摘 要 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