GNSS在天津地震監(jiān)測中的發(fā)展與初步應(yīng)用1

賀同江 劉紅艷 曹井泉

（天津市地震局，天津300201）

引言

近10年來，我國的GPS應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展，GPS技術(shù)已滲透到了大地測量、導(dǎo)航服務(wù)等國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域中，并成功地被各界人士所認知。目前，由于俄羅斯的GLONASS、中國的北斗和歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，GPS已與這些系統(tǒng)共同構(gòu)成了GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）。多系統(tǒng)更有助于進一步提高 GNSS的觀測精度，特別是由于同一時刻觀測到的GNSS衛(wèi)星數(shù)量成倍增加，可顯著提高定位精度（顧國華，2012）。

自1998年以GPS（GNSS）為主要觀測技術(shù)、以地震預(yù)測為主要目標(biāo)的中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)（一期）建成以來，GNSS觀測技術(shù)在我國地殼形變觀測和地震預(yù)報探索等方面取得了巨大的發(fā)展。利用 GPS（GNSS）技術(shù)觀測地殼形變、監(jiān)測地震前兆、探索地震預(yù)報已成為國內(nèi)外的共識，并寄予了極大的希望（吳云等，2003）。

天津市處于首都圈地震重點監(jiān)視防御區(qū)，建立高精度的GNSS觀測網(wǎng)將有利于加強對區(qū)域內(nèi)地殼和斷層活動的實時監(jiān)控，為從更大的空間范圍和多角度認識地震活動和構(gòu)造活動，以及為數(shù)值地震預(yù)測提供全新的技術(shù)支持。

天津地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)正是以GNSS觀測技術(shù)為主，并輔以高精度重力和水準(zhǔn)觀測手段，它是以地震監(jiān)測預(yù)報服務(wù)為主的綜合性觀測網(wǎng)絡(luò)。

1 發(fā)展歷程

天津市地震局GNSS觀測技術(shù)的發(fā)展與地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，前后歷經(jīng)近15年的時間。

“九五”期間為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初級階段，中國地震局“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”（簡稱“陸態(tài)網(wǎng)一期”）在薊縣壕門建設(shè)了天津境內(nèi)第一個GPS參考站，作為全國25個GPS連續(xù)觀測站之一，主要設(shè)備為單頻GPS接收機，并輔助開展相對重力觀測。

“十五”和“十一五”期間，由于 “陸態(tài)網(wǎng)一期”工程在地震預(yù)報等方面取得的重要觀測成果，中國地震局協(xié)同中國氣象局、中國科學(xué)院、國家測繪局等單位進一步開展了“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”（簡稱“陸態(tài)網(wǎng)二期”）建設(shè)。在天津地區(qū)新建了寶坻GNSS基準(zhǔn)站和濱海GNSS基準(zhǔn)站，并對原薊縣GPS連續(xù)站進行了設(shè)備升級和臺站改造。主要設(shè)備均采用了雙頻的GNSS接收機，實現(xiàn)了對GLONASS、北斗和歐洲伽利略等全球多個導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容，同時還建設(shè)了薊縣連續(xù)重力觀測站（絕對重力），并增加了氣象輔助觀測等項目。

以此為契機，“十一五”期間，天津市地震局開展了天津市地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)項目的建設(shè)，以進一步推動GNSS地殼形變觀測技術(shù)在區(qū)域地殼運動觀測的應(yīng)用。該網(wǎng)絡(luò)作為天津市“十一五”地震安全基礎(chǔ)工程的重點建設(shè)項目之一，由天津市發(fā)改委、財政局和濱海新區(qū)財政局共同投資，在天津境內(nèi)新建了8個GNSS基準(zhǔn)站和1個數(shù)據(jù)中心。

2 網(wǎng)點布設(shè)

天津市地殼運動觀測網(wǎng)GNSS基準(zhǔn)站，在布設(shè)過程中主要參照了以下三項原則。

首先，充分考慮天津地區(qū)主要活動斷裂的分布情況，以服務(wù)于地震監(jiān)測為主要目的。華北地區(qū)地處歐亞板塊東部，長期以來受到印度板塊、歐亞板塊和太平洋板塊相互作用的影響，特別是受菲律賓板塊和太平洋板塊向大陸俯沖的影響，形成了近北東東向的擠壓與北北西向伸張的水平構(gòu)造應(yīng)力場，使原本比較穩(wěn)定完整的地殼在新生代初期發(fā)生顯著的破裂和分異，形成了以北東向為主，北東和北西向兩組斷裂組成的構(gòu)造體系和隆起、坳陷相間的構(gòu)造格局（王琪等，2001）。這是當(dāng)今歐亞板塊內(nèi)部主要地震活動區(qū)之一，更是中國大陸東部最重要的地震區(qū)，歷史上曾發(fā)生過多次7級乃至8級大地震。

天津地處華北地區(qū)中部偏東北部，東臨渤海，構(gòu)造上位于冀渤斷塊坳陷中北部和燕山斷塊隆起南部，是華北平原地震帶和張家口—渤海地震帶的交匯部位，境內(nèi)分布著多條隱伏斷裂帶，存在發(fā)生中強以上地震的構(gòu)造背景（陳宇坤等，2010）。

其次，考慮了網(wǎng)形平均分布的原則，當(dāng)測區(qū)范圍較大時（幾百平方公里），為保證控制網(wǎng)點的整體精度，應(yīng)使用經(jīng)典大地測量方法布設(shè)控制網(wǎng)，控制網(wǎng)點要與高等級控制點構(gòu)成圖形，并且控制網(wǎng)點與點之間也要構(gòu)成圖形，如精度要求較高時，點與點之間應(yīng)構(gòu)成直接邊。由于許多工程完成后需要用常規(guī)方法進行測量，因此布點時根據(jù)需要確定點的位置，并考慮其圖形結(jié)構(gòu)（喬旭等，2012）。

最后，點位觀測環(huán)境還應(yīng)符合《中國地殼運動觀測技術(shù)規(guī)程》（地殼運動監(jiān)測工程研究中心，2006）和《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范（GB/T 18314-2009）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2011）的相關(guān)要求。

以上述三項原則為主要依據(jù)，同時以薊縣、寶坻和濱海3個國家陸態(tài)網(wǎng)GNSS基準(zhǔn)站為主要基礎(chǔ)，天津市地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)對區(qū)域內(nèi)基準(zhǔn)站進行了認真勘選和精心建設(shè)。網(wǎng)內(nèi)各站點較均勻地分布于市內(nèi)多個區(qū)縣，南部較密集，北部稍稀疏，基本實現(xiàn)了對境內(nèi)主要地殼活動的實時監(jiān)控，同時也滿足了作為工程測量等參考網(wǎng)的要求。其具體位置如圖 1和表1所示。

圖1 GNSS測站分布圖Fig. 1 Distribution of the GNSS observation stations of Tianjin

表1 GNSS基準(zhǔn)站位置表Table 1 Geographical location of the GNSS observation stations

3 數(shù)據(jù)解算與初步結(jié)果分析

在地震監(jiān)測中，從地殼形變數(shù)據(jù)處理中可得到地殼形變的時間序列和空間分布，以獲取地震前兆信息，進而研究其機理或模型是目前研究人員的主要研究方向（顧國華，2012）。天津市的XUZZ、JHAI、ZHDK、QING、NIHE、PANZ、GGSL、WQCG等8個新建基準(zhǔn)站，自2010年8月投入運行以來，已歷經(jīng)2年多的時間，其觀測數(shù)據(jù)采用GAMIT/GLOBK軟件進行了解算，獲取了相應(yīng)的時間序列觀測結(jié)果，并在震情監(jiān)視中得到了初步的應(yīng)用。TJBD、TJBH、JIXN等3個國家級GNSS基準(zhǔn)站，從2012年下半年起實現(xiàn)了共享運行，其觀測時長僅有半年，故沒有在本次解算中得到體現(xiàn)。

在解算過程中，為加強GNSS觀測數(shù)據(jù)的解算精度，在數(shù)據(jù)處理時結(jié)合了中國陸態(tài)網(wǎng)和IGS國際GPS跟蹤站共22個站點的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精度。這些站點基本分布在以華北為中心的亞太地區(qū)內(nèi)。

GAMIT軟件以 1天為處理時段進行解算，獲取每天的基線處理結(jié)果。GLOBK應(yīng)用GAMIT的結(jié)果進行聯(lián)合網(wǎng)平差處理，獲取各站點位的坐標(biāo)，并估算測站運動速率。

3.1 基線向量精度統(tǒng)計

各時段解的基線精度是衡量基線解質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。本次解算對天津市地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)中的15條主要基線952天的解算結(jié)果進行了統(tǒng)計（見表2），除其中11天無法解算外，15條基線的平均精度均優(yōu)于10-8，達到了全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范中A級網(wǎng)的精度要求。

表2 基線向量精度統(tǒng)計Tabel 2 Precisions of the baseline vector

3.2 網(wǎng)平差與點位精度分析

通過分析天津市地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)2010年8月1日（年積日：91）至2013年3月1日（年積日：60）期間的時間序列結(jié)果，8個新建GNSS基準(zhǔn)站的定位精度在南北向和東西向均在1.5mm之內(nèi)，垂直向在5.0mm之內(nèi)，完全滿足了進行地殼運動觀測所需的mm級精度要求，具體結(jié)果見表3。這說明站點建設(shè)是成功的，同時也說明應(yīng)用GAMIT/GLOBK進行數(shù)據(jù)處理的方案和方法是正確的，達到了預(yù)期的要求。

表3 測站點位定位精度統(tǒng)計Table 3 Positional accuracy of the observation stations

3.3 站點的運動速率

利用現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)可以估計各測站的運動速度。

圖2（a）所示為2010—2012年天津市地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)8個新建GNSS測站在ITRF參考框架下的運動矢量圖。從圖中可以看出，各測站隨同中國大陸較均勻地向南東（南東東）方向運動，大小在35mm/a左右，各速度分量精度均優(yōu)于0.3mm/a。這與由GNSS測定的現(xiàn)今天津地區(qū)應(yīng)變場變化，以及與根據(jù)震源機制求得的區(qū)域應(yīng)力場和地質(zhì)學(xué)推測得到的構(gòu)造應(yīng)力場三者基本相符，均為南東東向，反映出這是受歐亞板塊和太平洋板塊之間的共同相互作用影響（賴錫安等，2004）。

天津位于中國大陸內(nèi)部，歐亞板塊的東南部，要分析區(qū)域內(nèi)部的地殼運動狀況，必須消除歐亞板塊在全球框架下的整體運動（王琪等，2001）。從ITRF框架下各個測站速度觀測值中扣除屬于 NNR-NUVE-1A模型中歐亞板塊剛性運動的理論速度值，從而可得到圖2（b）所示各測站相對于穩(wěn)定歐亞板塊的相對運動或變形速度，可以看出各站點運動速率均較小，在每年幾個mm左右。而在天津市區(qū)周邊各站點運動速度與外圍站點速度具有較大差異，說明這些站點可能受到了天津地區(qū)不同區(qū)域地殼活動的影響。

3.4 水平方向時間序列觀測結(jié)果

為了更好地表征天津地區(qū)的內(nèi)部運動特征，將ITRF08框架下8個基準(zhǔn)站站點坐標(biāo)時間序列統(tǒng)一進行去線性化趨勢處理，去除各站點水平向共性運動趨勢，從而得到各站的位移殘差曲線。由圖 3（a）和圖 3（b）可以看出，日本“3·11”地震對各站點在東西向有約 7—9mm的同震位移影響，這與王敏等（2011）計算的遠場同震位移（方向近正東，天津地區(qū)位移8—9mm）結(jié)果基本一致；而在南北向和垂直向無明顯反應(yīng)，表明本次計算結(jié)果是正確的，天津地區(qū)確實存在著這樣的地殼運動。根據(jù)圖3分析，在2012年5月28日唐山發(fā)生4.8級地震前，各站點運動趨勢似乎有一定的前兆異常變化，但因為觀測資料時間較短，還需要進一步用更多的震例對其可靠性進行驗證。

圖2 不同參考框架下的測站速度矢量圖（箭頭為各GNSS測站速度矢量）Fig. 2 Velocity vector of observation stations under the different frame of reference(the arrow indicates velocity vector of station)

圖3 水平位移時序曲線Fig. 3 Time sequence curve of horizontal movement

3.5 垂直方向時間序列觀測結(jié)果

圖4 為垂直向位移時序曲線，從圖中可以看出，垂直向坐標(biāo)位移存在一定的年周期變化。在天津市區(qū)周邊，JHAI、QING和 ZHDK等站點存在明顯的沉降趨勢性變化，其中QING站點年沉降量接近100mm/a，JHAI接近50mm/a，這也表明天津地區(qū)沉降漏斗仍然存在。

圖4 垂直向位移時序曲線Fig. 4 Time sequence curve of vertical movement

4 結(jié)論

天津市地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，為GNSS觀測技術(shù)在天津地震監(jiān)測中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也為天津地區(qū)的地震前兆研究增加了一種新的方法和手段。GNSS觀測技術(shù)的應(yīng)用，對于實時監(jiān)控天津區(qū)域內(nèi)地殼形變，提高天津及周邊地區(qū)的地震監(jiān)測能力，捕捉地震前兆信息，有效減輕地震災(zāi)害損失將具有重要意義。

對8個新建GNSS站點數(shù)據(jù)處理結(jié)果的初步分析表明，數(shù)據(jù)處理采用的方法和控制參數(shù)的取舍是合理的；其站點水平位移精度達到了mm級，基線相對精度較高，能夠滿足監(jiān)測天津地區(qū)mm級地殼運動變化量的要求；站點的運動速率和時序曲線也在一定程度上反映了天津地區(qū)真實的地殼運動過程，各測站隨同中國大陸較均勻地向南東（南東東）方向運動，運動速率在35mm/a左右，相對于歐亞板塊的運動速率較小，每年只有幾個mm的運動量。各站點對日本“3.11”大地震具有明顯的水平同震位移影響，東西向平均達到 7—9mm；地表沉降趨勢反映明顯，沉降速率最大點（QING）年沉降速率達 100mm/a，這反映出 GNSS連續(xù)站也有監(jiān)測地面沉降的作用。

當(dāng)前，GNSS觀測技術(shù)在天津地震實時監(jiān)測中的應(yīng)用仍然較為短暫，相信隨著觀測技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)據(jù)處理方法的不斷進步，其在地震監(jiān)測中能夠發(fā)揮的作用也將越來越大。

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