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  武汉大学学报·信息科学版  2019, Vol. 44 Issue (8): 1191-1197, 1204

文章信息

顾国华, 王武星
GU Guohua, WANG Wuxing
GPS测得的2018年夏威夷6.9级地震与火山喷发地壳运动
Crustal Motions Observed from GPS Observations for the M6.9 Earthquake in Hawaii and the Eruption of the Kilauea Volcano in 2018
武汉大学学报·信息科学版, 2019, 44(8): 1191-1197, 1204
Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(8): 1191-1197, 1204
http://dx.doi.org/10.13203/j.whugis20180463

文章历史

收稿日期: 2019-01-21
GPS测得的2018年夏威夷6.9级地震与火山喷发地壳运动
顾国华1 , 王武星1     
1. 中国地震局地震预测研究所, 北京, 100036
摘要:2018-05-05美国夏威夷发生基拉韦厄火山喷发和6.9级地震,直接利用Nevada Geodetic Laboratory(http://geodesy.unr.edu)的全球定位系统连续观测站NA12数据处理结果,得到夏威夷地区的地壳运动趋势,与采用区域参考框架处理方法所得结果一致。本次6.9级地震前的形变主要为地震形变前兆,其次为火山喷发活动的影响;同震位移是地震断层破裂的结果;而震后邻近火山小范围内位移量大。地震前近震中垂直位移无积累。同震水平位移方向和震前积累水平位移的总方向相反,同震水平位移为震前积累的水平位移弹性回跳,由此证明,震前积累的水平位移是地震前兆。同其他大地震相比,夏威夷地震前震中区小范围介质也接近于弹性。近震中临震地壳运动非常显著,是震前断层的预滑或预位移。观测得到的临震形变前兆特殊震例可为探索短临形变前兆提供新线索。地震前夏威夷岛受北西向水平地壳运动挤压,导致地震断层倾滑剪切破裂,产生地震,符合提出的回跳或弹性回跳模型,或称为压-剪回跳或弹性回跳模型。
关键词GPS    GNSS    夏威夷大地震    基拉韦厄火山    同震位移    水平位移向量    临震前兆    
Crustal Motions Observed from GPS Observations for the M6.9 Earthquake in Hawaii and the Eruption of the Kilauea Volcano in 2018
GU Guohua1 , WANG Wuxing1     
1. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
Abstract: In 2018 the Kilauea volcano erupted and on May 5, an earthquake of M6.9 occurred in Hawaii. Though the methods used by the authors to get the results in the regional reference frame and the methods for NA12 results are different in some way, both results for NA12 are in good agreement. The results in NA12 at GPS continuous observation stations, directly obtained from http://geodesy.unr.edu, were analyzed to show crustal motions in Hawaii. The preseismic crustal movements were dominated by deformation precursory to the earthquake while the influence of the volcanic eruption was secondary. The coseismic displacements were the result of the rupture of the earthquake fault. The post seismic displacements around the crater were quite large but localized in a rather small area. No accumulated preseismic vertical displacements were observed near the epicenter. The coseismic horizontal displacements were instant and dramatic displacements in opposite sense to the accumulated preseismic horizontal displacements so they were elastic rebound of the accumulated preseismic horizontal displacements. Therefore, the accumulated preseismic horizontal displacements were precursors to the earthquake. In comparison to other large earthquakes, the media of a quite small area around the epicenter was nearly elastic. The crustal movements near the epicenter, imminent to the earthquake were quite significant. They showed the preslip of the earthquake fault or preseismic displacements. This earthquake is a special case that showed the existence of imminent deformation precursory to the earthquake. They are new clues for the future observations and study on the imminent precursors. The M6.9 earthquake in Hawaii was the result of compression of the crust of the island by horizontal motion in NW direction before the earthquake, which led to shear rupture of the earthquake fault that caused the earthquake. This fact is in good agreement with the model of rebound or elastic rebound proposed by the authors, the compression-shear model of rebound or elastic rebound, that is, the model of preseismic compression that leads to shear rupture of the earthquake.
Key words: GPS    GNSS    Hawaii earthquake    the Kilauea volcano    coseismic displacement    horizontal displacement vectors    imminent precursors to earthquakes    

由于板块运动,夏威夷岛的地震与火山活动均相当活跃,1975-11-29曾发生7.2级地震。2018年基拉韦厄火山再次喷发,5月5日几乎在1975年地震的同一地点(19.39° N,155.10° W)再次发生6.9级地震,震源深度10 km, 如图 1所示。图 1中右下的小图为离震中最近的几个站,右侧色标为观测站大地高H。火山与地震震中相距不到20 km。为长期监测火山与地震活动,美国在夏威夷岛布设了50多个全球定位系统(Global Positioning System,GPS)连续观测站监测地壳运动,各站信息见表 1。其中JCUZ站离震中仅0.7 km,NPIT站离火山口也仅0.7 km。震中和火山口周围GPS连续观测站最为密集,为研究近震中和近火山口的地壳运动积累了宝贵的观测资料。因此,本文分析了夏威夷岛54个GPS连续观测站自有数据以来至2018-06-08的观测结果。

图 1 夏威夷GPS连续观测站、6.9级地震(绿色点)和基拉韦厄火山(棕色星) Fig. 1 GPS Continuous Observation Stations, the M6.9 Earthquake (Green Dot) and the Kilauea Volcano (Brown Star) in Hawaii
表 1 图 1部分站点到震中和到火山的距离/km Tab. 1 Epicentral Distances of Some Stations in Fig. 1 and Their Distances to the Kilauea Volcano/km
站名 De Dv
JCUZ 0.7 19
NPOC 1 18
KAMO 2 17
NUPM 8 12
MMAU 8 12
HOLE* 9 19
MKAI 9 13
JOKA 11 30
KAEP* 12 22
PG2R* 12 13
GOPM* 15 11
BYRL 17 3
AHUP* 18 18
APNT* 18 15
KEAW* 18 2
CRIM 18 2
OUTL* 19 8
MANE* 19 0.7
NPIT 19 2
UWEV 20 3
CNPK 22 14
KAON* 23
KOSM 23 6
HLNA 25 13
KULE 28 18
MLPR 32 14
KFAP 36 17
HILR 37 42
AINP 38 19
RADF 41 25
PUKA 42 23
ELEP 45 26
注:De表示站点到震中的距离;Dv表示站点到火山的距离;带*的站点为图 1中红色站点
1 GPS数据及分析

GPS定位本质上是几何问题,但由此得到的地壳运动是物理现象。选择参考框架最根本的原则应是所描述的地壳运动有物理或构造运动意义。区域参考框架有利于分析研究区域地壳运动,其核心站(或称为基准)是合理获取和分析位移的关键[1-5]。北美区域参考框架NA12(12表示2012年)利用了1996—2012年的北美GPS观测数据,选取美国东部30个GPS连续观测站为核心站。核心站选取原则包括:有多年的观测数据,水平位移速率低(小于0.5 mm/a),有很好的线性水平运动,东西分量E和南北分量N的季节变化幅度分别小于1.2 mm和1.3 mm。为从全球参考框架坐标通过相似变换得到区域参考框架坐标,还需减小变换中垂直位移(或位置)对水平位移(或位置)的影响,因此要求垂直位移速率小于0.8 mm/a,并限制垂直位移季节变化幅度小于3.6 mm[1]。利用相似变换,可由全球参考框架的坐标时间序列得到区域参考框架坐标或位移时间序列。当旋转角很小时,三维直角坐标相似变换为:

$ {\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {x\left( t \right)}\\ {y\left( t \right)}\\ {z\left( t \right)} \end{array}} \right]_R} = s\left( t \right) \cdot \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{{\omega _z}\left( t \right)}&{ - {\omega _y}\left( t \right)}\\ { - {\omega _z}\left( t \right)}&1&{{\omega _x}\left( t \right)}\\ {{\omega _y}\left( t \right)}&{ - {\omega _x}\left( t \right)}&1 \end{array}} \right] \cdot {\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {x\left( t \right)}\\ {y\left( t \right)}\\ {z\left( t \right)} \end{array}} \right]_G} + \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\Delta x\left( t \right)}\\ {\Delta y\left( t \right)}\\ {\Delta z\left( t \right)} \end{array}} \right] $ (1)

或记为:

$ \mathit{\boldsymbol{X}}{(t)_R} = s(t) \cdot \mathit{\boldsymbol{R}}(t) \cdot \mathit{\boldsymbol{X}}{(t)_G} + \Delta \mathit{\boldsymbol{X}}(t) $ (2)

式中,X(t)Gt时刻观测得到的全球参考框架的坐标;X(t)Rt时刻区域参考框架的坐标。式(2)中最多可含所有的7个相似变换参数,即尺度比s(求位移时设其已知为1)、坐标轴旋转(角)矩阵R(包括3个分量$ {\omega _x}$$ {\omega _y}$$ {\omega _z}$,分别表示绕x轴、y轴和z轴的微小旋转)和坐标原点的平移量ΔX(包括3个分量$ \Delta x$$ \Delta y$$ \Delta z$)。对于核心站,X(t)R为用站点位移速率$ {v_\mathit{\boldsymbol{R}}}$从初始时刻t0外推到t时刻的区域参考框架的(虚拟)坐标,即:

$ \mathit{\boldsymbol{X}}{(t)_R} = \mathit{\boldsymbol{X}}{({t_0})_R} + {v_R} \cdot \mathit{\boldsymbol{X}}(t - {t_0}) $ (3)

因速率很小,还可将式(3)简化,取速率为0,且可取核心站初始时刻t0X(t0)R=X(t0)G

对核心站,先利用以上相似变换关系,由同一时刻的X(t)GX(t)R求得相似变换参数;再由求得的相似变换参数得到所有站区域参考框架坐标(或位移)。

对于垂直分量H,一维相似变换只需平移量ΔH,即H(t)R=H(t)GH(t)。

为避免相似变换中垂直位移(或位置)对水平位移(或位置)的影响,本文采用另一种方法,即在上述相似变换式中将各站大地高均取为0,得到椭球面投影点的三维直角坐标,再作相似变换,得到水平位移(或位置)。考虑到水平位移与垂直位移规律不同,精度不等,还可将水平位移和垂直位移分别作相似变换,甚至两者可采用不同的核心站。文献[3, 5-7]采用这种相似变换得到区域参考框架水平(或垂直)位移,与直接利用美国内陆GPS全球参考框架观测结果和NA12核心站(数据来源http://geodesy.unr.edu)的结果非常一致。因此,本文直接利用NA12坐标时间序列数据[1]和地震与火山喷发前非匀称平差中位数隔年差值法(median interannual difference adjusted for skewness,MIDAS)[2]NA12位移速率作了分析。MIDAS的位移年速率可消除时间序列中不连续阶跳变化和数据精度不均匀等对速率估计的影响[2]

此外,同全球参考框架不同的是,区域参考框架可保持相当长时期不变,有更好的稳定性,且与全球参考框架的升级基本无关,位移时间序列噪声水平约低3倍[1]。由于核心站离夏威夷地震较远,NA12也可作为位错参考框架分析同震位移[8]

2 夏威夷6.9级地震同震位移和地震前位移速率分析

由Nevada Geodetic Laboratory(http://geodesy.unr.edu)的数据文件1000dyad.txt,得到夏威夷6.9级地震周围57个GPS连续观测站的同震位移(图 2)。显然,此次地震以倾滑破裂为主。同震位移分量随震中距的衰减规律与其他大地震基本一致。离震中12 km的KAEP站的水平位移最大为775 mm,其垂直位移也最大,为下沉382 mm。离震中36 km以外的站点同震位移已不显著。图 2及数据文件均未表现出基拉韦厄火山喷发对同震水平和垂直位移的明显影响。

图 2 夏威夷6.9级地震同震水平位移和同震垂直位移 Fig. 2 Coseismic Horizontal and Vertical Displacements of the M6.9 Earthquake in Hawaii

图 3为从Nevada Geodetic Laboratory(http://geodesy.unr.edu)的数据文件midas.NA12.txt中得到的夏威夷6.9级地震前NA12水平和垂直位移速率。图 3清楚地显示了夏威夷北西向水平位移的总趋势,年速率约为60~70 mm/a,这表明夏威夷受到北西方向的挤压;而沿海地区有一定下沉。基拉韦厄火山以南部分站点向西位移,明显是受火山活动的影响。震前夏威夷受到的北西向挤压是地震的成因。图 2图 3中,各站同震水平位移方向与震前水平位移总方向完全相反,因果关系明确。这也与多次大地震所得到的结果一致,证明震前积累的水平位移是地震前兆[6-10]

图 3 夏威夷6.9级地震前NA12水平和垂直位移速率 Fig. 3 Horizontal and Vertical Displacement Velocities in NA12 Before the M6.9 Earthquake in Hawaii
3 GPS位移时间序列分析

位移分量时间序列,特别是水平位移向量时间序列[5-6],可直观显现水平位移方向和量值的变化与地震发生的关系。同震位移,特别是同震水平位移与震前累积水平位移的方向和量值变化关系,能清楚显示与地震发生直接有关的形变,如震前挤压、震时剪切、震前震中内外弹性和非弹性形变等[6-10],是追溯地震形变前兆的关键。同震位移产生时间短,干扰因素少,同时未见此次地震的同震位移受火山活动的影响,有利于震后分析其与震前形变及其他因素产生的形变的关系。

图 4为夏威夷6.9级地震前后4个代表性GPS连续观测站自2007年中或1999年6月至2008年的水平位移向量时间序列和3个位移分量(东西分量E、南北分量N、垂直分量U)时间序列。图 4右侧的色码为向量时间序列图,N表示日期的GPS周计数,1 040周为1999-12-12至12-18, 2018-05-05(6.9级地震当日)为1 999周的周六。

图 4 夏威夷6.9级地震前后4个GPS观测站3个位移分量时间序列和水平位移向量时间序列图 Fig. 4 Time Series of the Three Displacement Components at the GPS Continuous Observation Stations and the Horizontal Displacement Vectors Before and After the Hawaii M6.9 Earthquake

图 1的GPS连续观测站中,JCUZ和NPIT等15个站集中在震中附近。近震中JCUZ等站地震前后的位移方式较为简单,震前水平位移均沿直线方向积累;由于地震断层无走向滑动破裂,同震水平位移几乎沿此直线完全相反的方向急剧返回到震前水平,直接显示同震水平位移为震前积累位移的弹性回跳;震后几乎无变化。这些站的观测结果与其他大地震前后GPS连续观测站的观测结果类似[6-10]图 1未显示NPIT站2018-05-29以后大幅度向西南水平位移和大幅度垂直位移。

图 1红色站名的10个站及图 4的HOLE和GOPM等站地震前后的变化较为复杂,但变化形态都基本相似。这些站仅东西分量E的同震水平位移与震前积累的位移方向相反,位移量相等(或较小),显示同震位移为震前积累位移的弹性回跳。这10个站与HOLE、KAEP与PG2R等站震前受火山活动的影响,其南北分量N有与JCUZ等站不同的变化。

夏威夷6.9级地震的一大特色为周围多个GPS连续观测站距离震中的距离非常短,这是其他大地震GPS观测不具备的。除少数站(如HOLE、KAEP和PG2R等的南北分量N)外,夏威夷6.9级地震的水平同震位移量与震前累积的水平位移量均相当或更小,即同震水平位移接近于弹性回跳。如离震中最近的JCUZ站,即使将临震水平位移与同震水平位移(499 mm)加在一起,总水平位移量也与震前累积水平位移量相近(图 4)。这说明震中区地震前后较小范围内,介质主要处于或接近弹性状态。这是夏威夷地震前震中介质最为突出的特点。从2011年至震前,近震中12 km范围内的8个GPS连续观测站(图 1的右下图)除HOLE和PG2R站震前垂直位移略有上升外,其余6个站垂直位移均无明显变化。图 1红色站名的站和其他靠近火山口的站震前垂直位移也均为上升,同震垂直位移则为反向下降,也为弹性回跳。离火山最近的NPIT站2009年至震前上升约300 mm,同震垂直位移下沉达100 mm左右;而从5月底到6月初下沉7 m多,而后又上升约10 m,期间该站大幅度向西南水平位移达10 m多。图 1中HOLE等10个站的空间分布集中在震中的西面,且近火山口的站震前均为上升,显然是地下岩浆上涌所致,因此这些站与只有地震前兆地壳运动站的垂直位移不同。对比JCUZ站和NPIT站的地壳运动,最靠近火山的NPIT站震后位移最为突出,但离火山4 km以外的站,震后位移已不显著,显示震后火山喷发产生的大幅度地壳运动局限于火山口附近很小的范围内。

4 GPS临震形变前兆分析

夏威夷6.9级地震近震中12 km范围内有9个GPS连续观测站(图 1右下图),震前5 d内有8个站观测到了非常显著的临震前兆异常,且垂直位移比水平位移变化更显著,通常称之为断层的预滑或预位移。图 5为JCUZ站和JOKA站观测到的显著的临震前兆位移异常。震前5 d内, JCUZ站两个水平分量的变化都达240 mm,垂直分量达270 mm,仅HOLE站未有明显短临异常,显然是由于此站离地震断层距离较远所致。

图 5 夏威夷6.9级地震前JCUZ站和JOKA站观测到的位移临震前兆异常 Fig. 5 Imminent Displacement Precursors to the Hawaii Earthquake Observed at JCUZ and JOKA Stations

夏威夷地震密集的GPS观测结果表明,地震的短临形变前兆可能集中在离地震断层很近的范围之内。2016-04-16日本九州岛Mw7.3级大地震的GPS观测表明,如果没有近震中的GPS观测站,就不可能观测到地震断层两侧的水平剪切位移[10]。可见,只有密集的GPS观测站才有可能获得更多与地震有关的地壳运动现象。因此,为寻找地震短临形变前兆,需要在地震断层附近布设密集的GPS连续观测站,最理想的是获取断层附近时空均尽可能连续的精密形变图像。至今可能仅有夏威夷地震前GPS连续观测站的每日解得到了显著的临震前兆异常。当然,最根本的原因是夏威夷地震有产生显著临震前兆的条件。夏威夷地震震中介质很接近于弹性;而其他地震震中附近同震水平位移量远大于震前累积的水平位移量,或者说震中介质更偏离弹性[6]。可见,夏威夷地震前震中介质性状特殊,其特殊性可能归因于特有的火山熔岩活动降低了岩层(破裂)强度,临震前地震断层更易预滑,产生显著的临震形变前兆。图 5左侧为夏威夷6.9级地震前JCUZ站和JOKA站观测到的位移临震前兆异常。

5 结语

本文利用夏威夷2018-05-05地震震中周围密集的GPS连续观测站和北美区域参考框架NA12的结果得到了此次地震前后的地壳形变,也获得了与火山喷发过程有关的地壳形变,尤其是获得了近震中非常显著的临震地壳运动前兆。

夏威夷大地震前的地壳运动以水平运动为主,近震中无垂直位移积累。同震位移,特别是同震水平位移,是震前积累位移的弹性回跳,是地震存在形变前兆的又一震例。近震中临震地壳运动非常显著,是断层的预滑或预位移。此次地震因为有密集的GPS连续观测站,兼之震中区火山活动特殊的介质环境,使地震断层更易预滑。尽管是一特殊的临震前兆震例,但仍可为短临形变前兆的探索提供证据和思路。震前震中以西局部地区GPS连续观测站的地壳运动包含火山活动的影响,除水平位移有显著的向西位移外,垂直位移明显上升,显然是岩浆上涌所致;同震位移是地震断层倾滑破裂运动的结果;震后未见近震中的地壳运动受火山活动影响,但火山口小范围有大幅度地壳运动。

夏威夷6.9级地震是该岛受北西向水平地壳运动挤压,地震断层产生倾滑剪切破裂的结果,符合文献[6]讨论的回跳或弹性回跳模型,可称之为压-剪回跳或弹性回跳模型,即震前震中区受水平挤压,致使震时地震断层倾向(及或走向)剪切破裂,产生地震。

致谢: 本文利用了Nevada Geodetic Laboratory网站(http://geodesy.unr.edu)Geoffrey Blewitt教授用GIPSY软件处理得到的GPS连续观测站坐标时间序列[11-12],在此表示感谢!
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