超高頻GPS記錄地震位移信號的能力評估：一個人工爆破震源的實驗

李祖寧 林樹 陳超賢 陳光 關玉梅 王紫燕

摘要：利用2014年6月福建省地震局進行的人工爆破實驗的50 Hz超高頻GPS觀測數據，采用快速預報星歷以及事后精密星歷，對觀測的數據分別進行準實時和事后精密處理。結果顯示高頻GPS在差分處理模式下，其水平向噪聲大致為5 mm，垂直向大致為10 mm。高頻GPS差分單歷元解在采用快速預報星歷與事后精密星歷得到的結果基本一致，因此采用快速預報星歷進行高頻GPS實時解算的結果具有很高的可靠性。同時，通過比較并址的高頻GPS和強震儀信號的波形和頻率成分發現，差異主要是由于高頻GPS和強震儀記錄對于不同頻率震動信號的響應不同，兩者在重疊的頻段上有較好的一致性，而這種差異本身體現了一種互補的特征。因此，高頻GPS數據的實時處理結果具備監測地表震動的能力，可應用于地震烈度速報與地震預警，成為地表震動和地震研究的良好補充。

關鍵詞：超高頻GPS觀測；人工爆破；觀測精度；地震預警

中圖分類號：P315.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）04-0587-11

0 引言

傳統的GPS 大地測量學和地震學的研究目標區別在于研究地殼形變譜的頻段不同，前者主要研究較長周期（幾天到幾十年）的變化，后者主要研究瞬時（小于1 s到幾小時）地殼運動的特征。隨著高頻（1 Hz）和超高頻（20～50 Hz）GPS接收機的出現以及高頻GPS數據處理算法的成熟，使得GPS的觀測精度和對形變譜的敏感性朝著測量地殼動態瞬時變化的方向不斷改進（Avallone et al，2011；Blewitt et al， 2006；Lou et al，2013），目前已經出現大地測量和地震學觀測譜范圍逐漸合并的趨勢。由于高頻GPS不僅可以觀測到周期小于1 s的位移量，而且可以檢測到超長周期的地殼運動，沒有限幅的約束，因此，采用高頻GPS接收機一方面可觀測到大動態的靜態位移，另一方面可以觀測到大震震時動態位移，為研究地震的破裂過程、地殼介質的非均勻特性和地震前后地殼形變短期變化過程提供了多窗口檢測的工具（Yehuda et al，2000；Choi et al，2004；Elósegui et al，2006）。

利用高頻GPS作為長周期地震儀器的設想和方法最早由Miyazaki等（1997）在1997年AGU秋季會議上提出，他們基于GEONET觀測網1 Hz采樣率記錄，分析1996年Hyuga NadaMW6.7級地震的觀測數據，清楚地得到了P波和S波的到時，通過與理論和強震儀記錄的波形數據對比，P波和S波到時符合得很好（Ge，1999）。而最具有代表性的研究工作是Larson等（2003，2009）和Gomberg等（2004）利用1 Hz GPS資料研究2002年Denali 7.9級地震的地殼變形特征（Bilich et al，2008），得到了近場和遠場地面運動位移的時間序列，與地震儀記錄結果比較，兩者具有較好的一致性。由于高頻GPS觀測能夠得到地震動態波形，利用高頻GPS資料反演震源破裂過程的代表性研究有對2003年Tokachi-Oki地震的研究，利用1 Hz的觀測資料，對震源滑動分布進行反演研究，不僅得到了空間滑動總量分布特征，也得到了空間破裂速度。

由于GPS測量所受的影響因素比較多。如大氣、電離層擾動等，GPS的觀測噪聲來源很廣，而且高頻GPS的觀測精度相對于地震儀的觀測精度相差較大，導致其對地震信號觀測精度比地震儀低很多。在垂直方向，目前GPS的精度在厘米級，而地震儀的精度高于微米級。高頻GPS所觀測到的信號到底是噪聲還是真正的位移信號，一些學者還存在疑問和爭論（Li et al，2015；Geng et al，2015）。同時，對于超高頻GPS數據的穩定性以及可靠性也存在著不同的意見和說法。因此，定量評估高頻GPS的噪聲水平以及監測地震位移信號的能力，對于確定高頻GPS在地震研究中的應用具有重要意義。

近些年來，隨著一些快速定位方法的出現，快速解算GPS位移逐漸成為可能，如單點定位方法（PPP方法）、雙差定位方法等。但是這些快速解算方法的精度如何、能否滿足地震研究的需要，仍需要定量的分析和標定。因此，如何確定高頻和超高頻GPS的解算精度，特別是利用快速預測星歷確定GPS位移的解算精度，對于地震快速響應以及地震預警等工作具有極為重要的意義。

由于地震大小和空間分布具有不確定性，如果能夠采用人工源或者可控震源進行研究和標定，其結果和可靠性會高得多。從2010年開始，福建地震局開始實施了人工源爆破試驗，這為定量評估高頻GPS探測地震信號的能力提供了理想的實驗條件。因此，本文將利用超高頻GPS（50 Hz）對人工爆破引起的位移信號進行測量，探究超高頻GPS數據在實際觀測中的可靠性及捕獲位移信號的能力及精度。

1 數據及處理方法

1.1 實驗觀測及數據分布

福建省地震局自2010年開始實施的“跨越臺灣海峽人工爆破觀測”項目旨在通過多次人工爆破激震的方式，探測海峽地震的深部構造和孕震環境（李祖寧等，2007；丁學仁等，2007）。2014年6月，該項目在福建省多個區域進行了4次不同當量的人工爆破實驗。為了更好地獲取觀測資料的對比性，筆者選取了其中觀測條件最好的2個爆破點進行高頻GPS觀測，同時在部分高頻GPS觀測點進行了并址的強震儀觀測，如圖1所示。觀測的儀器采用了天寶R9型高精度大地測量GNSS接收機，配備標準的扼流圈天線，同時記錄50 Hz的觀測數據；強震儀器采用的是Grulap強震儀。

為了定量評估高頻GPS接收機得到的位移信號隨震中距的衰減情況，2014年6月16日在南靖試驗場按照距離遠近一共布設了8臺（套）NetR9 GPS接收機，臺站布局如圖1a，其中黃色線段為炮點，紅色圓圈為GPS點，7號點并址布設MEMS強震儀和Grulap強震儀。各點離炮點的距離為：1號點約5 m，2、3號點約13 m，4、5號點約20 m，6號點約25 m，7號點約50 m，8號點約100 m。為了進一步驗證高頻GPS確實能夠捕捉到近場爆破引起的地殼振動信號，2014年6月23日在漳州華安實施人工爆破前，在爆破點附近布置了3臺NetR9 GPS接收機，點位分布圖如圖1b所示，其中黃色線段為炮點，紅色圓圈為GPS點，粉紅色為MEMS強震儀和Grulap強震儀位置，由于觀測條件比較復雜，考慮儀器安全，沒有進行嚴格的并址觀測，但是兩者的距離都很近。各點離炮點

1.2 GPS數據處理方法

為了獲取高采樣率高精度的結果，本文采用短基線差分處理模式，選擇離炮點最近的福建GNSS基準站（>30 km）為參考站，由于爆破源的能量衰減得非常快，在參考站附近由于爆破源引起的位移基本為零。利用動態歷元差分方法對1～8號點的50 Hz高頻GPS數據進行解算，所采用的軟件為GAMIT/GLOBK程序中的track模塊（King，Bock，2002）。

為了探究實時高頻GPS解算結果的可靠性，采用IGS快速預報星歷來進行準實時解算，采用事后精密星歷進行事后精密解算。解算結果如圖2所示，選取南靖1號點的高程方向的結果進行展示，圖中紅色實線表示采用事后精密星歷處理的結果，而藍色虛線表示采用快速預報星歷處理的結果，不難看出，兩者吻合得非常好。因此，高頻GPS差分單歷元解在采用快速預報星歷與事后精密星歷得到的結果基本一致，這也說明采用快速預報星歷進行高頻GPS實時解算結果的可靠性。

由于GPS測量所受的干擾信號源比較復雜，為了獲取更準確的時間信號信息，對解算結果進行帶通濾波來去掉不需要的噪聲信號。為了能準確地進行噪聲濾波，首先對原始的觀測記錄進行頻譜分析，找出爆破信號所集中的頻率范圍，然后再基于這個頻率范圍對原始結果進行帶通濾波來消除其他噪聲信號。

如圖3所示，對離爆破點最近的1號點的高程方向原始信號進行頻譜分析，藍色、紫色和綠色分別為爆破前、爆破時和爆破后的信號頻譜曲線。不難發現，高頻GPS接收到的由爆破激發的地殼介質震動能量主要集中在0.2～2 Hz，2 Hz以后信號的能量與震前、震后噪聲基本疊加一致，因此，將對所有的觀測數據以0.2～2 Hz頻帶范圍進行帶通濾波來獲取更好的信號信息。

2 數據結果及討論

通過以上的觀測，分別得到了南靖和華安2個區域多個觀測點的記錄并對其進行分析，從而定量給出超高頻GPS接收能力的評估。

2.1 南靖區域高頻GPS實驗結果

南靖1號點布置在山體的石壁上，離炮點很近，其結果如圖4所示，可以看出南北和東西向的位移不明顯，高程向的位移很明顯，接近60 mm，圖中虛線是噪聲水平線，東西和南北方向為5 mm，高程向為10 mm。對1號點高程向位移進行詳細分析如圖5所示，可以發現高程位移從14 s開始有一個脈沖，與并址布置的簡易強震儀和Guralp高精度強震儀捕捉到的波形時間點是能夠對應的， 簡易強震儀和Guralp高精度強震儀的記錄數據如圖6所示，其中SM-104和SM-58為兩臺簡易強震儀，Guralp-104為高精度強震儀。

通過對其他點的處理結果我們可以發現，3～5號點的位移波形在1時10分14秒都有所反應，有的水平向比較明顯，有的高程向比較明顯，如圖7～8

2.2 華安區域高頻GPS實驗結果

采用南靖試驗相同的數據處理方式對華安地區的高頻GPS觀測結果進行了分析，同時，也對原始數據進行0.2～2 Hz頻帶范圍的帶通濾波。從華安1號點和2號點的處理結果圖中可以看到，起爆點的時間大概為1時00分17秒（圖9～10），與強震儀加速度波形捕捉到的起爆時刻是能夠對應的（圖13～14），1號點振動時間比較長，持續了近4 s，幅度南北向達到了12 mm，高程向接近16 mm。而從2號點的南北向位移更明顯接近16 mm，高程向位移達到了14 mm，對2號點的南北位移進行了放大（圖11），從圖11中可以很明顯地看出高頻GPS確實捕捉到了爆破瞬間的波形（17～20 s），而3號點的處理結果并不明顯（圖12），

3 結論

本文利用2014年6月福建省地震局進行的人 工爆破實驗獲得的50 Hz超高頻GPS觀測數據，并采用快速預報星歷以及事后精密星歷，對觀測數據分別進行準實時和事后精密處理。通過近場的2次人工爆破高頻GPS實驗的數據分析，結果表明：

（1）高頻GPS在差分處理模式下，其水平向噪聲大致為5 mm，垂直向大致為10 mm，如果地殼的振動幅度超過高頻GPS噪聲水平，高頻GPS 能夠捕捉到近場地震引起的位移信號。

（2）高頻GPS差分單歷元解在采用快速預報星歷與事后精密星歷得到的結果基本一致，這也說明采用快速預報星歷進行高頻GPS實時解算的結果的可靠性。

綜合高頻GPS的監測能力，以及其基線漂移小，觀測穩定的特點，高頻GPS記錄可以作為有效的“地震位移計”，對以記錄速度和加速度的地震儀起到很重要的補充作用，使得“GPS地震學”這一交叉學科具有很好的發展前景。特別是近場 強震儀由于地表傾斜的原因，其得到的水平向加速度通常都帶有地表傾斜的特征，從而導致積分后得到的位移出現嚴重的基線漂移，這給利用強震儀信號研究地震震源性質產生了嚴重影響。相比而言，高頻GPS由于記錄的本身就是位移信號，因此，基線漂移比較小。如果將高頻GPS和強震 儀進行并址觀測，采用高頻GPS校正強震儀信號的基線，那么就能夠得到無基線漂移的地表位移情況。另外，高頻GPS通常能夠接收到低頻甚至靜態位移信息，而強震儀的記錄則對高頻信號敏感。兩者之間存在明顯的互補性。綜合兩者的優點，進行聯合觀測，就能夠得到無基線漂移的寬 頻帶地震信息，從而大大提高對于地震震源性質的研究。另外，高頻GPS數據的實時處理結果，結合烈度計的記錄，將能夠在很大程度上提高地震烈度速報與地震預警的能力。因此，高頻GPS將能夠在未來的地震研究、地震預警方面發揮重要的作用。

感謝中國科學院測量與地球物理研究所的鄭勇研究員、李軍副研究員在本工作中的指導和幫助。

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