利用GPS技術(shù)研究山西跨斷裂剖面垂直形變

秦姍蘭　王文萍　季靈運(yùn)　周琳

摘要：

利用2009～2012年山西3個(gè)跨斷裂綜合剖面的GPS和水準(zhǔn)資料，分別獲取了這3個(gè)剖面的垂向形變速率。結(jié)果表明：在時(shí)間間隔較短（數(shù)月至1 年左右）、觀測(cè)時(shí)間不同步的情況下，GPS 觀測(cè)與水準(zhǔn)觀測(cè)獲得的垂直形變速率偏差較大；在觀測(cè)時(shí)間間隔較長(zhǎng)（3 年及以上）時(shí)，二者之間有較好的一致性，同時(shí)也驗(yàn)證了在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上利用GPS技術(shù)獲取跨斷裂綜合剖面垂直形變的可行性。

關(guān)鍵詞：垂直形變；GPS；精密水準(zhǔn)；一致性

中圖分類(lèi)號(hào)：P31572文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2016）03-0421-06

0引言

地殼垂直運(yùn)動(dòng)觀測(cè)是地球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)研究、地震與火山災(zāi)害研究、地面沉降地質(zhì)災(zāi)害研究、全球或區(qū)域精密高程基準(zhǔn)維護(hù)等多項(xiàng)工作的重要基礎(chǔ)。對(duì)于地表垂直運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)，多年來(lái)一直沿用精密水準(zhǔn)測(cè)量方法，這是訖今為止精度最高的測(cè)量方法，其垂直位移測(cè)量精度可達(dá)毫米甚至亞毫米級(jí)，但其作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的缺陷也同樣明顯。相對(duì)于水準(zhǔn)測(cè)量，GPS技術(shù)具有全天候、全天時(shí)、觀測(cè)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)，并且能夠同時(shí)提供地表三維的形變信息。隨著全球參考框架精度提高和數(shù)據(jù)處理技術(shù)方法的發(fā)展，GPS觀測(cè)被越來(lái)越多地應(yīng)用在地表垂直運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)研究等方面，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋全球或區(qū)域地殼長(zhǎng)期垂直運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)研究、地震同震和震后垂直位移監(jiān)測(cè)研究、地面沉降監(jiān)測(cè)研究等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在理論上分析了利用GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)地表垂直形變的可行性（陳永奇，1989；黃立人，匡紹君，2000；顧國(guó)華，2005；董克剛等，2008），還有學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析（張風(fēng)霜等，2009；顧國(guó)華，王武星，2011；Ahmed et al，2007；Kuo-En et al，2011）。前人大量研究結(jié)果表明：GPS垂向觀測(cè)精度雖較水平分量弱一些，但對(duì)厘米級(jí)以上的大變形事件有比較穩(wěn)健的監(jiān)測(cè)能力。對(duì)于年毫米級(jí)變化的區(qū)域地殼垂直運(yùn)動(dòng)，利用長(zhǎng)時(shí)間尺度的連續(xù)GPS垂直位移時(shí)間序列資料，也可以獲得比較可靠的垂直形變（速率）結(jié)果。與連續(xù)GPS大量成功應(yīng)用于地殼垂直運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)不同，區(qū)域流動(dòng)GPS觀測(cè)能否應(yīng)用于正常背景下的構(gòu)造垂直運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，至今仍無(wú)定論。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用跨斷裂帶剖面資料研究探討了GPS技術(shù)在研究區(qū)域地表垂直形變方面的可行性。

1數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

11數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò)GPS和水準(zhǔn)觀測(cè)獲取的高程是不同的高程系統(tǒng)，黃立人和匡紹君（2000）通過(guò)定量比較站心坐標(biāo)系下U分量變化與水準(zhǔn)測(cè)得的高差變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)研究區(qū)域不大（小于110 km）時(shí)，可以用站心坐標(biāo)系下U分量的變化來(lái)考察GPS測(cè)定高差變化的精度，即在研究區(qū)域的范圍較小時(shí)，GPS和水準(zhǔn)測(cè)量2種手段得到的高程變化可以進(jìn)行直接比較。在此基礎(chǔ)上本文選取了2009～2012年中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心在山西斷陷帶布設(shè)的3條跨斷裂綜合觀測(cè)場(chǎng)地4期的GPS和一等精密水準(zhǔn)觀測(cè)資料，觀測(cè)時(shí)間如表1所示。

使用2種方法觀測(cè)3個(gè)場(chǎng)地的共同點(diǎn)點(diǎn)位分布，如圖1所示，山陰場(chǎng)地（112°44′～112°51′E、39°11′～39°33′N(xiāo)）西北起自山西省山陰縣岱岳鄉(xiāng)下沙河村，東南止于山西省代縣白草鄉(xiāng)雁門(mén)關(guān)陡溝梁村，布設(shè)路線(xiàn)西北端跨口泉斷裂，東南端跨六棱山前斷裂。介休場(chǎng)地（112°00′～111°41′E，36°57′～37°09′N(xiāo)）西北起自山西省孝義市內(nèi)，東南止于山西省介休市龍鳳鎮(zhèn)渠池村，路線(xiàn)西北端至中部在孝義至介休的小斷裂西側(cè)，中部跨介休東北—西南走向的小斷裂，東南端跨太谷斷裂。臨汾場(chǎng)地西北起自山西省臨汾市土門(mén)鎮(zhèn)西澗北村，東南止于山西省蔚臨汾市浮山縣張莊鄉(xiāng)西佐村。

12數(shù)據(jù)處理

GPS觀測(cè)資料處理采用GAMIT/GLOBK軟件（Herring et al，2009），解算時(shí)加入研究區(qū)域周?chē)闹袊?guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)GPS連續(xù)站以及中國(guó)大陸周邊的IGS站進(jìn)行聯(lián)合解算。在數(shù)據(jù)處理時(shí)采用ELEV模型對(duì)天線(xiàn)相位中心偏差做改正，消除天線(xiàn)相位中心變化的影響。采用GPT模型加馬爾科夫隨機(jī)過(guò)程估算（Ahmed et al，2007）改正解決GPS信號(hào)傳輸過(guò)程中大氣對(duì)流層天頂延遲的影響，并對(duì)每個(gè)GPS測(cè)站點(diǎn)每小時(shí)估計(jì)1個(gè)天頂方向?qū)α鲗友舆t參數(shù)，并進(jìn)行線(xiàn)性插值估算，投影映射函數(shù)采用高程方向應(yīng)用精度最高的VMF1投影映射函數(shù)，以提高垂向的解算精度。在求取各站點(diǎn)相對(duì)ITRF08參考框架的運(yùn)動(dòng)速率后（Altamimi et al ，2011），采用GLOBK軟件計(jì)算測(cè)站點(diǎn)在ITRF2008框架下的坐標(biāo)，各GPS測(cè)站點(diǎn)大地高方向的中誤差均小于4 mm，然后分別計(jì)算出每個(gè)GPS點(diǎn)間隔1年、2年和3年的垂向變化量。水準(zhǔn)數(shù)據(jù)是采取往返測(cè)觀測(cè)獲取的，并加入尺長(zhǎng)改正和水準(zhǔn)面不平行改正，選取的3個(gè)跨斷裂剖面每千米往返測(cè)高差中誤差最大不超過(guò)0356 mm。隨后利用3個(gè)跨斷裂剖面的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算出同樣時(shí)間間隔內(nèi)的垂向變化量。為了方便比較，處理時(shí)選定每條剖面的01號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)，分別得到其他站點(diǎn)相對(duì)于01號(hào)站點(diǎn)的垂直形變速率，將兩種結(jié)果進(jìn)行比較分析。

2結(jié)果分析

山西斷陷帶由10多個(gè)大小不等的NE、NNE走向的地塹和半地塹式盆地組成，主要活動(dòng)斷裂既控制了每個(gè)盆地的主要邊界，也控制了盆地的發(fā)育；震源機(jī)制解結(jié)果表明，山西斷陷帶南北兩端為拉張帶，中部斷層活動(dòng)仍然以拉張型正斷層為主，反映出山西斷陷帶整體的張性活動(dòng)。文中3個(gè)跨斷裂剖面分別分布在山西斷陷帶的南北段及中部，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，3個(gè)跨斷裂剖面反映出的山西斷陷帶的垂直形變特征如圖2～4所示。

從圖2可以看出，山陰跨斷裂剖面兩種觀測(cè)手段1年尺度的對(duì)比結(jié)果差異相對(duì)較大，尤其是2009～2010年差異尤其大，但總的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)比較一致，而間隔2年和3年時(shí)間尺度的對(duì)比結(jié)果吻合較好，最大差異小于5 mm/a。山陰場(chǎng)地位于山西斷陷帶的北部，相對(duì)于場(chǎng)地西部山地穩(wěn)定區(qū)域，整個(gè)山陰場(chǎng)地呈逐年下沉的趨勢(shì)，隨著觀測(cè)周期的增長(zhǎng)，下沉量變大，其中恒山北麓斷裂兩側(cè)下沉量比較大，這也反映出該區(qū)域總體表現(xiàn)出右旋拉張斷陷運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。

根據(jù)圖3可以看出，介休跨斷裂剖面的GPS和水準(zhǔn)對(duì)比結(jié)果在間隔2年時(shí)間尺度和3年時(shí)間尺度上均顯示出了較好的趨勢(shì)一致性，但間隔3年時(shí)間尺度的相關(guān)性更高，總體差異更小。間隔1年尺度差異性較大，其中JX15在2009～2010年與2011～2012年時(shí)間段、JX17在2009～2010年和2010～2011年時(shí)間段均表現(xiàn)出較大的差異性。介休場(chǎng)地位于山西斷陷帶中部太原盆地內(nèi)，太原盆地南以靈石隆起與臨汾盆地相鄰，北以石嶺關(guān)隆起與忻定盆地相連，夾在位于東南的太行山與西北部的呂梁山之間，歷史上發(fā)生過(guò)3次大于6級(jí)的地震，垂直差異運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，是山西斷陷帶沉積厚度最大的盆地。介休場(chǎng)地內(nèi)部點(diǎn)相對(duì)于兩側(cè)穩(wěn)定塊體呈下沉趨勢(shì)，且沉降量具有隨時(shí)間周期增大而逐漸增大的特點(diǎn)，場(chǎng)地邊緣區(qū)域的沉降量最大，最大可達(dá)到37 mm，整體上和GPS速率剖面在區(qū)域反映出的拉張性質(zhì)相吻合。

從圖4可以看出，臨汾跨斷裂剖面在1年時(shí)間尺度的對(duì)比結(jié)果較差，其中2009～2010年兩種手段對(duì)比結(jié)果在整體趨勢(shì)上存在差異，而 2009～2012年較長(zhǎng)時(shí)間尺度的觀測(cè)結(jié)果比較一致，差異也較小，最大不超過(guò)4 mm/a。臨汾場(chǎng)地位于山西斷陷帶的南端，臨汾盆地南以峨嵋臺(tái)地與運(yùn)城盆地相鄰，北以靈石隆起與太原盆地相隔，東、西分別以大斷裂與浮山、羅云山相鄰，是山西斷陷帶地震活動(dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)。介休場(chǎng)地內(nèi)的點(diǎn)呈現(xiàn)整體下沉趨勢(shì)，西邊的點(diǎn)相對(duì)于東部的點(diǎn)沉降量明顯增大，而且表現(xiàn)出隨時(shí)間周期增大沉降量逐漸增大的特點(diǎn)。

根據(jù)各剖面不同時(shí)段GPS與水準(zhǔn)測(cè)量?jī)煞N手段獲取的區(qū)域地表垂直形變速率，剔除個(gè)別變化量大的異常點(diǎn)，計(jì)算出各剖面2種觀測(cè)手段對(duì)比結(jié)果的均方差，如表2所示。

從表2可以看出，2種觀測(cè)手段1年尺度的結(jié)果差異相對(duì)較大，而間隔2年和3年時(shí)間尺度就顯示出了較好的趨勢(shì)一致性，間隔3年時(shí)間尺度的總體差異更小。因此可以看出，時(shí)間間隔越長(zhǎng)，利用GPS獲取的垂直形變就相對(duì)越可靠。

3影響因素分析

從3個(gè)跨斷裂短水準(zhǔn)剖面的不同時(shí)段GPS與水準(zhǔn)測(cè)得的垂直形變對(duì)比結(jié)果來(lái)看，短時(shí)間尺度（1年）的結(jié)果差異較大，個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)差異超過(guò)20 mm/a，而較長(zhǎng)時(shí)間尺度（2～3年）的結(jié)果差異較小，一致性較好，絕大多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的差異在3 mm/a以?xún)?nèi)。對(duì)于短期的這種較大的差異性，分析可能有以下幾個(gè)方面的因素：（1）GPS觀測(cè)的時(shí)間基本上在每年的9、10月，而水準(zhǔn)測(cè)量只有在2009年測(cè)量時(shí)與GPS觀測(cè)時(shí)間較為接近，其余3年的觀測(cè)時(shí)間均在1～5月，季節(jié)性的變化對(duì)于形變的影響可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的差異；（2）GPS野外觀測(cè)時(shí)，天線(xiàn)高的量取精度較差，部分站點(diǎn)的天線(xiàn)高量取方式可能有誤；（3）天線(xiàn)相位中心偏差的影響。天線(xiàn)相位中心在理論上應(yīng)與其幾何中心保持一致，但由于天線(xiàn)本身特性及機(jī)械加工等原因，相位中心會(huì)隨信號(hào)輸入方向和強(qiáng)度不同而變化（郭際明等，2007）。因此，天線(xiàn)相位中心的瞬時(shí)位置 （一般稱(chēng)相位中心）與理論上采用的相位中心位置并不重合，存在一定的偏差，在GPS解算過(guò)程，雖已采用 ELEV模型進(jìn)行了相位中心偏差改正，但其對(duì)垂向的影響仍不能完全消除。

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)3個(gè)跨斷裂帶綜合剖面的GPS和水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理對(duì)比分析，驗(yàn)證了GPS、水準(zhǔn)垂直形變觀測(cè)結(jié)果的一致性和差異性，其結(jié)果表明：時(shí)間間隔較短（數(shù)月至1年左右）、觀測(cè)時(shí)間不同步的情況下，GPS 觀測(cè)與水準(zhǔn)觀測(cè)垂直形變速率之間偏差較大；在觀測(cè)時(shí)間間隔較長(zhǎng)（3年及以上）時(shí)，GPS 觀測(cè)與水準(zhǔn)觀測(cè)垂直形變速率之間有較好的一致性，與Geoffrey和David（2002）的研究結(jié)果比較一致。這表明GPS技術(shù)測(cè)得的垂直形變?cè)谳^長(zhǎng)時(shí)間尺度上是可靠的，同時(shí)也為區(qū)域流動(dòng)GPS三維地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)提供了重要基礎(chǔ)依據(jù)。

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