2023, Vol. 44
2011年日本MW 9.0地震对我国华北地区地壳形变产生了显著影响。首都圈地处华北地区，一方面，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，位于太平洋板块俯冲带的日本地区强震活动对我国华北地区的地震活动具有重要的影响，目前华北地区6级地震平静已达25年，地震形势依然严峻；另一方面，大地震发生会引起发震断层本身、邻域活动构造及岩石圈内部应力应变场的快速调整，包括发震断层面上的震后滑移、邻域活动构造活动性的改变和下地壳上地幔的弛豫形变等，因此，跟踪研究日本MW 9.0地震前后首都圈地区地壳形变场特征，有助于深刻理解此次地震对于研究区域地壳形变场的应变状态、活动构造运动方式的影响，从而为首都圈地区的震情跟踪和地震预测预报工作提供参考信息。
2 研究内容、理论基础和研究概述选取首都圈地区29个GPS连续站（参见图 1）观测数据进行统一处理，获取GPS测站坐标时间序列；然后，基于顾及复杂周期信号的非参数速度建模方法以及MELD（Median Estimation of Local Deformation）方法分别计算了首都圈区域速度场和应变率场（Kreemer et al，2018）；最后，分析了日本MW 9.0地震前后首都圈地区地壳形变场的时空演化特征，并探讨了该地震对首都圈地区地壳形变场的影响。
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图 1 GPS基准站空间分布 Fig.1 The location of GPS stations |
其中，针对每个受到日本MW 9.0地震影响的GPS测站，本文利用该测站坐标时间序列进行参数拟合建立了震后形变（PSD，Post-Seismic Deformation）改正模型。参数拟合模型由测站初始位置、线性速度、周年信号、半周年信号、Heaviside阶梯函数以及PSD函数组成，其中，待选的PSD函数主要包括4类：①对数函数；②指数函数；③对数函数加指数函数；④指数函数加指数函数。逐一拟合不同的参数模型，并对其进行比较，选取BIC（Bayesian information criterion，贝叶斯信息量准则）值最低的拟合模型作为最后的PSD函数模型。如果BIC值相近，则选取形式最简单的拟合模型。文中建立PSD模型采用Python语言进行具体程序实现。
3 研究结果2个测站之间的基线长度序列能够反映测站之间距离变化，本文计算了韩国DAEJ和SUWN测站与首都圈区域测站之间的基线长度序列。限于篇幅，图 2(a)和(b)仅给出了BJSH与DAEJ和SUWN测站之间的基线长度序列。日本MW 9.0地震发生后，首都圈内GPS测站与DAEJ和SUWN测站之间的基线长度由缩短变化转为伸长变化，2014年以来没有表现出显著的快速张、压变化。图 3给出了上述3个测站坐标时间序列变化，为了凸显动态信息，图 3为去掉趋势项和季节性信号的结果，另外，修正了地震、天线更换等原因造成的坐标阶跃。如图 3所示，BJSH站东向运动受日本MW 9.0地震影响相对显著，在震后有增强趋势。其他测站运动趋势与之相似，表明了日本MW 9.0地震对首都圈地区GPS测站有一定影响，在震后趋势方面，主要表现为东向运动增强，目前该现象均已恢复。DAEJ和SUWN站自日本MW 9.0地震后表现出北东向运动增强的调整过程，其中南向运动减缓量值分别约为10 mm和5 mm，东向增强量值均约为20 mm，至2014年该调整速率减缓。由上可知，图 2(a)和(b)中基线变化主要与DAEJ和SUWN测站运动趋势一致。为了进一步判断日本MW 9.0地震对首都圈地壳形变场的影响，图 2(c)和(d)给出了BJSH与BJFS和JIXN测站之间的基线变化，日本MW 9.0地震后，基线缩短趋势速率变缓，表明日本MW 9.0地震一定程度上缓解了上述基线的趋势性缩短。郝明等（2020）研究表明，日本MW 9.0地震震后影响范围主要集中在我国东北和山东半岛区域，本文研究结果表明首都圈地区也受到了一定程度的影响。
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图 2 基线长度时间序列 (a) DAEJ—BJSH；(b) SUWN—BJSH；(c) BJFS—BJSH；(d) JIXN—BJSH Fig.2 The baseline time series |
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图 3 BJSH（左）、DAEJ（中）和SUWN（右）站坐标时间序列 Fig.3 GPS stations coordinate time series of BJSH (left), DAEJ (middle), and SUWN (right), respectively |
此外，本文计算的日本MW 9.0地震引起首都圈GPS测站同震位移结果表明：水平方向上，以东向为主，且随着测站与震中距离的增大，形变量逐渐减小，具有指向震源位置的特征；垂直方向上，未表现出明显的一致性特征，且中误差值较大，部分测站中误差值超过了其同震位移值。为了分析日本MW 9.0地震对首都圈地区GPS速度场的影响，本文分时段对比了速度场的变化，图 4给出了不同时段的水平速度场，图 4(a)主要对比了地震前后速度场的变化，图 4(b)主要对比了地震发生至2015年底以及2016年初至今2个时段速度变化情况。由图 4可知，日本MW 9.0地震对首都圈区域内水平速度场未产生显著影响，需要说明的是本文在计算速度场之前已经去除了同震及震后形变，其中，震后形变为地表位移随时间的指数型衰减过程，主要反映地震引起的测站非线性运动（参见本文第2节）。
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图 4 首都圈GPS站水平速度场 （a）日本MW 9.0地震前后首都圈水平速度场；（b）日本MW 9.0地震后首都圈水平速度场 Fig.4 The horizontal velocity fields of GPS stations in Beijing and its adjacent areas |
由于收集到的首都圈地区测站较稀疏，本文仅计算了整个时段内测站密度相对较大区域的应变率场，空间范围为：（115.7°—117.4°E，39.4°—40.7°N），即主要包含北京行政区（限于篇幅，应变率场图件未在文中展示）。计算结果表明：该区域整体呈现EW向挤压、NS向拉张特征，跨南口—孙河断裂呈现出明显的应力梯度，黄庄—高丽营断裂两侧以永定河断裂为界应力梯度方向发生了反转。此外，北京南部的大兴、通州区域应变最小。考虑到不同时段速度场的变化并不显著，因此，本文未再进行分时段应变率场的对比分析。
4 结束语首都圈地区29个GPS连续站观测资料揭示了日本MW 9.0地震造成的首都圈地区同震位移场及震后运动趋势等信息，其初步结论如下：①首都圈地区GPS站同震位移在水平方向上以东向为主，具有指向震源位置的特征，垂直方向上未表现出明显的一致性特征；②日本MW 9.0地震对首都圈地区GPS站有一定影响，主要表现为震后东向运动增强趋势，一定程度上缓解了首都圈内BJSH—BJFS、BJSH—JIXN等基线的趋势性缩短。
郝明, 庄文泉. 2011年日本东北大地震对中国东部地壳形变场的影响[J]. 大地测量与地球动力学, 2020, 40(6): 555-558. |
Kreemer C, Hammond W, Blewitt G. A robust estimation of the 3-D intraplate deformation of the North American plate from GPS[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2018, 123: 4388-4412. |