基于高頻GPS的沂沭斷裂帶兩側(cè)震時(shí)位移分析

吳玉鑫，韓保民，徐工

(山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院,山東 淄博 255049)

沂沭斷裂帶位于郯廬斷裂帶主體的北側(cè)，與郯廬斷裂帶主體相連成一線，是一條延伸長(zhǎng)、規(guī)模大、切割深、活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的復(fù)雜斷裂帶。該斷裂帶是山東省區(qū)域地質(zhì)的重要分界線，把山東分為地質(zhì)上所說的魯東、魯西兩大塊。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為了在全世界范圍內(nèi)更好地進(jìn)行地球動(dòng)力學(xué)和地球物理學(xué)等學(xué)科研究，國(guó)際GNSS服務(wù)組織在全球范圍內(nèi)設(shè)立了若干個(gè)GPS觀測(cè)站，并且已經(jīng)構(gòu)成了連續(xù)的跟蹤站網(wǎng)絡(luò)。許多國(guó)家及部分地區(qū)為了精確地掌握地表變化情況，實(shí)時(shí)檢測(cè)地震活動(dòng)并且進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)防，也都開始建立用于特定領(lǐng)域或可綜合運(yùn)用的觀測(cè)站，并且相互之間構(gòu)成了GPS連續(xù)運(yùn)行的參考站網(wǎng)。中國(guó)為了監(jiān)測(cè)災(zāi)害天氣、海平面的變化以及有關(guān)地震活動(dòng)，已經(jīng)在沿海地區(qū)布設(shè)了多個(gè)能夠持續(xù)運(yùn)行的GPS觀測(cè)站，這些觀測(cè)站所提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于研究沿海地區(qū)以及陸地地表變化有重要的作用。探究此次日本地震對(duì)山東所處塊體的影響，以及在此影響下，沂沭斷裂帶在地震期間發(fā)生了怎么樣的運(yùn)動(dòng)變化及在之后的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)有什么樣的位移變化趨勢(shì)，對(duì)研究沂沭斷裂帶的運(yùn)動(dòng)發(fā)展規(guī)律以及地質(zhì)構(gòu)造有重要的參考作用，可為地震震源機(jī)制解提供重要的約束參數(shù)，為判斷該地區(qū)的地震變化趨勢(shì)及實(shí)施防震抗震措施提供依據(jù)。除此之外，研究沂沭斷裂帶兩側(cè)地表的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及該地區(qū)的地震活動(dòng)性對(duì)于社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也有著至關(guān)重要的作用。

本文將結(jié)合沂沭斷裂帶兩側(cè)的觀測(cè)站在日本2011年3月11日地震期間采集的高頻GPS信號(hào)，利用GAMIT/TRACK對(duì)其進(jìn)行解算，并對(duì)各個(gè)測(cè)站之間進(jìn)行基線分析，選擇出最佳觀測(cè)站作為最優(yōu)GPS解，利用解算結(jié)果分析與總結(jié)各個(gè)觀測(cè)站的三維位移變化規(guī)律。

1 解算原理

1.1 TRACK解算原理

GAMIT中有許多不同的模塊，TRACK是其中可以用來動(dòng)態(tài)定位的一個(gè)模塊。TRACK通過原始觀測(cè)文件中的偽距觀測(cè)量來得到之后要用到的初始值，再采用相對(duì)值的方法，利用卡方增量法對(duì)載波相位L1和L2整周模糊度的最優(yōu)結(jié)果與次優(yōu)結(jié)果進(jìn)行相互比較。如果最優(yōu)值的卡方影響小于次優(yōu)值，那么這個(gè)整周模糊度就可以確定是整數(shù)，然后再使用迭代的方法進(jìn)行計(jì)算，一直到將更多其他歷元的模糊度都解算出來，最后再通過卡爾曼濾波修正對(duì)流層延遲參數(shù)和未解決的模糊度參數(shù)，解算出想要的結(jié)果。

由于研究區(qū)的范圍比較大，相對(duì)應(yīng)的GPS觀測(cè)網(wǎng)屬于中大尺度觀測(cè)網(wǎng)，各個(gè)站點(diǎn)之間的距離超過了100 km，其處理過程比較復(fù)雜，要想對(duì)其進(jìn)行解算也相對(duì)比較困難，因此TRACK模塊會(huì)使用MW-WL組合模型的方法來進(jìn)行電離層干擾的消除，從而解算出最優(yōu)的模糊度解[1-4]。MW-WL組合，即相位寬巷組合(MW)和偽距窄巷組合(WL)之差，是由Wubbena和Melbourne在1985年分別提出來的，詳細(xì)的計(jì)算公式如下：

M+e，

(1)

式中：φi為雙頻相位觀測(cè)值；Ri為雙頻偽距觀測(cè)值；fi為頻率(i=1,2)；c為光速；M為偽距多路徑；e為觀測(cè)噪聲。

MW-WL組合由雙頻相位觀測(cè)值和偽距碼組成，對(duì)于GPS觀測(cè)量來說，Δf/Σf≈0.124，這表明其距離噪聲減小了約1個(gè)數(shù)量級(jí)。GPS信號(hào)從發(fā)射到傳播，直到最終到達(dá)接收機(jī)，在此過程中會(huì)受到各種誤差源以及各種物理效應(yīng)和地球引力的影響。由公式(1)可以看出來，該組合減小了幾何距離、電離層、對(duì)流層以及鐘差等的影響，但是仍然受到偽距多路徑M和觀測(cè)噪聲e的影響。

1.2 高頻GPS解算過程

在處理高頻GPS數(shù)據(jù)時(shí)選擇GAMIT/TRACK軟件會(huì)得到相對(duì)較高精度的解算結(jié)果，但是最終解算結(jié)果的精度也會(huì)受到觀測(cè)站選取的影響。關(guān)于怎樣選取觀測(cè)站才能獲得高精度的解算結(jié)果，許多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。尹繼堯[4]通過處理北京的GPS連續(xù)觀測(cè)網(wǎng)并對(duì)此進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：在相對(duì)理想的情況下，一般選擇4個(gè)觀測(cè)站就能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，并且能夠能到較高精度的解算結(jié)果；但是對(duì)于觀測(cè)條件較差，所得觀測(cè)數(shù)據(jù)不太理想的情況下，要得到所需要的高精度解算結(jié)果最好是增加所使用觀測(cè)站的數(shù)目。鄔熙娟等[5]通過對(duì)相對(duì)小區(qū)域的GPS網(wǎng)進(jìn)行解算并分析，最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，6～7個(gè)均勻且分布在測(cè)區(qū)附近的觀測(cè)站為較理想的觀測(cè)站數(shù)目。在此基礎(chǔ)上，劉小明等[6-10]通過對(duì)用于各個(gè)方面的GPS網(wǎng)進(jìn)行了仔細(xì)的研究，最終的結(jié)果也表明，在解算高頻GPS數(shù)據(jù)時(shí)選取6～7個(gè)觀測(cè)站所得到的是最為理想的結(jié)果，所以在此次數(shù)據(jù)處理中，選取6個(gè)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算并對(duì)此進(jìn)行分析與研究[11-13]。本次實(shí)驗(yàn)選取6個(gè)觀測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，分別為SDCY(山東昌邑)、SDJX(山東嘉祥)、SDLY(山東臨沂)、SDYT(山東煙臺(tái))、SDZB(山東淄博)、TAIN(泰安)。觀測(cè)數(shù)據(jù)從2011年3月11日5時(shí)50分0.00秒—2011年3月11日6時(shí)4分59.98秒。采用igs精密星歷，觀測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)度為15 min，數(shù)據(jù)的采樣間隔為0.02 s。

2 精度分析

2.1 精度分析方法

1)計(jì)算流動(dòng)站的坐標(biāo)。以基準(zhǔn)站的概略坐標(biāo)(approximate position)以及解算出來的N、E、U三個(gè)方向上的變化為基礎(chǔ)，計(jì)算出其他觀測(cè)站的坐標(biāo)。以SDCY為基準(zhǔn)站，計(jì)算SDJX的坐標(biāo)公式如下：

Xsdcysdjx=APXsdcy+dNsdcysdjx，

(2)

Ysdcysdjx=APYsdcy+dEsdcysdjx，

(3)

Zsdcysdjx=APZsdcy+dUsdcysdjx，

(4)

式中：Xsdcysdjx、Ysdcysdjx、Zsdcysdjx為以SDCY為基準(zhǔn)站計(jì)算所得的SDJX的X、Y、Z坐標(biāo)；APXsdcy、APYsdcy、APZsdcy為SDCY站X、Y、Z方向的概略坐標(biāo)；dNsdcysdjx、dEsdcysdjx、dUsdcysdjx為GAMIT/TRACK為解算出來的N方向的分量變化。其他各觀測(cè)站的坐標(biāo)計(jì)算如上。

2)計(jì)算各個(gè)觀測(cè)站的標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)每個(gè)觀測(cè)站計(jì)算出來的坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差的運(yùn)算。以SDYC為基準(zhǔn)站，計(jì)算SDJX坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差公式如下：

(5)

(6)

(7)

3)計(jì)算點(diǎn)位誤差。每個(gè)觀測(cè)站會(huì)計(jì)算出X、Y、Z三個(gè)方向的標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)它們進(jìn)行點(diǎn)位誤差的運(yùn)算。以SDCY為基準(zhǔn)站計(jì)算所得SDJX坐標(biāo)的點(diǎn)位誤差計(jì)算公式如下：

(8)

式中：σsdcysdjx為以SDCY為基準(zhǔn)站計(jì)算所得SDJX的X、Y、Z坐標(biāo)的點(diǎn)位誤差，其他各觀測(cè)站的點(diǎn)位誤差計(jì)算如上。

4)計(jì)算基準(zhǔn)站的點(diǎn)位誤差的均值。

(9)

2.2 精度計(jì)算

把6個(gè)觀測(cè)站分別作為基準(zhǔn)站，剩余的5個(gè)觀測(cè)站作為流動(dòng)站并且分別于基準(zhǔn)站構(gòu)成單基線，最終解算出6套結(jié)果數(shù)據(jù)。在計(jì)算出來的結(jié)果中包含著6個(gè)結(jié)果文件，其中以觀測(cè)站本身命名的結(jié)果文件中的數(shù)值全部為0，剩余其他的結(jié)果文件中就包括觀測(cè)的時(shí)間、觀測(cè)的時(shí)間間隔以及該流動(dòng)站相對(duì)于基準(zhǔn)站在觀測(cè)期間N、E、U三個(gè)方向上的位移分量。下面以SDCY作為基準(zhǔn)站，其他5個(gè)觀測(cè)站作為流動(dòng)站解算出來的結(jié)果為例進(jìn)行詳細(xì)的分析說明。由SDCY觀測(cè)文件中可以獲取基準(zhǔn)站的概略坐標(biāo)XYZ，然后再根據(jù)結(jié)果文件中的N、E、U三個(gè)方向的分量計(jì)算出各個(gè)流動(dòng)站的坐標(biāo)，再計(jì)算出每個(gè)觀測(cè)站坐標(biāo)的中誤差以及點(diǎn)位誤差。按照以上步驟將剩余5個(gè)觀測(cè)站的結(jié)果數(shù)據(jù)也進(jìn)行同樣的處理。

各個(gè)觀測(cè)站進(jìn)過計(jì)算所得的點(diǎn)位誤差以及點(diǎn)位誤差的均值見表1、表2。

表1 各個(gè)觀測(cè)站的點(diǎn)位誤差Tab.1 Position errors of each observation station 單位：m

表2 各個(gè)基準(zhǔn)站的點(diǎn)位誤差平均值 Tab.2 Average position error of each reference station 單位：m

3 運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

經(jīng)過精度分析，將穩(wěn)定性相對(duì)較好的SDJX站作為基準(zhǔn)站，之后利用以SDJX為基準(zhǔn)站計(jì)算所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行其他各個(gè)觀測(cè)站的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析。

3.1 永久位移

要想知道觀測(cè)站在開始記錄數(shù)據(jù)與停止記錄數(shù)據(jù)時(shí)的瞬時(shí)位置變化，就要進(jìn)行永久位移的分析，把最后時(shí)刻觀測(cè)站的位置坐標(biāo)與起始時(shí)刻觀測(cè)站的位置坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)算，得到觀測(cè)站的永久位移。

從表3可以看出在N方向上SDLY觀測(cè)站的永久位移變化最大，SDYT觀測(cè)站的變化最?。辉贓方向上TAIN觀測(cè)站的永久位移變化最大，SDZB觀測(cè)站的變化最??；U方向上SDZB觀測(cè)站的永久位移變化最大，SDYT觀測(cè)站的變化最小。各測(cè)站在東西方向和垂直方向發(fā)生的位移總變化較大，在南北方向受到的影響較小。

表3 以SDJX為基準(zhǔn)站其他五個(gè)觀測(cè)站在N、E、U三個(gè)方向上的永久位移Tab.3 Permanent displacements of other five observation stations in three directions of N、E、U with SDJX as reference station 單位：m

3.2 震時(shí)位移

3.2.1N、E、U三個(gè)方向上的震時(shí)位移變化

在計(jì)算過程中將各個(gè)觀測(cè)站的所有坐標(biāo)全部減去該觀測(cè)站開始記錄時(shí)的第一個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為了將各個(gè)觀測(cè)站的變化曲線區(qū)分開來，又在上述計(jì)算所得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分別加上了不同的數(shù)值數(shù)，圖1為各個(gè)觀測(cè)站在N、E、U三個(gè)方向上的位移變化情況，其中圖1a、圖1b、圖1c分別為各個(gè)觀測(cè)站在N、E、U方向上的震時(shí)位移變化。

(a)N方向

從圖1a可以看出在N方向上SDYT觀測(cè)站最先受到影響開始發(fā)生位移的變化，接著SDCY觀測(cè)站開始變化，剩余三個(gè)觀測(cè)站發(fā)生位移變化的時(shí)間相隔較短，在整個(gè)觀測(cè)過程中，TAIN和SDLY總體向北方向移動(dòng)，其他三個(gè)觀測(cè)站總體上向南方向變化。從圖1b可以看出SDYT最先發(fā)生明顯的位移變化，各個(gè)觀測(cè)站位移變化的最高峰都出現(xiàn)在400～550 s之間，在整個(gè)觀測(cè)過程中，SDLY和TAIN總體上向東方向移動(dòng)，其他三個(gè)觀測(cè)站總體上發(fā)生了西方向的位移變化。從圖1c可以看出SDCY和SDYT最先受到影響開始發(fā)生位移的變化，其他三個(gè)觀測(cè)站位移開始發(fā)生明顯變化的時(shí)間大致相同。在500 s左右的時(shí)候各個(gè)觀測(cè)站達(dá)到了位移變化的一個(gè)波峰，在整個(gè)觀測(cè)過程中，SDZB和TAIN有垂直地面向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，位移逐漸垂直地面向上變化，其余三個(gè)觀測(cè)站有垂直地面下移的趨勢(shì)。

3.2.2 三維位移變化

圖2為各基準(zhǔn)站的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，其中圖2a、圖2b、圖2c、圖2d、圖2e分別為SDCY觀測(cè)站、SDYT觀測(cè)站、SDLY觀測(cè)站、SDZB觀測(cè)站、和TAIN觀測(cè)站在受到地震的影響之后所發(fā)生的三維位移變化?？梢钥闯鯯DCY觀測(cè)站在垂直地面的上下方向上變化的幅度較大，在東西方向和南北方向大致呈圓圈形狀變化；SDYT觀測(cè)站在垂直地面的上下方向上變化的幅度較小，在東西方向和南北方向大致呈圓圈形狀變化；SDLY觀測(cè)站在垂直地面的上下方向上變化的幅度相對(duì)較大，在東西方向和南北方向大致呈圓圈形狀變化；SDZB觀測(cè)站在垂直地面的上下方向上變化的幅度較大，在東西方向和南北方向分別呈線性形狀變化；TAIN觀測(cè)站在垂直地面的上下方向上變化的幅度較大，在東西方向變化較小，在南北方向大致呈線狀變化。

(a)SDCY測(cè)站三維運(yùn)動(dòng)軌跡

4 結(jié)論與討論

本文利用以SDJX(山東嘉祥)為基準(zhǔn)站解算所得的數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)觀測(cè)站進(jìn)行了N、E、U三個(gè)方向上的位移變化分析。分析結(jié)果表明：各個(gè)觀測(cè)站所處地區(qū)在東西方向和垂直方向受到日本地震的影響較大，在南北方向受到的影響相對(duì)較小，斷裂帶西側(cè)的觀測(cè)站有向西移動(dòng)的趨勢(shì)，東側(cè)觀測(cè)站有向東運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)位于北側(cè)的觀測(cè)站發(fā)生的位移大于南側(cè)觀測(cè)站所發(fā)生的位移變化，說明在日本地震期間，沂沭斷裂帶向兩側(cè)發(fā)生了擴(kuò)張的變化，而且北側(cè)的擴(kuò)張程度相對(duì)較大。

隨著技術(shù)的發(fā)展和GPS接收機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力不斷提高，高頻GPS技術(shù)逐漸運(yùn)用于精度要求較高的觀測(cè)領(lǐng)域，比如監(jiān)測(cè)震時(shí)地表位移變化以及進(jìn)行地表變形的監(jiān)測(cè)等。高頻GPS記錄到了2011年3月11日日本Ms 9.0級(jí)大地震發(fā)生時(shí)，沂沭斷裂帶兩側(cè)地表真實(shí)的運(yùn)動(dòng)方式及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為以后該區(qū)域發(fā)生地震時(shí)的震時(shí)情況判斷以及在地震發(fā)生之后進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)急防范措施提供了參考依據(jù)。在后續(xù)的研究中將利用遙感技術(shù)手段對(duì)震后研究區(qū)內(nèi)地物的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析地震對(duì)地物變化產(chǎn)生的影響。