GNSS數(shù)據(jù)在江蘇地震前兆監(jiān)測(cè)中的初步應(yīng)用與研究

鮑海英，孟科，王維

（江蘇省地震局，南京 210014）

GNSS數(shù)據(jù)在江蘇地震前兆監(jiān)測(cè)中的初步應(yīng)用與研究

鮑海英，孟科，王維

（江蘇省地震局，南京 210014）

GPS數(shù)據(jù)具有高精度、高效率和低成本等特點(diǎn)，同時(shí)不易受觀測(cè)環(huán)境的變化影響，因此它在監(jiān)測(cè)地殼的應(yīng)力場(chǎng)變化、大震前可能出現(xiàn)的短期前兆、地震過(guò)程中觀測(cè)點(diǎn)位的瞬時(shí)變化、震后地殼的運(yùn)動(dòng)特征等方面，具有很大的應(yīng)用前景。主要是利用江蘇區(qū)域溧陽(yáng)、南通和鹽城三個(gè)GNSS觀測(cè)站，根據(jù)GPS定位原理，利用GAMIT軟件計(jì)算出這三個(gè)站在2010年6月至2013年8月的時(shí)間序列，從計(jì)算結(jié)果中看出，在這三年里，這三個(gè)GNSS站均向東南方向偏移，2011年3月11日的日本地震均對(duì)這三個(gè)站引起永久性的同震位移，這三個(gè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)在NS、EW和垂直方向上均呈現(xiàn)出較好的年變特征。這是GNSS數(shù)據(jù)在江蘇地震前兆監(jiān)測(cè)中的初步應(yīng)用，同時(shí)也為江蘇區(qū)域的地震預(yù)測(cè)研究提供一個(gè)新的輔助手段。

地震前兆；GNSS；位移時(shí)間序列

0 引言

GNSS（Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）是由歐洲空間局籌建的集GPS、GLOBASS以及低軌衛(wèi)星為一體，在全球范圍內(nèi)應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。它是GPS技術(shù)在導(dǎo)航通訊領(lǐng)域的最新應(yīng)用系統(tǒng)。眾所周知，衛(wèi)星是在天空中環(huán)繞地球而運(yùn)行的，其全球性是不言而喻的；而全球?qū)Ш绞窍鄬?duì)于陸基區(qū)域性導(dǎo)航而言，以此體現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航的優(yōu)越性。

目前，GPS短邊定位已經(jīng)達(dá)到幾個(gè)毫米的精度。這樣的精度是監(jiān)測(cè)地殼形變、應(yīng)變積累速率所需要的，也是常規(guī)大地測(cè)量難以達(dá)到的精度。同時(shí)，GPS的結(jié)果是測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這也是傳統(tǒng)分離的垂直形變網(wǎng)和水平形變網(wǎng)所難以完成的，因此，三維的地殼形變最有利于應(yīng)用到地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究工作中[1]。由于GPS的高精度、高效率和低成本，在監(jiān)測(cè)地殼的中期運(yùn)動(dòng)、大震前可能出現(xiàn)的短期前兆、地震過(guò)程中觀測(cè)點(diǎn)位的瞬時(shí)變化、震后地殼的運(yùn)動(dòng)特征、活斷層的位移和變化等方面，GPS都有很大的應(yīng)用前景[2]。

中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱 “陸態(tài)網(wǎng)”，是一個(gè)以GNSS為主的國(guó)家級(jí)地球科學(xué)綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。目前，“陸態(tài)網(wǎng)”項(xiàng)目江蘇區(qū)域已建立了溧陽(yáng)、南通和鹽城這三個(gè)GNSS基準(zhǔn)站，構(gòu)成了江蘇區(qū)域的GNSS觀測(cè)網(wǎng)。

1 GNSS觀測(cè)站時(shí)間序列

任意時(shí)刻的連續(xù)站觀測(cè)值z(mì)（t）可以看成由地殼正常動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)、多種噪聲干擾以及與地震有關(guān)的變形信息組成。用公式表示如下：

其中x（t）為正常動(dòng)態(tài)變形量，V（t）為觀測(cè)噪聲， s（t）是與地震有關(guān)的變形信息。

x（t）可看作隨時(shí)間的漂移及年周期變化的兩項(xiàng)之和組成，即：

其中：a0為尺度因子，bVt為隨時(shí)間的漂移，Asin（ωVt+φ）為年周期變化部分。

目前，在濾除干擾的方法中，卡爾曼濾波應(yīng)用相對(duì)較廣[3-5]，在本次實(shí)驗(yàn)中，我們也是采用此方法來(lái)消除干擾的。本次試驗(yàn)采用美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的 GAMIT/GLOBK解算軟件完成，GLOBK是一個(gè)卡爾曼濾波器，其主要目的是綜合空間大地測(cè)量和經(jīng)典大地測(cè)量的初步處理結(jié)果完成數(shù)據(jù)的后處理。因此它的輸入一般是一些準(zhǔn)觀測(cè)量如測(cè)站坐標(biāo)、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、衛(wèi)星軌道及它們的方差-協(xié)方差。

2 數(shù)據(jù)處理方法

本次研究采用江蘇區(qū)域GNSS觀測(cè)網(wǎng)2010年6月至2013年8月的觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合IGS全球連續(xù)跟蹤站的數(shù)據(jù)，并利用此數(shù)據(jù)解算出江蘇溧陽(yáng)、南通和鹽城三個(gè)臺(tái)站的坐標(biāo)時(shí)間序列，作為江蘇地區(qū)地震前兆監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)輔助手段。由于從GPS接收機(jī)中采集到的數(shù)據(jù)是全天24 h不間斷觀測(cè)，有三種采樣率分別為30 s、1 Hz和50 Hz，由于GNSS基準(zhǔn)站每日觀測(cè)的數(shù)據(jù)采樣間隔分別為30s、1Hz、50Hz，考慮到數(shù)據(jù)量的大小，在此我們選取采樣間隔為30 s的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以24 h為一觀測(cè)時(shí)段。本實(shí)驗(yàn)采用30 s的觀測(cè)數(shù)據(jù)，由于從陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)GNSS基準(zhǔn)站直接采集到的數(shù)據(jù)不滿足IGS數(shù)據(jù)規(guī)范以及命名規(guī)范，故在進(jìn)行精密定位之前需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)重采樣兩步（數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換均采用自編程序?qū)崿F(xiàn)）。

資料處理采用美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的GAMIT/GLOBK解算軟件，以單天為單位（24小時(shí)為一個(gè)單日時(shí)段）。參考框架為ITRF2005框架，星歷采用IGS精密星歷（SP3格式）。解算模式為L(zhǎng)C-HELP解，給出模糊度整數(shù)解和浮點(diǎn)解。衛(wèi)星截止高度角為15°。所有GPS站的坐標(biāo)約束為100 m（松弛約束坐標(biāo)），解算方式采取松弛（RELAX)解。GPS衛(wèi)星軌道約束為 10-8。光壓模型：BERNE。準(zhǔn)備工作：通過(guò)Internet從有關(guān)的IGS數(shù)據(jù)中獲取IGS站觀測(cè)數(shù)據(jù)及GPS數(shù)據(jù)處理所必需的資料（包括精密星歷，全球H文件解，最新tables等）[7]。解算過(guò)程主要包括基線解計(jì)算和網(wǎng)平差計(jì)算兩部分。

基線解計(jì)算步驟（GAMIT）：①單點(diǎn)定位，給出未知站的概略坐標(biāo)（米級(jí)水平）；②取周邊IGS站（BJFS、KIT3、KUNM、SHAO、SUWN、TSKB、WUHN、IRKT、IISC等）進(jìn)行QUICK解，得到未知站的厘米級(jí)的概略坐標(biāo)；③進(jìn)行單天RELAX解，計(jì)算時(shí)利用AUTCLN自動(dòng)修復(fù)周跳同時(shí)輔于CVIEW進(jìn)行手工干預(yù)剔除周跳殘差，最終獲得O文件解與H文件解。

網(wǎng)平差（GLOBK）計(jì)算步驟：固定極移參數(shù)，衛(wèi)星軌道約束20 m，參考站約束0.1 m。根據(jù)本次計(jì)算的H文件，由GLOBK求多天整體解，以IGS核心站為參考站建立地球參考框架[7]。IGS核心站x、y和z方向的坐標(biāo)約束分別是0.05 m、10 m和10 m。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 江蘇區(qū)域GNSS觀測(cè)網(wǎng)時(shí)間序列結(jié)果

本次研究采用江蘇區(qū)域GNSS觀測(cè)網(wǎng)2010年6月至2013年8月的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合IGS全球連續(xù)跟蹤站數(shù)據(jù)，利用Gamit軟件解算出江蘇溧陽(yáng)、南通和鹽城三個(gè)臺(tái)站的位移時(shí)間序列，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1～3。

圖1、圖2和圖3分別為江蘇區(qū)域溧陽(yáng)、南通和鹽城三個(gè)GNSS觀測(cè)站2010年1月至2013年8月位移時(shí)間序列，采用的坐標(biāo)系均為站心坐標(biāo)系，縱線為位移的波動(dòng)值，圖中空缺的部分為數(shù)據(jù)缺測(cè)造成，a圖為原始時(shí)間序列，直線部分為趨勢(shì)擬合曲線，b圖為去除長(zhǎng)趨勢(shì)后的時(shí)間序列。

圖1 江蘇溧陽(yáng)GNSS觀測(cè)站位移時(shí)間序列Fig.1 Displacement time series of Liyang GNSS station in Jiangsu province

圖2 江蘇南通GNSS觀測(cè)站位移時(shí)間序列Fig.2 Displacement time series of Nantong GNSS station in Jiangsu province

圖3 江蘇鹽城GNSS觀測(cè)站位移時(shí)間序列Fig.3 Displacement time series of Yancheng GNSS station in Jiangsu province

圖1為2010年6月至2013年8月江蘇區(qū)域溧陽(yáng)GNSS觀測(cè)站EW向、NS向和垂直方向的位移時(shí)間序列，從圖1a中可以看出，從2010年6月至2013年8月，JSLS觀測(cè)站在NS向向南偏移了約35 mm，年運(yùn)行速率為-10.78±0.45 mm/yr，wrms=2.0 mm，nrms=4.15；在EW向向東偏移了約110 mm，年運(yùn)行速率為33.51±0.39mm/yr，wrms= 2.0 mm，nrms=3.43；在垂直向向東偏移了約5 mm，年運(yùn)行速率為-2.70±1.36 mm/yr，wrms=5.7 mm，nrms=3.55。圖中豎線部分為2011年3月11日日本大地震引起的同震位移。

圖2為2010年6月至2013年8月江蘇區(qū)域南通GNSS觀測(cè)站EW向、NS向和垂直方向的位移時(shí)間序列，從圖2a中可以看出，從2010年6月至2013年8月，JSNT觀測(cè)站在NS向向南偏移了約30 mm，年運(yùn)行速率為-11.21±0.39 mm/yr，wrms=1.5 mm，nrms=3.53；在EW向向東偏移了約110 mm，年運(yùn)行速率為33.88±0.35 mm/yr，wrms= 1.8 mm，nrms=2.92；在垂直向向東偏移了約5 mm，年運(yùn)行速率為-2.14±0.90 mm/yr，wrms=5.3 mm，nrms=2.19。

圖3為2010年6月至2013年8月江蘇區(qū)域鹽城GNSS觀測(cè)站EW向、NS向和垂直方向的位移時(shí)間序列，從圖3a中可以看出，從2010年6月至2013年8月，JSYC觀測(cè)站在NS向向南偏移了約25 mm，年運(yùn)行速率為-8.60±0.56 mm/yr，wrms=1.7 mm，nrms=3.32；在EW向向東偏移了約100 mm，年運(yùn)行速率為33.73±0.64 mm/yr，wrms= 1.8 mm，nrms=3.59；在垂直向向東偏移了約35 mm，年運(yùn)行速率為-15.49±0.94 mm/yr，wrms=5.2 mm，nrms=1.45。

圖1～3中b圖為去除趨勢(shì)后的時(shí)間序列圖，從這三張圖中可以看出，日本地震對(duì)江蘇區(qū)域的三個(gè)GNSS觀測(cè)站均引起永久性的同震位移，同時(shí)可以很清晰地看出GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)在NS、EW和垂直方向都具有很好的年變特征。

3.2 日本M9.0地震對(duì)江蘇GNSS站的影響

震源機(jī)制解表明日本3月11日M 9.0地震是一次低傾角逆沖型地震，該地震造成了一定范圍的地殼水平和垂直運(yùn)動(dòng)。盡管日本大地震釋放了本州島以東部分地區(qū)近E-W向的擠壓應(yīng)力，但是日本海西部以及中國(guó)東北部仍處于E-W向弱擠壓的應(yīng)力環(huán)境之中，也就是說(shuō)，雖然GPS觀測(cè)表明中國(guó)東北出現(xiàn)了一致的指向震中的同震位移，但只表現(xiàn)為近東西向擠壓應(yīng)力的減小，而不是自此轉(zhuǎn)變?yōu)榻鼥|西向的拉伸應(yīng)力狀態(tài)。總的來(lái)說(shuō)，日本大地震之后，中國(guó)東北的主壓應(yīng)力數(shù)值有所減小，因而近東西向擠壓型地震活動(dòng)性將有所減弱，所有測(cè)站的同震水平位移均指向震中，其隨著遠(yuǎn)離震中逐漸衰減的分布特性符合彈性半空間逆沖擠壓型破裂造成的位移場(chǎng)分布特征[8]。表1中，江蘇溧陽(yáng)、南通和鹽城三個(gè)GNSS觀測(cè)站在水平方向NS分量和垂直方向上的的同震位移量都不大于3 mm，在GPS解算的誤差范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為不受日本地震的影響。江蘇溧陽(yáng)GNSS觀測(cè)站在水平方向東西分量上向東偏移了5 mm；南通GNSS觀測(cè)站在水平方向東西分量上向東偏移3 mm；鹽城GNSS觀測(cè)站在東西分量上向東偏移了5 mm，所有測(cè)站的同震水平位移均向東，指向震中，與前人研究結(jié)果一致。

表1 日本3月11日M9.0地震對(duì)江蘇GNSS站引起的同震位移Table 1 The coseismic displacement of Jiangsu GNSS station caused by Japan M9.0 earthquake on March 11th

4 結(jié)論

通過(guò)江蘇區(qū)域溧陽(yáng)、南通和鹽城三個(gè)GNSS觀測(cè)站的時(shí)間序列上可以看出：

（1）從2010年6月至2013年8月止，江蘇區(qū)域溧陽(yáng)、南通和鹽城三個(gè)GNSS觀測(cè)站均有向東南方向偏移的趨勢(shì)。

（2）2011年3月11日日本M9.0地震對(duì)江蘇區(qū)域溧陽(yáng)、南通和鹽城三個(gè)GNSS觀測(cè)站引起了永久性的變形。

（3）江蘇區(qū)域溧陽(yáng)、南通和鹽城三個(gè)GNSS觀測(cè)站NS、EW以及垂直方向的數(shù)據(jù)均顯現(xiàn)出較好的年變特征。

此試驗(yàn)是GNSS數(shù)據(jù)在江蘇地震前兆中的初步應(yīng)用，它為江蘇區(qū)域地震預(yù)測(cè)研究提供一個(gè)新的輔助手段。

[1]張曉亮，江在森，王敏，等.利用GPS連續(xù)站資料研究地殼運(yùn)動(dòng)與地震的關(guān)系[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2006，26（4）：63-68.

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The Preliminary Application of GNSS Data in Earthquake Precursor Monitoring of Jiangsu Province

BAO Haiying，MENG Ke，WANG Wei

（Earthquake Administration of Jiangsu Province，Nanjing 210014，China）

By using the GAMIT software and the data of Liyang，Nantong and Yancheng GNSS observation stations，the paper calculates the displacement time series of Liyang，Nantong and Yancheng GNSS observation stations in Jiangsu province from June 2010 to August 2013 based on the GPS positioning principle.The results show that:among these years，the three GNSS stations move to the southeast direction；they have permanent coseismic displacement caused by the earthquake occurred in March 11 of 2011 in Japan;the observation data in NS，EW and the vertical direction of these three stations show better annual variation.This is the preliminary application of GNSS data in Jiangsu earthquake precursor monitoring,and also provides a new means for earthquake prediction research of Jiangsu area.

Earthquake precursor；GNSS；Displacement time series

P315.6

A

1001-8662（2014）03-0091-04

10.13512/j.hndz.2014.03.015

鮑海英，孟 科，王 維.GNSS數(shù)據(jù)在江蘇地震前兆監(jiān)測(cè)中的初步應(yīng)用與研究[J].華南地震，2014，34（3）：91-95.[BAO Haiying，MENG Ke，WANG Wei.The Preliminary Application of GNSS Data in Earthquake Precursor Monitoring of Jiangsu Province[J].South china journal of seismology，2014，34（3）：91-95.]

投稿日期：2013-12-25

江蘇省地震局青年基金項(xiàng)目（201203）

鮑海英 （1986-），女，碩士，從事地震前兆觀測(cè)工作.

E-mail:bhy5928@163.com.