超高頻GPS記錄地震位移信號(hào)的能力評(píng)估：一個(gè)人工爆破震源的實(shí)驗(yàn)

李祖寧 林樹 陳超賢 陳光 關(guān)玉梅 王紫燕

摘要：利用2014年6月福建省地震局進(jìn)行的人工爆破實(shí)驗(yàn)的50 Hz超高頻GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用快速預(yù)報(bào)星歷以及事后精密星歷，對(duì)觀測(cè)的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)和事后精密處理。結(jié)果顯示高頻GPS在差分處理模式下，其水平向噪聲大致為5 mm，垂直向大致為10 mm。高頻GPS差分單歷元解在采用快速預(yù)報(bào)星歷與事后精密星歷得到的結(jié)果基本一致，因此采用快速預(yù)報(bào)星歷進(jìn)行高頻GPS實(shí)時(shí)解算的結(jié)果具有很高的可靠性。同時(shí)，通過比較并址的高頻GPS和強(qiáng)震儀信號(hào)的波形和頻率成分發(fā)現(xiàn)，差異主要是由于高頻GPS和強(qiáng)震儀記錄對(duì)于不同頻率震動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)不同，兩者在重疊的頻段上有較好的一致性，而這種差異本身體現(xiàn)了一種互補(bǔ)的特征。因此，高頻GPS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理結(jié)果具備監(jiān)測(cè)地表震動(dòng)的能力，可應(yīng)用于地震烈度速報(bào)與地震預(yù)警，成為地表震動(dòng)和地震研究的良好補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：超高頻GPS觀測(cè)；人工爆破；觀測(cè)精度；地震預(yù)警

中圖分類號(hào)：P315.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2016）04-0587-11

0 引言

傳統(tǒng)的GPS 大地測(cè)量學(xué)和地震學(xué)的研究目標(biāo)區(qū)別在于研究地殼形變譜的頻段不同，前者主要研究較長(zhǎng)周期（幾天到幾十年）的變化，后者主要研究瞬時(shí)（小于1 s到幾小時(shí)）地殼運(yùn)動(dòng)的特征。隨著高頻（1 Hz）和超高頻（20～50 Hz）GPS接收機(jī)的出現(xiàn)以及高頻GPS數(shù)據(jù)處理算法的成熟，使得GPS的觀測(cè)精度和對(duì)形變譜的敏感性朝著測(cè)量地殼動(dòng)態(tài)瞬時(shí)變化的方向不斷改進(jìn)（Avallone et al，2011；Blewitt et al， 2006；Lou et al，2013），目前已經(jīng)出現(xiàn)大地測(cè)量和地震學(xué)觀測(cè)譜范圍逐漸合并的趨勢(shì)。由于高頻GPS不僅可以觀測(cè)到周期小于1 s的位移量，而且可以檢測(cè)到超長(zhǎng)周期的地殼運(yùn)動(dòng)，沒有限幅的約束，因此，采用高頻GPS接收機(jī)一方面可觀測(cè)到大動(dòng)態(tài)的靜態(tài)位移，另一方面可以觀測(cè)到大震震時(shí)動(dòng)態(tài)位移，為研究地震的破裂過程、地殼介質(zhì)的非均勻特性和地震前后地殼形變短期變化過程提供了多窗口檢測(cè)的工具（Yehuda et al，2000；Choi et al，2004；Elósegui et al，2006）。

利用高頻GPS作為長(zhǎng)周期地震儀器的設(shè)想和方法最早由Miyazaki等（1997）在1997年AGU秋季會(huì)議上提出，他們基于GEONET觀測(cè)網(wǎng)1 Hz采樣率記錄，分析1996年Hyuga NadaMW6.7級(jí)地震的觀測(cè)數(shù)據(jù)，清楚地得到了P波和S波的到時(shí)，通過與理論和強(qiáng)震儀記錄的波形數(shù)據(jù)對(duì)比，P波和S波到時(shí)符合得很好（Ge，1999）。而最具有代表性的研究工作是Larson等（2003，2009）和Gomberg等（2004）利用1 Hz GPS資料研究2002年Denali 7.9級(jí)地震的地殼變形特征（Bilich et al，2008），得到了近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)地面運(yùn)動(dòng)位移的時(shí)間序列，與地震儀記錄結(jié)果比較，兩者具有較好的一致性。由于高頻GPS觀測(cè)能夠得到地震動(dòng)態(tài)波形，利用高頻GPS資料反演震源破裂過程的代表性研究有對(duì)2003年Tokachi-Oki地震的研究，利用1 Hz的觀測(cè)資料，對(duì)震源滑動(dòng)分布進(jìn)行反演研究，不僅得到了空間滑動(dòng)總量分布特征，也得到了空間破裂速度。

由于GPS測(cè)量所受的影響因素比較多。如大氣、電離層擾動(dòng)等，GPS的觀測(cè)噪聲來源很廣，而且高頻GPS的觀測(cè)精度相對(duì)于地震儀的觀測(cè)精度相差較大，導(dǎo)致其對(duì)地震信號(hào)觀測(cè)精度比地震儀低很多。在垂直方向，目前GPS的精度在厘米級(jí)，而地震儀的精度高于微米級(jí)。高頻GPS所觀測(cè)到的信號(hào)到底是噪聲還是真正的位移信號(hào)，一些學(xué)者還存在疑問和爭(zhēng)論（Li et al，2015；Geng et al，2015）。同時(shí)，對(duì)于超高頻GPS數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性以及可靠性也存在著不同的意見和說法。因此，定量評(píng)估高頻GPS的噪聲水平以及監(jiān)測(cè)地震位移信號(hào)的能力，對(duì)于確定高頻GPS在地震研究中的應(yīng)用具有重要意義。

近些年來，隨著一些快速定位方法的出現(xiàn)，快速解算GPS位移逐漸成為可能，如單點(diǎn)定位方法（PPP方法）、雙差定位方法等。但是這些快速解算方法的精度如何、能否滿足地震研究的需要，仍需要定量的分析和標(biāo)定。因此，如何確定高頻和超高頻GPS的解算精度，特別是利用快速預(yù)測(cè)星歷確定GPS位移的解算精度，對(duì)于地震快速響應(yīng)以及地震預(yù)警等工作具有極為重要的意義。

由于地震大小和空間分布具有不確定性，如果能夠采用人工源或者可控震源進(jìn)行研究和標(biāo)定，其結(jié)果和可靠性會(huì)高得多。從2010年開始，福建地震局開始實(shí)施了人工源爆破試驗(yàn)，這為定量評(píng)估高頻GPS探測(cè)地震信號(hào)的能力提供了理想的實(shí)驗(yàn)條件。因此，本文將利用超高頻GPS（50 Hz）對(duì)人工爆破引起的位移信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，探究超高頻GPS數(shù)據(jù)在實(shí)際觀測(cè)中的可靠性及捕獲位移信號(hào)的能力及精度。

1 數(shù)據(jù)及處理方法

1.1 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)及數(shù)據(jù)分布

福建省地震局自2010年開始實(shí)施的“跨越臺(tái)灣海峽人工爆破觀測(cè)”項(xiàng)目旨在通過多次人工爆破激震的方式，探測(cè)海峽地震的深部構(gòu)造和孕震環(huán)境（李祖寧等，2007；丁學(xué)仁等，2007）。2014年6月，該項(xiàng)目在福建省多個(gè)區(qū)域進(jìn)行了4次不同當(dāng)量的人工爆破實(shí)驗(yàn)。為了更好地獲取觀測(cè)資料的對(duì)比性，筆者選取了其中觀測(cè)條件最好的2個(gè)爆破點(diǎn)進(jìn)行高頻GPS觀測(cè)，同時(shí)在部分高頻GPS觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了并址的強(qiáng)震儀觀測(cè)，如圖1所示。觀測(cè)的儀器采用了天寶R9型高精度大地測(cè)量GNSS接收機(jī)，配備標(biāo)準(zhǔn)的扼流圈天線，同時(shí)記錄50 Hz的觀測(cè)數(shù)據(jù)；強(qiáng)震儀器采用的是Grulap強(qiáng)震儀。

為了定量評(píng)估高頻GPS接收機(jī)得到的位移信號(hào)隨震中距的衰減情況，2014年6月16日在南靖試驗(yàn)場(chǎng)按照距離遠(yuǎn)近一共布設(shè)了8臺(tái)（套）NetR9 GPS接收機(jī)，臺(tái)站布局如圖1a，其中黃色線段為炮點(diǎn)，紅色圓圈為GPS點(diǎn)，7號(hào)點(diǎn)并址布設(shè)MEMS強(qiáng)震儀和Grulap強(qiáng)震儀。各點(diǎn)離炮點(diǎn)的距離為：1號(hào)點(diǎn)約5 m，2、3號(hào)點(diǎn)約13 m，4、5號(hào)點(diǎn)約20 m，6號(hào)點(diǎn)約25 m，7號(hào)點(diǎn)約50 m，8號(hào)點(diǎn)約100 m。為了進(jìn)一步驗(yàn)證高頻GPS確實(shí)能夠捕捉到近場(chǎng)爆破引起的地殼振動(dòng)信號(hào)，2014年6月23日在漳州華安實(shí)施人工爆破前，在爆破點(diǎn)附近布置了3臺(tái)NetR9 GPS接收機(jī)，點(diǎn)位分布圖如圖1b所示，其中黃色線段為炮點(diǎn)，紅色圓圈為GPS點(diǎn)，粉紅色為MEMS強(qiáng)震儀和Grulap強(qiáng)震儀位置，由于觀測(cè)條件比較復(fù)雜，考慮儀器安全，沒有進(jìn)行嚴(yán)格的并址觀測(cè)，但是兩者的距離都很近。各點(diǎn)離炮點(diǎn)

1.2 GPS數(shù)據(jù)處理方法

為了獲取高采樣率高精度的結(jié)果，本文采用短基線差分處理模式，選擇離炮點(diǎn)最近的福建GNSS基準(zhǔn)站（>30 km）為參考站，由于爆破源的能量衰減得非?？欤趨⒖颊靖浇捎诒圃匆鸬奈灰苹緸榱?。利用動(dòng)態(tài)歷元差分方法對(duì)1～8號(hào)點(diǎn)的50 Hz高頻GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，所采用的軟件為GAMIT/GLOBK程序中的track模塊（King，Bock，2002）。

為了探究實(shí)時(shí)高頻GPS解算結(jié)果的可靠性，采用IGS快速預(yù)報(bào)星歷來進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)解算，采用事后精密星歷進(jìn)行事后精密解算。解算結(jié)果如圖2所示，選取南靖1號(hào)點(diǎn)的高程方向的結(jié)果進(jìn)行展示，圖中紅色實(shí)線表示采用事后精密星歷處理的結(jié)果，而藍(lán)色虛線表示采用快速預(yù)報(bào)星歷處理的結(jié)果，不難看出，兩者吻合得非常好。因此，高頻GPS差分單歷元解在采用快速預(yù)報(bào)星歷與事后精密星歷得到的結(jié)果基本一致，這也說明采用快速預(yù)報(bào)星歷進(jìn)行高頻GPS實(shí)時(shí)解算結(jié)果的可靠性。

由于GPS測(cè)量所受的干擾信號(hào)源比較復(fù)雜，為了獲取更準(zhǔn)確的時(shí)間信號(hào)信息，對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行帶通濾波來去掉不需要的噪聲信號(hào)。為了能準(zhǔn)確地進(jìn)行噪聲濾波，首先對(duì)原始的觀測(cè)記錄進(jìn)行頻譜分析，找出爆破信號(hào)所集中的頻率范圍，然后再基于這個(gè)頻率范圍對(duì)原始結(jié)果進(jìn)行帶通濾波來消除其他噪聲信號(hào)。

如圖3所示，對(duì)離爆破點(diǎn)最近的1號(hào)點(diǎn)的高程方向原始信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，藍(lán)色、紫色和綠色分別為爆破前、爆破時(shí)和爆破后的信號(hào)頻譜曲線。不難發(fā)現(xiàn)，高頻GPS接收到的由爆破激發(fā)的地殼介質(zhì)震動(dòng)能量主要集中在0.2～2 Hz，2 Hz以后信號(hào)的能量與震前、震后噪聲基本疊加一致，因此，將對(duì)所有的觀測(cè)數(shù)據(jù)以0.2～2 Hz頻帶范圍進(jìn)行帶通濾波來獲取更好的信號(hào)信息。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果及討論

通過以上的觀測(cè)，分別得到了南靖和華安2個(gè)區(qū)域多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的記錄并對(duì)其進(jìn)行分析，從而定量給出超高頻GPS接收能力的評(píng)估。

2.1 南靖區(qū)域高頻GPS實(shí)驗(yàn)結(jié)果

南靖1號(hào)點(diǎn)布置在山體的石壁上，離炮點(diǎn)很近，其結(jié)果如圖4所示，可以看出南北和東西向的位移不明顯，高程向的位移很明顯，接近60 mm，圖中虛線是噪聲水平線，東西和南北方向?yàn)? mm，高程向?yàn)?0 mm。對(duì)1號(hào)點(diǎn)高程向位移進(jìn)行詳細(xì)分析如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)高程位移從14 s開始有一個(gè)脈沖，與并址布置的簡(jiǎn)易強(qiáng)震儀和Guralp高精度強(qiáng)震儀捕捉到的波形時(shí)間點(diǎn)是能夠?qū)?yīng)的， 簡(jiǎn)易強(qiáng)震儀和Guralp高精度強(qiáng)震儀的記錄數(shù)據(jù)如圖6所示，其中SM-104和SM-58為兩臺(tái)簡(jiǎn)易強(qiáng)震儀，Guralp-104為高精度強(qiáng)震儀。

通過對(duì)其他點(diǎn)的處理結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，3～5號(hào)點(diǎn)的位移波形在1時(shí)10分14秒都有所反應(yīng)，有的水平向比較明顯，有的高程向比較明顯，如圖7～8

2.2 華安區(qū)域高頻GPS實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用南靖試驗(yàn)相同的數(shù)據(jù)處理方式對(duì)華安地區(qū)的高頻GPS觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，同時(shí)，也對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行0.2～2 Hz頻帶范圍的帶通濾波。從華安1號(hào)點(diǎn)和2號(hào)點(diǎn)的處理結(jié)果圖中可以看到，起爆點(diǎn)的時(shí)間大概為1時(shí)00分17秒（圖9～10），與強(qiáng)震儀加速度波形捕捉到的起爆時(shí)刻是能夠?qū)?yīng)的（圖13～14），1號(hào)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)間比較長(zhǎng)，持續(xù)了近4 s，幅度南北向達(dá)到了12 mm，高程向接近16 mm。而從2號(hào)點(diǎn)的南北向位移更明顯接近16 mm，高程向位移達(dá)到了14 mm，對(duì)2號(hào)點(diǎn)的南北位移進(jìn)行了放大（圖11），從圖11中可以很明顯地看出高頻GPS確實(shí)捕捉到了爆破瞬間的波形（17～20 s），而3號(hào)點(diǎn)的處理結(jié)果并不明顯（圖12），

3 結(jié)論

本文利用2014年6月福建省地震局進(jìn)行的人 工爆破實(shí)驗(yàn)獲得的50 Hz超高頻GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并采用快速預(yù)報(bào)星歷以及事后精密星歷，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)和事后精密處理。通過近場(chǎng)的2次人工爆破高頻GPS實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：

（1）高頻GPS在差分處理模式下，其水平向噪聲大致為5 mm，垂直向大致為10 mm，如果地殼的振動(dòng)幅度超過高頻GPS噪聲水平，高頻GPS 能夠捕捉到近場(chǎng)地震引起的位移信號(hào)。

（2）高頻GPS差分單歷元解在采用快速預(yù)報(bào)星歷與事后精密星歷得到的結(jié)果基本一致，這也說明采用快速預(yù)報(bào)星歷進(jìn)行高頻GPS實(shí)時(shí)解算的結(jié)果的可靠性。

綜合高頻GPS的監(jiān)測(cè)能力，以及其基線漂移小，觀測(cè)穩(wěn)定的特點(diǎn)，高頻GPS記錄可以作為有效的“地震位移計(jì)”，對(duì)以記錄速度和加速度的地震儀起到很重要的補(bǔ)充作用，使得“GPS地震學(xué)”這一交叉學(xué)科具有很好的發(fā)展前景。特別是近場(chǎng) 強(qiáng)震儀由于地表傾斜的原因，其得到的水平向加速度通常都帶有地表傾斜的特征，從而導(dǎo)致積分后得到的位移出現(xiàn)嚴(yán)重的基線漂移，這給利用強(qiáng)震儀信號(hào)研究地震震源性質(zhì)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。相比而言，高頻GPS由于記錄的本身就是位移信號(hào)，因此，基線漂移比較小。如果將高頻GPS和強(qiáng)震 儀進(jìn)行并址觀測(cè)，采用高頻GPS校正強(qiáng)震儀信號(hào)的基線，那么就能夠得到無基線漂移的地表位移情況。另外，高頻GPS通常能夠接收到低頻甚至靜態(tài)位移信息，而強(qiáng)震儀的記錄則對(duì)高頻信號(hào)敏感。兩者之間存在明顯的互補(bǔ)性。綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，就能夠得到無基線漂移的寬 頻帶地震信息，從而大大提高對(duì)于地震震源性質(zhì)的研究。另外，高頻GPS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理結(jié)果，結(jié)合烈度計(jì)的記錄，將能夠在很大程度上提高地震烈度速報(bào)與地震預(yù)警的能力。因此，高頻GPS將能夠在未來的地震研究、地震預(yù)警方面發(fā)揮重要的作用。

感謝中國科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所的鄭勇研究員、李軍副研究員在本工作中的指導(dǎo)和幫助。

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