2013, Vol. 56
2. 中国地震局地质研究所 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
2. State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
北京时间2011年3月11日13时46分在日本本州东海岸附近海域发生9.0级巨大地震，并引发了强烈的海啸和严重的核泄漏等次生灾害.中国地震台网测定，该地震震中位于北纬38.1°，东经142.6°，震源深度约20km（http：//www.csi.ac.cn/）.美国地质调查局（USGS）公布的地震构造背景资料显示，此次9.0级地震是由太平洋板块和北美板块边缘的俯冲带附近的逆冲断层运动结果（http：// earthquake.usgs.gov/），该地震是1990年以来世界上第四大规模的地震.地球物理学家肯·赫德纳特，依据NASA收集的资料，发现这次强震使日本本州岛向东移动大约2.4m，使地球自转加快1.6μs.所以，此次9.0级巨震必定会给太平洋板块及其边界或邻近板块的活动带来一定的影响.
根据张培震等（2003）活动地块划分结果[1]，山东及其东部沿海区域被划分在华北地块区的次级华北平原地块和鲁东-黄海地块中.日本与山东及其沿海区域同属太平洋板块、欧亚板块及菲律宾板块的交汇区域，地球动力学背景上具有同源性.太平洋板块对欧亚板块的俯冲作用是华北地区地震活动的重要动力来源之一[2].已有研究结果表明，位于太平洋板块俯冲带的日本地区的强震活动对我国华北地区的地震活动具有重要的影响[3-9]，因此研究相对活跃的日本地震对山东及其东部沿海区域地震活动性的影响是十分必要的.
为了发现此次日本地震对山东所处的鲁东-黄海地块和华北平原地块产生的影响，地震波对本地区块体的实时影响以及该区域在未来一段时间运动趋势将发生何种变化等问题，本文基于山东GPS地壳运动观测网的最新观测成果，对这一系列问题进行分析和探讨，为该区域的地震趋势判定及抗震设防提供了可靠依据.
2 数据收集及处理沂沭断裂带位于郯（城）庐（江）深断裂的中部，是山东省东部最大最深的断裂带.它控制着山东半岛东部至渤海、黄海的地震活动.历史上曾发生过公元前70年安丘7级和1668年郯城8.5级强烈地震，也是山东地区大地震的主要活动场所[10].为了监测其地震活动性、研究地震的孕育过程，国家重大科学工程“中国大陆构造环境监测网络”（以下简称陆态网络）项目组和山东省地震局在本地区具有差异运动的活动块体上布设了15个连续观测基准站，组成山东省地壳运动GPS观测网[11]，站点分布见图 1.
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图 1 山东地壳运动GPS观测网站点分布图 图中大写英文缩写为站点名称, SDRC-山东荣成, YATI-烟台, SDYT山东烟台, SDQD山东青岛, SDCY山东昌邑, RIZH日照, WUDI无棣, SDZB山东淄博, SDLY山东临沂, CASH苍山, TAIN泰安, SDJX山东嘉祥, LICH聊城, HEZE菏泽. Fig. 1 Distribution of stations of Shandong Crustal Movement GPS Observation Network |
选用采样间隔为30s和1s的两种数据，分别用于计算日均值形变和地表动态形变过程.数据处理由麻省理工大学研发的GAMIT/GLOBK10.4版软件，并辅以一系列自主编程的精度统计和形变分析工具来完成.
2.1 30s采样数据处理GPS观测信号，从发射、传播到接收，受到了各种地球物理效应和误差源的影响，在GAMIT/GLOBK软件中，采用双差模式完成相对定位，可以很好地消除接收机钟和卫星钟的钟差影响，同时也可以明显减弱诸如轨道误差、大气折射误差等系统性误差的影响.在数据处理过程中，对误差进行消除或减弱，通常采用模型改正或附加参数估计的方法.这些模型、方法都在经历着一个不断完善、创新的过程.基于目前国际上最新的研究成果[12-16]，我们确定了下列数据处理的模型和方法，以期获得最佳的解算结果.数据处理以单天（24h）为一个处理时段.
（1） 采用轨道松弛模式，为后期与IGS全球解的联合解算提供结合点；
（2） 使用IGS最终精密星历（延迟约12~18天发布）或快速精密星历（延迟17~41小时发布），并对卫星轨道给予10-9量级的约束；
（3） UT1（经极移改正的世界时）和极移采用USNO的Bull_A值并给予强约束；
（4） IGS站点的EW向、NS向和U方向分别以2cm、2cm和5cm约束于IGS05，2011年4月7日（DOY=107，DOY=Day of Year）后约束于IGS08框架；山东各基准站位置的先验约束设为1m；
（5） 地球的重力场模型、固体潮模型和极潮模型均采用IERS2003的最新规范；
（6） 利用FES2004全球海潮模型来对海潮引起的测站地壳变形进行修正，同时考虑了海潮造成的地球质心的变化；
（7） 电离层折射延迟的消除主要采用LC线性组合来完成；
（8） 大气层干分量的天顶延迟由模型计算获得，湿分量的天顶延迟由参数估计确定，每个站每天估计13个天顶延迟参数（即2h估计一次），映射函数使用的是GMF模型.顾及大气的不均匀性，对每个站的东西向和南北向各附加1个大气水平梯度参数；
（9） 采用绝对的ELEV模型改正卫星和接收机天线的相位中心变化；
（10） 卫星高度截止角设为10°，观测值采用误差模型rms=a2+b2/sin（elev）2（mm）定权，模型中的a和b值均由观测值的残差分析拟合获得，elev为高度角；
GAMIT解算完成后，再利用GLOBK软件对得到的单天基线结果和SOPAC提供的全球网的单天解算结果（igs1，igs2，…，igs6）进行综合解算. GLOBK按照Kalman滤波方法，综合全部伪观测值计算得到观测站的坐标和速度值[17].
2.2 1s采样GPS数据处理本文使用高频GPS数据处理软件是GAMIT/GLOBK软件中的TRACK运动学分析模块[18-19]，该分析模块的核心问题就是单历元整周模糊度的解算.TRACK模块首先利用伪距观测量得到初始值，然后再采用相对秩方法，利用卡方增量法对载波相位L1和L2模糊度整数值的最优结果与次优结果进行比较，如果最优值的卡方影响小于次优值，则其模糊度可确定为整数，然后使用迭代法直到解算出更多历元的模糊度.最后，利用Kalman滤波对对流层延迟参数和未解决的模糊度参数进行修正，得到最终结果.
在高频GPS数据处理过程中，对于尺度不同的观测网，其处理方法也有所不同：当基线＜10km时，数据解算较为简单，可通过双差法对电离层延迟进行有效消除，L1和L2的模糊度也能用浮点法分别计算出来；而像山东地壳运动GPS观测网这样的中大尺度观测网络，其站点间隔大于100km，解算过程相对复杂，TRACK模块使用MW-WL组合模型来消除电离层干扰，从而得到最优的模糊度解.
MW-WL组合，即相位宽巷组合与（MW）伪距窄巷组合（WL）之差，是由Wubbena和Melbourne在1985年[20-21]分别提出来的，其公式如下：
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(1) |
Φi为双频相位观测值，Ri为双频伪距观测值，fi为频率（i=1，2），c为光速.
MW-WL组合由双频相位观测值和伪码组成，对于GPS观测量，Δf/Σf≈0.124，这表示其距离噪声减小了约1个数量级.从式（1）可看出，MW组合削弱了几何距离、电离层、对流层及钟差等的影响，但仍受伪距多路径M以及观测噪声e的影响.
选择MW-WL组合的原因主要有两个：一是可免受电离层残差的影响，即不受基线长度的约束.二是可有效提高计算效率，对于实时计算系统，其计算效率也是非常重要的.MW组合的另一个优点是不必考虑用户的运动状态而进行解算.虽然MW-WL组合可较好地解算整周模糊度，但是对于＞100km的长基线来说，观测数据自身的质量问题将会更直接地影响到结果的精度.
经过上述GPS解算，其结果中还包含有未模型化的系统误差和多路径效应等重复性误差，为此，我们使用了改进的恒星日滤波[22]和空间滤波[23]来进行处理，使结果更加可靠.
3 高频GPS获取的同震动态形变过程近年来，随着GPS接收机技术和存储能力的提高，以及数据处理方法的不断改进，高频GPS技术得到了飞速的发展，大大提升了GPS的观测能力，可直接监测到地壳或建筑物的瞬时变化状态，国内外学者做了大量的研究工作[24-31]，并将此项技术逐步应用于震害防御、滑坡监测、火山监测以及气象学等领域.
本文利用1s采样的高频GPS数据获取了此次日本地震的地震波对山东所在地块的影响方式，通过研究其动态形变过程，可为本地区的抗震设防提供可靠依据，其解算结果见图 2和图 3.
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图 2 GPS站点N、E、U三分量运动过程(2011-03-11) Fig. 2 Movement process of N、E、U components of GPS stations (2011-03-11) |
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图 3 SDLY(a)和YATI(b)站点震时水平运动轨迹 Fig. 3 Horizontal movement track of SDLY (a) and YATI (b) station during the earthquake |
从图 2可以看出，山东各GPS基准站震动状态基本相似，地震波动时间和振幅随震中距的增大而逐渐减小.根据USGS发布的结果：发震时间为：13:46:23.GPS记录到的地震波触发烟台（YATI）GPS基准站地面发生亚厘米级波动的时间为13:51:26，距地震发生时刻约为306s.
以YATI站为例，其EW向地壳运动状态为：首先向东运动，13:51:59到达波峰，随后便开始起伏波动，最大振幅约为0.224m，最大振幅持续时间约为160s.NS向地壳运动状态为：首先向南加速运动，触发时间约为13:54:32，距地震发生时刻约489s.随后加速向北运动，并接连出现两次北向波峰（随震中距的增大逐渐衰减为单波峰），最大波幅约为0.06m，持续时间约为130s.U方向运动方式为：首先出现小幅的起伏波动，然后随着主震波的到来，地面呈现抬升并持续约120s，（持续时间各站点不同，随站点震中距的增大而减小），最大振幅约为0.24m，经振荡回落，基本恢复到震前水平.地震波造成的YATI站EW向地面波动的持续时间约为700s，NS和U方向约为510s.
在图 3中，SDLY站的NS和EW向运动幅度相当，其轨迹近似为‘Χ’形状，而YATI站EW向运动幅度明显大于NS向的，故呈横向的‘λ’形运动. 图 3展现的是GPS站点受到地震波影响后的真实水平运动轨迹，反应了地表的真实运动方式.
4 同震位移场特征采用30s采样的GPS数据来计算日均值，将地震发生当天（3月11日，DOY=70）的结果与震前3天平均值结果进行比较，得到同震位移.GPS观测到的不同站点的水平同震位移较好地揭示了日本地震对山东地区的影响程度（图 4和表 1），由于垂向形变较小，且与垂向误差（GPS测定的垂向形变分辨率为厘米级）相当，故不再显示.
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图 4 GPS观测到的日本地震对山东地区造成的水平位移场 Fig. 4 Horizontal displacement field about Japan M9.0 Earthquake observed by GPS |
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表 1 山东地区GPS站点同震位移 Table 1 Co-seismic displacement of GPS stations in Shandong |
由图 4可见，此次日本9.0级巨震对我国的东北和华北地区均产生了较大的影响，其水平同震位移均为朝震中方向运动，这也符合逆冲型地震的运动特征.山东各GPS基准站也发生了不同程度的同震形变，各站点位移量随震中距增加而递减，最大位移为超过10mm，NS和垂直方向变化相对较小，在误差范围内波动.在错动方向上，除处于胶东半岛东端的YATI，SDYT和SDCY站点外，其他各站同震位移方向基本一致，为东南方向.而此3个站点的位移方向为近正东方向，主要原因是这3个站点向东位移量明显大于其他各站，由于根据以往对沂沭带两侧站间基线的分析来看，沂沭带N段呈现挤压状态[32]，故可初步判断此次日本地震对沂沭断裂带的同震效应使N段产生了一定的拉张作用.
5 时间序列分析为了更好地分析日本地震对山东所处地块的影响以及以后的发展趋势，首先来分析站点三维坐标时间序列，以处于华东地块的CASH站和处于鲁东-黄海地块的RIZH站为例（见图 5），受日本地震的影响，使原本平稳向东运动的地块产生了一个加速东移，根据弹性回跳理论，并结合地震前后的实际运动速率，可以计算出震后3~5个月左右将恢复到震前的运动轨迹.
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图 5 站点坐标时间序列(m为均方连差) Fig. 5 Time series of station coordinate |
为了得到山东主要断裂带--沂沭带受日本地震的影响，了解断裂带的活动状态，我们分析了跨断层基线的时间序列变化，结果见图 6.
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图 6 基线变化时间序列.(a)长期变化趋势; (b)短期变化趋势 Fig. 6 Time series of baselines.(a) Long-term variation trend; (b) Short-term |
由图 6a长期变化趋势可看出，跨沂沭断裂带的两条基线均具有非常明显的年周期性变化，只是在每年的雨季，受气压变化和相对湿度剧烈变化影响而产生了一定的扰动[33].从长期变化趋势来看，处于N段的WUDI-YATI基线一直以来均处于平稳的挤压状态，速率约为1.9mm/a，而S段的CASH-RIZH基线年变化非常平稳，没有明显的挤压和拉张.
从图 6b短期变化趋势来看，基线CASH-RIZH此次受地震影响出现了一定的变化，但幅度很小，在误差范围内.而基线WUDI-YATI受此次日本地震的影响产生了较明显拉张，其主要变化发生在EW方向上，高程方向在地震前后并未发现明显的差异变化，也说明了日本地震对山东所在地块的影响主要是水平方向的，对垂直向形变影响不大.
6 结论与讨论山东地壳运动GPS观测网得到的观测资料揭示了3月11日的日本9.0级巨震造成的山东所在地块的同震地表运动过程和同震位移场，以及震后运动趋势等信息，为本地区的抗震设防工作及震情趋势判定提供了可靠的依据，其初步结论如下：
（1） 震时山东所处块体运动状态：EW向最大振幅约为0.224m，持续时间约为160s.NS向地壳运动0.06m，持续时间约为130s.地震波造成的NS地面波动的持续时间约为510s，EW向约为700s.垂直方向地面抬升最大幅度约为0.24m，并持续约120s，持续时间各站点不同，随站点震中距的增大而减小.
（2） 地震使山东所处地块产生了东偏南方向的错动.幅度最大的超过10mm，错动量随震中距增加而递减，NS向和垂直方向变化相对较小，在误差范围内波动.目前各基准站均处于向西运动回调状态，经计算预计震后3~5个月左右将恢复到以前的运动趋势.由于YATI，SDYT和SDRC基准站受日本地震的影响而产生的错动量明显高于其他站点，打破了原有较稳定的相对运动状态，故需密切关注胶东半岛东部及附近海域地区的震情形势.
（3） 通过分析跨断裂带的基线来看，此次日本地震对沂沭断裂带起到了拉张的作用，其北段幅度明显大于南段的.
致谢感谢麻省理工大学Thomas Herring教授和Bob King教授在数据处理方面给予的支持与帮助，感谢中国地震局地质研究所张培震研究员给出的良好建议和帮助，感谢中国地震局地壳工程中心给予的大力支持，感谢两位审稿人对于本文提出的宝贵意见和建议！
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