福建GPS資料與地震關系研究

陳 光 李祖寧 陳超賢 趙文波 王紫燕

1 福建省地震局，福州市華鴻路7號，350003

本文通過對福建GPS資料在時間序列、基線處理、速度場及高頻GPS數據方面的研究，探討GPS資料與福建地震之間的關系。

1 福建地區地質構造及地震活動

福建境內斷裂構造發育，具有規模大、延伸長、切割深的特點（圖1）。自新生代，尤其是第四紀以來斷裂繼承性活動，斷塊差異升降運動顯著，形成一個內部結構復雜且斷裂活動強烈的地區。其中規模大的NE、NNE向斷裂構造有長樂－詔安斷裂、政和－海豐斷裂、邵武－河源斷裂帶。主要NNW－NWW 向斷裂有閩江下游及沙縣－南日島、晉江－永安、九龍江下游及永定－詔安斷裂等。區內構造受華夏系、新華夏系構造體系控制，經歷多次復雜的構造運動疊加，還發育了一系列斷陷盆地，內部結構和地震活動性上具有分區特征。按主要地震構造帶和區域地震構造格局劃分，福建位于全國一、二級新構造區，顯示出閩東南近岸海域斷塊差異活動的隆升、沉降與間歇性活動特征。特別是上新世以來的新構造運動，以垂直運動及其伴隨的斷塊差異活動為主要形式，具有繼承性和新生性。繼承性主要表現在構造方向上，如NE和NW 向兩組斷裂，都是在新構造期以前形成，而新構造期有不同程度的復活。新生性則主要表現在斷裂－斷塊活動上，隨著地質階段的發展，斷裂－斷塊活動的性質和強度也在不斷地發展和變化，差異性運動較為顯著。

福建歷史上地震活動較多，從963年至今曾發生4.75級以上破壞性地震40次。福建省地震與活動斷裂構造帶有密切關系，沿海地區的長樂－詔安地震帶地震活動頻繁，空間分布集中，地震頻度遠遠高于、強于內陸地區，發生的5級以上地震多，現今中、小地震活動仍頻繁發生。此外，福建地區還常遭受到臺灣強烈地震的影響［1］。

圖1 福建省地震構造及強震震中分布圖Fig.1 Seismic structure of Fujian province and the strong earthquake epicenter distribution map

2 觀測資料及預處理

為減少各種外部條件變化對觀測結果的影響，計算選取相同的IGS站以及與中國地殼運動觀測網絡參考站相同的解算參數［2］。使用GAMIT 軟件對同步觀測的IGS站及中國地殼運動觀測網絡基準站的觀測資料進行基線解算。在完成基線數據處理后，給出各測站的坐標值和精度估計值。

將IGS公布的全球站坐標和站速度都作為初始值，并對這些坐標和站速度質量的優劣給予不同的約束。對于IGS 核心站如SHAO、LHAS、TSKB、IRKT、KIT3給予強約束，南北向、東西向和高程向分別為3mm、3mm、10mm，其余的IGS 站（YSSK、GUAM、HYDE、IISC、NTUS、PIMO、POL2、SUWN、TWTF、ULAB）、中國地殼運動觀測網絡站（BJFS、DLHA、DXIN、GUAN、HLAR、KMIN、QION、TAIN、TASH、URUM、WUHN、WUSH、XIAA、XIAG、XNIN、YANC）給予的坐標三分量約束為30 mm、40 mm、100mm。實際計算中，測站的初始坐標都經過多次迭代處理具有很高的精度，這樣的約束設置不會對處理結果帶來不良影響［3］。

計算表明，福建GPS基準站點位水平精度在2.5mm 左右，高程精度在5mm 左右。

3 資料分析

3.1 時間序列分析

對利用卡爾曼濾波后得到的三分量時間序列數據進行線性擬合，去掉整體運動與趨勢運動，得到三分量的殘差值。從圖2看出，自2007年起，各站都有較明顯的向東運動，表明福建大陸受到向東的推力作用。從圖3看出，各臺站在2007年以來均有向北運動的趨勢，表明應力在向沿海遷移，對福建內陸影響不大。

3.2 基線處理結果分析

將龍巖－廈門、南平－福州水平距離的時間序列用FFT 去掉高頻信息，得到新的時間序列進行分析。從圖4 看出，龍巖－廈門間基線在2006～2010年呈趨勢化壓縮后急速拉張，在變化過程中福建省內發生了5次4.0級以上地震，該現象值得關注。南平－福州間基線在2010～2011年出現趨勢變化，同期發生日本福島9.0級大地震，兩者是否有聯系是今后研究的方向。

圖3 福州、廈門、龍巖、南平GPS臺南北向殘差值圖Fig.3 Fuzhou，Xiamen，Longyan，Nanping GPS station north and south to the residual value

圖4 基線變化Fig.4 Changes of baseline

3.3 速度處理結果分析

在ITRF2000框架下，采用統一的解算軟件、得到各GPS連續觀測站的運動速度［4］。利用得到的各點平均運動速度，選取南平站為不動點（南平位于福建省內部較穩定的塊體），去掉整體運動后，福建內部各站的相對運動及變化如圖5 所示［5］。從圖5看出，位于巴士系構造的2006年臺灣恒春7.2級強震對福建地殼運動的速度和方向產生了顯著影響，這種影響與隨后兩年福建中等地震活躍有相關性。

3.4 高頻GPS數據資料應用

福建有34個GPS基準站可以提供50Hz的高頻觀測數據，且有10個站與測震臺并址觀測。利用單歷元動態定位方法進行數據處理，可以獲取高采樣率的位移時間序列。

2012－04－11蘇門答臘發生Ms8.6地震，福建測震臺網的寬頻帶地震記錄儀器記錄了這次地震的同震信號。從圖6 看出，南北向、東西向GPS得到的位移序列和寬頻帶地震儀記錄吻合較好，但是GPS垂線向高程變化看不出地震的同震變形，可能是因為GPS高程方向計算精度（一般為2.5cm）相比于其他兩個方向（一般1.5cm）差，因而高程方向地震信號湮沒在噪聲中。

圖5 各站點的相對運動季速度Fig.5 Quarter speed relative motion of the site

圖6 高頻GPS位移時間序列與寬頻帶測震儀記錄對比圖（以2012－04－12 16：30：00為起算時刻）ig.6 High frequency GPS displacement time series and broadband seismograph record comparison chart

4 結 語

福建GPS連續觀測臺網自2004年開始正式觀測以來，獲取了大量的地殼形變GPS 觀測資料，利用這些觀測資料可獲取站點的三分量時間序列、基線變化與斷裂活動的關系、速度場的演化、塊體的主應變、面應變和最大剪應變的演化以及利用采樣率為50 Hz的GPS數據來獲取地震波形記錄。研究認為，福建長周期地殼運動在大震前后在東西南北方向都發生了明顯變化。

［1］閆偉，牛安福，馬秀香，等.以昆侖山口西地震為例研究GPS基線長度與方向對地震的敏感性［J］.地震，2007，27（4）：85－90（Yan Wei，Niu Anfu，Ma Xiuxiang，et al.The Kunlun Earthquake for the Length and Direction of GPS Baseline on Seismic Sensitivity［J］.Earthquake，2007，27（4）：85－90）

［2］李祖寧，劉序儼，吳紹祖，等.臺灣海峽兩岸地殼相對運動分析［J］.大地測量與地球動力學，2007，27（5）：18－21（Li Zuning，Liu Xuyan，Wu Shaozu，et al.Analysis of Relative Crustal Movement between both Shores of Taiwan Strait［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，27（5）：18－21）

［3］周海濤，郭良遷，張立成.唐山斷裂現代活動性研究［J］.華北地震科學，2009，27（3）：17－22（Zhou Haitao，Guo Liang qian，Zhang Licheng.Study on Modern Activity of Tangshan Fault［J］.North China Earthquake Science，2009，27（3）：17－22）

［4］劉祥海，章思亞.山西斷裂帶的地震活動與形變資料分析研究［J］.華 北地震科學，2006，24（4）：32－35（Liu Xianghai，Zhang Siya.Study on the Relation of Crustal Deformation with Seismic Activity in Shanxi Downfaulted Zone［J］.North China Earthquake Science，2006，24（4）：32－35）

［5］張四新，王雙緒，張希，等.跨斷層水準剖面觀測在地震監測中的應用［J］.地 震 地 磁 觀 測 與 研 究，2005，26（4）：22－28（Zhang Sixin，Wang Shuangxu，Zhang Xi，et al.The Application of Leveling Survey Crossing Fractures to Earthquate Monitoring［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2005，26（4）：22－28）