帕米爾高原現(xiàn)代地殼運(yùn)動首期GPS觀測及處理

潘正洋，何建坤，盧雙疆

（1．中國科學(xué)院青藏高原研究所 大陸碰撞與高原隆升重點(diǎn)實驗室，北京 100101；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引 言

全球定位系統(tǒng)（GPS）利用24顆繞地衛(wèi)星進(jìn)行實時精確的測定地面點(diǎn)位，以地面GPS固定站點(diǎn)之間的位置及其基線長度隨時間變化來測定局部地區(qū)以及全球地殼的相對運(yùn)動。GPS觀測信息豐富，全球覆蓋面廣，具有高精度、全天候、全球性、實時性的特點(diǎn)，為得到高時空分辨率地殼形變的可靠結(jié)果提供了保證［1－2］。高精度GPS的相對定位已經(jīng)達(dá)到上千千米長基線的觀測中誤差可達(dá)毫米級精度的水平，這樣的精度足以檢測出地殼運(yùn)動與構(gòu)造變形的細(xì)微變化［3－7］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者先后在帕米爾地區(qū)展開了一系列的GPS觀測及其研究。王琪等針對天山及塔里木地區(qū)，在1992～1999年間多次利用GPS測量直接觀測到跨天山西段（76°E）每年約20mm的地殼快速縮短率及天山東段（87°E）每年約4mm的匯聚變形率［8－9］。楊少敏等利用在1992～2006年間天山境內(nèi)外地區(qū)近400個測站的GPS觀測，獲取了天山現(xiàn)今地殼運(yùn)動速度場［10－11］。牛之俊等利用天山境內(nèi)外地區(qū)在1992～2005年382個GPS測站的原始觀測資料計算了天山地區(qū)現(xiàn)今地殼運(yùn)動速率，并得出天山的匯聚速率由西向東逐步減小的結(jié)論［12］。Reigber等于1994～1998年間沿著塔吉克盆地北邊和東邊、北帕米爾高原、塔里木盆地到費(fèi)爾干納盆地及其南天山到哈薩克地臺，布置了92個GPS觀測臺站（CATS），得到北天山匯聚速率為每年（12±3）mm，北北西向到東東南向縮短速率為每年（23±3）mm［13］。Banerjee等在喜馬拉雅西北地區(qū)主沖斷帶MFT布設(shè)了26個GPS臺站，測得喀喇昆侖西北部的滑動速率為每年（11±4）mm，并且得出青藏高原南部區(qū)域呈東西向伸展，西北部喜馬拉雅區(qū)域相對于南加帕爾巴特向西運(yùn)動［14］。Mohadjer等在30°N～44°N和60°E～76°E區(qū)域布置了一系列的GPS站點(diǎn)，得到阿萊—南天山的匯聚速率為每年（12±2）mm，恰曼—伽德茲—庫納斷裂帶滑動速率為每年（18±1）mm，達(dá)瓦孜—卡拉庫爾斷裂帶為每年（11±2）mm，塔拉斯—費(fèi)爾干納斷裂帶匯聚速率小于每年2mm［15］。Zubovich等于1994～2003年間在中亞地區(qū)布置了144個連續(xù)GPS觀測點(diǎn)和400個左右流動GPS觀測點(diǎn)，得到塔里木盆地相對于歐亞板塊的匯聚速率為每年（20±2）mm；GPS觀測數(shù)據(jù)結(jié)合地質(zhì)數(shù)據(jù)顯示，帕米爾北緣俯沖到阿萊谷地至少需要速率為每年10mm，最大達(dá)每年15mm，塔拉斯—費(fèi)爾干納斷裂帶現(xiàn)今滑動的最大速率為每年2mm［16］。

這些GPS觀測點(diǎn)主要分布在帕米爾高原西南側(cè)及其東北側(cè)天山附近，在喀喇昆侖斷裂地區(qū)及其阿里盆地地區(qū)的GPS觀測點(diǎn)非常稀少。筆者通過對帕米爾地區(qū)GPS測點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)置及補(bǔ)充，分別在南北向及其東西向布置了2條剖面進(jìn)行觀測，認(rèn)識青藏高原的形成過程和大陸動力學(xué)理論，探討巖石圈變形的行為方式。

1 研究區(qū)概況

新生代以來，印度板塊與歐亞大陸碰撞和持續(xù)匯聚作用在中亞地區(qū)造成了強(qiáng)烈的陸內(nèi)形變，引起帕米爾高原大幅度向北推移旋轉(zhuǎn)以及西昆侖山、天山等古老造山帶的復(fù)活，使帕米爾及其鄰區(qū)成為大陸內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動十分強(qiáng)烈的地區(qū)［17－18］。

在整個青藏高原及其附近地區(qū)的GPS速率圖上，可以明顯看出帕米爾地區(qū)的GPS觀測相對不足（圖1）?，F(xiàn)有這些GPS觀測資料難以約束帕米爾高原一些大型斷裂的運(yùn)動學(xué)特征，為了更加緊密具體地得到帕米爾地區(qū)一些主要斷裂的滑動速率，更好地約束整個青藏高原及其帕米爾活動區(qū)域的應(yīng)變場［11，19］，筆者在前人工作基礎(chǔ)上，于2011年7月在該地區(qū)進(jìn)行了首次觀測，并取得了一些結(jié)果（圖2）。

2 GPS觀測剖面布設(shè)與首期觀測

本期GPS測點(diǎn)位于帕米爾高原區(qū)域（36°N～42°N、68°E～78°E），南邊剖面從塔吉克盆地東北部到塔里木盆地西側(cè)，西邊剖面從費(fèi)爾干納盆地到帕米爾構(gòu)造結(jié)內(nèi)弧。野外選取無遮擋的出露基巖布設(shè)GPS測點(diǎn)，采用Trimble NetRs接收機(jī)和Zephry天線的GPS觀測設(shè)備，設(shè)置采樣率為30s，每個點(diǎn)位進(jìn)行了不低于36h的連續(xù)觀測。

3 GPS數(shù)據(jù)處理

本研究采用GAMIT／GLOBK軟件（10．40版）對首期GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。GAMIT／GLOBK軟件是一種綜合性GPS精密分析軟件，由美國麻省理工學(xué)院（MIT）、哈佛大學(xué)天體物理研究中心（CFA）和斯克里普斯海洋研究所（SIO）共同開發(fā)和維護(hù)，可用來解算地面觀測站的相對位置和衛(wèi)星軌道及其他參數(shù)的數(shù)據(jù)處理。

圖1 青藏高原GPS速率分布Fig．1 Distribution of GPS Rates in Tibetan Plateau

圖2 帕米爾地區(qū)主要GPS測點(diǎn)分布Fig．2 Distribution of GPS Sites in Pamirs Plateau

首期GPS觀測數(shù)據(jù)處理主要分為2步進(jìn)行：①利用GAMIT軟件進(jìn)行單天解解算，估計站位置、衛(wèi)星軌道參數(shù)等；②利用GLOBK軟件獲得時間序列檢驗坐標(biāo)的一致性?；€處理時，選擇周圍的IGS（International GNSS Service）站與自己剖面測量的數(shù)據(jù)一起解算。解算時，主要考慮如下因素及其相關(guān)設(shè)置［20－24］：①電離層折射影響用LC觀測值消除；②使用8個IGS站（BJFS，BRAO，HYDE，IRKT，POL2，KUNM，SELE，TASH）數(shù)據(jù)作為參考站約束；③使用來自IGS的精密衛(wèi)星軌道和地球定向參數(shù)；④同時估計衛(wèi)星軌道誤差和測站坐標(biāo)，即松弛IGS軌道；⑤截止高度角為15°，歷元間隔為30 s；⑥對流層折射根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型用薩斯坦莫寧（Saastamoinen）模型改正；⑦衛(wèi)星鐘差的模型改正（用廣播星歷中的鐘差參數(shù)）；⑧接收機(jī)鐘差的模型改正（用根據(jù)偽距觀測值計算出的鐘差）；⑨衛(wèi)星和接收機(jī)天線相位中心改正，衛(wèi)星與接收機(jī)天線L1、L2相位中心偏差采用GAMIT軟件的設(shè)定值；⑩測站位置的潮汐改正以及光壓模型BERNE（與SIO的全球解一致）。IGS跟蹤站（NER測站）坐標(biāo)約束為0．005、0．005、0．010m；GPS監(jiān)測站（NER測站）坐標(biāo)約束為9．999、9．999、9．999m。

在完成基線計算之后，進(jìn)行GLOBK平差計算。計算中，采用ITRF08框架作為網(wǎng)平差的基礎(chǔ)，主要約束為：①IGS核心站約束，共采用44個測站，每站坐標(biāo)的約束為0．003、0．003、0．010m；②軌道約束，與SIO的全球解H文件聯(lián)合求解，放松軌道至20m。

利用GAMIT解算時，首先需要建立工程目錄（project），然后準(zhǔn)備 GPS數(shù)據(jù)文件（rinex文件），導(dǎo)航文件（n文件）和星歷文件（sp3文件），接下來更新表文件（tables），并建立表文件目錄與該工程的連接，最后編輯控制文件包括處理控制文件（process．defaults）、站處理控制文件（site．defaults）、時段控制表（sestbl．）、站控制表（sittbl．）、站信息文件（station．info）和站坐標(biāo)文件（lfile．）及其準(zhǔn)備參考框架文件（itrf08．a(chǎn)pr），準(zhǔn)備工作完成之后，即可運(yùn)行GAMIT的批處理命令進(jìn)行解算。在解算過程中，GAMIT通過makexp和makex準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，用fixdrv模塊生成批處理文件，用arc模塊進(jìn)行衛(wèi)星軌道積分，用model模塊計算觀測值殘差和偏導(dǎo)數(shù)，用autcln模塊自動編輯數(shù)據(jù)，最后用solve模塊進(jìn)行最小二乘分析計算參數(shù)。

利用GLOBK解算時，首先須將GAMIT的松弛解H文件由ASCII格式轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制格式，然后準(zhǔn)備好先驗坐標(biāo)文件、地球極移文件、計算控制文件等，利用glred和glorg以批處理形式進(jìn)行解算。

4 結(jié)果分析

GAMIT計算得到的單天解標(biāo)準(zhǔn)化均方差（normalized rms，NRMS）是衡量單天解質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。據(jù)國內(nèi)外GPS數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗，NRMS值一般應(yīng)小于0．3mm，若標(biāo)準(zhǔn)化均方差太大，則說明處理過程中周跳可能沒有完全得到修正。本研究數(shù)據(jù)時間范圍為2011年年積日為第199天至第228天，檢查q文件后，處理30d數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化均方差基本符合解算要求［25－28］（表1）。

表1 單天解標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差值Tab．1 NRMS of Day Solutions

在GAMIT得到單天解后，可以得到衛(wèi)星與測站的單程均方根殘差，該指數(shù)可以在單天解總結(jié)文件（sh＿gamit＿ddd．summary）中查看，并且在用sh＿make＿sky＿gifs或者批處理命令進(jìn)行批處理生成每個測站的天空圖時，對均方根殘差有一個直觀的可視化呈現(xiàn)（圖3）。其中，0°對應(yīng)子午線。

另外，在評價GAMIT解算過程中，可以從GAMIT預(yù)處理結(jié)算中LC相位殘差得到站點(diǎn)的矯正模型，并且得到一些高度角與殘差的關(guān)系，以KHUF測站為例，均方殘差為4．88mm，基本符合測站的要求（圖4、5）。

圖3 KHUF測站點(diǎn)在第210天的天空圖Fig．3 Sky Plots of Day 210at Site KHUF

圖4 KHUF測站的高度角與均方根殘差的關(guān)系Fig．4 Relationship Between Elevation Angle and RootMean Square Residual at Site KHUF

在用GLOBK結(jié)算時，也可以對站點(diǎn)的信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，檢驗GAMIT處理結(jié)果，用gdl文件及其GMT進(jìn)行畫圖處理。圖6左邊縱軸表示GPS站點(diǎn)名稱，右邊縱軸表示站點(diǎn)個數(shù)，方形代表單天解的個數(shù)（即每個站點(diǎn)的觀測時段，一天對應(yīng)一個觀測文件）。

利用GLOBK軟件對觀測期間各測點(diǎn)的點(diǎn)位重復(fù)性進(jìn)行計算，并得到每個測點(diǎn)的時間序列，結(jié)果顯示測點(diǎn)的點(diǎn)位重復(fù)性北向分量精度在3mm以內(nèi)，東向分量在3mm以內(nèi)，垂向分量在6mm以內(nèi)。選取觀測時間最長的DASH站點(diǎn)為代表，從中可以看出，該站點(diǎn)水平方向北向分量精度為1．04mm，東向分量為1．01mm，垂向分量為4．41mm。這體現(xiàn)了該站點(diǎn)在水平方向具有很好的重復(fù)精度（圖7）。

圖5 KHUF測點(diǎn)模型Fig．5 Model of Site KHUF

圖6 站點(diǎn)文件信息統(tǒng)計分布Fig．6 Distribution of File Information of Sites

圖7 測點(diǎn)DASH的時間序列分布Fig．7 Distribution of Temporal Series of Site DASH

多天解利用GLOBK軟件對觀測期間所有測點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合解算，并將結(jié)果歸算到ITRF08參考框架下［29－34］。多天整體解利用 GAMIT 軟件30d（年積日為第199天至第228天）的處理結(jié)果H文件，結(jié)合SIO的全球解H文件，并且將30d的單天解進(jìn)行合并，生成合并解GLX文件，利用全球stab＿site文件及其core＿site文件聯(lián)合itrf08．a(chǎn)pr文件，將其結(jié)果歸算到ITRF08參考框架中，再用GLOBK命令作綜合處理，通過平差計算得到最終點(diǎn)位和基線結(jié)果，結(jié)果歸算到2011年8月16日，點(diǎn)位精度水平分量為2～3mm，高程分量為3～7mm（表2）。

表2 測站坐標(biāo)及其精度Tab．2 Coordinates and Precisions of Sites

5 結(jié) 語

2011年7月至8月，對帕米爾高原及其鄰近地區(qū)進(jìn)行了GPS觀測剖面的布設(shè)和首期GPS觀測，這是2條真正意義上的GPS觀測剖面。筆者利用GAMIT／GLOBK軟件對首期觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，引入周邊8個IGS站點(diǎn)參與聯(lián)合解算，并將結(jié)果歸算到ITRF08下，解算得到的準(zhǔn)觀測值均滿足所須精度要求，其中所有站點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化均方差均小于0．3mm。在觀測區(qū)域單天解的基礎(chǔ)上，利用GLOBK合并全球解，并且進(jìn)行全區(qū)域的綜合平差，得到GPS站點(diǎn)的精確坐標(biāo)，結(jié)果顯示所有站點(diǎn)的點(diǎn)位水平分量為1～2mm，高程分量為3～7mm。

有必要在未來繼續(xù)進(jìn)行2～3期GPS觀測，完善現(xiàn)有的GPS觀測資料，幫助認(rèn)識帕米爾高原的運(yùn)動學(xué)特征和青藏高原隆升機(jī)制。

QOCA（Quasi－observation Combination Analysis）學(xué)習(xí)班的董大南老師、中國地震局地震預(yù)測研究所武艷強(qiáng)副研究員和中國地震局地殼應(yīng)力研究所田云鋒副研究員在GAMIT／GLOBK軟件處理中提供了指導(dǎo)，圖件都由GMT完成，在此一并致謝。

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