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基于GNSS数据的河北地区形变特征

屈曼 侯晓真 马栋 陈建国

屈曼,侯晓真,马栋,等. 基于GNSS数据的河北地区形变特征[J]. 华北地震科学,2021, 39(4):68-74. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.011
引用本文: 屈曼,侯晓真,马栋,等. 基于GNSS数据的河北地区形变特征[J]. 华北地震科学,2021, 39(4):68-74. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.011
QU Man,HOU Xiaozhen,MA Dong,et al. Deformation Characteristics in Hebei Region based on GNSS Data[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(4):68-74. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.011
Citation: QU Man,HOU Xiaozhen,MA Dong,et al. Deformation Characteristics in Hebei Region based on GNSS Data[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(4):68-74. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.011

基于GNSS数据的河北地区形变特征

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2021.04.011
基金项目: 河北省地震局地震科技星火计划项目“联合GPS、跨断层和定点观测手段探究河北地区形变特征”(DZ20200325037)
详细信息
    作者简介:

    屈曼(1986—),女,河北石家庄人,工程师,主要从事地壳形变数据研究. E-mail:1017063249@qq.com

  • 中图分类号: P315.725

Deformation Characteristics in Hebei Region based on GNSS Data

  • 摘要: 利用河北及周边地区的GNSS观测数据,得到河北地区2010—2021年水平运动速度场;根据GNSS测站分布和地震危险性对河北地区进行分区,分别计算各分区的应变时序结果,总结河北地区应变结果的时空变化特征,并与其他前兆观测手段进行分析对比。结果表明:①在水平运动方向上,省内8个测站在全球参考框架下运动方向均为东南向运动,扣除区域内整体运动后,省内测站相对水平运动不显著,6个测站量值在1 mm/a以内,反映出该区域整体水平运动比较平稳,年变化量不大;②从应变分区情况来看,晋冀豫交界地区2018年主压应力有所减弱,冀鲁交界地区自2016年主压应力有所增大,京津冀交界地区2016年主压应力有所减小,唐山、天津地区2016年主张应力有所减小,张渤带的西段张家口地区2016年主压应变下降减缓、2018年主张应力增大,晋冀蒙交界地区自2017年下半年主压应力减小。上述GNSS处理结果表明,河北地区整体运动较为平稳,内部区域存在一定的相对运动和时间上的调整。
  • 图  1  GNSS测站分布图

    图  2  河北地区水平速度场.

    图  3  河北地区应变分区图

    图  4  河北平原带应变时序

    图  5  唐山地区应变时序

    图  6  BJFS—TJBD—BJGB—HECC—BJYQ应变时序

    图  7  HECC—BJYQ—BJFS—HEYY—HEZJ应变时序

    图  8  HEYY—HEZJ—HECC—NMZL—NMTK—SXDT应变时序

    图  9  张家口地区应变数据对比

    表  1  解算过程中使用的具体模型和参数统计表

    数据采样间隔30 s
    Choice of ObservableLC_AUTCLN
    Choice of ExperimentRELAX
    Type of Analysis1-ITER
    Etide modelIERS03
    Tides applied31
    Elevation Cutoff10
    Interval zen2
    Antenna ModelAZEL
    Inertial frameJ2000
    下载: 导出CSV

    表  2  应变时序变化特征统计表

    序号应变名称地理位置转折时间变化特征
    1SXYC—HELY—HAHB—SXTY晋冀豫交界地区2018年底主压应力减弱
    2BJFS—HELY—TAIN—HECX冀鲁交界地区2016年主压应力增大
    3TAIN—HECX—TJBH—SDZB冀鲁交界地区2016年主张应力由增大转折平稳;
    主压应力增大
    4BJFS—TJWQ—TJBD—JIXN京津冀交界地区2016年主张应变短期增大;
    主压应变短期减小
    5HELQ—BJFS—HELY—SXYC河北省中西部2018年主压应变短期减小
    6JIXN—TJBD—TJBH—HETS唐山和天津地区2016年主张应力减小
    7BJFS—TJBD—BJGB—HECC—BJYQ北京、廊坊地区2016年主压应力减小
    8HECC—BJYQ—HEYY—HEZJ张渤带的西段2016年主张应变减小;
    主压应变下降减缓。
    9BJYQ—HEYY—SXLQ—BJFS张渤带的西段2016年主张应力增大
    10HECC—BJYQ—BJFS—HEYY—HEZJ张渤带的西段2015年、
    2016年;
    2018年
    主压应力2015年短期下降,
    2016年转折平稳。
    主张应力增大;
    11SXDT—HEZJ—NMZL—NMTK晋冀蒙交界地区2019年主张应变增大
    12HEYY—HEZJ—HECC—NMZL—NMTK—SXDT晋冀蒙交界地区2017年下半年主张应力减小;
    主压应力减小
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-30
  • 网络出版日期:  2021-09-27
  • 刊出日期:  2021-10-20

基于GNSS数据的河北地区形变特征

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2021.04.011
    基金项目:  河北省地震局地震科技星火计划项目“联合GPS、跨断层和定点观测手段探究河北地区形变特征”(DZ20200325037)
    作者简介:

    屈曼(1986—),女,河北石家庄人,工程师,主要从事地壳形变数据研究. E-mail:1017063249@qq.com

  • 中图分类号: P315.725

摘要: 利用河北及周边地区的GNSS观测数据,得到河北地区2010—2021年水平运动速度场;根据GNSS测站分布和地震危险性对河北地区进行分区,分别计算各分区的应变时序结果,总结河北地区应变结果的时空变化特征,并与其他前兆观测手段进行分析对比。结果表明:①在水平运动方向上,省内8个测站在全球参考框架下运动方向均为东南向运动,扣除区域内整体运动后,省内测站相对水平运动不显著,6个测站量值在1 mm/a以内,反映出该区域整体水平运动比较平稳,年变化量不大;②从应变分区情况来看,晋冀豫交界地区2018年主压应力有所减弱,冀鲁交界地区自2016年主压应力有所增大,京津冀交界地区2016年主压应力有所减小,唐山、天津地区2016年主张应力有所减小,张渤带的西段张家口地区2016年主压应变下降减缓、2018年主张应力增大,晋冀蒙交界地区自2017年下半年主压应力减小。上述GNSS处理结果表明,河北地区整体运动较为平稳,内部区域存在一定的相对运动和时间上的调整。

English Abstract

屈曼,侯晓真,马栋,等. 基于GNSS数据的河北地区形变特征[J]. 华北地震科学,2021, 39(4):68-74. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.011
引用本文: 屈曼,侯晓真,马栋,等. 基于GNSS数据的河北地区形变特征[J]. 华北地震科学,2021, 39(4):68-74. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.011
QU Man,HOU Xiaozhen,MA Dong,et al. Deformation Characteristics in Hebei Region based on GNSS Data[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(4):68-74. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.011
Citation: QU Man,HOU Xiaozhen,MA Dong,et al. Deformation Characteristics in Hebei Region based on GNSS Data[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(4):68-74. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.011
    • 河北地区存在许多重要的发震断裂,主要断裂包括河北平原断裂带、张渤断裂带和唐山断裂带等。河北平原带为华北第三、第四活动期强震活动主体地区之一, 主要发育一系列新生地震构造带[1];NW向张家口-蓬莱断裂带由近20条NW至NWW向断裂组成,是一条对新生代区域地质构造发育起到重要控制作用的地壳构造带[2];唐山断裂带存在明显剪切应力高值区,深部断裂存在孕育较强地震的可能性[3]。该区历史上发生过多次重大破坏性地震,给社会带来了严重的人员伤亡和经济损失,如1966年邢台6.8级、7.2级地震、1978年唐山7.8级大地震等。河北地区是中国经济发展水平较高、大中城市集中、人口较稠密地区,一旦发生严重破坏性地震,损失将十分惨重。因此加强该地区的震情监测,掌握该地区构造运动和地形变特征是当前一项十分重要的工作。

      以GPS为代表的空间对地观测技术为高精度、高密度的地壳运动观测研究提供了革命性的手段。国内外许多学者利用GPS数据对地壳形变和地震预测进行了大量的研究工作,取得了一些有价值的地球动力学和大地构造学的新认识、新结论。江在森等利用最小二乘配置方法获取了中国大陆连续速度场和低频应变场,并且分析了这些连续场的特征与地震的关系[4];王敏等通过分析中国地壳运动观测网络GPS数据特别是1999年、2001年区域网数据,初步得到了中国大陆地壳运动速度场[5]。许多学者针对华北地区的地形变特征进行了深入的分析研究,例如赵斌等[6]对华北地区大规模GPS流动站和连续站观测资料进行统一处理,获得有效垂直运动速度场特征;刘峡等[7]利用GPS观测资料,研究华北地区现今地壳运动及形变动力学机理。虽然利用GPS数据对大地形变特征进行的分析研究做了很多,但是利用GPS资料针对河北地区地形变特征的分析研究相对较少。本文利用中国大陆构造环境监测网络(简称“陆态网络”)GNSS连续站观测数据,在分析河北地区现今水平运动和变形特征的基础上,重点分析张渤带、唐山地区以及河北平原带的地变形特征,以期为河北地区未来地震形势分析提供依据。

    • 陆态网络在河北省共建设有8个GNSS站,分别是隆尧站、鹿泉站、沧县站、承德站、唐山站、阳原站、赤城站、张家口站。搜集研究区域GNSS连续观测站和309个全球IGS站的数据资料,其中GNSS数据资料以河北省8个GNSS站为主,以北京、天津、山西、山东等周边地区GNSS观测资料为辅(图1)。采用的数据处理软件是美国研发的GAMIT/GLOBK10.7软件,利用该软件将上述数据资料进行统一解算,得到各测站的单日解,再进行整网平差,最终得到ITRF2014框架下的时间序列结果。解算过程中使用的具体模型和参数见表1

      图  1  GNSS测站分布图

      表 1  解算过程中使用的具体模型和参数统计表

      数据采样间隔30 s
      Choice of ObservableLC_AUTCLN
      Choice of ExperimentRELAX
      Type of Analysis1-ITER
      Etide modelIERS03
      Tides applied31
      Elevation Cutoff10
      Interval zen2
      Antenna ModelAZEL
      Inertial frameJ2000
    • 利用河北省和周边地区17个陆态网络GNSS连续站2010—2021年水平方向时间序列获得了各测站在全球参考框架ITRF2014下水平运动速度场。结果显示:在全球参考框架下,河北地区整体运动方向为东南向,东向运动速率约为30 mm/a,北向速率约为−10 mm/a(图2a)。

      图  2  河北地区水平速度场.

      为了凸显河北地区内部相对运动,利用河北地区和周边省市陆态网络GNSS连续站水平速率计算整体运动参数[8]。根据公式(1),理论上只需有2个测站即可求得欧拉运动矢量。

      $$ \begin{aligned} &{{\vec V}_i} = \vec \Omega \times {{\vec R}_i}\\ &\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{v_e}}\\ {{v_n}} \end{array}} \right] = r\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} { - \sin \varphi \cos \lambda }&{ - \sin \varphi \sin \lambda }&{\cos \varphi }\\ {\sin \lambda }&{ - \cos \lambda }&0 \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\omega _x}}\\ {{\omega _y}}\\ {{\omega _z}} \end{array}} \right]\text{,} \end{aligned} $$ (1)

      式中:$ \mathop \Omega \limits^ \to $为欧拉运动矢量,由$ {\omega _x} $$ {\omega _y} $$ {\omega _z} $组成;$ {\mathop {{R_i}}\limits^ \to } $为测站位置矢量,用经度$ \lambda $和纬度$ \varphi $表示;$ \mathop {{V_i}}\limits^ \to $为测站ITRF框架水平运动速率,包含东向速度$ {v_e} $和北向速度$ {v_n} $$ r $为地球半径。得到欧拉运动矢量后,根据测站位置就能得到各测站的整体运动$ \mathop {{V_{{\text{net}}}}}\limits^ \to $,测站相对运动速率$\mathop {{V}_{{\text{相对运动}}}}\limits^ \to = \mathop {{V_i}}\limits^ \to - \mathop {{V_{{\text{net}}}}}\limits^ \to$

      为了增加欧拉运动矢量的稳定性,在数据计算过程中尽可能应用较多的公共点。为了消除某些误差较大的公共点影响,采用“n倍中误差准则”,即设置准则(所有公共点残差绝对值小于n倍均方差)。如果计算结果满足准则即退出循环,反之则删除残差绝对值大于阈值的测点,重新求解欧拉运动矢量,直至满足准则为止。每次归化时,调整n值,测站数量较多时调低n值(1~2之间),测站数量较少时则调高n值(2~3),在参与解算的测站数量和解算精度之间寻找一个最佳结果[9]。最后调试结果为n=1.8,选用10个测站(图2b蓝色三角型)计算欧拉运动矢量。

      各测站相对水平运动结果表明(图2b):河北地区及周边省市水平相对运动较为平稳,6个测站相对运动量值在1 mm/a以内;在水平运动方向上,整体运动方向均为东南向运动,反映出该区域整体水平运动比较平稳,年变化量不大。一些测站(如HETS、TJWQ)由于测站环境的影响,相对运动量值较大。2016年11月10日,HETS站更换了接收机,导致数据变化受到干扰。

    • 河北及其周边地区主要断裂包括河北省北部的张渤断裂带和河北平原断裂带。晋冀蒙交界地区连续多年来被划为全国地震危险区,首都圈地区作为全国政治经济中心,也是地震系统内高度关注的地区。流动重力观测显示华北地区存在异常,异常区仍处于河北西南部,流动地磁观测也显示河北省中西部及南部存在异常。鉴于以上地区存在的地震危险性,同时考虑到河北省GNSS站数量较少,其分布南少北多,大多数站点集中在河北中北部地区即张家口-渤海断裂带(简称“张渤带”)及附近地区,而在中南部地区只有2个站点,所以选取山西省、河南省、内蒙古自治区的部分站点一起组建河北地区应变分区(图3)。

      图  3  河北地区应变分区图

      根据河北地区的分区情况,将每个分区分别进行了应变计算。由于不同分区所处的应力环境和地质条件不同,各分区应变时序结果显示出不同的变化特征(表2)。

      表 2  应变时序变化特征统计表

      序号应变名称地理位置转折时间变化特征
      1SXYC—HELY—HAHB—SXTY晋冀豫交界地区2018年底主压应力减弱
      2BJFS—HELY—TAIN—HECX冀鲁交界地区2016年主压应力增大
      3TAIN—HECX—TJBH—SDZB冀鲁交界地区2016年主张应力由增大转折平稳;
      主压应力增大
      4BJFS—TJWQ—TJBD—JIXN京津冀交界地区2016年主张应变短期增大;
      主压应变短期减小
      5HELQ—BJFS—HELY—SXYC河北省中西部2018年主压应变短期减小
      6JIXN—TJBD—TJBH—HETS唐山和天津地区2016年主张应力减小
      7BJFS—TJBD—BJGB—HECC—BJYQ北京、廊坊地区2016年主压应力减小
      8HECC—BJYQ—HEYY—HEZJ张渤带的西段2016年主张应变减小;
      主压应变下降减缓。
      9BJYQ—HEYY—SXLQ—BJFS张渤带的西段2016年主张应力增大
      10HECC—BJYQ—BJFS—HEYY—HEZJ张渤带的西段2015年、
      2016年;
      2018年
      主压应力2015年短期下降,
      2016年转折平稳。
      主张应力增大;
      11SXDT—HEZJ—NMZL—NMTK晋冀蒙交界地区2019年主张应变增大
      12HEYY—HEZJ—HECC—NMZL—NMTK—SXDT晋冀蒙交界地区2017年下半年主张应力减小;
      主压应力减小
    • SXLQ—SXYC—HAHB—HECX—TJWQ—BJFS区域位于河北省中南部,覆盖了河北平原带的主要断裂,包括太行山山前断裂带——元氏断裂、邯郸断裂、邢台断裂、新河段裂等。该区域的主张、主压应力均存在较稳定的变化趋势和年变形态。冬季背景噪声比较小,夏季背景噪声比较大;冬季处于年变形态的波谷阶段,夏季处于年变形态的波峰阶段(图4)。

      图  4  河北平原带应变时序

    • JIXN—TJBD—TJBH—HETS区域位于唐山和天津地区,主要断裂包括唐山断裂、蓟运河断裂、潘庄西断裂等。该区域主张应力在2016年出现趋势转折,由以往的趋势上升转为趋势缓慢下降,表明该区域主张应力自2016年出现减小迹象;主压应力未出现明显的异常变化(图5)。

      图  5  唐山地区应变时序

    • BJFS—TJBD—BJGB—HECC—BJYQ区域位于北京、廊坊地区,为张渤带的中段,主要断裂包括南口山前断裂、东北旺-小汤山断裂、永定河断裂、孙河-小口断裂、顺义良乡断裂、大兴-通县断裂等。该区域主张应变未出现明显的大幅异常;主压应变自2016年出现了趋势转折变化,由以往的平稳变化转为趋势下降变化,表明区域内主压应力的减小(图6)。

      图  6  BJFS—TJBD—BJGB—HECC—BJYQ应变时序

      HECC—BJYQ—BJFS—HEYY—HEZJ区域位于张家口地区,为张渤带的西段,主要断裂包括蔚县盆地南缘断裂、阳原盆地北缘断裂、怀涿盆地北缘断裂、延庆-矾山盆地北缘断裂等。该区域主张应力背景值比较杂乱,但从趋势上可以看出,一定程度上存在趋势转折现象。2018年出现转折上升变化,表明主张应力有所增大;主压应力在2015年出现了短期的下降变化,2016年转折为平稳变化(图7)。

      图  7  HECC—BJYQ—BJFS—HEYY—HEZJ应变时序

    • HEYY—HEZJ—HECC—NMZL—NMTK—SXDT区域位于晋冀蒙交界地区,该区主要断裂包括怀安-万全盆地北缘断裂、天镇-阳高盆地北缘断裂、蛮汉山山前断裂等。该区域的主张应力和主压应力的变化背景都比较杂乱,但是从趋势上分析,可以粗略地判断趋势变化。主张应力2017年下半年出现了趋势转折,由以往的趋势上升转折平稳变化,表明主张应力有所减小;主压应力2017年下半年出现了趋势下降变化,表明该区内主压应力有所减小(图8)。

      图  8  HEYY—HEZJ—HECC—NMZL—NMTK—SXDT应变时序

    • 通过将应变时序结果与定点形变观测结果对比发现,张渤带西段存在一定的对应关系,其他分区无较好对应。张渤带西段即张家口地区的应变时序结果显示,2017年底该区主张应变转折上升趋势变化,表明该区主张应变增大。通过对定点形变观测手段进行数据分析发现:张家口伸缩仪EW分量在同期也出现了转折变化,由压性变化转折张性变化,并且时间一致性比较好;张家口伸缩仪NE分量2017年初也出现了转折张性变化,在时间上较应变时序早,但变化性质一致(图9),表明该区的应变变化情况比较可靠。

      图  9  张家口地区应变数据对比

    • 利用河北及周边地区的GNSS观测数据,得到了河北地区2010—2021年水平运动速度场;根据GNSS测站分布和地震危险性对河北地区进行分区,分别计算各分区的应变时序结果,总结河北地区应变结果的时空变化特征,并与其他前兆观测手段进行分析对比。

      1)河北省内8个GNSS站点的原始时间序列水平运动结果主要表现为向东南方向运动。从长时间尺度来看,各站点的运动速率变化不大,基本较为平稳。参考前人的研究成果,在ITRF08框架下中国大陆整体运动方向为东南向[5],与本文的研究结果较为一致;扣除区域内整体运动后,省内测站相对水平运动不显著,6个测站量值在1 mm/a以内,反映出该区域整体水平运动比较平稳,年变化量不大。

      2)针对河北地区各个分区应变时序结果进行了综合分析,梳理了各分区的应变变化特征,结果表明:晋冀豫交界地区2018年主压应力有所减弱;冀鲁交界地区自2016年主压应力有所增大;京津冀交界地区2016年主压应力有所减小;唐山、天津地区2016年主张应力有所减小;张渤带的西段、张家口地区2016年主压应变下降减缓,2018年主张应力增大;晋冀蒙交界地区自2017年下半年主压应力减小。

      致谢 感谢中国地震局第一监测中心提供陆态网络连续站解算结果。

参考文献 (9)

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