東日本大地震對(duì)IGS觀測(cè)站位置影響的分析

趙槊，金鑫，鄒定杰，李成鋼

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部，天津 300451；2.深圳中海油服深水技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

東日本大地震對(duì)IGS觀測(cè)站位置影響的分析

趙槊1，金鑫1，鄒定杰2，李成鋼2

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部，天津 300451；2.深圳中海油服深水技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

為了研究東日本Mw9.0級(jí)大地震對(duì)IGS觀測(cè)站位置的影響。采用BERNESE軟件OBS-MAX的基線生成方式和最小約束解的網(wǎng)平差基準(zhǔn)定義方法，對(duì)日本及周邊地區(qū)在東日本大地震前后各2.5年的23個(gè)IGS觀測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，并采用多項(xiàng)式擬合的方法，對(duì)IGS觀測(cè)站在地震前后的位置及運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：東日本大地震的影響范圍較大，2700km外的wuhn站也有5mm的同震位移，其中位移最大的兩個(gè)站usud站和mtka站的同震位移分別為233mm和260mm；地震對(duì)日本和韓國(guó)地區(qū)IGS觀測(cè)站位置的線性變化產(chǎn)生了明顯的影響，并且發(fā)現(xiàn)線性變化的大小與同震位移的大小成正相關(guān)關(guān)系。

東日本大地震；IGS；時(shí)間序列；同震形變；運(yùn)動(dòng)速度

2011年3月11日，日本東北地區(qū)太平洋近海發(fā)生了里氏9．0級(jí)地震，震源位于仙臺(tái)市以東太平洋海域約130km處，距離海面10km，地震及其所引發(fā)的海嘯造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。日本位于環(huán)太平洋地震帶上，是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，該次地震是由于太平洋板塊和北美板塊發(fā)生碰撞所引起。地震發(fā)生后，相關(guān)學(xué)者對(duì)日本境內(nèi)IGS站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析，結(jié)果顯示MIZU站產(chǎn)生了向東2m、向南1m的位移。

隨著GNSS技術(shù)的發(fā)展，其在地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。IGS（International GNSS Service）是由國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)（IAG）為了支持大地測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)研究組建的國(guó)際協(xié)作組織。它提供各跟蹤站的GNSS觀測(cè)資料和IGS的各種產(chǎn)品，為大地測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)研究服務(wù)；廣泛支持各國(guó)政府和各單位組織的相關(guān)活動(dòng)；研究制定必要的標(biāo)準(zhǔn)和細(xì)則。借助IGS觀測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以研究地震對(duì)連續(xù)運(yùn)行的GNSS觀測(cè)站所造成影響，從而減輕其對(duì)相關(guān)科研和生產(chǎn)活動(dòng)的影響。目前國(guó)際上主要采用的高精度GNSS數(shù)據(jù)處理軟件主要有瑞士伯爾尼大學(xué)的BERNESE軟件、美國(guó)麻省理工學(xué)院的GAMIT軟件和美國(guó)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的GIPSY軟件。IGS觀測(cè)站分布較為稀疏，站間距離較遠(yuǎn)并且距離的長(zhǎng)度相差較大，因此通過(guò)綜合考慮，選取BERNESE軟件作為數(shù)據(jù)處理軟件。

1 IGS觀測(cè)站的選取及數(shù)據(jù)解算方法

選取了日本、俄羅斯、韓國(guó)和中國(guó)的23個(gè)IGS觀測(cè)站，其分布如圖1所示。

圖1 東日本大地震周邊部分IGS觀測(cè)站點(diǎn)位分布圖

在BERNESE軟件中可以采用多種方法生成獨(dú)立基線和定義基準(zhǔn)。對(duì)于長(zhǎng)基線且基線長(zhǎng)度相差較大的情況下采用OBS-MAX獨(dú)立基線比采用SHOREST獨(dú)立基線生成的坐標(biāo)的精度要高。研究大地震對(duì)IGS觀測(cè)站位置的影響，需要對(duì)地殼形變和板塊內(nèi)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，因此在基準(zhǔn)定義方法方面采用較為松弛的坐標(biāo)約束條件，由此可以減少由基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)誤差所引起的GNSS網(wǎng)的變形，從而獲得較高的相對(duì)定位精度。因此采用OBS-MAX的方法生成基線，在網(wǎng)平差基準(zhǔn)定義方法上采用最小約束解的方法。

采用BERNESE軟件對(duì)選取的IGS觀測(cè)站在地震前后各兩年半的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到IGS觀測(cè)站的GNSS單日原始坐標(biāo)時(shí)間序列產(chǎn)品。

2 數(shù)據(jù)處理及分析

解算得到的GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列產(chǎn)品存在著粗差，并且由于IGS觀測(cè)站數(shù)據(jù)存在缺失，從而造成時(shí)間序列存在著中斷。因此需要對(duì)解算得到的GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，對(duì)平面精度大于4mm、豎直精度大于20mm的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，對(duì)于缺失的數(shù)據(jù)采用三次樣條插值函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)全。

2.1 同震形變

由于存在著彈性形變，因此同震形變是利用地震發(fā)生前后各7天的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出地震發(fā)生前后的坐標(biāo)，通過(guò)地震發(fā)生前的坐標(biāo)減去地震發(fā)生后的坐標(biāo)而獲得。下面選取了7個(gè)具有一定代表性的IGS觀測(cè)站在N、E、U3個(gè)方向上的同震形變，見(jiàn)表1。

表1 東日本大地震IGS觀測(cè)站同震形變

這次地震中，距離震中較近的usud、mtka站的同震位移最大，達(dá)到200mm以上，但距離震中只有140km的p205站的同震位移卻只有5mm。位于韓國(guó)的2個(gè)IGS跟蹤站的同震形變也比較大，達(dá)到了20mm以上。位于中國(guó)的IGS站點(diǎn)也有較明顯的同震形變，例如距離震中2700km的wuhn站也有約5mm的同震形變，且距離震中越近，同震形變也就越大。

2.2 IGS觀測(cè)站運(yùn)動(dòng)速度的變化

IGS基準(zhǔn)站點(diǎn)位的時(shí)間序列變化主要分為線性變化、周期變化和突然變化。根據(jù)SOPAC給出的IGS基準(zhǔn)站運(yùn)動(dòng)模型，采用正弦、余弦函數(shù)描述測(cè)站的年周期、半年周期變化，將測(cè)站沿N、E、U方向的運(yùn)動(dòng)按下式建模：

式中，表示日坐標(biāo)解歷元，以年為單位的時(shí)間。在這里我們以每日的單日解構(gòu)成時(shí)間序列。待求的系數(shù)為測(cè)站平均位置，b為線性速率，c、d和e、f分別為年周期和半年周期項(xiàng)的系數(shù)，表示由于各種原因引起的階躍式的坐標(biāo)突變，表示跳變個(gè)數(shù)，表示發(fā)生跳變的歷元，為海維西特階梯函數(shù)（Heaviside step function），在時(shí)刻之前的值為0，在此時(shí)刻之后的值為1，為觀測(cè)噪聲。

從上述的擬合方法對(duì)IGS觀測(cè)站在地震前后各2．5年的坐標(biāo)時(shí)間序列進(jìn)行擬合分析，由于篇幅原因只列出了部分IGS觀測(cè)站時(shí)間序列的擬合結(jié)果，見(jiàn)表2。

在線性運(yùn)動(dòng)方面，同震形變最大的usud站和mtka站在地震前后各個(gè)坐標(biāo)分量上變化也是最大的，日本地區(qū)的其他IGS觀測(cè)站坐標(biāo)線性速度雖然都有一定的變化但變化，相對(duì)較??；韓國(guó)地區(qū)的IGS觀測(cè)站坐標(biāo)在E方向，也就是震源方向上有較大的變化；而位于中國(guó)地區(qū)的IGS觀測(cè)站由于距離震中較遠(yuǎn)，雖然地震發(fā)生時(shí)有輕微震感，但并未影響到IGS觀測(cè)站的線性運(yùn)動(dòng)。

在周期運(yùn)動(dòng)方面，由于周期運(yùn)動(dòng)主要受溫度、固體潮、海潮等因素的影響，而受地殼移動(dòng)的影響很小，因而除了usud站和mtka站外，其他的IGS觀測(cè)站在地震前后的周期運(yùn)動(dòng)上變化不大。

3 結(jié)語(yǔ)

基于日本及周邊地區(qū)的23個(gè)IGS觀測(cè)站在地震前后各2．5年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)東日本大地震對(duì)IGS觀測(cè)站的位置影響做了分析，獲得以下結(jié)論。

（1）東日本大地震對(duì)IGS觀測(cè)站位置的影響較大，即使2700km外的wuhn站，也有5mm的同震位移，其中usud站和mtka站的同震位移最大，分別為233mm和260mm，但距離震中僅140km的p205站僅有5mm的同震位移，其余IGS觀測(cè)站的同震位移大致隨著震中距的增加而減少。

（2）東日本大地震對(duì)日本和韓國(guó)地區(qū)的IGS觀測(cè)站線性運(yùn)動(dòng)有較為明顯的影響，且對(duì)線性運(yùn)動(dòng)變化的大小與同震位移的大小成正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于周期運(yùn)動(dòng)除去同震位移最大的2個(gè)IGS觀測(cè)站外，其他的IGS觀測(cè)站不受東日本大地震的影響。

[1]王敏，李強(qiáng)，王凡等．全球定位系統(tǒng)測(cè)定的2011年日本宮城Mw9．0級(jí)地震遠(yuǎn)場(chǎng)同震位移[J]．科學(xué)通報(bào)，2011,56(20):1593-1596．

[2]顧國(guó)華．GNSS(GPS)觀測(cè)研究地殼運(yùn)動(dòng)的新進(jìn)展[J]．國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，2007(7)：9-14．

P288；P315.7

A

1671-0711（2017）10（下）-0162-02