引言

强震地面永久位移数据是研究断层破裂过程和地面形变的宝贵资料． 理论上，高分辨率的宽频带数字地震仪可以在很大频域范围内记录到地震中地面运动的位移信息(包括地面永久位移)． 这些长周期地面运动信息对于揭示地震震源的复杂破裂过程和大型结构的长周期反应影响具有重要意义，因而受到地震学家和地震工程研究的关注(谢礼立等,1990； 周雍年等,1997)． 对于宽频带数字强震仪，在仪器场址没有发生同震地面变形，且环境和仪器噪声很低的情况下，地震中的地面运动速度和位移时程可以由强震加速度数据直接积分得到． 然而，在发生地面变形的情况下，可能导致强震仪的倾斜，引起加速度记录基线的偏移． 加速度记录基线的微小偏移，对于加速度时程本身的影响很小，但通过积分求速度和位移时程时，基线偏移被逐步放大，对速度和位移时程产生很大的影响，这无法由加速度记录数据直接积分得到位移(Boore,2001; Boore et al,2002)，而导致基线偏移的原因又非常复杂，这给研究近断层地面运动速度和位移特征带来了很大障碍.

早在1976年，研究人员就开始探讨怎样由强震加速度记录得到同震地表位移(Bogdanov，Graizer,1976; Graizer，1979, 1987)．Iwan等(1985)针对强震仪有关部件的磁滞效应问题提出一种对基线的偏移校正的方法. 该方法认为由磁滞效应引起的基线偏移在加速度大于50 cm/s²时开始出现，由此选取加速度时程首次达到50 cm/s²的时刻作为基线偏移的开始时刻t₁; 此外还选取加速度值最后一次达到50 cm/s²或满足使得校正后的永久位移最小的时刻作为t₂. 以t₁,t₂为时间节点对加速度记录进行分段校正，但这种分段的方法带有一定的主观性．Chiu(1997)采用一种高通滤波处理的方法对强震记录进行基线处理，但由于该方法对加速度记录波形进行了滤波处理，校正后只能得到部分的地面永久位移． 不同于Iwan等选择t₁和t₂的方法，Boore(2001)以及王国权和周锡元(2004)选取速度时程末尾的拟合直线与时间轴的交点时刻作为基线偏移的初始时刻，对加速度记录进行分段校正． Wu和Wu(2007)选取地面运动达到永久位移的初始时刻作为新的时间节点t₃，在Iwan等人方法的基础上提出了一种新的分段校正方法，并且利用该方法由强震加速度记录获取到Chi-Chi地震和Chengkung地震的同震地面运动位移． 彭小波和李小军(2012)根据三分量强震动传感器水平摆与竖向摆对倾斜的动力响应差异，利用谱比法研究了汶川M_S8.0地震中近断层强震动的断层法线方向和平行方向的同震地面倾斜.

2008年汶川M_S8.0地震中，中国数字强震动观测台网获取到大量的近场强震加速度记录(中国地震局震害防御司，2008； Li et al,2008a, b； 于海英等,2008)，这些近场强震记录为研究近断层地面运动的位移特征提供了宝贵数据． 此外，中国地壳运动观测网络在汶川地震中也获取到了GPS地面位移观测数据(国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”项目组，2008； 张培震等，2009)，这给利用强震记录与GPS观测资料进行近断层同震位移的对比研究创造了条件． 本文将采用分段校正的方法对汶川地震中获取到的近场强震数据进行基线校正，获取近断层地面运动位移场，并将得到的强震位移观测结果与GPS观测结果进行对比分析，揭示出汶川地震的近断层地面运动的永久位移特征．

1.   强震记录数据与GPS观测数据

在汶川地震中，中国强震动观测网络系统记录到420组震相完整的主震强震加速度记录. 其中，龙门山断裂带及其周围地区有50多个强震动台站获得了大于1 m/s²的加速度记录，有46组三分向加速度记录的断层距小于100 km(于海英等，2008； Li et al,2008a, b)． 中国数字强震动观测台网所使用的仪器均为数字强震动仪，多数为美国Kinemetrics公司生产的ETNA型和瑞士SYSCOM公司生产的MR2002型． ETNA型数字强震仪量程为±2g，分辨率为18 bit，采样率为200 点/秒； MR2002型数字强震仪量程为±2g，分辨率为18 bit，采样率为200和500 点/秒(中国地震局震害防御司，2008).

此外，中国地壳运动观测网络在龙门山断裂带两侧布设有一定数量以流动观测为主的GPS观测点． 流动点在震前有多期观测，地震发生后，中国地震局在第一时间对这些GPS点进行了复测，每点观测2—3天． 国家测绘局在该地区也布设有不同等级的测绘控制点，在2005年至2008年5月12日汶川地震发生前按等级的不同有过1—4天的观测，地震后都进行了1天的复测． 中国地壳运动观测网络项目组在龙门山断裂带布设了200个GPS观测点，进行了长达4年的观测． 在汶川地震中，获取到了地震前后龙门山断裂地区的GPS位移观测数据(国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”项目组，2008； 张培震等，2009)． 本文选取靠近映秀—北川主断裂的64个强震台站的三分量记录和41个GPS观测台站的同震位移数据，研究此次M_S8.0地震近断层地面运动的位移形变特征，选取的强震台站和GPS观测台站的分布如图1所示．

图  1  发震断层附近强震观测台站和GPS观测站分布

实心三角表示强震动台站，实心圆表示GPS观测台站

Figure  1.  Location of strong motion stations and GPS observation stations along the causative fault

Solid triangles and circles indicate the strong motion stations and GPS stations,respectively

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2.   强震记录的基线校正方法及原则

强震加速度记录基线的微小偏移，对于加速度时程本身的影响很小，但对速度和位移时程会产生很大的影响，这时无法由加速度记录数据直接积分得到位移． 因此，要获取强震记录的地面位移信息，首先需要对强震记录进行基线校正． 目前，强震记录的基线校正方法主要可以分为两类： 一类是针对低频噪音和误差提出的滤波方法，主要有美国地质调 查局(USGS)的加速度记录基础处理程序Chiu(1997)采用的高通滤波方法； 另一类为Iwan等(1985)基于对速度时程进行直线拟合的思想提出的分段校正方法． 滤波方法由于采用了滤波处理，校正后不能保留地面的永久位移信息，因而不适合对近断层的强震记录进行基线校正； 而Iwan等人的方法主要是针对强震仪有关部件的磁滞效应而提出的． 本文基于对速度时程进行直线拟合的思想，选取强震记录的速度时程末尾段的拟合直线与时间轴的交点作为基线偏移的初始时刻(Boore,2001; Boore et al,2002; 王国权，周锡元,2004； 于海英等，2009)，分段对强震记录进行基线校正． 其基本思想是用一直线

来拟合速度时程的末尾段. 式(1)中a_f为速度时程基线偏移的斜率． 求得拟合直线与时间轴零线的交点t_f即为基线开始偏移的时刻，直线的斜率a_f即为相应加速度时程基线的偏移量,在基线开始偏移的相应加速度时程段中减去拟合直线的斜率a_f，消除原始加速度记录中的基线偏移(图2)． 图中给出了51MXD台的加速度时程经基线初始化处理后经过一次积分得到的速度时程，51MXD台位于映秀—北川断裂的上盘． 这一校正方法的基本思想是用一条直线拟合速度时程的末尾部分，拟合直线与零线的交点t_f即为基线开始偏移的时刻t₂，直线的斜率a_f即为相应加速度时程基线的偏移量，在原始加速度时程的末尾段减去a_f消除原始加速度记录中的基线偏移．

图  2  基线校正方法图解

Figure  2.  Graphical illustration of the baseline correction method used in this study

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判断基线校正结果的是否合理，主要有两条准则： ① 地震动停止后，地面运动的速度是否为零，即记录的末尾速度值是否为零； ② 在没有永久位移的情况下，记录末尾的位移值是否也为零. 若台站所处位置发生了永久位移，则位移记录的末尾值即为所处地面在该方向上的永久位移. 由于地面永久位移主要发生在强震阶段，所以在地震动的末尾阶段，地面位移值应该基本保持不变，即在位移时程上表现为地震动末尾的时程曲线应大致平行于时间轴． 在进行基线校正时，用一条直线拟合速度时程的末尾部分，使末尾速度为零的条件可以满足. 但由于本次汶川地震的近断层记录中包含地面的永久位移，最终的位移值不为零，因此还需要将由此获取到的地面位移与GPS观测结果进行对比分析.

图3和图4分别给出了由51PXZ台和51MXD台三分量记录校正后得到的加速度、 速度和位移时程，可以看到校正后得到的速度和位移时程均符合校正的准则. 由51PXZ台记录获取到的永久位移分别为-45.7,52.0和-11.1 cm； 参考GPS台站PIXI的同震位移为-56.3,42.6和-8.1 cm． 参考GPS台站PIXI与强震台站51PXZ距离0.3 km． 51MXD台记录获取到的永久位移分别为26.7,-5.3和-3.6 cm； 参考GPS台站Z040的 同震位移为31.0和-3.4 cm，该台没有垂直方向的位移资料． GPS台站Z040与51MXD台站的距离仅0.3 km． 对比分析表明，由强震台站获取到的地面永久位移与GPS观测站记录到的同震位移是非常接近的． 可见本文采用的校正方法是合理的，可以由强震记录获取到这次汶川地震中的地面运动的位移信息．

图  3  台站51PXZ记录校正后三分向的加速度、 速度和位移时程

图中D_last为校正后获取到的永久位移； PGA，PGV，PGD分别为地面运动峰值加速度、 峰值速度和峰值位移

Figure  3.  Three component acceleration,velocity and displacement time histories obtained from 51PXZ record after baseline correction

D_last is the permanent displacement of strong ground motion; PGA,PGV and PGD are peak ground acceleration,velocity and displacement of strong motion data,respectively

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图  4  台站51MXD记录校正后三分向的加速度、 速度和位移时程

图中D_last校正后获取到的永久位移； PGA，PGV，PGD分别为地面运动峰值加速度、 峰值速度和峰值位移

Figure  4.  Three component acceleration,velocity and displacement time histories obtained from 51MXD record after baseline correction

D_last is the permanent displacement of strong ground motion. PGA,PGV,PGD are peak ground acceleration,velocity and displacement of strong motion data,respectively

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3.   强震位移与GPS观测及地质考察结果的比较

利用由强震记录获取到的永久位移研究汶川地震近断层的地面运动的位移特征，将获 取到的位移信息与GPS观测及地质考察的结果进行对比分析． 图5是由校正后加速度记录积分得到的汶川卧龙(51WCW)、 绵竹清平(51MZQ)、 什邡八角(51SFB)和江油含增 (51JYH)台的速度时程； 图6给出了两次积分后得到的这4个近断层台站记录的位移时程，并与GPS观测到的同震位移进行了对比． 什邡八角台(51SFB)位于映秀—北川主断裂的下盘，距离断层10.4 km，距灌县—江油断裂0.3 km． 校正后获取到的东西、 南北向地面永久位移分别为-1.51和0.93 m； 垂直位移为-0.49 m，方向向下． 由于51SFB台距离断层要比GPS参考台站近，其获取到的垂直位移比GPS台站H044(0.12 m)和H049(0.22 m)观测到的位移量大，而与该处断层附近地质考察得到的垂直位移量(0.5—0.6 m)是吻合的(何宏林等，2008； 徐锡伟等,2008)．

图  5  汶川卧龙(51WCW)、 什邡八角(51SFB)、 绵竹清平(51MZQ)及江油含增(51JYH)台校正后的三分向速度时程. 图中PGV为地面运动峰值速度

Figure  5.  Three component velocity time histories obtained from 51WCW,51SFB，51MZQ and 51JYH record after baseline correction. PGV is peak ground velocity of strong motion data

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图  6  汶川卧龙(51WCW)、 什邡八角(51SFB)、 绵竹清平(51MZQ)、及江油含增(51JYH)台校正后的三分向的位移时程

图中D_last为校正后获取到的永久位移，PGD为地面运动峰值位移

Figure  6.  Three component displacement time histories obtained from 51WCW,51SFB,51MZQ and 51JYH record after baseline correction

D_last is the permanent displacement of strong ground motion. PGD is peak ground displacement of strong motion data

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绵竹清平台(51MZQ)位于映秀—北川主断裂的下盘，距离断层3.2 km． 绵竹清平台东西、 南北向强震位移分别为-1.15和0.52 m,计算可以得到此处断层的右旋水平位移大约为1.3 m. 这与断层地质考察得到的在龙门山—清平段0.8—2.0 m的水平位移量是比较吻合的； 垂直位移为-0.52 m,比地质考察得到的的垂直位移量(1.0—2.5 m)稍小(徐锡伟等,2008； 陈桂华等，2008).

江油含增台(51JYH)位于映秀—北川主断裂的下盘，距离断层13.6 km． 该台获取到的东西、 南北和垂直位移分别为-1.15，0.36和-0.11 m； 方向分别向西、 向北、 向下. 位移大小与GPS台站Z122观测到的同震位移-0.95,0.44和-0.47 cm接近.

汶川卧龙台(51WCW)位于断层的上盘，距离震中21.1 km． 此台东西、 南北、 垂直位移分别为0.68，-0.38和-0.30 m． 获取到的三个方向的强震位移与GPS观测结果是非常接近的(参考GPS台站H050三分向的同震位移分别为64.0,-37.4和-22.8 cm，台站H050距离51WCW强震台站3.7 km).

由强震记录位移比较可以发现下盘的51SFB,51MZQ和51JYH台东西向位移均为负，即地面运动向西. 其中51SFB台东西向位移量最大，达到1.49 m； 上盘的51WCW台位移值为正，为向东方向的运动，位移接近0.7 m. 这表明靠近映秀—北川主断裂的上盘和下盘，东西相向的地面运动和距离缩短是非常剧烈的． 同时51SFB,51MZQ,51JYH和51WCW台南北向的位移量要比东西向小，表明以映秀—北川断裂为核心沿东西的相向逆冲运动要比南北向的走滑运动更为剧烈，这与震源机制解的结果也是相符的(王卫民等，2008； 张勇等，2008； 赵翠萍等，2009; Parsons et al,2008； Koketsu et al,2008)．

我们选取了12个强震台站获取到的地面位移与GPS观测结果进行对比分析(表1)，选择的标准是参考GPS观测台站至强震记录台站的距离在30 km以内． 从表1可以看出，由强震记录获取到的地面永久位移结果(包括位移方向和大小)与GPS观测结果是一致的． 此外，可以注意到强震台站51WCW,51PZX,51CDZ和51MXD与相应的GPS参考台站H050,PIXI,CHDU和Z040的距离较近(分别为3.7，0.3，6.9和0.3 km)，对比可以发现由这4个强震台站获取的永久位移与相应GPS台站的位移观测结果非常吻合． 值得指出的是，在汶川地震中，仅有51WCW,51MXD和51PXZ三个台站的参考GPS台站距离在4 km以内． 而对于其它台站而言，由于参考GPS台站距离强震台站较远，GPS观测位移本身会与强震记录位移有较大差异，这时只能利用GPS位移作为参考来判断强震位移的大小范围和方向． 此外，由于断层两侧地面缓慢的蠕变,根据震前与震后的GPS位移观测数据对比得到的同震位移中，包含有一定的震后地面蠕变位移(王国权，周锡元，2004). 而数字强震仪记录到的永久位移只是在强震仪开始触发到记录结束这一段时间内发生的永久位移,因此GPS观测位移与由数字强震仪记录到的永久位移也会有一定的差别．

虽然这次汶川地震中大多数GPS参考台站距离强震记录台站较远，GPS观测位移与强震记录获取到的地面永久位移本身会与有一定差异，但两者记录到的汶川地震的地面位移分布特点应是一致的． 从这个角度出发，可以利用强震记录获取到的地面位移与GPS观测位移来对比研究这次地震近断层的地面永久位移的分布特征． 利用校正后的强震加速度记录进行两次积分，获取汶川地震的同震永久位移. 图7将靠近映秀—北川主断裂，距离断层在80 km以内的17个强震台站获取到的水平永久位移分布与GPS观测得到的同震位移进行了对比分析，考察此次地震近断层地面永久位移的特点． 图中的强震台站获取到的的最大水平位移是51SFB和51MZQ台，分别为1.75和1.27 m； GPS 观测到的最大水平同震位移是由距离北川很近的Z040记录到的，水平位移量达到了2.43 m． 从总体上看，汶川地震的近断层永久位移主要表现为映秀—北川断裂为核心的相向运动，形成强烈的地壳水平方向的距离缩短，且东西方向上的永久位移要大于南北方向，这种分布特点与GPS的观测结果是吻合的． 从断层机制上讲，断层的错动以逆冲运动为主(即逆冲位移要大于走滑分量的位移)，这与震源机制反演（王卫民等，2008； 张勇等，2008； 杜海林等，2009； 赵翠萍等，2009）及地质考察（徐锡伟等，2008; 何宏林等，2008）的结果一致.

图  7  由强震记录获取到的汶川地震水平向永久位移(a)与GPS观测到的同震位移(b)的比较

实心圆表示强震台站，空心圆表示GPS观测台站

Figure  7.  Comparison of obtained permanent horizontal displacement of Wenchuan earthquake from strong motion stations (a) with co-seismic displacement distribution observed by GPS stations (b)

Strong motion stations and GPS stations are shown as solid and open circles,respectively

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图8给出了由强震记录和GPS观测数据获取的东西向同震位移值在横跨龙门山断裂带的剖面上随断层距的分布. 图中以映秀—北川主断裂作为上盘和下盘的分界，取上盘一侧的断层距离为负，下盘的断层距离为正． 由图8可以看出，汶川地震的近断层地面位移的一个显著特征表现为以龙门山断裂带为核心的相向运动，即断裂以西的所有站点都向东运动(位移为正)，而以东的所有站点都向西运动(位移为负)，在龙门山断裂带形成强烈的地壳水平方向的缩短． 大的地面永久位移集中分布在以龙门山断裂带为中心的狭长范围内，离开映秀—北川断裂地面位移的衰减很快． 相比而言，在发震断层的下盘一侧，即四川盆地的永久位移的衰减比上盘一侧明显要快，这与多单元组合模式(张培震等，2009)下的永久形变分析结果是非常吻合的．

图  8  由强震记录和GPS观测数据获取的汶川M_S8.0地震的东西向同震位移值

Figure  8.  E-W co-seismic displacement of Wenchuan M_S8.0 earthquake obtained from both strong motion and GPS data

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4.   讨论与结论

利用汶川地震中获取到的靠近映秀—北川断裂的64个强震台站的三分量记录数据，在对加速度记录进行基线校正的基础上获取近断层地面运动的永久位移，并将由强震记录获取到的地面位移与GPS观测结果进行对比分析，研究汶川M_S8.0地震的近断层地面运动的永久位移特征． 得到如下结论：

1) 在靠近映秀—北川主断层的上盘和下盘，东西相向的地面运动非常剧烈． 下盘的51SFB，51MZQ和51JYH台东西向位移均为负，即地面运动向西. 其中51SFB台东西向位移量最大，达到1.49 m； 上盘的51WCW台位移值为正，为向东方向的运动，位移量为1.26 m． 此 外，紧靠发震断层的51SFB，51MZQ，51JYH和51WCW台的南北向的位移要比东西向小.

2) 近断层的地面运动位移分布主要表现为以龙门山断裂带的映秀—北川断裂为核心的相向运动，形成强烈的地壳水平方向的距离缩短，且东西方向上的永久位移要大于南北方向. 从断层机制上讲，断层的错动以逆冲运动为主，即逆冲位移要大于走滑分量的位移，这与震源机制反演(王卫民等，2008； 张勇等，2008； 杜海林等； 2009； 赵翠萍等，2009)及地质考察(徐锡伟等，2008; 何宏林等，2008)的结果一致.

3) 大的地面永久位移集中分布在以龙门山断裂带为中心的狭长范围内，离开映秀—北川断裂地面位移的衰减很快． 相比而言，在发震断层的下盘一侧，即四川盆地的地面位移的衰减比上盘一侧明显要快.

本研究表明,利用强震记录获取的地面位移信息与GPS观测数据联合研究大地震近断层地面位移特征是一个很好的途径． 需要指出的是，在汶川地震中，仅有51WCW，51MXD和51PXZ三个台站的参考GPS台站距离在4 km以内． 而对于其它台站而言，由于参考GPS台站距离强震台站较远，GPS观测位移本身会与强震记录位移有较大差异，这时只能利用GPS位移作为参考来判断强震位移的大小范围和方向．

本研究由中国强震动观测台网提供汶川地震强震动数据，并得到了李小军研究员的诸多建议和启发，在此一并表示感谢．