中国卫星导航定位协会

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基于GNSS观测的日本9.0级地震对黑龙江省 地壳形变的影响
常金龙 孙建中 赵 谊 于露 蔡华
2013/12/26 13:17
利用陆态网络黑龙江省5个测站的GNSS观测资料,计算了2011年日本9.0级地震对我省测站位移时间序列、基线时间序列、电离层TEC变化的影响,解算了这次地震在黑龙江省的同震位移场,与国内专家计算结果进行了比较,具有很好的一致性。分析表明:周边地区日本、俄罗斯大震对我省地壳运动影响显著,进而可能影响到我省地震活动。
关键词 陆态网络 GNSS 位移时间序列 电离层电子总含量 同震位移场

0 引言

  地震与地壳运动密切相关。黑龙江省地处欧亚板块的东缘,紧邻太平洋板块,区域地壳运动和构造活动相对活跃,主要受控于西太平洋板块的挤压和俯冲。在本区域内,中强地震时常发生,同时近邻日本是大震、巨震的多发区。高精度GNSS定位可监测地壳动态变化和获得地壳较大时空尺度的相对运动信息,反演的电离层电子总含量TEC可以捕捉地震前兆异常。本文采用“中国大陆构造环境监测网络”(简称“陆态网络”)在黑龙江省的鹤岗、哈尔滨、绥阳、抚远和五大连池等5个基准站的观测资料和专业数据处理软件(PODAP、GNSS-PWV、WHIGGION、GAMIT),计算和分析了2011年日本9.0级地震对我省测站位移时间序列、基线时间序列、电离层时间序列的影响。

1日本9.0级地震在黑龙江省的同震位移场

  据覆盖日本全境的GEONET网络GPS观测资料显示,2011年3月11日日本9.0级地震造成日本半岛向东移动(王凡,2011)(杨少敏,2011)(赵国强,2012),最大达到了5.3m。我们分析此次地震对黑龙江省构造形变场的同震影响。结果显示(图1,表1):相对ITRF2008参考框架,此次地震造成黑龙江省鹤岗站、哈尔滨站、绥阳站、抚远站、五大连池站厘米级的同震水平位移,五个站中最大值为绥阳站东向位移2.73cm.。
表1 日本9.0级地震同震位移(单位:cm)
Table 1 Japan Mw9.0 earthquake coseismic displacement field(cm)
HLHG HRBN HLFY SUIY HLWD
EW 1.34 1.48 0.98 2.73 0.91
NS -1.25 -1.05 -1.40 -1.83 -0.9



图1日本9.0级地震黑龙江省同震位移场

结合黑龙江省洞体应变(图2)和体应变(图3)连续观测资料,日本9级地震引起鹤岗台、牡丹江台、依兰台同震响应表现为正方向增大,说明测点所在基岩受地震影响,表现为伸张。体应变同震阶跃表现为负方向变化,说明岩石应变同样表现为拉伸。洞体应变和体应变量值震后均未恢复,产生了永久形变。由此可判断日本9级地震对我省区域产生了不同程度的张性应变,对于本地区应变积累是一个释放的过程,这也与王敏(2012)基于日本宫城Mw9.0级地震同震位移场,采用插值方法计算的水平应变场结果一致。






图2 鹤岗、牡丹江、依兰洞体应变日本9.0级地震同震阶跃






图3 鹤岗、牡丹江、通河体应变日本9.0级地震同震阶跃

2日本、俄罗斯地震对鹤岗站GPS位移时间序列的影响

2011年1月~2012年9月发生在黑龙江省及周边地区,对省内GNSS基准站位移时间序列产生明显影响的地震主要有4次(表2)。图4是鹤岗站单站GPS位移时间序列。由北南向可以看出,日本9.0级地震发生后,产生12.5mm的同震阶跃,同时使得鹤岗站运动速率北南向加速,10月14日俄罗斯发生6.6级地震,震后测站运动速率未改变。2012年2月26日俄罗斯发生7.0级地震,震后测站运动速率发生明显改变,北南向速率减小。6月18日的萝北地震使得北南向速率重新加快。而东西向速率始终未发生明显变化。此外,我们也计算了其他站位移时间序列,结果有类似特点。说明黑龙江省各测站运动速率和方向受周边地区大震影响显著,而且主要影响北南向。


     表2 2011年1月~2012 年9月黑龙江省及周边地区地震事件
Table 2 Heilongjiang and surrounding areas 4 earthquakes events during 2011.1~2012.9
日期 时间 纬度 经度 深度 震级 震中位置
20110311 05:46:19.0 38.10 142.50 20 Mw9.0 日本本州东岸近海
20111014 06:10:10.2 54.15 123.75 10 M6.6 俄罗斯西伯利亚东南部
20120226 06:17:16.8 51.75 96.00 10 Ms7.0 俄罗斯西伯利亚西南部
20120618 05:11:29.8 48.05 131.00 10 ML5.1 俄-中(萝北)边境



图4 2011年1月~2012年9月鹤岗站(HLHG)GPS位移坐标时间序列


3基线变化
日本9.0级地震不仅引起了鹤岗等站位移时间序的变化,也引起省内测站与日本USUD之间基线变化。我们解算得到鹤岗站、哈尔滨站与USUD站之间NS向约80mm的变化,东西向约200mm的变化(图5)。与蔡华(2012)给出的哈尔滨站与日本TSKB站、USUD站基线变化(2011年积日017天~129天)一致。
 

           HLHG-USUD                           HRBN-USUD
图5 GPS基线时间序列
4 电离层电子总含量TEC时间序列
  目前研究结果表明,震前0~5天的电离层异常很有可能是地震孕育引起的,通过考察电离层的异常进行地震短期预报是非常有价值的。图6是我们计算的鹤岗站2011年2月26日至2011年3月16日日本9.0级地震期间电离层电子总含量TEC的变化,由图8中可以看出震前3月8日存在较大的峰值,有可能是日本巨震的震前电离层异常,这也与姚宜斌(2012)研究结果一致。但是地震的发生是非常复杂的过程,是很多因素共同影响的结果。准确的的电离层前兆异常判定要综合考虑各种因素的影响,这方面还需要做深入的研究。


图6 日本9.0地震前鹤岗站电离层电子含量TEC变化

5结论

本文利用陆态网络黑龙江省GNSS观测数据和数据处理软件,融合同震位移场、位移时间序列、基线时间序列、电离层电子总含量TEC解算结果,分析了日本9.0级地震对黑龙江地区的影响。结果显示:地震引起的同震位移影响是非常显著地,影响最大的是距离震中最近的绥阳站,产生2.73cm的东向位移。地震对于对我省产生了不同程度的张性应变,对于应变积累是一个释放的过程,一定程度上缓解了地震的发生。黑龙江省各测站运动速度及方向受周边地区大震影响显著,主要影响北南向。日本地震也引起了各测站与日本USUD基线长度80-200mm的变化量,基线增大也反映了各站点之间拉张性。震前电离层异常与国内学者得出的研究成果一致,但因其复杂性,是否确定是震前异常,还需进一步深入研究。
  致 谢:感谢国家重大科学工程“中国大陆构造环境监测网络”提供GNSS观测数据

参 考 文 献
蔡华,孙汉荣.GPS测定的2011年日本9.0级地震的中国大陆地区同震位移场[J]武汉大学学报·信息科学版.2012.08期
陈梅花等.强地震前水汽中长期异常变化特征研究[J].地震地质.2011.33(3):549-557
王凡,沈正康等. 2011年3月11日日本宫城Mw9.0级地震对其周边地区火山活动的影响[J].科学通报.2011.56(14):1080~1083
王敏,李强等.全球定位系统测定的2011年日本宫城Mw9.0级地震远场同震位移.科学通报.2011.56(20):1593~1596
杨少敏,聂兆生等. GPS解算的日本Mw9.0级地震的远场同震地表位移.武汉大学学报·信息科学版[J].2011.36(11) :1336~1339
姚宜斌,陈鹏等.2011年3月11日日本地震震前电离层异常变化分析[J].科学通报.2012.57(5):355~365
赵国强,李鹏.中国大陆GPS连续观测站测得的日本9.0级地震同震位移与震前变化[J].地震:2012(02)
赵益洋,刘善军等.震前大气水汽异常识别方法与汶川地震分析.《中国遥感应用协会2010年会暨区域遥感发展与产业高层论坛论文集》.2010