GNSS坐標(biāo)時(shí)序異常情況討論：以長寧地震為例

何福秀，劉 江，楊 洋，張 瀾

(四川省地震局，四川 成都 610041)

長期以來，四川GNSS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)為該區(qū)域中、短臨地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供了支持。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和GNSS臺(tái)站密度的不斷增加，未來GNSS觀測(cè)手段對(duì)該區(qū)域孕震環(huán)境及臨震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及做好震害防御工作仍將發(fā)揮作用。然而，受觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)質(zhì)量和背景地殼(表)運(yùn)動(dòng)等潛在影響，GNSS連續(xù)觀測(cè)時(shí)間序列會(huì)呈現(xiàn)出不同程度的擾動(dòng)，如何從綜合觀測(cè)中排除潛在的擾動(dòng)源，并最終提取出因地殼運(yùn)動(dòng)引起的變化信息是GNSS進(jìn)行地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵(Savage et al.，2001；江在森等，2003； Matsu’ura et al., 1986；馮蔚，2016)。在長寧地震之前，工作組第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并落實(shí)了距離其西南側(cè)約42 km處的筠連(JUNL)測(cè)站異常，并正式提交了異常核實(shí)報(bào)告。通過梳理這次成功的異常核實(shí)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供震例總結(jié)。

1 四川GNSS連續(xù)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)概況

由四川省地震局籌資建設(shè)的四川GNSS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)是中國最早實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化位置服務(wù)的連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)絡(luò)之一。該網(wǎng)絡(luò)始建于2002年，目前，該網(wǎng)絡(luò)共包含自建、承建、共享等連續(xù)運(yùn)行參考站109個(gè)，流動(dòng)觀測(cè)站點(diǎn)154個(gè)，科研合作觀測(cè)站點(diǎn)55個(gè)。其中，就連續(xù)運(yùn)行參考站點(diǎn)而言，四川省地震局自建站點(diǎn)36個(gè)，承建中國大陸環(huán)境構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)25個(gè)，共享四川省測(cè)繪局連續(xù)站點(diǎn)50個(gè)，共享中國地震局監(jiān)測(cè)司站點(diǎn)4個(gè)。全網(wǎng)覆蓋范圍約48萬平方千米，平均間距約70 km，是目前國內(nèi)覆蓋面積最大的集毫米級(jí)靜態(tài)定位、厘米/分米級(jí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位等多種位置服務(wù)功能于一體的綜合型GPS網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)系統(tǒng)之一。

2 異常調(diào)查與分析

2.1 GNSS坐標(biāo)時(shí)序分析

本文基于GAMIT/GLOBK軟件獲取GNSS測(cè)站在歐亞框架下的坐標(biāo)時(shí)間序列，并去除了共模誤差、年周期項(xiàng)及水平方向的線性運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)(速度)，呈現(xiàn)測(cè)站自身序列的變化特征。

圖1a為JUNL站2017年1月1日至2019年8月11日坐標(biāo)時(shí)間序列。將近兩年的坐標(biāo)時(shí)間序列結(jié)果放在同一圖中進(jìn)行疊加對(duì)比，更能直觀形象的看出單站坐標(biāo)時(shí)間序列運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的改變。作為對(duì)比分析，圖1b為理想情況下的GNSS時(shí)間序列特性(ANYU站)，即，最新數(shù)據(jù)結(jié)果與背景運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)吻合良好，無顯著趨勢(shì)變化。2019年6月17日長寧發(fā)生MS6.0級(jí)地震。由圖1a可知，在震前約60天(2019年4月5日，虛線框)，筠連(JUNL)GNSS連續(xù)觀測(cè)站(距離震中西南方向約42 km)坐標(biāo)時(shí)間序列東方向開始出現(xiàn)顯著異常轉(zhuǎn)折。該站坐標(biāo)時(shí)間序列到5月中旬變化量值約10 mm，然后又逐漸回轉(zhuǎn)。異?；剞D(zhuǎn)期間，發(fā)生了長寧MS6.0地震，隨后，JUNL坐標(biāo)時(shí)間序列逐漸回歸到正常波動(dòng)水平。

圖1 JUNL站(a)、ANYU站(b)2017年1月1日至2019年8月11日坐標(biāo)時(shí)間序列

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)

筠連(JUNL)GNSS基準(zhǔn)站位于四川省筠連縣筠連鎮(zhèn)，建站時(shí)間為2008年11月，站址設(shè)在石灰?guī)r層上，處在筠連背斜軸部，附近無大的斷裂分布，屬構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域。針對(duì)時(shí)間序列表現(xiàn)出的異常，對(duì)該站數(shù)據(jù)質(zhì)量做內(nèi)業(yè)檢測(cè)，包括多路徑效應(yīng)分析和異常前后天空殘差視圖對(duì)比分析。

(1)多路徑效應(yīng)分析。多路徑誤差是由于衛(wèi)星信號(hào)在傳播過程中，遇到反射物后經(jīng)過反射的信號(hào)與直射信號(hào)產(chǎn)生干涉，天線接收到干涉后的組合信號(hào)，從而使觀測(cè)值與真值產(chǎn)生偏差(Counselman，1998；宋樂，2015)。多路徑效應(yīng)誤差是與測(cè)站所處環(huán)境相關(guān)的誤差，在不同環(huán)境下多路徑效應(yīng)誤差的大小有所不同(楊哲等，2010)，由于其復(fù)雜性和特殊性，難以在數(shù)據(jù)解算過程中進(jìn)行消除，但考慮到站點(diǎn)周邊觀測(cè)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定，可以通過殘差分析多路徑效應(yīng)的影響變化。圖2為JUNL站2019年多路徑效應(yīng)誤差變化圖，MP1、MP2在0.3上下波動(dòng)，整體小于0.40，且從變化趨勢(shì)上看也沒有明顯的擾動(dòng)，說明JUNL站數(shù)據(jù)質(zhì)量合格，無多路徑效應(yīng)影響，可排除樹木、建筑遮擋等環(huán)境干擾影響(趙傳華等，2013)。作為對(duì)比，圖3展示了基于TEQC軟件計(jì)算四川寧南(SCNN)站原始GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)中兩個(gè)波段(L1、L2)的單天多路徑值(MP1、MP2)總體變化情況?？梢姡撜军c(diǎn)2018年前三個(gè)季度多路徑效應(yīng)比冬季強(qiáng)烈，在夏末秋初出現(xiàn)明顯增強(qiáng)(圖3第150天至第271天之間)，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)解算質(zhì)量，使得該站坐標(biāo)時(shí)序出現(xiàn)了同步異常擾動(dòng)(見圖4)。從現(xiàn)場(chǎng)異常核實(shí)(見圖5)結(jié)果看，該站點(diǎn)樹木遮擋嚴(yán)重，屋頂有積水，進(jìn)行清理后，多路徑效應(yīng)明顯下降(見圖3，第271天后)，同時(shí)坐標(biāo)時(shí)序的異常變化也得到恢復(fù)。

(2)天空殘差分析。天空殘差視圖反映了因降雨、多路徑效應(yīng)、衛(wèi)星軌道等引起的綜合觀測(cè)誤差影響。圖6為JUNL站2019年第139天全天接收到的衛(wèi)星運(yùn)行軌道情況及其軌道殘差，每隔4 h輸出一次。該圖直觀的表達(dá)了JUNL站2019年第139天綜合觀測(cè)殘差大小及分布情況，通過對(duì)比GNSS異常信號(hào)產(chǎn)生前后，這種綜合環(huán)境影響是否發(fā)生顯著變化，可以排除觀測(cè)環(huán)境干擾影響。

圖8為隨機(jī)選取的異常發(fā)生前(見圖7a、7b)、異常期間(見圖7c、7d)共4天的天空殘差視圖對(duì)比，筠連站2019年第79、80、139、140天天空殘差RMS分別為6.4 mm、6.5 mm、6.5 mm、6.1 mm，可見，異常發(fā)生前后這種綜合環(huán)境影響的變化并不顯著。

圖5 SCNN站2018年觀測(cè)環(huán)境圖(a為2018年3月巡檢圖片；b為2018年9月28日異常核實(shí)圖片；c為2018年9月29日進(jìn)行樹木砍伐和積水處理后圖片)

圖4 SCNN站2017年1月1日至2019年8月11日坐標(biāo)時(shí)間序列

圖6 JUNL站2019年第139天天空殘差視圖

圖7 JUNL站2019年第79天(a)、80天(b)、139天(c)、140天(d)天空殘差視圖

2.3 現(xiàn)場(chǎng)異常核實(shí)

一旦發(fā)現(xiàn)時(shí)間序列異常變化，除了根據(jù)上述分析方法做數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)外，還需赴測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)，檢測(cè)儀器工作狀態(tài)、調(diào)查環(huán)境干擾情況，排查如樹木遮擋、建筑物遮擋、降雨、人類活動(dòng)等異常，為判斷異常擾動(dòng)源和最終獲取“干凈的”地殼形變信息提供保障。根據(jù)中國地震局監(jiān)測(cè)司《形變學(xué)科觀測(cè)資料異常變化現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)工作報(bào)告編寫要求(修訂)》，異常核實(shí)流程包括：①儀器工作狀態(tài)檢查：檢查GPS接收機(jī)、天線、連接電纜、高頻饋線防雷器、儀器供電系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、人員操作、日志記錄等情況。②環(huán)境干擾情況調(diào)查：調(diào)查GPS觀測(cè)墩異常情況；調(diào)查在異常變化前后周邊有無大型的施工作業(yè)，如工程施工、礦產(chǎn)開采、爆破、磁暴及空間天氣變化等，以及河道水位、水庫庫容量、地下水開采引起的地面沉降漏斗等變化情況；調(diào)查附近有無較強(qiáng)電磁干擾；調(diào)查觀測(cè)點(diǎn)各方向視線高度角15°以上有無高大建筑物或樹木等阻擋物；調(diào)查常見多路徑效應(yīng)的影響因素。③氣象因素調(diào)查：收集異常測(cè)點(diǎn)或附近氣象信息，如溫度、氣壓、降水量等；收集異常測(cè)點(diǎn)或附近一定范圍內(nèi)的地下水位資料、旱澇情況。

圖8 JUNL站觀測(cè)室內(nèi)圖

筠連GNSS站點(diǎn)接收及天線設(shè)備分別為Trimble NetR9和GNSS-Ti Choke Ring R8，近兩年未進(jìn)行設(shè)備更換。自建站以來，站點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，為排除環(huán)境、人為等因素干擾，臺(tái)站工作人員于2019年5月23日前往該站做異常核實(shí)。硬件方面，通過對(duì)GPS接收機(jī)、天線、連接電纜、高頻饋線防雷器、儀器供電系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、人員操作、日志記錄等進(jìn)行排查，表明近期JUNL站所有設(shè)備運(yùn)行正常(見圖8)。環(huán)境方面，從現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果看，GNSS觀測(cè)墩無異常情況，觀測(cè)點(diǎn)環(huán)視高度角15°以上無高大建筑物和樹木遮擋(見圖9)。天氣方面，異常變化前后，沒有明顯的氣候變化。通過詢問地震臺(tái)工作人員，在近兩個(gè)月，附近施工的場(chǎng)地有：①距觀測(cè)墩直線距離約70 m山腳下的水池邊有一次鉆孔(圖10a)；②水池旁邊修建了一個(gè)垃圾房(圖10b)；③距離觀測(cè)墩直線距離約1 km的路面上，有下水道施工(圖10c)。由于JUNL站建站以來，附近修建過幾次房屋，并未對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生過影響，所以水池鉆孔和垃圾房的修建基本不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)造成影響；據(jù)當(dāng)?shù)厝藛T介紹，該路段斷斷續(xù)續(xù)已修建幾年，2019年開始動(dòng)工的時(shí)間為5月18日，與異常轉(zhuǎn)折開始時(shí)間相差較大，且在數(shù)據(jù)異常期間，路面上沒有頻繁施工，因此可以排除路段施工影響。

圖9 GNSS天線遠(yuǎn)視圖

圖10 距離觀測(cè)墩約70 m的山腳下一水池鉆孔(a)、新修垃圾房(b)、 距GNSS觀測(cè)墩直線距離約1 km的在建路面(c)

2.4 地震活動(dòng)分析

圖11為JUNL站附近50 km范圍2019年1月1日至2019年6月15日0級(jí)以上地震分布圖，可見筠連站東北側(cè)約30 km處有一個(gè)震群，長寧MS6.0地震震中位置距筠連站約42 km，位于震群震區(qū)內(nèi)。圖12為該震群2019年1月1日至2019年6月15日的M-T圖和頻度圖(月頻度)，其中，M-T圖體現(xiàn)了地震震級(jí)和時(shí)間的關(guān)系，而頻度圖直觀展示每月發(fā)震頻率。該震群2019年1～5月發(fā)震月頻度最高達(dá)272次，最低125次，可見該區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)比較活躍。因此，結(jié)合GNSS觀測(cè)資料分析，工作組認(rèn)為JUNL站東方向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)發(fā)生的異常轉(zhuǎn)折與該區(qū)域小震頻發(fā)現(xiàn)象應(yīng)高度重視，并做出了該GNSS站點(diǎn)時(shí)間序列異常與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)的判斷，提交了異常核實(shí)報(bào)告。

圖11 2019年1月1日至2019年6月15日筠連站附近50 km地震分布

圖12 2019年1月1日至2019年6月15日長寧區(qū)域地震M-T圖和頻度圖

3 結(jié)論與討論

2019年6月17日長寧發(fā)生MS6.0地震，在震前約60天，筠連GNSS測(cè)站(震中西南方約42 km處)坐標(biāo)時(shí)間序列東方向開始發(fā)生異常變化，最大量值達(dá)到10 mm。從多路徑效應(yīng)分析、天空殘差分析等內(nèi)業(yè)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果排除數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，通過現(xiàn)場(chǎng)異常核實(shí)排除了設(shè)備故障和外部環(huán)境干擾因素，同時(shí)鑒于緊挨筠連臺(tái)站的長寧珙縣震群地震活動(dòng)活躍，因此，綜合判定該站異常與地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或區(qū)域應(yīng)力活動(dòng)有關(guān)，為本次地震的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供了科學(xué)依據(jù)。