CGCS2000板塊運(yùn)動模型建立方法研究*

高 樂 成英燕 廖靜娟

(1)中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心，北京 100094 2)中國測繪科學(xué)研究院，北京100830)

CGCS2000板塊運(yùn)動模型建立方法研究*

高 樂1，2)成英燕2)廖靜娟1)

(1)中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心，北京 100094 2)中國測繪科學(xué)研究院，北京100830)

使用國家級CORS站數(shù)據(jù)，建立了CGCS2000板塊運(yùn)動模型，該模型可以提供高精度的速度場，實(shí)現(xiàn)2000歷元至當(dāng)前歷元的點(diǎn)位的歸算。

CGCS2000;板塊運(yùn)動模型;靜態(tài)坐標(biāo);速度場;歷元?dú)w算

1 引言

我國 CGCS2000坐標(biāo)系只能提供對應(yīng)于ITRF97框架2000.0歷元的靜態(tài)坐標(biāo)，這對于廣泛采用的GPS精確定位(ITRF2005框架和當(dāng)前歷元)帶來不便，若要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，必須要有高分辨率的速度場資料，其中板塊運(yùn)動模型是一種有效方法［1-8］。

國外不少學(xué)者采用不同的方法建立了全球或區(qū)域地殼運(yùn)動速度場［1-3］，國際地球參考框架ITRF也提供了全球IGS站點(diǎn)在ITRF框架下的速度，國內(nèi)也有部分學(xué)者對中國地區(qū)的速度場進(jìn)行了研究［4-7］。研究均給出了在國際地心坐標(biāo)參考框架下的中國大陸區(qū)域地殼運(yùn)動的趨勢，獲取了純數(shù)學(xué)意義的水平運(yùn)動速度模型，為該領(lǐng)域的深入研究奠定了理論基礎(chǔ)。

在我國CGCS2000網(wǎng)中，目前為止共計有31個國家級CORS站，本文使用其中28個站(圖1)建立了基于合理塊體劃分的CGCS2000板塊運(yùn)動模型。

2 站點(diǎn)位移的影響因素

建立在固體地球表面的基準(zhǔn)站在全球參考框架主要受兩種運(yùn)動影響：地殼構(gòu)造運(yùn)動和地球表面各種流體質(zhì)量負(fù)荷變化引起的地殼形變。

地球構(gòu)造運(yùn)動，即板塊構(gòu)造運(yùn)動，是指測站附在所在板塊上，隨板塊在地球表面作歐拉運(yùn)動，它主要表現(xiàn)為水平運(yùn)動。剛性板塊無板內(nèi)形變，穩(wěn)定性好，幾百萬年間歐拉運(yùn)動矢量基本不變，呈線性運(yùn)動，其形變主要出現(xiàn)在板塊邊緣地區(qū)，ITRF框架內(nèi)全球各板塊運(yùn)動的速度在1～10 cm/a［8］。而地球表面的各種流體質(zhì)量負(fù)荷變化引起的地殼形變主要是垂向運(yùn)動，以季節(jié)性的周年和半年運(yùn)動為主，并且穩(wěn)定性較差，垂向周年運(yùn)動的振幅可達(dá)厘米級，是流體質(zhì)量負(fù)載引起的地殼形變的主項(xiàng)［9］。因此，目前地球參考框架的動態(tài)維持考慮的主要是地殼的構(gòu)造運(yùn)動。

全球的板塊運(yùn)動［10］可用

來描述。式中，Ve、Vn是站點(diǎn)水平方向上的速度分量，Ωx、Ωy、Ωz是歐拉矢量的3個直角坐標(biāo)分量，r為半徑，λ、φ是經(jīng)緯度。

3 CGCS2000板塊運(yùn)動模型的建立

3.1 塊體劃分

根據(jù)28個國家級CORS站數(shù)據(jù)，并參考國內(nèi)外的研究成果，將我國劃分成7個較大的一級塊體(圖1)，測站的名稱和代碼對應(yīng)如表1所示。

從圖1可見，每個塊體上至少有2個國家級CORS站，多則7～8個。其中東部地區(qū)的站點(diǎn)多，西部站點(diǎn)相對較少。

3.2 數(shù)據(jù)處理方法與結(jié)果

用文獻(xiàn)［9］的處理步驟對28個國家級CORS站1999—2009年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了28個CORS站在ITRF05框架的位置及速度(圖2)，其中每個地塊上國家級CORS站N、E、U 3個方向的站坐標(biāo)殘差時間序列如圖3～8所示(每個塊體上隨機(jī)選擇兩個CORS站)。

圖1 中國區(qū)域一級塊體劃分及國家級CORS站分布Fig.1 Division of first-level block and distribution of national-level CORS stations

從圖2～8可見：1)東部地區(qū)的3個塊體(東北、華北、華南)的CORS站具有自北向南、自西向東的運(yùn)動趨勢，西部地區(qū)的4個塊體(青藏、西北)整體上具有順時針旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動趨勢;2)國家級CORS站水平方向呈明顯的線性運(yùn)動。

3.3 現(xiàn)框架現(xiàn)歷元坐標(biāo)到CGCS2000的歸算方法

表1 國家級CORS站代碼表Tab.1 Codelist of the mational-level CORS stations

圖2 國家CORS站速度場Fig.2 Velocity field of national-level CORS stations

圖3 處于東北地塊的海拉爾(HLAR)、長春(CHUN)站時間序列Fig.3 Time series of HLAR and CHUN stations located on Northeast block

利用各個塊體上國家級CORS站的坐標(biāo)與速度，根據(jù)式(1)計算得到了各塊體的歐拉矢量Ωx、Ωy、Ωz。其坐標(biāo)歸算方法可以按照以下3個步驟進(jìn)行：

圖4 處于華北地塊的西安(XIAA)、泰安(TAIN)站時間序列Fig.4 Time series of XIAA and TAIN stations located on North China block

圖5 處于華南地塊的武漢(WUHN)、上海(SHAO)站時間序列Fig.5 Time series of WUHN and SHAO stations located on South China block

圖6 處于青藏地塊的拉薩(LHAS)、西寧(XNIN)站時間序列Fig.6 Time series of LHAS and XNIN stations located on Qinghai-Tibet block

1)利用各塊體的歐拉矢量根據(jù)式(2)估算站點(diǎn)在ITRF05下的站速度：

圖7 處于西北1地塊的烏什(WUSH)、塔什(TASH)站時間序列Fig.7 Time series of WUSH and TASH stations located on Northwest block 1

圖8 處于西北2地塊的烏魯木齊(URUM)、鼎新(DXIN)站時間序列Fig.8 Time series of URUM and DXIN stations located on Northwest block 2

即

其中V是站點(diǎn)在ITRF05框架下的速度，A是站點(diǎn)位置矩陣，Ω是塊體歐拉矢量。

2)由站速度將現(xiàn)框架現(xiàn)歷元坐標(biāo)歸算2000.0歷元，即

3)ITRF05轉(zhuǎn)換到ITRF97框架，得到CGCS2000下的站坐標(biāo)：

3.4 CGCS2000歸算精度分析

根據(jù)CGCS2000坐標(biāo)歸算方法，求解SHAO、WUHN、BJFS、URUM、KUNM 5個站在CGCS2000下的坐標(biāo)，其中前4個站與其CGCS2000的坐標(biāo)真值進(jìn)行比較;但CGCS2000沒有提供KUNM的真值坐標(biāo)，因此利用 ITRF05框架下的速度場將現(xiàn)框架(ITRF05)與現(xiàn)歷元(2009.05.11)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到ITRF97及2000歷元下，認(rèn)為此坐標(biāo)是KUNM在CGCS2000下的真值坐標(biāo)，兩個坐標(biāo)的比較結(jié)果如圖9所示。

圖9 計算的X、Y、Z方向的坐標(biāo)差異Fig.9 Calculated coordinate differences in X，Y，Z directions

圖9中URUM站的Y方向與其他站點(diǎn)相比，精度較差。初步分析是由下面原因造成的：根據(jù)式(1)，在板塊運(yùn)動模型建立過程中僅使用了站點(diǎn)水平方向速度分量(Ve，Vn)，速度垂直分量未考慮在內(nèi)，而式(2)求得的3個坐標(biāo)直角站速度分量(Vx，Vy，Vz)中卻包含了垂向方向分量，也就包含了垂向誤差，因?yàn)檎军c(diǎn)垂向主要做周年、半年的周期性運(yùn)動，而板塊運(yùn)動模型是基于水平方向的線性運(yùn)動建立的。因此，評價水平方向上的模型精度會更具說服力。其坐標(biāo)精度如圖10所示。

圖10 水平方向的坐標(biāo)差異Fig.10 Coordinate differences in horizontal direction

從圖9～10可見，使用28個國家級CORS站建立的中國地區(qū)一級塊體速度場精度可達(dá)厘米量級，建立的塊體歐拉運(yùn)動模型的結(jié)果顯示了較高的精度，表明各塊體的歐拉運(yùn)動的穩(wěn)定性甚好。同時，結(jié)合圖1～2也發(fā)現(xiàn)，相對于東部地區(qū)，我國西部站點(diǎn)數(shù)量明顯偏少，而且運(yùn)動趨勢比較復(fù)雜，導(dǎo)致西部地區(qū)模型精度相對有所降低(如URUM)，因此有必要對西部加入更多站點(diǎn)，并進(jìn)行板塊細(xì)化，建立二級甚至三級板塊的運(yùn)動模型，得到更加精確的CGCS2000板塊運(yùn)動模型。

4 結(jié)語

采用國家級CORS網(wǎng)絡(luò)多年連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理獲得了ITRF05下精確的站點(diǎn)坐標(biāo)和速度場成果，結(jié)果證明國家級CORS站水平方向上具有明顯的線性運(yùn)動趨勢，且同一塊體上各站運(yùn)動趨勢相似，因此適于建立基于合理塊體劃分的板塊運(yùn)動模型。利用CORS站水平方向的分量求取了中國各塊體的歐拉矢量，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)框架現(xiàn)歷元站址坐標(biāo)到CGCS2000的轉(zhuǎn)換。所建立的板塊運(yùn)動模型具有較高的精度，可達(dá)到厘米量級，因此該模型可為國內(nèi)GNSS網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理和平差提供較高精度的測站速度改正信息。

1 Hermann Drewes.The actual plate kinematic and crustal deformation model APKIM2005 as basis for a non-rotating ITRF［M］.Geodetic Reference Frames，International Association of Geodesy Symposia 134，Doi 10.1007/978-3-642-00860-3_15，Spring-Verlag Berlin Heidelgerg 2009.

2 50.Bird P.An updated digital model of plate boundaries［J］.Geochemistry Geophysics Geosystems，2003，4(3)：1027，doi：10.1029/2001GC000252.

3 UNAVCO，Crusta Motion［ED/OL］.http：//www.unavco.org/.

4 符養(yǎng).中國大陸現(xiàn)今地殼形變與GPS坐標(biāo)時間序列分析［D］.中國科學(xué)院上海天文臺，2002.(Fu Yang.Presentday crustal deformation in China and GPS-derived coordinate time series analysis［D］.Shanghai Astronomical Observatory of Chinese Academy of Sciences，2002)

5 楊少敏，等.用雙三次樣條函數(shù)和GPS資料反演現(xiàn)今中國大陸構(gòu)造形變場［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2002，(1)：16-30.(Yang Shaomin，et al.Contemporary horizontal tectonic deformation fields in China inversed from GPS observations［J］.Journal of Geodesyand Geodynamics，2002，(1)：16-30)

6 劉經(jīng)南，等.多面函數(shù)擬合法及其在建立中國地殼平面運(yùn)動速度場模型中的應(yīng)用研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2001，26(12)：500-508.(Liu Jingnan，et al.Hardy function interpolation and its applications to the establishment of crustal movement speed field［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2001，26(12)：500-508)

7 蔣志浩，等.基于CGCS2000的中國地殼水平運(yùn)動速度場模型研究［J］.測繪學(xué)報，2001，26(12)：500-508.(Jiang Zhihao，et al.The model of crustal horizontal movement based on CGCS2000Fram［J］.Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2009，38(6)：471-476)

8 孫付平.基于空間技術(shù)的現(xiàn)代地殼運(yùn)動研究［D］.上海：中國科學(xué)院上海天文臺，1994.(Sun Fuping.Mordern crustal movement research based on space technology［D］.Shanghai：Astronomical Observatory，CAS，1994)

9 張詩玉，鐘敏.地表流體變化對我國地殼垂直形變的影響［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2007，32(5)：458-461.(Zhang Shiyu and Zhong Min.Vertical crustal displacements in China due to surface fluid charges［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2007，32(5)：458-461)

10 許才軍，申文斌，晁定波.地球物理大地測量學(xué)原理與方法［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.(Xu Caijun，Shen Wenbing and Chao Dingbo.Geophysical geodesy principles and methods［M］.Wuhan：Wuhan University Press，2006)

11 秘金鐘，等.IGS跟蹤站與國內(nèi)跟蹤站聯(lián)合處理的框架點(diǎn)選擇研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2007，32 (8)：704-706.(Bei Jinzhong，et al.On framework sites selection for unite-processing of IGS CORS and domestic CORS［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2007.32(8)：704-706)

ON CREATION METHOD FOR CGCS2000 PLATE MOTION MODELS

Gao Le1，2)，Cheng Yingyan1)and Liao Jingjuan1)

China Geodetic Coordinate System 2000(CGCS2000)can only provide static coordinate of stations based on ITRF97，epoch at 2000，using national-level CORS data，we have established the CGCS2000 plate motion model，which provides high-accuracy velocity field to realize stations’epoch reduction from 2000 to current epoch.

CGCS2000;plate motion models;static coordinate;velocity field;epoch reduction

1671-5942(2011)06-0058-05

2011-06-14

國家基礎(chǔ)測繪項(xiàng)目“地心坐標(biāo)系推廣應(yīng)用”(B2551);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計劃973項(xiàng)目(2009CB723901)

高樂，男，1985年生，博士，現(xiàn)從事對地觀測理論研究及數(shù)據(jù)處理.E-mail：sdgaole@163.com

P227

A

(1)Center for Earth Observation and Digital Earth，CAS，Beijing 100094 2)Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing100830)