基于GNSS观测的阳江地区形变特征分析

谭争光，邓志辉，王雄健，刘吉平，王小娜

（1.广东省地震局，广州 510070；2.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），珠海 519000；3.阳江市地震局，广东 阳江 529500）

0 引言

地壳形变监测是地震监测预报的重要手段之一，能够反映区域地壳活动信息[1]。以GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem）观测技术为代表的现代大地测量技术是研究区域地壳形变及其变化特征的主要手段。目前已有许多学者利用GNSS 观测资料进行区域变形特征分析。黄立人等利用天津区域GNSS 观测资料分析了天津市的变形特征并对地面沉降监测问题提出了建议[2]；洪敏利用云南GNSS 观测资料获取区域速度场及应变场，分析了云南地区的地壳活动特征，为区域震情跟踪分析提供参考[3]；刘晓霞、简慧子基于GNSS 速度场对区域地壳形变特征及断层闭锁程度进行研究分析[4-6]，为地震中长期危险性分析判定提供参考。

阳江地区处于东南沿海地震带西段，是广东省三个地震活动较为活跃的区域之一[7]，也是我国区域地震活动性的研究热点地区。魏柏林等通过分析阳江震源机制解及垂直形变场数据获取区域构造应力场的变化特征[8]；康英等根据阳江2004年MS4.9 地震前22个中小地震震源参数分析得出震前阳江序列P 轴方位角的变化于震前4个月应力趋于一致[9]；刘锦通过地震资料研究了阳江1999 至2004年间的地震视应变的分布和时空变化特征[10]。前人基于地震活动资料分析研究阳江构造应力场，但只能反应震中及其邻区尺度较小的应力变化；又因受地震分布不均影响，不能准确分析大尺度的区域应力场的变化特征。在前人研究工作的基础上，本研究通过实时连续观测，获取了阳江8个GNSS站的时间序列资料，分析了参考站时间序列、基线序列、速度场和区域应变场信息，研究了阳江地区地壳水平运动状态，揭示了近期地壳动态形变特征，将为该区域地震危险性分析及短临震情跟踪提供科学依据。

1 区域背景

阳江地区位于浙粤地穹系中绍广地洼列的西南端，地处新华夏构造体系第二个巨型隆起带的西缘南段，区域内地震地质构造情况较为复杂，主要由三组断裂构成[7-8，11]。规模最大活动最强的是北东向断裂，属压性构造，如吴川—四会断裂（F1）、阳春—织篢断裂（F2）及苍城—海陵断裂（F5）；北西向断裂规模小，活动晚，切过北东向断裂，如洋边海断裂（F3）；北东东向断裂为平冈断裂（F4）。1969年7月26 日阳江发生了6.4 级地震，是广东省有仪器记录以来的最大地震，该地震发生在平冈断裂的西南端[8]与北西向洋边海断裂的交汇区。阳江地区目前中小地震活动仍很频繁，自1969年阳江6.4 级地震以来，该区域发生了7 次4.0 级以上强余震[7]。为进一步加强阳江地区地震监测能力，阳江市地震局与广东省地震预报研究中心在认真分析区域构造和主要断裂运动特征的基础上，在主要地块上选取了12个候选点，以布设了8个GNSS 观测站，试图获取该区域的地壳运动状态，研究区域应变场动态变化特征。

2 数据处理

本文使用的数据包括阳江地区8个GNSS 站（2018年3月—2020年12月），此外还收集了中国及 周 边18个 国 际IGS（International GNSS Service）参考站和广东地壳运动观测网络同期观测数据。GNSS 数据处理分3个步骤完成[2]。第1 步，利用GAMIT 软件获得测站坐标和卫星轨道的单日松弛解[13]，具体参数设置见表1。第2 步，利用GLOBK软件将第1 步获得的单日松弛解和IGS 数据处理中心 SOPAC（Scripps Orbital and Permanent Array Center，http://sopac-csrc.ucsd.edu/）产出的全球IGS参考站的单日松弛解合并，以ITRF2004框架下稳定的核心站为基准，进行整网单日解平差，获得阳江地区GNSS 站的坐标时间序列。第3 步，对GNSS 站点东向和北向坐标时间序列进行线性拟合得到区域水平速度场，采用ITRF14 板块运动模型[14]，将阳江区域水平速度场转换至相对欧亚板块基准的水平速度场。

图1 研究区域及GNSS站点分布图Fig.1 Study area and GNSS sites distribution

表1 GNSS数据解算策略Table 1 GNSS data solution strategy

计算应变率场的方法有多种[15-17]，根据本项研究区域站点分布特征，本文采用Shen 提出的通过离散数据建模并进行内插获得研究区域的应变率场的应变计算方法[18-20]。具体计算公式如下：

式（1）中，i为区域站，和为区域站速度分量，Δxi和Δyi为待估点与区域站之间的位置差（单位km），eix和eiy为速度分量误差，ω为旋转参数（单位°），ε为应变率分量，U为速度分量。速度分量单位mm/a，应变率单位rad/a。

3 数据分析

GNSS 基线长度变化反映两测站之间的相对运动状态，其不受参考框架本身漂移、旋转等因素的影响，可以直接提取出地壳形变信息。本文选取3条不同方向基线时间序列进行分析（图2），图中蓝色散点为基线长度变化量，红线为基线时间序列的拟合趋势线，其中2019年1月—2019年7月是由于仪器原因造成数据缺失。从图中可见，阳江地区不同方向GNSS 基线都以缩短为主，基线缩短速率为0.3～1.6 mm/a，量值较小，且无明显突变，表现为弱挤压特征，说明该区域目前处于应力积累状态，需要持续的跟踪分析。

图2 基线时间序列Fig.2 GNSS baseline time series

任何运动都是相对的，描述地壳运动必须借助确定的参考基准，不同的参考基准下的速度具有不同的含义，能够突出不同的运动特征。表2给出了不同参考基准下阳江地区的水平速度场统计，在ITRF2014框架下阳江地区GNSS站N方向最大值为-11.80 mm/a，最小值为-14.68 mm/a，平均值为-13.07 mm/a；E 方向最大值为34.87 mm/a，最小值为30.78 mm/a，平均值32.97 mm/a。总体平均水平运动速率为35.46 mm/a，方向为E21.62°S，相对欧亚板块基准的平均水平运动速率为7.19 mm/a，方向为E39.37°S。从水平速度场（图3）可见，阳江地区整体以东南向运动为主，以北西向洋边海断裂为界，东北部区域站点运动速率相对较大，西南部区域站点运动速率较小，这种运动速率的差异显示洋边海断裂近期为右旋错动，有利于此断裂及其相关联的邻近构造发生能量积累和转移，活动性增强，地震危险性也可能增加。

图3 站点分布及速度场Fig.3 Site distribution and velocity field

表2 阳江地区水平速度场统计（mm/a）Table 2 Statistics of horizontal velocity field in Yangjiang area(mm/a)

本研究还根据阳江地区GNSS 速度场资料，利用位移场与应变场的关系计算获取阳江地区的应变参数。结果显示，阳江地区的主应变优势方向在不同地方存在较大差异，面应变在东南部呈现压性特征，西北部呈现张性特征，面应变大小从东向西逐渐减小（图4a）。

杨建文通过分析区域面应变变化特征与地震关系，得出海通地震发生在应变显著积累和应变调整过程中[22-23]。阳江面应变的空间分布（图4a）显示阳江地区出现拉张应变与挤压应变并存的格局，并在阳春-织篢断裂带形成明显的过渡条带。其中西部山区主要处于面膨胀区域，其值达4 e-9rad/a；东部平原地区处于面收缩状态，量值为-4.5 e-9rad/a。进一步分析发现，面应变值较大的区域都分布在工作区的边缘地区，缺少观测数据，可能导致数据处理产生误差。

从剪应变率分布图（图4b）看，目前阳江地区西南部和东部地区剪切应变值较高，而其它地区较低。根据江在森的研究结果，强震通常发生在剪切应变率的高值区及其边缘，尤其是与构造变形背景相一致的剪切应变率高值区[21]。工作区边缘地区高切应变率不排除是由于缺少数据所致，而高值与低值的陡变带则可能是地震孕育区。

图4 区域面应变率及主应变（a）和剪应变率及主应变（b）Fig.4 Area surface strain rate and principal strain(a)and shear strain rate and principal strain(b)

4 结语

通过分析阳江地区GNSS 基线时间序列、区域速度场及应变场参数，研究阳江地区现今地壳形变特征，得到以下几点认识：

（1）阳江地区GNSS 站在ITRF14 参考框架下平均水平运动速率为35.46 mm/a，方向为E21.62°S，相对欧亚框架下平均水平运动速率为7.19 mm/a，方向为E39.37° S；整体运动趋势与华南块体的运动背景一致。

（2）工作区北部站点运动速率大于西南部站点，显示北西向断层右旋剪切运动特征。

（3）工作区不同方向GNSS 基线都以缩短为主，量值较小，无明显突变，说明该区域目前处于应力积累状态，需要持续的跟踪分析。

（4）工作区总体面应变较小，从东向西逐渐减小。西南部和东部地区剪切应变值较高，而其它地区较低。高值与低值的陡变带则可能是地震孕育区。

致谢：感谢阳江市地震局提供GNSS 数据、美国麻省理工学院提供GAMIT/BLOBK10.7 软件、赵斌博士提供应变计算程序、审稿专家提出的宝贵修改意见。