2012, Vol. 55
2. 北京建筑工程学院 测绘与城市空间信息学院, 北京 100044;
3. 现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室, 北京 100044
2. School of Surveying and Mapping Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China;
3. Key Laboratory for Urban Geomatics of National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Beijing 100044, China
2011年3 月11 日14 时46 分(当地时间)，日本东北地方太平洋近海发生Mw9.0 的大型地震(Tohoku-OkiEarthquake)，震中位于北纬38.1°，东经142.6°，震源深度约为10km.据统计，自有观测记录以来，除1960年发生的智利Mw9.5地震､1964年阿拉斯加Mw9.2地震和2004年苏门答腊—安达曼Mw9.1 地震外，此次地震属全世界第四大地震[1]，造成了重大的人员伤亡和财产损失.
大型地震的影响范围通常可达离震中数千公里，并诱发地壳的瞬间形变[2-3]，直接影响国家大地控制网的精度[4-5].因此精确计算地震引起的地壳形变量一直是地球物理学与大地测量学的主要研究对象[6-8].分析同震形变(Co-seismic Displacement)和震后位移(Post-seismic Displacement)可解释地震的发生原因､地壳板块的移动方向，以及地壳边界的断层分布[1-2， 9]，对于大地测量研究领域，有必要精确分析大型地震对国家大地控制网的直接影响，以确保控制点坐标的高精度和各种地理信息的准确度，这也是很多地球物理学者与大地测量学者关注每次大型地震的主要原因.Johnson 等[3]和Yu 等[4]对1999年台湾集集地震进行了研究，利用45 个GPS卫星常年跟踪站与150 个站点的GPS 观测数据计算出同震形变以及震后位移量，并进行了对地下断层几何构造的模型化.Vigny等[2]和Subaraya等[9]则计算出2004年苏门答腊—安达曼地震所引起的同震形变，并进行了弹性模拟，推断出破裂带的分布､地震力矩和地震动量矩等参数.对于日本东北地区太平洋近海地震，Ozawa等[10]利用日本GPS 卫星常年跟踪站网(GEONET)[11]观测数据计算出同震形变量，发现沿着东北(Tohoku)地方海岸线发生了向东5.3m 的位移和1.2m 的沉降.考虑到地壳变动导致的控制点相对坐标成果的变化，日本国土地理院3月14日宣布停止提供包括364 个电子控制点､4.4万个三角点和1500 个水准点的成果，同时着手这些控制点成果的重新计算[12].
本研究利用284 个IGS 全球跟踪站和韩国及周边地区46个GPS卫星常年跟踪站15天(地震当天和地震前后各7 天)的观测数据，通过GAMIT/GLOBK 软件处理并计算出日本东北地方太平洋近海地震所引起的同震形变和震后位移，分析了地震对亚洲地区地壳和韩国国家大地控制网的影响.本研究的特点在于:(1) 由于利用了所有的IGS 全球跟踪站数据，因此可在全球的角度分析地震的影响;(2) 利用韩国境内密集分布的GPS卫星常年观测站数据，详细分析了由于日本东北地方太平洋近海地震而导致的韩国地区的同震形变量及其分布.
2 GPS数据处理与分析利用GPS跟踪数据分析同震形变与震后位移的研究中，国际上已有采用不同处理软件和不同方法的诸多研究成果.Yu等[4]在采用Berness4.0软件分析1999年集集地震产生的同震形变量时，利用ADDNEQ 模块将计算出的单日解进行了组合.首先选择一个没有受到地震影响的站点作为固定点，再计算出其余点位的移动量后，去除长周期地壳变动的影响以及震后位移量.利用上述定位方法分析地震形变研究时，具有无需把地震发生附近区域的控制点作为固定点，而使用位于全球稳定地壳上的站点的优点.Subarya 等[9]利用GAMIT/GLOBK软件[13]分析了2004年苏门答腊—安达曼地震的影响，由GLOBK 软件提供整体平差模块，Vigny等[2]利用了GIPSY-OASISII软件的精密单点定位(PPP)方法计算了苏门答腊—安达曼地震波的到达时间.
本研究采用GAMIT/GLOBK 软件进行GPS观测资料处理，使用的IGS 精密星历，UT1､极移､岁差､章动及太阳月亮位置表均取自IERS公报.首先，利用GAMIT 软件[14]计算出每日单日解，再利用GLOBK 软件[15]进行了整体平差，以此获取同震形变量与震后位移量.共利用了全球330个GPS卫星常年跟踪站数据，其中包括284个IGS全球跟踪站和韩国国土地理研究院(NGII)所属的46个GPS卫星常年跟踪站.每个站点采用15 天的观测数据，分别为地震前7天､地震当天和地震发生后的7 天数据.
GPS数据处理分为基线解算及整体平差两个部分.在基线解算部分，首先利用GAMIT 软件按每日单日解计算出包括中国､韩国和日本的55 个GPS卫星常年跟踪站的成果，然后结合SOPAC 提供的全部IGS 全球跟踪站的基线解算结果，利用GLOBK 进行整体平差，整体平差以位于稳定地壳板块上的21个GPS卫星常年跟踪站坐标和运动速率为约束基准.图 1表示了研究中所利用的GPS卫星常年跟踪站(黑点)与作为整体平差约束固定点(红点)的站点位置.固定点的位置是采用GLOBK软件的glorg模块经过评价站点的稳定性计算而确定的，因此计算地震前后所利用的固定点有所差异，如距离地震区域比较近的韩国的水原(SUWN)站与大田(DAEJ)站在地震前被利用为固定点，但地震后的处理中就被排除.
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图 1 IGS全球跟踪站站点及全球网平差固定点分布 Fig. 1 The distribution of IGS global stations and fixed points of global network adjustment |
观测网平差分两种方式进行.首先，以时间序列分析为目的，对15 天的观测数据逐日网平差;第二种方式为，利用地震发生前后各7 天的数据计算出单一坐标，分析了同震形变.同震形变量是通过地震发生前的坐标减去地震发生后的坐标而获得，对于发生震后位移的地区将除去此类影响.
图 2给出了全球网平差的精度直方图.如图 2a所示，地震发生前7 天的平差结果中，加权均方根(wrms)值的分布聚集，平差精度很高.平面坐标的wrms大部分分布在2~3 mm 范围内，属平差误差范围，大地高的平差误差大部分分布在5~6mm 范围.鉴于对24小时观测数据的GPS 静态定位方法的解算误差也在此误差范围内，可以认为地震发生前7天观测数据的解算成果具有较高的精度.地震发生后7 天的平差结果的wrms分布表示在图 2b中.与地震发生前成果比较，震后East方向和大地高的wrms明显增加.这与地震发生地点附近GPS站点受到的震后移位有关，在计算同震形变时将此类影响消除，以保证位移量计算的精度.
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图 2 IGS全球跟踪站全球网平差的加权均方根值分布，(a)､(b)分别为震前和震后的计算结果 Fig. 2 The distribution of wrms of global network adjustment for IGS global stations, (a)､(b) are respectively the result of before and after the earthquake |
GPS数据的分析结果显示，日本东北地区太平洋近海地震引起的同震形变的影响在亚洲地区比较明显，距离震中2702km 的中国武汉(WUHN)站也发生了同震形变.由图 3 给出的日本东北地方太平洋近海地震所产生的亚洲地区地壳同震形变的尺度与倾向分布图中可见，形变方向均指向震中，离震中最近的水沢(MIZU)站产生2567.7 mm 的位移，位于韩国最东边的独岛(DOKD)站的位移量达到57.7mm.距离震中比较远的中国､中国台湾地区和俄罗斯的GPS站点也发生了5mm 以上的位移.如图 4表示，GPS站点到震中的距离与同震形变间表现为反比例关系，并呈一定的倾向.由于新十津川(STK2)站与南萨哈林斯克(YSSK)站(三角形)位于相对稳定的北美板块，因此比其他站点的变位量小.
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图 3 亚洲地区同震形变分布图 Fig. 3 The distribution of co-seismic displacement |
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图 4 各观测点距震中的距离与同震位移量间的关系，圆圈和三角形各表示GPS站点位于欧亚板块和北美板块 Fig. 4 The relation between the distance of the epicenter from each GPS station with co-seismic displacement . Circle and triangle are respectively the GPS station located in Eurasian and North America plate |
图 5给出的是代表性GPS 站点(日本，中国和韩国各两个站点)的地震前后15天的站点坐标变化图.在图中很明显地看出位于韩国和中国的GPS站点只在东西方向有较大的位移，震后位移不大.而位于日本的筑波(TSKB)站和臼田(USUD)站在东西方向和南北方向上都有明显的同震形变，震后也发生较大量级的位移.其中TSKB 站点的震后位移量最大，发生最大同震形变的MIZU 站点的震后位移量相对较小.
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图 5 地震前后期间部分代表性GPS站点平面坐标位置的时间序列图 Fig. 5 Time series chart of 2D coordinate location of typical GPS station during earthquake |
在构成IGS全球跟踪网的GPS站点中，受到此次地震影响的站点的同震形变量如表 1所示.离震中距离较近的日本GPS站点的位移最大，其次为韩国､中国､俄罗斯以及台湾地区的GPS站点，垂直位移只发生在日本的GPS站点上.将地震发生后7天的位移影响适用到日本的所有GPS站点得出，在震后7天内发生的最大垂直位移为66.8 mm, 日本的鹿儿岛(AIRA)站的震后垂直位移量属于GPS定位误差范围，因此没有考虑.
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表 1 亚洲地区GPS站点的同震位移量 Table 1 Co-seismic displacement of GPS stations in Asia area |
直到20 世纪末，韩国的国家大地控制网(Korean Geodetic Network)所采用是以贝塞尔(Bessel)椭球为参考椭球的区域大地基准.为了满足21世纪各类用户的需求，韩国于2003 年1 月1日起推出了KGD2002(Korean Geodetic Datum 2002)[16-17].KGD2002以地心为大地坐标系的原点，采用GRS80 椭球参数和国际地面参考框架ITRF2000(历元为2002.0)，并通过46个GPS常年观测站的联测确定了国家大地控制网.
日本东北地方太平洋近海地震给韩国的地壳产生较大影响，韩国国土地理情报院所管辖的GPS卫星常年观测站的站点坐标也发生了变动，其最大变位发生在离地震中心最近的DOKD 站，位移量为57.7 mm, 位于震中最远的MARA 站点也发生了14.5mm 的位移.图 6表示了48个GPS卫星常年跟踪站(其中包括属于IGS 观测网的SUWN 站和DAJE 站)同震形变的大小及方向，表明同震形变的方向指向震中，其方位角分布在77.2°~92.6°，距离震中越近变位量越大.震后7 天的数据处理结果显示，在韩国区域内未产生震后位移，因此利用地震前后各7天的GPS 处理获得的坐标成果计算出同震形变量，并在表 2 中给出.
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图 6 韩国NGII GPSCORS站点的同震位移分布图 Fig. 6 The distribution of co-seismic displacement of Korea NGII GPSCORS |
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表 2 韩国GPS站点的同震位移量 Table 2 Co-seismic displacements of GPS stations in Korea |
在韩国发生的同震形变的大小及方向不一，表明韩国的地壳可能由于日本东北地方太平洋近海地震而缩小或者是膨胀.本研究利用GPS站点间的基线距离变化量，将韩国的地壳区分为81 个三角网，并计算出各个区域的主应变､最大剪应变以及面积变形率[18].
从图 7左图所表示的主应变图中可以看到，在81个区域中有78 个区域发生了震中方向的膨胀，有71个区域的震中方向的垂直方向发生了收缩.图 7的右图表示，最大剪应变的方向比较一致.最大剪应变的平均大小为2.46×10-7± 6.53×10-9，这个数值与Cho(2006)[19]得出的韩国地区平均年最大剪应变3.37×10-8±1.85×10-8的约7倍，足以认为日本东北地区太平洋近海地震对韩国地区地壳产生非常大的弹性变形.不仅如此，65 个区域的面积变形率呈正(+)值，表示地壳产生膨胀，其平均大小为2.72×10-8±4.37×10-8，比Cho(2006)的韩国地区平均年面积变形率-1.64×10-8 ±2.64×10-8大.
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图 7 韩国地壳的弹性变形率:(a)最大剪应变及方向;(b)主应变及方向 Fig. 7 Elastic deformation rate of crustal in Korea: (a) Maximum shear strain and orientation; (b) Principal strain and orientation |
考虑到韩国的地壳所发生的同震形变与弹性变形，可以确定韩国的国家大地控制网也相应发生了相对位置变化，直接影响韩国大地控制网的精确度，对大地控制测量和地图制图带来误差.
为了分析日本东北地区太平洋近海地震对韩国国家大地控制网的影响程度，针对韩国国内GPS卫星常年跟踪站计算了地震前与地震后的三维坐标转换参数，并分析了其变换残差.坐标转换参数的计算使用了Molodensky-badekas模型[20]，其计算结果如表 3.表 3中，dx，dy，dz表示坐标系原点的位移量，x0，y0，z0 表示区域变换基准点，rx，ry，rz表示坐标系的旋转参数，Scale为比例系数，其大小和方向如图 8所示.变换残差的方向与弹性变形率中主方向变形率的方向比较吻合，离震中最近的DOKD站点发生了东西方向19.1mm 的残差.对于韩国内陆地区，位于北部和南部的GPS站点发生了10mm左右的残差.
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图 8 韩国NGII GPSCORS站点的地震前后的坐标转换残差 Fig. 8 Coordinate transformation residual of before and after earthquake of Korea NGII GPS CORS |
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表 3 韩国GPS站点震前(epoch2011. 188)和震后(epoch20ll.210)之间的变换参数 Table 3 Transformation parameter between before earthquake(epoch 2011.188) and after earthquake (epoch 2011.210) of GPS Stations in Korea |
表 4为变换残差的统计值，表明受到日本东北地区太平洋近海地震的影响，韩国国家大地控制网发生了平均4 mm 量级的残差.如果继续使用现在的大地控制坐标成果将引起最高20mm 左右(内陆地区为10mm 左右)的误差.
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表 4 韩国GPS站点震前(epoch2011.188)和震后 (epoch2011.210)之间的变换残差的统计值 Table 4 Transformation residual between before earthquake (epoch2011.188) and after earthquake (epoch2011. 210) of GPS Station in Korea |
利用284个IGS全球跟踪站点以及韩国46个GPS卫星常年跟踪站点的15 天数据，分析了日本东北地区太平洋近海地震对东亚地区的地壳和韩国国家大地控制网的影响程度，并得到以下结论:
(1) 距离地震中心2702km 的GPS观测站也观测到同震形变，由此可知，除了日本，韩国､中国､俄罗斯以及台湾地区也受到日本东北地区太平洋近海地震不同程度的影响.
(2) 分析同震形变大小及方向的结果与其他研究结果[2， 4， 9]非常一致，大部分位移的方向朝着震中方向，离震中越近其位移量越大.所处理的GPS 站点中，位于日本的MIZU 站位移量最大，为2567.7mm;位于地震影响圈边界的GPS 站点也产生5 mm 左右的位移.
(3) 通过分析韩国及附近岛屿的弹性变形，大部分地区呈现向震中方向膨胀､向震中方向的垂直方向紧缩.由此次地震而短时间内发生的弹性变形的最大剪应变达到年平均值的约7倍.
(4) 地震引起的弹性变形，导致韩国国家大地控制网控制点间的相对距离产生变化，以GPS卫星常年跟踪站的坐标为准，误差最大值达到20 mm, 内陆地区为10mm 左右.为保持高精度大地控制网的精度，需进行及时的重新维护.
致谢本文所采用的GPS数据由国际GNSS 服务(IGS)和韩国国土地理情报院(NGII)提供，并受益于两位审稿人具有建设性的修改建议，在此一并表示衷心感谢!
| [1] | Nettles M, Ekstr?m G, Koss H C. Centroid-moment-tensor analysis of the 2011 Tohoku earthquake and its larger foreshocks and aftershocks. Earth Planets Space , 2011, 99: 1-9. |
| [2] | Vigny C, Simons W J F, Abu S, et al. Insight into the 2004 Sumatra-Andaman earthquake from GPS measurements in southeast Asia. Nature , 2005, 436(7048): 201-206. DOI:10.1038/nature03937 |
| [3] | Johnson K M, Hsu Y J, Segall P, et al. Fault geometry and slip distribution of the 1999 Chi-Chi, Taiwan earthquake imaged from inversion of GPS data. Geophys. Res. Lett. , 2001, 28(11): 2285-2288. DOI:10.1029/2000GL012761 |
| [4] | Yu S B, Kuo L C, Hsu Y J, et al. Preseismic deformation and coseismic displacements associated with the 1999 Chi-Chi, Taiwan earthquake. Bull. Seismol. Soc. Am. , 2001, 91(5): 995-1012. |
| [5] | Satirapod C, Simons W J F, Promthong C. Monitoring deformation of Thai Geodetic Network due to the 2004 Sumatra-Andaman and 2005 Nias Earthquakes by GPS. J. Surv. Eng. , 2008, 134(3): 83-88. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9453(2008)134:3(83) |
| [6] | 戴黎明, 李三忠, 陶春辉, 等. 俯冲带耦合作用对苏门答腊地区应变场影响的三维数值模拟. 地球物理学报 , 2010, 53(8): 1837–1851. Dai L M, Li S Z, Tao C H, et al. 3D numerical modeling of strain field in Sumatra area influenced by the coupling effect of subduction zone. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2010, 53(8): 1837-1851. |
| [7] | 邵志刚, 武艳强, 江在森, 等. 基于GPS观测分析日本9.0级地震同震位错与近场形变特征. 地球物理学报 , 2011, 54(9): 2243–2249. Shao Z G, Wu Y Q, Jiang Z S, et al. The analysis of coseismic slip and near-field deformation about Japanese 9.0 earthquake based on the GPS observation. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2011, 54(9): 2243-2249. |
| [8] | 易桂喜, 龙锋, 张致伟. 汶川Ms8.0地震余震震源机制时空分布特征. 地球物理学报 , 2012, 55(4): 1213–1227. Yi G X, Long F, Zhang Z W. Spatial and temporal variation of focal mechanisms for aftershocks of the 2008 Ms8.0 Wenchuan earthquake. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2012, 55(4): 1213-1227. |
| [9] | Subaraya C, Chlieh M, Prawirodirdjo L, et al. Plate-boundary deformation associated with the great Sumatra-Andaman earthquake. Nature , 2006, 440(7080): 46-51. DOI:10.1038/nature04522 |
| [10] | Ozawa S, Nishimura T, Suito H, et al. Coseismic and postseismic slip of the 2011 magnitude-9 Tohoku-Oki earthquake. Nature , 2011, 475(7356): 373-376. DOI:10.1038/nature10227 |
| [11] | The GEONET Group, Geographical Survey Institute. GEONET (GPS Earth Observation Network System) and its prospect. Journal of the Geodetic Society of Japan (in Japanese) , 2004, 50(2): 53-65. |
| [12] | 国土地理院. 平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震. により測量成果の公表を停止, http://www.gsi.go.jp/sokuchikijun/sokuchikijun60007.html, 2011. Geospatial Information Authority of Japan. Stop the publication of survey results by the Pacific Ocean earthquake off the coast of the Tohoku region Heisei 23(2011),http://www.gsi.go.jp/sokuchikijun/sokuchikijun60007.html. |
| [13] | Nikolaidis R. Observation of geodetic and seismic deformation with the Global Positioning System. San Diego: University of California, 2002 . |
| [14] | King R W, Bock Y. Documentation for the GAMIT GPS analysis software, release 10.3. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology, 2006 . |
| [15] | Herring T A. GLOBK Global Kalman Filter VLBI and GPS Analysis Program, Version 10.1. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology, 2005 . |
| [16] | Lee Y J, Lee H K, Jeong K H, et al. Korean geodetic datum (KGD2002): nationwide GPS network definition. // Proceedings FIG Working Week 2008-Integrating Generations. Stockholm, Sweden, 2008. |
| [17] | Jung K H, Ryu S H, Lee Y J, et al. Nationwide geodetic adjustment of integrated GPS networks in Korea. // FIG Congress 2010, Facing the Challenges-Building the Capacity. Sydney, Australia, 2010: 11-16. |
| [18] | Prescott W H, Savage J C, Kinoshita W T. Strain accumulation rates in the western United States between 1970 and 1978. J. Geophys. Res. , 1979, 84(B10): 5423-5435. DOI:10.1029/JB084iB10p05423 |
| [19] | Cho J M. Crustal Deformation Analysis from Permanent GPS Stations in the Korean Peninsula. Suwon, Korea: Sungkyunkwan University, 2006 . |
| [20] | Kutoglu H S, Mekik C, Akcin H. A comparison of two well known models for 7-parameter transformation. The Australian Surveyor , 2002, 47(1): 24-30. DOI:10.1080/00050356.2002.10558839 |