高频GPS和强震仪数据在汶川地震参数快速确定中的初步应用

高频GPS可以实时获取地表位移数据,在地震学中有十分重要的现实应用,比如快速获取震中、震级、地震烈度甚至震源破裂过程.本文以汶川地震为例,首先利用近场7个GPS台站数据反演震中位置,由于高频GPS和测震学确认的震相不一致,两种震中结果相距约15.7 km.然后对高频GPS和强震动数据进行了比较分析,我们的统计结果表明,尽管由于工作原理不同,高频GPS数据中的地震动峰值与强震记录相比存在明显差异,但是高频GPS记录的PGA、PGV和PGD同样可以作为计算地震烈度的指标.进而,使用SMBLOC程序对强震记录进行事后的基线偏移校正,得到与实时高频GPS精度相当的地表位移序列.最后,采用移动平均窗口对这些位移数据作平滑,基于最速下降法和OKADA模型,对汶川地震断层破裂的过程进行了回溯性准实时反演.结果表明,汶川地震主断层由西南向东北方向破裂,以14∶28∶04为基准,在震后20 s提供初始震级M_W7.0,震后70 s震级稳定在M_W7.8,但断层仍在破裂,在震后159 s根据位移波形判断事件基本结束.研究表明,实时地表位移数据可以快速准确获取强震震级和破裂方向,从而使得高频GPS将对现有地震预警系统提供很好的补充.     

单站GPS测速在实时地震监测中的应用

本文提出一种利用单站GPS载波相位或多普勒观测数据,基于单站GPS测速法实时确定地震监测台站运动状态(速度)的新方法.针对2010年4月4日发生于墨西哥Baja California(32.259°N,115.287°W)北部的M_w7.2级EI-Mayor-Cucapah地震事件,选取震中邻近区域(200 km内)若干采样率为5 Hz的高频GPS观测站数据进行实验.结果表明:基于新方法所得测站速度结果能够很好地反映出地震期间监测台站的瞬时运动状态,测站P496和P744计算的速度结果与其并置强震仪观测结果具有很好的一致性.     

GPS测定的2020年阿拉斯加MW7.8地震震时地表动态变形及永久同震形变场

以UNAVCO公布的阿拉斯加地区GPS 1 Hz和30 s采样观测数据为基础,采用双差定位方法分别对两种采样率的数据进行处理分析,获得2020年7月22日阿拉斯加M_W7.8地震震时地表动态变形及同震三维形变场。结果显示,震中270 km范围内高频GPS震时波形明显,最大振幅达600 mm。根据各个GPS站的动态形变波形振幅及响应时间认为,其振幅和响应时间受地震的破裂传播方向和场地效应影响较大。静态同震位移矢量指向震中,同震位移大小基本符合随震中距离增大而减小的特征,除站点AC13外,其中距离震中最近站点的最大水平位移达26.7 cm。GPS测定的同震形变表明,2020年阿拉斯加地震是发生在阿拉斯加阿留申俯冲大断裂的一次逆冲型地震。     

Measuring Seismic Waves Induced by Large Earthquakes with GPS

Independent GPS position solutions at 1-sec interval, derived from the International GPS Service (IGS) data and orbit÷clock products, clearly show seismic waves generated by the magnitude 7.9 Denali Fault, Alaska earthquake of November 3, 2002. Surface seismic waves with periods of about 20 sec and amplitudes of up to 20 cm were detected up to 4,000 km from the epicenter. This confirms the previous findings reported by Larson et al. (2003); we use additional station data along with different processing software and strategies. The seismic waves from the May 26, 2003 magnitude 7.0 Japanese earthquake were also observed in the 1-sec position solution series at station MIZU, about 80 km from the epicenter. This earthquake, however, could not be detected by GPS at station USUD, about 410 km away. Similarly, the Algerian May 21, 2003 earthquake of magnitude 6.8 could not be detected by GPS at the nearest IGS station located approximately 800 km from the epicenter.     

高频GNSS实时地震学与地震预警研究现状

为实现从注重灾后救助向注重灾前预防转变,如何提高地震灾害监测预警和风险防范能力成为我们关注的重点.本文给出了国际上GNSS位移记录、强震动加速度记录、测震速度记录在地震预警中的应用现状,并总结了各自的特点,归纳出围绕高频GNSS地震学在震级与破裂过程实时反演中的几个需要进一步研究的关键问题：（1）引入北斗系统,基于高频GNSS（GPS/BDS）双系统的实时位移解算方法来提高实时单站位移解算精度,使实时解算精度达到厘米级;（2）开展强震仪加速度记录基线偏移校正研究,弥补地震近场GNSS站密度不足问题;（3）强震仪加速度记录与GNSS位移记录特点不同,开展强震仪加速度数据与GNSS位移数据实时融合处理研究,快速获得包含丰富地震形变和速率的波形数据;（4）测震学方法可快速估算震级,但是在强震发生时会出现震级饱和现象,造成震级估算偏低.需要开展基于GNSS位移时间序列的多种方法相结合的实时震级估算方法研究,通过与地震学方法比较和结合,来得到精度高、计算快的震级估值算法;（5）基于高频GNSS、断层初始模型快速选取、断层尺度、参数自适应调整是快速判断断层破裂方向的基础,在断层破裂过程自适应准实时反演算法方面需要进一步加强.通过国内外研究现状调研、分析,表明基于高频GNSS地震学的震级快速确定、震源破裂过程准实时反演算法的发展将对我国地震预警系统从"二网融合"到"三网融合"提供坚实的技术支撑.     

2016年8月24日意大利佩鲁贾MW 6.2级地震同震位移场估计和震源滑动模型反演

利用改进的自动经验基线校正方法SMBLOC,对2016年8月24日意大利佩鲁贾MW 6.2级地震震中周围约60 km内的近场强震记录进行基线校正并尝试给出同震位移场,与GPS观测结果进行对比分析,分别独立和联合两种资料反演震源滑动模型,并根据震源模型进一步给出全空间预测位移场分布.研究结果表明:(1)两种不同的资料给出的水平位移场幅值均为cm级,且均表明断层的错动以正断为主.(2)两种同震位移场分别独立和联合反演所得的震源静态滑动范围基本一致,最大滑动均发生在震中东北侧,强震模型表现出明显的双事件特征,较大滑动分布在震中东北侧和东南侧,GPS模型在震中东南侧的滑动相对较小,其双事件特征不明显.两种模型的最大滑动量分别为0.96 m和0.86 m,较为一致,反演的矩震级均在MW 6.3左右.(3)根据震源滑动模型计算所得的佩鲁贾地震全空间预测的水平同震位移场中最大位移分布区域与震后报告中受灾严重的地区基本一致.表明在一定的条件下,利用SMBLOC方法解算震级较小的MW 6.0左右地震强震记录的同震位移场,并反演震源滑动模型具有一定的可行性,且其同震位移场和滑动模型可为震后灾害快速评估、救援力量分配、余震趋势判定等快速应急响应工作提供参考依据.     

GPS测定的四川九寨沟MW6.6地震同震形变

2017年8月8日四川阿坝州九寨沟发生M_W6.6地震,震源机制解显示该地震为左旋走滑型地震。对震中周围的GPS连续站观测资料进行处理,获得高频GPS动态形变和静态同震水平位移。震中100km范围内四川松潘和甘肃武都站观测到1 Hz动态形变。距离震中约69km的松潘站观测的同震水平位移为7.4mm。根据少量的GPS静态同震位移反演的同震破裂模型显示本次地震的最大滑动量为376mm,地震矩为7.25×1018 N·m,等效矩震级为M_W6.6。正演计算的同震三维形变场显示本次地震的最大水平位移可达4~5cm,垂直位移呈四象限分布,最大可达1.5cm,区域内10个流动GPS站可观测到同震形变。     

The 1957 great Aleutian earthquake

The 9 March 1957 Aleutian earthquake has been estimated as the third largest earthquake this century and has the longest aftershock zone of any earthquake ever recorded—1200 km. However, due to a lack of high-quality seismic data, the actual source parameters for this earthquake have been poorly determined. We have examined all the available waveform data to determine the seismic moment, rupture area, and slip distribution. These data include body, surface and tsunami waves. Using body waves, we have estimated the duration of significant moment release as 4 min. From surface wave analysis, we have determined that significant moment release occurred only in the western half of the aftershock zone and that the best estimate for the seismic moment is 50–100×10²⁰ Nm. Using the tsunami waveforms, we estimated the source area of the 1957 tsunami by backward propagation. The tsunami source area is smaller than the aftershock zone and is about 850 km long. This does not include the Unalaska Island area in the eastern end of the aftershock zone, making this area a possible seismic gap and a possible site of a future large or great earthquake. We also inverted the tsunami waveforms for the slip distribution. Slip on the 1957 rupture zone was highest in the western half near the epicenter. Little slip occurred in the eastern half. The moment is estimated as 88×10²⁰ Nm, orM _w =8.6, making it the seventh largest earthquake during the period 1900 to 1993. We also compare the 1957 earthquake to the 1986 Andreanof Islands earthquake, which occurred within a segment of the 1957 rupture area. The 1986 earthquake represents a rerupturing of the major 1957 asperity.     

公元180年甘肃表氏地震考

根据史料记载,各种地震目录均将东汉灵帝光和三年秋(公元180年)表氏地震震中定在甘肃省高台县西(39.4°N,99.5°E),震中烈度Ⅹ度,震级7(1/2).本文通过对历史地震资料的重新考证和表氏新旧县城遗址的实地考察,对公元180年表氏地震的震中位置作了如下修正:震前的表氏县城位于甘肃省肃南县明花区新墩子城,也应是震中所在地,其地理位置为39.6°N、99.3°E,精度2类;震后重建的县城在今骆驼城或草沟井城.通过对史料震害的认真分析,并将本次地震与两汉时期8次6(1/2)级以上地震及高台附近地区9次地震的地震参数、震害和波及范围进行对照,最终将震中烈度修正为Ⅸ—Ⅹ度,震级修正为7级.     

Prompt seismic data sharing for the 2021 Maduo earthquake in Qinghai province,China

An M_S7.4 earthquake struck west China in Maduo county, Guoluo prefecture, Qinghai province on May 22, 2021, at 2:04 Beijing time (18:04 UTC on May 21, 2021), which broke the quiet period of Chinese mainland for 1382 days without earthquakes of magnitude 7 or higher. The analysis of the seismic data sequence would play an important role in the in-depth study of the Maduo earthquake and the Bayan Har block. The Institute of Geophysics, China Earthquake Administration (CEA), compiled observation data recorded through 57 broadband seismometers within 500 km of the earthquake epicenter and intended to share for further researches in earthquake science community. The shared dataset included waveforms of the event and its sequence with magnitudes of 3.0 or higher that occurred between May 22–31, 2021 with a sampling rate of 100 sps along with the continuous waveforms of 20 Hz and 100 Hz. Additionally, the seismic instrument response files also were shared. The event and continuous waveform records could be downloaded by submitting a request through the web platform of the Earthquake Science Data Center of the Institute of Geophysics, CEA (www.esdc.ac.cn).     

2011年1月19 日安庆ML4.8地震的震源机制解和深度研究

2011年1月19日在安徽省安庆市辖区与怀宁县交界处发生了M_L4.8级地震,引起安庆市及周边地区强烈的震感.为了更好地认识这次地震的发震构造,我们利用安徽省及临近几个省份区域台网的近震波形资料,首先通过hypo2000绝对定位得到震中位置;然后采用CAP方法反演了该地震的震源机制解和震源深度,并在此基础上结合P、sP、pP和sPmP等深度震相对震源深度进行了精确确定;最后,将反演得到的结果作为已知输入,利用F-K方法计算理论地震图,并与观测记录进行对比,以验证结果的可靠性.反演结果显示,这次安庆地震是一个带少量走滑分量的逆冲型地震,地震矩震级为M_W=4.3,最佳双力偶解为节面Ⅰ走向131°,倾角30°,滑动角29°;节面Ⅱ走向15°,倾角75°,滑动角116°,最佳震源深度为4~5 km,属于浅源地震.从震中和震源机制解来看,安庆地震极有可能发生在宿松-枞阳断裂上.     

地震速报参数不确定性的应急灾害损失快速评估模型

本文针对目前地震应急灾害损失快速评估中存在的问题,建立了考虑地震速报参数不确定性的灾害损失快速评估模型。并利用1990年来全国的81组速报震中与宏观震中数据。得到速报震中与宏观震中偏差的概率分布经验参数。     

2011年日本东北地区太平洋近海地震对亚洲板块及韩国大地控制网的影响分析

本研究分析了2011年3月11日发生的M_w9.0日本东北地区太平洋近海地震对亚洲地区和韩国国内GPS卫星常年跟踪站的位移影响.为此,利用了日本东北地区太平洋近海地震发生前后两周(2011年3月4日到3月18日)的GPS站点数据,包括震中附近地区(韩国,中国,中国台湾地区,日本和俄罗斯)55个GPS卫星常年跟踪站和284个IGS 全球跟踪站,并采用GAMIT/GLOBK软件进行处理和平差,估算出所有GPS站点的同震形变.结果显示,日本东北地区太平洋近海地震引起的同震形变影响在亚洲地区比较明显,包括日本和附近国家,距离震中2702 km的中国武汉(WUHN)站也观测到同震形变.为精确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,通过GAMIT/GLOBK软件计算出韩国GPS卫星常年跟踪站之间的基线长度变形,并分析出弹性变形量.结果表明:大部分GPS站点均向震中方向膨胀,且向震中的垂直方向收缩.由日本东北地区太平洋近海地震导致的最大剪应变达到韩国国家大地控制网年均变形率的约7倍,对韩国的地壳产生14.5~57.7 mm的水平位移,并导致韩国国家大地控制网产生弹性变形.因此,在不及时更新维护韩国国家大地控制网的情况下,GPS测量成果将会发生最大20 mm的位置误差.     

Rapid earthquake focal mechanism inversion using high-rate GPS velometers in sparse network

In this study, we demonstrate an approach for inverting earthquake source parameters based on high-rate global positioning system(GPS) velocity seismograms. The velocity records obtained from single-station GPS velocity solutions with broadcast ephemeris are used directly for earthquake source parameter inversion using the Cut and Paste method, without requiring conversion of the velocity records into displacement records. Taking the El Mayor-Cucapah earthquake as an example, GPS velocity records from 10 stations with reasonable azimuthal coverage provide earthquake source parameters very close to those from the Global centroid moment tensor(Global CMT) solution. In sparse network tests, robust source parameters with acceptable bias can be achieved with as few as three stations. When the number of stations is reduced to two, the bias in rake angle becomes appreciable, but the magnitude and strike estimations are still robust. The results of this study demonstrate that rapid and reliable estimation of earthquake source parameters can be obtained from GPS velocity data. These parameters could be used for early earthquake warning and shake map construction, because such GPS velocity records can be obtained in real time.     

2013年三台MS4.7地震震源机制及发震构造研究

2013年2月19日四川省绵阳市三台县发生M_S4.7地震,震中位于四川盆地中部基底断裂绵阳—三台—大足断裂与蒲江—三台—巴中断裂的交会区域。基于地震目录、震相报告和波形等资料,对地震序列进行重定位,采用近远震联合波形反演求解主震震源机制,结合野外地质调查对该地震的发震构造进行分析。余震序列重定位的空间展布方向为NW-SE向,与节面Ⅰ走向吻合,认为此次地震发震断裂走向为NW?SE,倾向为NE,且破裂面近于直立,发震断层在近NS向的近水平挤压应力作用下作右旋走滑错动。实地调查中未见地表破裂及地表断层行迹,认为发震构造为一隐伏断裂。重定位及通过近远震联合反演所得震源深度分别为21.6和19 km,震源深度反映震源区位于上地壳底部的低速层内。此次地震可能是汶川地震造成的区域构造应力场改变与调整过程中,四川盆地川中地块内隐伏于前震旦纪结晶基底中的高角度断裂重新活动的结果。      

2016年青海门源MS6.4地震震前应变积累及同震变形特征

2016年1月21日青海省门源县发生了M_S6.4地震, 发震断裂为冷龙岭北侧断裂, 震中位置与1986年门源6.4级地震相同。 本文收集了本次地震震中及其周边区域1999—2015年GPS观测资料, 解算了GPS速度场、 跨断裂连续观测站基线时间序列和应变率场。 结果显示, 祁连山断裂带为一条宽度约60 km的连续变形带。 在断裂带南侧地壳运动以顺时针旋转为主, 运动量值没有显著差异; 跨过断裂带到达其北部之后, 地壳运动量值明显减小, 显示出该断裂带的强烈活动特征。 冷龙岭断裂左旋走滑速率为6.17±0.41 mm/a, 挤压速率为1.83±0.38 mm/a, 断层闭锁深度为22.1±3.1 km。 利用GPS连续观测站数据解算的地震同震位移显示, 震中西南侧26.8 km处的青海门源(QHME)测站记录到了明显同震位移, 其水平运动方向为北东向, 与逆冲为主的震源机制解一致。     

利用sPL震相测定2017年河北临城ML 4.4地震震源深度

2017年9月4日河北临城地区发生M_L 4.4地震,为得到准确的震源深度,根据sPL震相基本特征,对震中距20-70 km范围内8个地震台站波形数据进行处理,在其中4个地震台观测到明显的sPL震相,利用频率-波数（F-K）方法,计算其理论波形图,与处理后的观测波形拟合对比,得到震源深度范围,与TDMT-INV方法、PTD方法及河北测震台网编目等结果基本一致,表明利用sPL震相测定河北临城M_L 4.4地震震源深度可靠,其深度范围为10-11 km。     

An accessible seismological dataset of 2021 Yangbi MS6.4 earthquake

A M_S6.4 earthquake occurred on 21 May 2021 in Yangbi county, Dali prefecture, Yunnan, China, at 21: 48 Beijing Time (13: 48 UTC). Earthquakes with an M3.0 or higher occurred before and after the main shock. Seismic data analysis is essential for the in-depth investigation of the 2021 Yangbi M_S6.4 earthquake sequence and the seismotectonics of northwestern Yunnan. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration (CEA), has compiled a dataset of seismological observations from 157 broadband stations located within 500 km of the epicenter, and has made this dataset available to the earthquake science research community. The dataset (total file size: 329 GB) consists of event waveforms with a sampling frequency of 100 sps collected from 18 to 28 May 2021, 20-Hz and 100-Hz continuous waveforms collected from 12 to 31 May 2021, and seismic instrument response files. To promote data sharing, the dataset also includes the seismic event waveforms from 20 to 22 May 2021 recorded at 50 stations of the ongoing Binchuan Active Source Geophysical Observation Project, for which the data protection period has not expired. Sample waveforms of the main shock are included in the appendix of this article and can be downloaded from the Earthquake Science website. The event and continuous waveforms are available from the Earthquake Science Data Center website (www.esdc.ac.cn) on application.     

利用高频GPS技术进行强震地面运动监测的研究进展

回顾了高频(1 Hz) GPS在地学应用中的研究进展和主要的数据处理方法,全面比较了高频GPS与地震仪的工作原理与性能,认为高频GPS可为后者进行有效的补充;分析了高频GPS应用于监测短周期强震地面运动的技术优势,以及在处理方法和实际的地学应用中存在的不足;通过对高频GPS的应用领域与发展前景的研究,对我国开展高频GPS数据的处理方法与地学应用研究提出了自己的观点和看法.     

2016年尚义M_S 4.0地震震害特征及发震构造分析

阐述张家口市尚义M_S 4.0地震构造背景、地震活动特征,总结地震应急调查成果,介绍极震区震感现象和分布范围。通过对地震现场调查点和电话调查点的烈度评定,确定极震区的影响烈度为Ⅴ度,圈定地震等烈度分布区域,同时修正观测仪器震中位置。结合本次地震的宏观烈度分布、震源机制和震区卫星影像的线性构造解释等资料,讨论本次地震的孕震构造和发震断层。