助连续应变模型获得了川滇地区应变率场。通过分析汶川地震前后地壳水平运动速度场和应变率场的动态变化,得到:(1)水平相对运动与主应变场分布反映出在巴彦喀拉地块的东向推挤与华南地块的强烈阻挡下,龙门山断裂带长期的应力应变积累并突然释放导致了汶川大地震的发生;(2)发生大地震的龙门山断裂带在地震前应变量值并不显著,处于应变亏损状态,应变高值区主要集中在川滇菱形块体的东边界与北边界;(3)大地震的发生导致震源区及其周边应力应变剧烈调整,龙门山断裂带中南段显示出明显的应变增强态势,一定程度上反映了2013年芦山7.0地震发生前的应变背景累积信息。

新疆地区现今水平形变及其动态变化

处理1999—2007和2009—2011年的GPS观测数据,获得以下结果:1999—2007年区域水平运动虽然较复杂但较为有序,整体呈现出"南大北小"和"西大东小"的分布特征,2009—2011年整体上继承性运动,但平均量级较前期有所增大,尤其是靠汶川玉树较近的区域,量级增幅较大;1999—2007年面收缩最大值为60×10-9/a,位于塔里木块体北缘的柯坪塔格-丘里塔格-兴地断裂带,呈东西向带状分布,2009—2011年面应变虽然仍以面收缩为主,但是面收缩量值整体上较前期要大,面膨胀大小及空间分布范围也都变大,最大值约为60×10-9/a;旋剪变形1999—2007年在东北-西南方向上左旋和右旋分别呈带状分布,在西北-东南方向上左右旋呈交替分布,2009—2011年旋剪变形分布有序性较前期要差,南北天山交汇区右旋剪值由20×10-9rad/a减小到4×10-9rad/a,阿尔金断裂带左旋剪值由4×10-9rad/a增大到25×10-9rad/a,祁连山断裂带由左旋变为右旋,最大旋剪值约为40×10-9rad/a。这些表明近两年可能存在着形变的调整。

华北地区水平形变场动态变化分析

为从整体上把握区域应变场的时-空变化态势并更加真实地描述区域运动场,本文在区域整体无旋转基准的基础上,从连续变化的角度出发,利用多核函数进行滤波与解析,对"中国地壳运动观测网络"在华北地区最近10年的GPS复测资料(1999年、2001年、2004年、2007年和2009年)进行了处理,结合各时段的形变结果分析形变场的动态变化。结果表明:①位于张—渤断裂带的京津及周围地区是一个与邻近地区运动不相同的差异运动地区,也是一个左旋运动相对亏损的部位,而且持续时间较长;②山西断陷带北段为左旋压性活动,南段为右旋压性活动,与地质上右旋拉张活动不完全吻合;③郯—庐断裂带的活动在空间上为左旋、右旋交替活动,并非完全是右旋活动,就断层的拉张性而言,该带为"北压南张";④太原—石家庄—济南—临沂以南的地区是当前形变的突出条带。

GPS形变监测网起算点坐标对水平形变的影响

利用首都圈ＧＰＳ形变监测网的资料，用伯尔尼软件计算并分析了大规模ＧＰＳ地形变监测网中起算点坐标误差对水平形变计算结果的影响，给出了３种典型图形。利用速率动态平差结果，分析了不同固定点的情况下，ＧＰＳ形变监测网的点位位移中误差的分布特点。

基于GPS的华北地区地壳水平形变特征研究

利用中国大陆构造环境监测网络2009、2011年2期的GPS数据资料,计算得到华北地区相对于稳定的欧亚板块的区域水平速度场。根据水平速度场,基于连续变形假说,采用三角形方法计算了区域应变场特征值,并用GMT绘制了其分布图像。结合地震地质资料对该区的地壳水平形变特征进行分析研究,得出了有意义的结论:(1)水平相对运动与应变率场分布显示,板块交界处的断裂带及其附近区域地壳运动差异显著,应变率量值较为突出;(2)山西断陷带的活动方式与地质结果具有差异性;(3)区内最大剪应变、面膨胀的高值区主要位于环渤海的京津唐地区、山西断陷带中南部及郯庐断裂带中南段。

利用GPS研究西秦岭地区的水平形变

本文利用GAMIT／GLOBK软件对西秦岭地区两期GPS观测数据进行处理计算，得到该区域的水平运动速度场：西秦岭地区整体水平运动表现为由北东东向一近东西向一南东向的变化趋势，向东以近似顺时针旋转运动，运动速率为5—8mm／a。在此基础上又利用最小二乘配置建立了西秦岭区域的形变应变场，获取该区域的应变特征，该区域应变场及面膨胀图中的高值区均体现在祁连一海原一六盘山地区。

青藏高原东北缘近期水平形变场分析

利用2011-2013年青藏高原东北缘地区GNSS水平形变观测与处理结果,分析了青藏高原东北缘近期水平形变场,得出以下结论：2011-2013的水平运动清晰有序,相对运动一般在15 mm/a以内;区域主压应变优势方向为东北-西南向,值域在±40×10-9/a之内,最大主压应变区呈带状分布于研究区域南部;从应变率的膨胀与收缩空间范围来看面收缩占优势,表明该区是以压性为主积累应变能,面收缩较大值主要分布在东南角;最大剪切应变率较大的值域以条带形式展布在区域内,一个是祁连构造活动带,另一个是其南面靠近区域南端且与其平行的条带上;水平旋转量在空间上的分布比较有序,左旋活动与右旋活动呈区域性展开。

祁连山-河西走廊地区的现今水平形变

根据祁连山 河西走廊地区的两次GPS测量的结果 ,研究了该地区在整个欧亚板块运动的背景下的内部水平变形。按照刘百篪对该地区的主要构造的最新研究结果 ,GPS观测资料覆盖区可划分为 5个次级块体 (祁连山、阿拉善、塔里木、西宁 兰州、共和次级块体 )。除其中共和块体因仅有一个观测点而无法进行研究之外 ,对其余4个块体用刚体运动加均匀应变模型研究了这些构造块体的相对运动和变形。结果表明 ,这些块体内的应变参数显著性不高 ,即该地区的现今水平变形以区内一些次级块体的整体相对运动为主 ,应变积累只占次要地位。这些次级块体间的边界断裂大多数仍呈现为某种继承性运动 ,只是在本区西北部的祁连山次级块体与塔里木块体交界部位现今运动表现出与继承性运动不同的性质。由于与该边界有关的两侧块体上的观测点仍嫌不足 ,这一结论的可靠性尚待进一步验证。

乌鲁木齐地区近期地壳水平形变初步研究

根据乌鲁木齐地区 2 0 0 0年、2 0 0 1年两期 GPS网资料及其它资料处理结果 ,讨论了乌鲁木齐现阶段应变场及监测区的断层水平运动情况。分析结果认为乌鲁木齐地区地壳整体主要受 NW方向的主压应力作用 ,乌鲁木齐测区大部分 GPS观测点以乌鲁木齐红山观测点为中心呈顺时针方向运动。

九寨沟7.0级地震前地壳水平形变状态与变化

利用1999~2015年流动GNSS观测资料及处理结果,分析了九寨沟M_S7.0地震前区域水平形变场及其变化,得到以下认识:(1)九寨沟M_S7.0地震震源区在汶川8.0级地震之前为右旋剪切形变,汶川地震之后为左旋剪切形变;(2)2011年以来震源区左旋剪切形变持续较弱,较大的左旋剪切形变位于其西南;(3)震源区最大剪切应变、最大主应变、最小主应变均较弱;(4)九寨沟地震的发生与汶川地震的发生与否有一定的关系方面,龙门山断裂带的活动处在闭锁时段时则有所抑制或推迟九寨沟地震的发生,汶川地震后龙门山断裂带一定程度的解锁则有助于九寨沟地震的发生或促使发震时刻有所提前;(5)距震中近70km的SCSP站出现了7.1mm的南向同震位移,其他连续站未发现同震位移。

库尔勒及呼图壁跨断层水平形变年变畸变异常分析

利用新疆库尔勒、呼图壁台跨断层水平向形变时间序列资料,采用拟合及年变的分析方法分别计算拟合残差,对出现的年变畸变现象进行了分析,研究了地震前年变畸变的异常特征。研究结果表明所用的方法突出了异常,并得出了两个台站年变畸变异常的判别指标。