2020, Vol. 40
地震通常发生在断层及其附近区域，断层的形变是衡量断层活动程度的重要指标。GPS可以监测断层及其附近区域的地壳形变，根据形变特征可计算断层及其附近地区的应力应变积累速率，为判断断层活动性强弱提供依据。区域地壳形变与地震孕育存在一定关系，江在森等[1]认为，与构造背景相一致的面应变、剪应变的高值区及其附近的梯度带为地震危险区；张希等[2-3]认为，应变量值超过40×10-9/a的地区具有发生中强地震的危险性。GPS目前在地壳形变监测和地震预测方面发挥着越来越重要的作用，可为监测预报人员提供高精度、大尺度、多维的地壳形变数据。
目前中国大陆地区的GPS监测网络已完成260个GPS连续站和2 000个不定期观测区域站的建设，其中湖北省拥有5个“陆态网络”GPS基准站和76个省局CORS站，具有较强监测能力。湖北省位于秦岭褶皱系南缘和扬子地台北侧两大构造单元交汇地带，省内主要断裂有襄樊(襄阳)-广济(武穴)断裂、青峰-竹山断裂、南漳断裂、远安断裂、仙女山断裂、高桥断裂等，还有三峡水库和丹江口水库大型水利工程，因此通过GPS观测资料研究湖北地区地壳形变与地震孕育之间的关系对地震监测和分析预报具有重要作用。
1 GPS数据处理与速度场分析本文采用的GPS数据主要来源于中国地壳运动观测网络和中国大陆构造环境监测网络，采用GAMIT/GLOBK软件对陆态网络基准站、省局(地震局、测绘局、气象局)共享站、陆态网络区域站的GPS数据进行处理。为保证数据的一致性及可靠性，数据处理采用统一的处理策略(表 1)。首先获得测站和卫星轨道的单日松弛解，将单日松弛解与全球IGS松弛解联合平差，得到包含全球IGS和陆态网络站点的单日松弛解。采用七参数法将单日松弛解转换到ITRF2014参考框架下，形成统一的速度场[4]。站点时间序列受地震影响会改变站点运动速度的大小和方向，因此在利用坐标时间序列求取速率时应对大地震的同震形变进行估计和消除，以获取反映站点长期构造运动的速度。以ITRF2014框架约束的全球板块运动模型为背景场，获取相对于欧亚板块最新的1998~2018年湖北地区地壳运动速度场(图 1)。
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表 1 处理策略 Tab. 1 Handling strategy |
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黄色三角为地点,棕色曲线为断层,断层数据来源于MapSIS 软件基础数据库 F1:襄樊-广济断裂,F2:青峰断裂,F3:竹山断裂,F4:恩施-咸丰断裂,F5:仙女山断裂,F6:雾渡河断裂,F7:远安断裂,F8:南漳断裂,F9:钟祥断裂,F10:麻城-团风断裂,F11:霍山断裂,F12:潜北断裂,F13:周老嘴-高平断裂,F14:岳阳-桃江断裂 图 1 湖北地区GPS水平速度场 Fig. 1 GPS horizontal velocity field in Hubei province |
从时间序列分析可知，2个位置数据可求取1个速度，求取稳定速度的最低时长为3 a[5]，本文所用数据时间跨度为20 a，因此速度求取结果稳定可靠。从图 1可以看出，湖北地区的水平速度场相对较小，数值大部分为5~9 mm/a，无明显梯度带。湖北地区5个GPS基准站的速度值分别为5.1 mm/a(WUHN)、6.5 mm/a(HBES)、6.5 mm/a(HBJM)、6 mm/a(HBXF)、6.1 mm/a(HBZG)，运动方向大致为东向微偏南，与华南块体的整体运动趋势一致，精确的位置时间序列图可参考中国地震局GNSS数据产品服务平台(http://www.cgps.ac.cn/)。
图 2为湖北地区垂直速度场，相比于水平速度场，垂直速度场分布不均。通过坐标时间序列(http://www.cgps.ac.cn/)可以看出，时间序列中垂向非构造运动干扰较严重，且有明显的周期变化。湖北地区垂直速度场平均值为-0.96 mm/a，大部分测站表现为下沉趋势，仅有少数测站表现为隆升。由图 2测站升降分布可以看出，湖北南部地区以沉降为主，襄樊-广济断裂以北地区以上升为主。南部地区沉降可能与地下水过度流失和长江水系贯穿有关，南部江汉平原人口密度大，城市建设对垂向的沉降也具有重要影响。
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黄色三角为地点,棕色曲线为断层,断层数据来源于MapSIS软件基础数据库 F1:襄樊-广济断裂,F2:青峰断裂,F3:竹山断裂,F4:恩施-咸丰断裂,F5:仙女山断裂,F6:雾渡河断裂,F7:远安断裂,F8:南漳断裂,F9:钟祥断裂,F10:麻城-团风断裂,F11:霍山断裂,F12:潜北断裂,F13:周老嘴-高平断裂,F14:岳阳-桃江断裂 图 2 湖北地区GPS垂直速度场 Fig. 2 GPS vertical velocity field in Hubei province |
湖北地区大断裂较少，但具有较多纵横交错的小断裂，更有长江横贯东西，构成其复杂的地质环境。湖北地区GPS站点分布不均匀，存在空白区域，为更好地分析区域应变率特征，本文采用插值法通过邻域内的位移速度加权数据对场参数进行估计[6]。根据邻近数据到插值点的距离及其空间覆盖范围确定最佳权重，然后将湖北地区的速度场均匀内插为0.5°×0.5°的网格点，最后计算得到最大主应变率场(图 3)。结果表明，湖北地区最大主应变率场高值区主要集中在断裂周围，在襄樊-广济断裂中段、钟祥断裂、南漳断裂、远安断裂、雾渡河断裂、仙女山断裂一带最大主应变率较大。仙女山断裂附近以拉张为主，其他高值区以挤压为主。
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图 3 湖北地区最大主应变率场 Fig. 3 The main strain rate field in Hubei province |
基于1998~2018年GPS观测数据计算得到湖北地区的面膨胀率场，选取1980~2018年湖北及其周边地区M3以上的地震目录(图 4)。湖北地区面膨胀率高值区(数值可达24×10-9/a)位于仙女山断裂周围，岳阳-桃江断裂北段与湖北交界区域面膨胀高值约为(6~24)×10-9/a，青峰断裂和襄樊-广济断裂交汇地区及鄂东北与河南交界区域也都处于面膨胀区域，而湖北中部武汉-荆门一带以面挤压为主。湖北地区3级以上地震分布无规律，但主要发生在面膨胀向面挤压过渡的区域，而不是发生在面膨胀高值区和面挤压高值区。巴东、秭归附近区域小震多发，但面膨胀率场无明显对应特征。
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图 4 湖北地区面膨胀率特征 Fig. 4 Characteristic of superficial expansivity in Hubei province |
图 5为通过1998~2018年GPS速度场计算得到的湖北地区的最大剪应变率场图。由图可见，最大剪应变率高值区位于远安断裂、南漳断裂、钟祥断裂附近，数值约为(12~24)×10-9/a，监利县以北和周老嘴-高平断裂之间区域的数值为(12~18)×10-9/a，武汉市西南部地区最大剪应变率高值约为(9~21)×10-9/a，襄樊-广济断裂中段高值区域的数值为(12~18)×10-9/a，麻城-团风断裂中段最大剪应变率数值为(12~18)×10-9/a。湖北地区1980~2018年的历史地震分布表明，地震多发生在最大剪应变率高值区边缘，如荆门地区周围和襄樊-广济断裂中段北部地区。巴东、秭归地震多发区的最大剪应变率数值为(3~6)×10-9/a，未见明显的对应关系。巴东、秭归地区地处长江三峡库区附近，区域小震多发可能与库区水位反复加卸载存在一定关系[7-8]，具体原因有待后续研究。
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图 5 湖北地区最大剪应变率特征 Fig. 5 Characteristic of maximum shear strain rate in Hubei province |
利用1998~2018年GPS速度场研究湖北地区的形变特征、主应变率、面膨胀率、最大剪应变率场特征，得出以下初步结论：
1) 湖北地区5个连续站GPS位置时间序列较稳定，水平速度场无明显梯度带，整体水平运动方向为东向微偏南，速率平均值为6.2 mm/a，垂直速度平均值为-0.96 mm/a，以下降为主。湖北地区整体块体运动平稳，无较强的构造运动。
2) 湖北地区的主应变率高值区主要集中在中部地区，从襄樊-广济断裂中段经钟祥断裂、南漳断裂、远安断裂到雾渡河断裂和仙女山断裂，潜北断裂主应变率也较大。面膨胀高值区主要在仙女山断裂附近、青峰断裂和襄樊-广济断裂交汇地区、鄂东北与河南省交界区域、岳阳-桃江断裂北段与湖北交汇地区。面挤压高值区主要在荆门西南、武汉偏西、襄樊-广济断裂中段北部、潜北断裂偏南。最大剪应变率高值区集中在湖北中部区域，在襄樊-广济断裂中段、钟祥断裂、南漳断裂、远安断裂、周老嘴-高平断裂、武汉偏西地区形成环形高值区。
3) 从湖北地区的历史地震分布来看，地震主要发生在高值区边缘地区，应变高值区内地震发生较少。湖北省巴东和秭归地区小震多发，由于震级较小对形变影响较小，速度场和应变率场无明显对应特征。
致谢: 文中GPS数据由中国地震局GNSS数据产品服务平台提供，图件使用GMT软件绘制，部分地震目录来源于湖北测震台网，在此一并表示感谢。
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