東北穩定參考框架NEChina20

鮑 艷 王國權 于 笑 趙瑞斌 肖根如 許建東 甘衛軍

1 北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京市平樂園100號， 100124 2 美國休斯頓大學地球與大氣科學系，美國休斯頓市卡爾霍恩路4800 號，77024 3 天津城建大學地質與測繪學院，天津市津靜路26號， 300384 4 東華理工大學測繪工程學院，南昌市廣蘭大道418號， 330013 5 中國地震局地質研究所，北京市華嚴里甲1號， 100029

區別于短期的(幾個小時到幾天)、實時的、動態的GNSS觀測和定位技術，長期的(幾年到數十年)、靜態的GNSS觀測需要一個在時間和空間上連續的、穩定的基準，即穩定參考框架。由GNSS解算的觀測點初始位置通常與定義衛星位置的全球參考框架對齊。在全球參考框架下，觀測點的速度由該站點所在地殼塊體(板塊)的長期運動主導。大范圍的、長期的、每年cm級的板塊運動常常會掩蓋局部的、短期的、每年mm級的地面形變。當研究人員對局部尺度的地面形變或結構穩定性感興趣時，就需要一個穩定的參考系統，即區域穩定參考框架。干涉合成孔徑雷達(InSAR)、激光探測與測距(LiDAR)、各類基于無人機(UAV)的測量和監測技術在我國自然災害監測領域得到了廣泛的應用，這些“遙感”技術一般都裝備高精度的GNSS，觀測結果往往與GNSS測得的坐標位置對齊。選用區域穩定參考框架，工程技術人員能夠將不同時期和不同地區收集到的基于不同遙感平臺的觀測結果轉換到一個統一的參考系統，便于開展長期的、跨地區的(比如城市間的)、綜合的地質災害觀測和研究。

本文基于中國地殼運動觀測網絡(CMONOC)近8 a(2012～2019年)的連續觀測數據(圖1)，嘗試在東北地區建立一個“穩定參考框架”，為該地區地質災害長期觀測和大型工程結構健康監測提供一個統一的、精確的、穩定的參考系統。

場地速度由觀測周期大于5 a、觀測天數大于1 000 d的位移時間序列估算得到，參考框架為IGS14；活動地塊劃分參見文獻[1]圖1 2000～2020年中國及周邊地區地殼運動GNSS水平速度場Fig.1 GNSS-derived horizontal crustal-movement velocity field (2000-2020) in China and adjacent regions

隨著空間技術的發展和完善，全球導航衛星已從單一的GPS衛星定位系統發展到GPS、Galileo、GLONASS、BDS四個系統并存，GNSS已成為衛星導航和全球定位系統的通用術語。每個GNSS系統在定義衛星軌道時都有自己獨立的參考系統，GNSS接收機記錄到的原始數據(衛星軌道、衛星與地面站之間的距離等)都與各GNSS系統的參考框架對齊。但是后期處理軟件在解算單日解時，通常選用由國際GNSS組織(IGS)發布的、與最新IGS參考框架(當前為IGS14)對齊的“最終”衛星軌道產品。近年來，部分CMONOC臺站通過硬件和軟件升級，開始記錄BDS、GLONASS和Galileo衛星的信號，這些數據的積累時間較短，目前還不足以精確估算場地速度。本研究僅選用美國GPS衛星的信號用于解算靜態位置， 但本項研究的結果，即將地心地固三維笛卡爾坐標(ECEF-XYZ)從全球參考框架IGS14轉換到區域參考框架的7個參數和季節性地面變形預測模型適用于從所有GNSS系統解算得到的單日位置，因此，全文使用GNSS。

1 東北地塊

張培震等[1]將中國大陸及鄰區劃分為青藏、西域、南華、滇緬、華北和東北亞6個一級活動地塊區，本文將這6個活動地塊在中國境內的部分分別稱為青藏地塊、西北地塊、大華南地塊(華南地塊+南海地塊)、滇西地塊、華北地塊和東北地塊(圖1)。該地塊劃分方案中，東北地塊和華北地塊之間預留了寬約100 km的“過渡帶”，即河套斷陷帶和張家口-渤海斷裂帶(圖2)。

圖2 東北地塊及毗鄰地區在NEChina20參考框架下的GNSS速度場(2012～2019年)Fig.2 GNSS-derived site velocity field (2012-2019) with respect to NEChina20 within the Northeast block and adjacent areas

要準確評價觀測點所在場地或工程結構的穩定性，在實踐上需要一個穩定的參照系統。在大地測量研究和應用領域，穩定參照系通常由一組固定在地球表面的“基準站”來實現。基準站(也稱參考站)的位置由一組笛卡爾坐標位置(XYZ)和相應的速度矢量來定義。區域參考框架提供了一個在特定時空域內 “不動”的參照系統, 一般由在研究區域內選取的一組在時間和空間上穩定的參考點來描述。當然“動”與“不動”是一個相對的概念，也是一個很抽象的概念，地球表面沒有絕對“不動”或“固定”的參照物。

活動地塊強調塊體的整體運動特征，區域參考框架則強調地塊的整體剛度。從本質上講，區域參考框架的穩定性由基準站所覆蓋地塊的整體剛度來決定。通常認為，東北地塊隸屬于穩定的中朝準地臺，地塊內部活動構造和地震的活動水平比較低，僅在少數活動斷層附近有中等強度地震發生，可視為一個整體性很好的剛性地塊。根據Zheng等[3]和Wang等[4]基于長期GNSS觀測的研究結果，當前東北地塊內部的最大剪應變和面膨脹應變都在數個10-9/a的量級，小于華北地塊內部的應變水平，與華南地塊的平均應變水平相當。

2 GNSS位移時間序列分析

2.1 GNSS數據處理方法和位移精度

本研究選用由作者所在的研究小組和內華達大學提供的單日GNSS精密單點定位(PPP)結果，即相對于IGS14的ECEF-XYZ時間序列。詳細的GNSS數據處理方法和策略見參考文獻[5]。本文仔細校正了由GNSS天線更換、地震同震位移等事件引起的位移臺階，用Wang[6]介紹的方法剔除位移時間序列中的異常值(離群值)，該方法剔除了大約5%～10%的觀測值。本研究所選用的臺站都有5 a以上觀測歷史，觀測天數大于1 000 d，位移精度均能達到水平方向優于4 mm、垂直方向優于7 mm 。

2.2 觀測點場地速度的精度

在地質災害觀測和大型工程結構長期變形監測和穩定性評估領域，穩定性的評價主要依賴于觀測點的位移速度而不是單個測量位置的精度或準度。精確定位并不能保證得到可靠的場地速度，其在很大程度上取決于所選用參考框架的穩定性和觀測歷史的長度。本研究采用Blewitt等[7]介紹的MIDAS方法估算位移時間序列的線性速度，即觀測點的場地速度。MIDAS法首先計算每相隔1 a(365 d)的2個觀測位置的位移速度(斜率)，剔除一定的離群值之后，從大量的1 a速度樣本中選取中位數來代表該位移時程的線性速度。對于符合正態分布的數據(速度樣本)，該中位數和用線性擬合整個時間序列得到的速度值在統計上是相同的。MIDAS法的結果往往代表了位移時間序列的主導“線性趨勢”，能夠避免或減小離群值、位移突變(臺階)、數據中斷、季節性地面運動、震后位移等對場地速度估算值的影響。比較采用MIDAS方法和傳統的最小二乘法得到的場地速度值發現，對于沒有受到短期或局部場地變形(滑坡、地面沉降、地震同震位移、震后位移)影響的位移時間序列(大于5 a)，兩種方法得到的場地速度的差異一般小于0.3 mm/a。由于MIDAS法是從大量的1 a速度值中選擇場地速度(部分異常值已被剔除)，樣本的標準偏差(σ)經適當調整后能夠比較客觀地反映所選速度值的不確定性或可靠性。本文在估計場地速度時，選用2012～2019年的GNSS記錄，由MIDAS法得到場地速度的不確定性在水平方向上約為±(0.2～0.3) mm/a，在垂直方向上約為±(0.5～0.8) mm/a。

2.3 大地震同震和震后位移對場地速度估計值的影響

2011-03-11日本大地震在我國東北產生了顯著的震前、同震和長期的震后位移，對當前場地運動速度的影響比較復雜[8]。采用MIDAS法估算觀測點的場地速度能夠很好地消除地震同震位移(位移臺階)對場地線性速度的影響。震后位移主要由發震斷層的震后滑動和地殼的粘彈性松弛引起，在時間和空間上一般遵循非線性的衰減模式。長期的震前觀測數據積累對精確估算震后位移至關重要，沒有數年的震前連續觀測，一般很難精確剔除疊加到長期線性地面運動中的震后位移。

東北地塊位于2011年日本大地震震中西北方向，距震中最近的臺站為JLYJ(吉林延吉)和SUIY(黑龍江綏陽)，約1 200 km；距震中最遠的臺站為NMEL(內蒙古二連浩特)， 約2 600 km(圖2)。圖3比較了東北地區6組有近20 a(1999～2019年)觀測歷史的GNSS臺站在2011年日本大地震前后的位移時間序列，參考框架為NEChina20。圖3(a)為3組位于東北地塊中西部的長期觀測臺站CHAN(吉林長春)、 HRBN(黑龍江哈爾濱)和HLAR(內蒙古呼倫貝爾)的觀測結果。可以看出，與震前(1999～2010年)的場地速度矢量相比，震后(2012～2019年)3個臺站均顯示向東南方向的運動，即朝2011年日本大地震的震中方向運動。HRBN臺和 CHAN臺距震中約1 550 km，地震前和地震后的場地速度差在水平方向為1.5 mm/a； HLAR臺距震中約2 200 km，地震前后的場地速度差在水平方向小于1.0 mm/a。在垂直方向，3個臺站震前和震后的場地速度差都小于1.0 mm/a。圖3(b)為3組位于東北地塊東部的臺站(VLAD+VLDV、 SUIY、HLFY+KHAJ)的觀測結果。其中，VLAD和VLDV臺位于俄羅斯的海參崴，二者相距約30 km，距震中約1 000 km。VLAD臺記錄到1996～2000年約5 a的地面運動， VLDV臺記錄到2008～2018年約10 a的地面運動。VLAD臺在震前向西運動，震后改變為向東南方向運動，即朝震中方向運動，震前(1996～2000年)和震后(2012～2018年)的場地速度在水平方向相差約為10 mm/a， 在垂直方向差別甚微(小于1 mm/a)。SUIY臺位于黑龍江省牡丹江市綏陽鎮，距震中約1 180 km，是我國距2011年日本大地震最近的GNSS臺站，完整地記錄到震前、同震和震后位移。在該觀測點，水平方向的同震位移為3.2 cm (向東)和1.8 cm(向南) ，震后位移很明顯，朝東南方向運動。 該臺站在垂直方向的同震位移小于5 mm，但震后位移比較顯著，到2012年底，記錄到約2 cm的累積震后位移(下沉)，垂直方向的震后位移在2012年底基本消失。SUIY臺在震前(1999～2010年)相對于NEChina20保持穩定(小于1 mm/a)，震后朝震中方向移動，當前的水平方向平均位移速度約為4 mm/a (2015～2019年)，由震前(2000～2010年)和震后(2015～2019年)觀測數據估算得到的水平方向的場地速度差約為3 mm/a，垂直方向約為0.5 mm/a。HLFY臺位于黑龍江撫遠，距震中約1 300 km，該臺站在2010年后期開始運行，震前記錄歷史不足1 a，但是其附近的KHAJ臺(位于俄羅斯哈巴羅夫斯克, 中文名伯力)有很長的(2001～2012年)震前觀測數據和1 a的震后數據。HLFY和KHAJ臺相距約60 km。KHAJ和HLFY臺的位移時間序列相互補充，完整地記錄了HLFY臺的震前、同震和震后位移(圖3(b))，震前(2001～2010年)和震后(2012～2019年)的場地速度在水平和垂直方向的差都小于1 mm/a，表明在該觀測點日本大地震引起的震后位移很小。

(a)圖中，HRBN(黑龍江哈爾濱)和HLAR(內蒙古呼倫貝爾)位于依蘭-伊通斷裂西側，CHAN(吉林長春)靠近依蘭-伊通斷裂；(b)圖中，SUIY(黑龍江綏陽)、HLFY+KHAJ(黑龍江撫遠，俄羅斯伯力)和VLDV+VLAD(俄羅斯海參崴)位于敦化-密山斷裂帶東側；參考框架為NEChina20圖3 2011年日本大地震對東北地區地面運動的影響Fig.3 The impact of the 2011 Japan earthquake on the ground displacements within the northeast area of China

上述6個觀測點的震前和震后場地速度表明，日本3·11大地震在我國東北地區產生向震中方向運動的震后位移。震后位移對我國東北地區當前(2012～2019年)的場地水平方向速度的貢獻在西部約為1 mm/a， 在中部約為2 mm/a，在東部約為3 mm/a，在垂直方向幾乎沒有(小于1 mm/a)。圖3所列舉的位移時間序列表明，震后位移的貢獻隨時間的推移和震中距離的增加而減小。HLFY(黑龍江撫遠)臺沒有觀測到明顯的震后位移，表明震后位移的空間分布很復雜。大地震之后，震中及鄰近區域斷層的活動和震后地殼物質的粘彈性松弛會以不同的方式對地殼和上地幔施加應力，從而在地表產生復雜的震后位移，一般很難用一個統一的模型在1 mm/a的精度范圍內描述。顯著的非線性震后位移主要發生在震后0.5 a，多數臺站的位移時程自2012年以來保持了很好的線性特征。因此建立東北區域參考框架時，只選用2012年以來的觀測數據估算當前的場地速度。該區域參考框架與IGS14在歷元2020.0對齊，即任一觀測點在該區域參考框架下的XYZ坐標和IGS14參考框架下的XYZ坐標在2020.0保持一致，因此，該參考框架命名為東北穩定參考框架2020，簡寫為NEChina20。

3 建立局域穩定參考框架的方法

3.1 坐標轉換

坐標系是參考框架的具體實現，因此，參考框架的轉換也稱坐標轉換。全球參考框架采用地心地固笛卡爾三維坐標系 (ECEF-XYZ)，坐標原點(0,0,0)為整個地球的質量中心。區域參考框架通常由IGS全球參考框架的轉換來實現，并隨全球參考框架的更新而更新。建立區域參考框架，就是建立在全球參考框架下的XYZ坐標位置與在區域參考框架下的XYZ坐標位置之間的聯系，即確定轉換參數。在工程應用中，為方便研究地表位移， 區域參考框架下的XYZ坐標位置通常換算到站心地平直角坐標系。

實現區域參考框架通常用Helmert方法，也稱為7參數相似坐標變換，即將IGS14參考框架下的XYZ坐標通過整體平移(Tx，Ty，Tz)、旋轉(Rx，Ry，Rz)和縮放(s)轉換到區域參考框架。基于3個或更多參考站在2個參考框架下的XYZ坐標，就可以通過最小二乘法估計在該歷元的7個坐標轉換參數。實踐中用于實現區域參考框架的方法通常可以歸納為：每日7參數轉換和一次性14參數轉換2類。轉換連續觀測得到的位置時間序列，則需要計算每天的7個轉換參數，即轉換參數的時間序列。對從事大型工程結構變形監測的工程技術人員而言，解算每日的7個轉換參數還是很繁雜的， 需要收集和處理大量的參考站數據，因此單日7參數坐標轉換方法目前主要在研究領域使用，很少在大型工程健康監測實踐中使用。

(1)

表1 實現NEChina20的7個坐標轉換參數

3.2 參考站的選擇

建立參考框架的任務就是選擇參考站并定義這些參考站在設定歷元的坐標位置和長期的場地速度。區域參考框架是靜態的長期參考系，用線性模型預測感興趣的時間窗口內的測站位置。因此，位移時間序列的線性度是選擇參考站的主要標準之一。CMONOC站點旨在為大地測量和地殼運動監控提供長期穩定的參考系統，各臺站的位置都經過精心選擇，盡可能避開局部不穩定的場地，絕大多數CMONOC站點是實現區域參考框架的良好基準站[12]。

基準站的選擇是一個反復嘗試和迭代排除的過程。本文初步選取我國東北及鄰區30個在2012年之后有5 a以上觀測歷史的臺站，用前文介紹的7參數轉換方法建立一個初始參考框架。建立初始參考系后，計算每個參考站在3個方向(EW、NS、UD)的位移速度，剔除水平方向速度大于4 mm/a的臺站，重新實現區域參考框架。第1步迭代剔除VLDV(俄羅斯海參崴)、JLYJ(黑龍江延吉)和 SUIY(黑龍江綏陽)3個臺站。重新計算轉換參數，逐步縮小速度閾值，每次循環迭代刪除速度大于閾值的參考站。經過多次迭代和淘汰之后，水平和垂直方向的速度閾值設定為1 mm/a，最后綜合臺站的空間分布，選定15個臺站實現東北穩定參考框架(圖2)。在該參考框架下，這15個參考站在3個方向的平均速度約為零(表2)，表明NEChina20是一個“無平動、無旋轉”的穩定參考系統。

表2 東北穩定參考框架(NEChina20)15個基準站的基本信息

3.3 NEChina20的穩定性和適用范圍

從本質上講，區域參考框架的穩定性由基準站所覆蓋地殼塊體的剛度來決定。地塊的總體剛度隨地塊面積和時間跨度的增加而降低，因此區域參考框架在時間上有其壽命，在空間上有其適用范圍。在實踐中，通常使用所有基準站相對于區域參考框架的場地速度的均方根(RMS)來評估區域參考框架的穩定性，也稱參考框架的精度。參考框架的穩定性也指可預測性，決定了其將坐標準確外推到參考系的過去和將來的能力。表2中列出的統計參數表明，這15個參考站的RMS精度在水平方向約為0.5 mm/a，在垂直方向約為0.6 mm/a，這也表明東北地塊內部當前地殼平均變形水平在1 mm/a以內。

NEChina20基于2012～2019年的連續觀測窗口，將該參考框架的窗口向前擴展(用于將來的數據)或向后擴展(用于歷史數據)8 a，通過擴展累積的位置誤差在垂直和水平方向均小于5 mm, 仍然在GNSS單日解的位移精度范圍之內。圖3(a)所列舉的位移時間序列表明，相對于該區域參考框架，依蘭-伊通斷裂帶以西的HLAR(呼倫貝爾)和HRBN(哈爾濱)臺，震前(2000～2010年)的3個方向場地速度均小于1 mm/a；靠近該斷裂帶的CHAN(長春)臺和位于依蘭-伊通斷裂帶東側的SUIY(黑龍江綏陽)臺震前的3個方向場地速度也都在1 mm/a以內。據此推論，NEChina20為評價東北地區震前的場地活動性提供了一個可靠的穩定參照系統。考慮到該區域參考框架將在近期更新并與IGS參考框架的更新保持一致，建議NEChina20的適用范圍在時間上限于2005～2025年約20 a的時間窗口。

4 季節性地面升降預測模型

由GNSS觀測數據解算得到的位移時間序列主要包含線性的地殼運動、季節性的地面變形、冰川均衡調整(glacial isostatic adjustment，GIA)引起的地面變形、地震和其他構造活動引起的地面運動。穩定參考框架能夠剔除或弱化參考框架覆蓋范圍內區域性的地面變形。中國大陸位于GIA過程的遠場，GIA在我國東北地區的影響表現為地面下沉，相對于全球參考框架的下沉速度小于0.5 mm/a[13]，在東北地塊內部引起的差異沉降則更小，因此，GIA的影響在區域參考框架下甚微。在實踐中，季節性地面運動往往是影響場地形變和工程穩定性評價的主要因素，尤其是對觀測周期小于2.5 a的流動觀測。圖3所示的GNSS時間序列在3個方向記錄到明顯的季節性位移，在垂直方向尤其顯著，從谷值到峰值的位移約為3 cm。水平方向上季節性運動的峰值通常小于5 mm，與PPP單日解的精度(重復性)相當，對場地或工程穩定性評價的影響甚微，因此，本文未嘗試建立水平方向的季節性地面形變模型。

在東北地區，季節性地面升降主要由前半年的地面抬升和后半年的地面下沉主導，地面一般在11月初達到周期性升降的谷值(最低點)，并保持到12月；在下一年1月開始緩慢回升，在6月達到峰值(最高點)；從7月開始下沉，到10月底達到谷底。上升段約7個月，下降段約5個月。季節性地面升降主要由地下水位、地表水負荷、地表溫度、土壤濕度、大氣壓力等的季節性變化引起，可通過對位移時間序列進行傅里葉分析模擬其變化趨勢：

DUD(t)≈c1sin(2πt)+d1cos(2πt)+

c2sin(4πt)+d2cos(4πt)

(2)

式中，t為歷元，以十進制年份單位表示；c1和d1為年度季節性運動的幅度；c2和d2為半年度季節性運動的幅度。圖4列出了東北地區SUIY(黑龍江綏陽)、CHAN(吉林長春)、HRBN(黑龍江長春)和HLAR(內蒙古呼倫貝爾)4個基巖臺站長達20 a(1999～2019年)的垂直方向時間序列。對每條位移時間序列經傅里葉分析得到季節性地面變形的4個參數c1、d1、c2和d2(圖4)，選用這4個臺站每個參數的平均值構建東北地區基巖場地季節性地面升降預測模型：

DUD(t)=0.28sin(2πt)-0.66cos(2πt)-0.02sin(4πt)+0.03cos(4πt)

(3)

黑色點為GNSS記錄到的垂直方向季節性地面運動，綠色點為根據觀測值經傅里葉分析得到的季節性地面升降模型(式(2))，紅色線為綜合4個長期觀測臺站數據得到的東北地區季節性地面升降模型(式(3))圖4 東北地區垂直方向季節性地面升降預測模型Fig.4 Observed and modelled seasonal vertical ground movements in the northeast area of China

從圖4看出，該模型(紅色線)很好地模擬了垂直方向地面運動(升降)的趨勢，這4個臺站記錄到的垂直方向位移時序的均方根(RMS)平均為0.45 mm，剔除該模型模擬得到的季節性位移之后，均方根誤差降為0.32 mm，該季節性模型能夠將GNSS垂直方向的位移精度(RMS)提高約30%。根據研究，季節性地面運動的幅值在不同場地有一定差別，土層場地的季節性地面升降幅度往往大于基巖場地的季節性升降幅度，但兩者的總體升降趨勢基本一致[14]。該季節性模型能夠準確預測未來的地面運動趨勢，從而有助于從GNSS解算得到的位移時間序列中提取真實的工程結構變形信息，在工程結構穩定性監測和預警項目中有其應用價值。相對于長期的地殼運動觀測，地質災害(火山活動、滑坡、地面沉降)和工程結構變形監測項目的觀測周期一般都比較短，從幾個月到一兩年，很多采用流動觀測，場地速度估計值的精度(不確定性)通常會受到季節性地面運動的顯著影響，而該模型能夠相當準確地剔除季節性的地面形變趨勢，提高場地穩定性和結構安全性評價的可靠性。

5 NEChina20的應用

本文所推薦的NEChina20的適用范圍包括東北地塊和東北地塊與華北地塊之間的過渡帶，覆蓋我國東北三省、內蒙古(包頭-呼和浩特以北)、河北省(張家口以北)、渤海灣，以及北京市和天津市的北部，是我國火山和地震災害風險很高的地區，也是我國交通基礎設施和大型工程建設活躍的地區，其中渤海灣是我國近海海洋平臺最多的海域。下文將分析NEChina20在該地區活動斷層、地面沉降、火山活動等觀測和監測領域中的應用。

5.1 東北地塊內部斷層活動觀測

郯廬斷裂帶是中國東部最大的活動斷裂帶，在東北地區的部分為其北段，自沈陽開始分成2個分支, 西支為依蘭-伊通斷裂帶，東支為敦化-密山斷裂帶(圖2)。 依蘭-伊通斷裂帶走向北東-南西, 南端起始于沈陽, 向北經過鐵嶺、伊通、舒蘭、尚志、方正、依蘭、鶴崗等地, 于蘿北一帶進入俄羅斯, 中國境內全長約850 km。國內學者對該斷層的地質構造和活動性有很系統的研究，一般認為是第四紀早期的活動斷裂，部分斷裂段的最近活動可追溯到全新世晚期，并且發生過7級以上強震[15]。沿依蘭-伊通斷裂帶，從南到北有5個GNSS臺站：LNHL(遼寧葫蘆島)、LNYK(遼寧營口)、 LNSY(遼寧沈陽)、CHAN (吉林長春)和HLHG(黑龍江鶴崗)。
圖5列舉了位于依蘭-伊通斷裂帶南端(LNYK)和北端(HLHG)的2個臺站的位移時程，參考框架為NEChina20。2個臺站都位于基巖場地，在東西方向的位移時間序列吻合很好，記錄到約1.5 cm向東的同震位移。LNYK臺在南北方向保持穩定(小于1 mm/a)，沒有記錄到同震位移；HLHG臺則保持向南3 mm/a的運動，并記錄到向南約1 cm的同震位移。LNYK臺自2013年以來以3 mm/a的速度抬升，HLHG臺則在垂直方向保持穩定(小于1 mm/a)。2個臺站的位移時間序列的線性度較好，LNYK臺的持續抬升和HLHG臺的持續向南運動很可能與場地附近的斷層活動有關。LNHL臺和LNSY臺位于依蘭-伊通斷裂帶南端，CHAN臺位于該斷裂帶中部，這3個臺站在NEChina20參考框架下保持穩定(3個方向速度都小于 1 mm/a)，未受到斷裂活動的影響。上述觀測結果表明，當前該斷裂帶各段的活動性有顯著差別。

圖5 位于依蘭-伊通斷裂帶南端的LNYK(遼寧營口)臺 和北端的HLHG(黑龍江鶴崗)臺的GNSS位移時間序列 比較(參考框架為NEChina20)Fig.5 Comparisons of GNSS-derived displacement time series (NEChina20) at the southern end GNSS LNYK station and the northern end GNSS HLHG station of the Yilan-Yitong fault zone

位于撫遠的HLFY(黑龍江撫遠)臺和其鄰近的KHAJ(俄羅斯伯力)臺記錄到向西南方向4 mm/a的運動(圖3)，在該站址周圍50 km范圍內未發現第四紀活動斷裂(圖2), 導致該觀測點向西南方向運動的原因還需要進一步調查。位于吉林長嶺縣的JLCL臺記錄到2 mm/a的持續地面沉降。長嶺縣為典型的農業縣，JLCL臺位于該縣農業灌溉區，其沉降很可能由農業灌溉抽取地下水造成。位于敦化-密山斷裂帶東側的JLYJ(吉林延吉)臺、JLCB(吉林長白山)臺和SUIY(黑龍江綏陽)臺, 明顯受到2011年日本大地震震后位移的影響，當前以約4～5 mm/a的速度向震中方向運動。

5.2 地塊過渡帶的斷層活動觀測

在東北地塊與華北地塊之間存在一條寬約100 km的過渡帶，總體呈近東西向, 長達1 300 km。該過渡帶可分為東西2段，西段為河套斷陷帶(河套平原)，東段為張家口-渤海斷裂帶(圖2)。該過渡帶地勢平坦，交通便利，人口稠密，從西向東有包頭、呼和浩特、大同、張家口、懷安、宣化、延慶、昌平、平谷、三河、薊縣、寶坻、唐山等城市。

河套活動斷陷帶的北界為陰山南側山前斷裂，南界為鄂爾多斯北緣斷裂，西界為狼山山前斷裂, 東界為和林格爾斷裂[2]。NMWT(內蒙古烏拉特后旗)臺位于河套斷陷帶西北邊緣，其西側約2 km為北東向的狼山山前斷裂(圖2) 。圖6列舉了該臺站記錄到的3個方向位移時間序列(2010～2019年)和水平方向的運動軌跡。該觀測點明顯受到2011年日本大地震的影響，記錄到向東0.5 cm的同震位移，震后向西北方向運動并持續下沉，下沉速度穩定，約為8 mm/a (圖6(a))；水平方向的運動速度和方向隨時間而變化，在2013年和2014年保持較快的位移速度，約13 mm/a；自2015年來有變緩的趨勢，當前的平均速度約為6 mm/a(2017～2018年)(圖6(b))。該臺站經歷的非線性位移時間序列很可能由小范圍的斷層活動或局部場地失穩所致。位于河套斷陷帶的NMWJ(內蒙古烏加河)、NMTK(內蒙古托克托)和NMBT(內蒙古包頭)，分別以2.5 mm/a、1.5 mm/a 和 0.5 mm/a的穩定速度沉降，在水平方向與東北地塊保持相對穩定。這4個臺站的觀測結果顯示，相對于東北地塊，河套斷陷帶當前還在持續下沉。SXDT(山西大同)臺和HEYY(河北陽原)臺位于汾渭地塹的北端，2個臺站顯示相對于東北地塊向東的運動，當前的平均速度(2012～2019年)約為 2 mm/a，與華北地塊保持一致。

圖6 NMWT臺(內蒙古烏拉特后旗)記錄到的3個方向位移時間序列和水平方向運動軌跡Fig.6 Three-component displacement time series and the horizontal trajectory recorded at NMWT station

張家口-渤海斷裂帶西起張家口附近，向東南經北京、天津、渤海、山東半島北緣，過威海到達黃海海域，總長度達800 km，寬度達100 km，總體走向呈NWW向，與汾渭地塹盆地群、太行山東麓斷裂、黃莊-高麗營和夏墊斷裂、滄東斷裂、郯廬斷裂帶相交，呈現明顯的分段性(圖7)。該斷裂帶歷史上曾發生多次震級大于5.0的地震，如1679年三河-平谷8.0級地震、1976年唐山7.8級地震、1998年張北6.2級地震、2006年文安5.1級地震和2020年唐山古冶5.1級地震。唐山地區是該地塊過渡帶內地震最活躍的地區。基于GNSS觀測和地質構造資料，國內學者對張家口-渤海斷裂帶的活動性進行了系統研究[16]。圖7所示的速度矢量表明，該過渡帶華北地塊的一側相對東北地塊的一側向東運動，平均速度約為2 mm/a， 即該斷裂帶的總體運動特征為左旋走滑。

參考框架為NEChina20；黑色線為地塊邊界[1]；白色線為第四紀以來活動過的斷裂[8]圖7 2012～2019年張家口-渤海斷裂帶及其 鄰區的GNSS速度場Fig.7 GNSS-derived site velocity field (2012-2019) within the Zhangjiakou-Bohai fault zone and adjacent areas

圖8列舉了位于張家口-渤海斷裂帶內BJYQ(北京延慶)、BJSH(北京十三陵)、JXIN(天津薊縣)、TJBD(天津寶坻)、HETS(河北唐山)5個臺站和位于華北地塊的BJFS(北京房山)臺在NEChina20參考框架下的位移時間序列。這些臺站距震中2 000～2 300 km，記錄到的同震位移(向東)約1 cm，震后位移時間序列差別顯著。BJFS、BJSH和JIXN臺有超過20 a(1999～2019年)的連續觀測歷史(圖8(a))，完整記錄到2011年日本大地震前后的場地變形。JIXN臺從2009年初開始向西運動，一致持續到2011-03-11日本大地震發生，震前2 a累積的向西位移約為1 cm；地震發生時向東運動，同震位移約為1 cm，即地震之后，該觀測點回到2 a前的位置。該觀測點在震后1 a內持續向東運動，累積了約1 cm 的震后位移。 其他臺站沒有記錄到明顯的震前位移。BJFS和BJSH臺的水平方向場地速度在地震前后有約1 mm/a的差別，垂直方向的場地速度在地震前后沒有差別。TJBD臺位于寶坻斷裂帶上，位移時間序列顯示明顯向南運動的分量，約1 mm/a，表明該斷層也兼具正斷層的運動特征。BJSH和BJYQ臺地震之后的位移時間序列保持很好的線性，震后位移不顯著，當前的場地速度小于1 mm/a(2012～2019年)，與東北地塊保持一致(圖8(b))。BJFS臺顯示向東運動的趨勢，約2 mm/a，與華北地塊保持一致。

HETS臺位于唐山斷裂帶上(北東向)，靠近唐山陡河水庫，距1976-07-28唐山大地震(MS7.8)震中約20 km，距2020-07-12的唐山古冶地震(MS5.1)震中約15 km，位于這2次地震之間(圖7)。HETS臺在日本地震后約3 a(2011-02～2014)的時間窗口內，顯示向西北方向的運動，平均速度約1 cm/a，背離震中方向；其他臺站則顯示震后朝震中方向運動的趨勢。與其他臺站相比，HETS臺觀測點的震后位移持續時間明顯延長。

圖8列舉的位移時間序列表明，各臺站的場地位移在時間和空間上都有顯著差別。日本大地震的震前、同震和震后位移對該地區的構造應力場產生了復雜的影響，震后位移的影響當前還在持續。

5.3 火山活動監測

東北地區是我國新生代火山最多的地區，也是我國當前火山災害風險最高的地區。由中國地震局火山研究中心運行的中國火山監測臺網覆蓋我國境內6個火山活動區，其中4個位于東北，包括吉林長白山天池火山、吉林(撫松縣)龍崗火山、黑龍江五大連池火山、黑龍江牡丹江鏡泊湖火山(圖2)。長白山火山是中國大陸規模最大的活動火山，是目前我國具潛在噴發危險的火山之一。火山活動區地下氣體、巖漿或其他流體的移動，往往導致地表變形。因此，通過長期的地表形變觀測，可以推測地下巖漿活動，為火山活動的預測和危險性評價提供重要信息。

圖9列舉了3個靠近火山區的GNSS臺站記錄到的位移時間序列(2010～2019年)，參考框架為NEChina20。JLCB臺位于吉林長白山，距長白山火山口約45 km，距龍崗火山中心區約70 km；HLWD臺位于黑龍江五大連池，距五大連池火山群內近期活動的老黑山和火燒山 (火山錐)約10 km；JLYJ臺位于吉林延吉，距黑龍江省牡丹江鏡泊湖火山約120 km，距天池火山口約150 km(圖2)。HLWD臺在水平方向的運動速度約為0.5 mm/a，在垂直方向約為0.2 mm/a，表明該火山及鄰區相對東北地塊穩定。JLCB和JLYJ臺受到2001年日本大地震震后位移的顯著影響，分別以3 mm/a和5 mm/a的速度朝震中方向運動，因此，在分析當前火山活動時，除了要考慮長期的地殼運動和季節性地面變形，也要考慮由震后位移引起的區域性場地變形。

圖9 位于東北火山活動區的GNSS臺站 記錄到的位移時間序列Fig.9 GNSS-derived displacement time series within the volcanic activity areas in the northeast area of China

中國火山監測臺網和國內多家研究機構在長白山和五大連池區域已開展了多年的、多期次的GNSS流動觀測， 地方觀測機構也在火山活動區內開展了多年的GNSS連續觀測[17-18]。這些觀測數據目前分散在各研究機構，發表的觀測結果也是相對于不同的參考站，很難綜合比較不同區域和不同時期的觀測結果。NEChina20和季節性地面運動預測模型相結合，為整合東北地區多年的火山觀測數據提供了一個統一的、精確的、穩定的參考平臺，也為將來開展綜合的、長期的火山監測和預警構建了基礎設施。

6 結 語

本文主要的研究成果包括實現東北穩定參考框架(NEChina20)的7個轉換參數(式(1)、表1)和東北地區季節性地面升降模型(式(3))。NEChina20的穩定性(精度)在水平方向約為0.5 mm/a、在垂直方向約為0.6 mm/a，推薦在空間上的適用范圍限于東北地塊及其鄰區，在時間上的適用范圍限于2005～2025年約20 a的時間窗口。NEChina20和季節性地面運動預測模型相結合，為東北地區地質災害(火山、斷層、滑坡、地面沉降)的長期觀測提供了穩定的參考框架，也為高鐵路基、大壩、海堤、跨海大橋、近海海洋平臺等大型工程結構的長期穩定性和變形監測提供了一致的、精確的參照系統。用戶在解釋東北地區2011年前后的位移時間序列時，應當考慮到2011年日本大地震產生的震前、同震和震后位移對東北地區地殼運動的影響；在解釋參考框架窗口(2012～2019年)之外的觀測結果時，應當考慮到參考框架的穩定性隨時間的退化；在解釋低于 1 mm/a的場地速度時，應當考慮到該參考框架的穩定性。

本文所選用的7參數坐標時間序列轉換方法和常用的單日7參數轉換方法、14參數轉換方法在原理上是一致的，對坐標轉換的整體精度沒有影響。坐標轉換的整體精度，即區域參考框架的穩定性，主要基于地殼塊體的剛度、基準站的數量和空間分布、基準站場地速度的準度和精度。東北穩定參考框架將與IGS參考框架同步更新，持續增長的觀測歷史和更多的基準站將提高該區域參考框架的穩定性。