GNSS垂向分量用于地殼動態形變的研究

薄萬舉

（中國地震局第一監測中心，天津 300180）

GNSS（GPS）對地觀測技術在我國發展迅速，“中國地殼運動觀測網絡”和“中國大陸構造環境監測網絡”等重大工程項目均將GNSS作為主要技術觀測手段之一。目前GNSS用于地殼水平運動的監測比較成熟，精度高、應用廣，產出了一大批基礎研究和應用研究成果。目前全國1000多個GPS區域站自1999年以來已經獲得了多期復測資料，可產生多期全國范圍地殼運動的動態圖像，其中含有大量已知和未知的信息，有待于不斷地開發和利用。其中，GNSS點位垂向變化的數據被公認為含有大量信息，但由于觀測誤差比水平分量大，點位垂向變化頻譜成分豐富，在實用中受到一定的限制，應用成果相對較少。本文重點研究如何提取和利用這樣高噪聲背景數據中的有用信息，對全國多期GNSS區域站垂向復測資料進行了處理和分析，得到多幅全國GNSS區域站垂直位移數據，確定適合的區域均衡基準，給出多幅全國GNSS區域站垂直位移分布圖，發現其升降分布格局往往與大地構造格局和大地震孕育發生的區域密切相關。通過深入思考和研究，認為不是偶然巧合，從機理上存在內在的聯系，可以得到較好的解釋。較好的規避了弱信息、大誤差、多成分等應用GNSS垂向分量研究地殼垂直形變動態帶來的矛盾，在一定程度上解除了我們的困惑，也為我們在不得已時，充分挖掘利用高噪聲數據中，某些有用頻譜信息提供了支持和參考。

文中用于垂直形變研究的區域均衡基準，是一個相對基準。也叫區域通量均衡基準。即假定該區域范圍內地殼總介質數量的變化可以忽略不計，周邊邊界物質雖然有進有出，但假設進入部分約等于流出部分。這種假設與真實情況會有一定的差異，但對分析區域內的垂直形變的空間分布和相對變化影響不大。在這種假設下，則必然有：兩期觀測之間若區域內無垂直形變，則兩期觀測數據描述的區域地殼表面相重合；反之，通過第二期觀測數據一定能計算上升的點，上升量乘以所代表的面積，是高出原表面的介質體積，同理可計算出因點位下降造成原表面以下虧空的體積。在總介質不變的條件下，高出原表面的體積必須等于因下降造成虧空的體積，將這一條件方程與無速率起算基準的秩虧網速率平差方程組聯立求解，即可得到區域均衡基準的垂直形變速率場。在實際計算中還要做若干簡化，一般不會影響垂直形變分析的結果和結論。本文的研究是一個大膽的、不得已而為之的但確有一定效果的嘗試。關于精度問題，嚴格解算誤差遠大于信息量，但氣象、電離層、衛星軌道波動、衛星與觀測點間的空間幾何結構、固體潮變化等等因素雖然對GNSS垂向分量影響十分顯著，但對地面相鄰較近的點來說，其影響具有較強的共模性質。換句話說，雖然每個點垂直分量的統計誤差較大，但相鄰點所帶的誤差中有相當大的一部分是一樣的，這就可能大大減小這類誤差對相鄰點間相對變形分析的影響。