基于高頻GPS的沂沭斷裂帶兩側震時位移分析

吳玉鑫，韓保民，徐工

(山東理工大學 建筑工程學院,山東 淄博 255049)

沂沭斷裂帶位于郯廬斷裂帶主體的北側，與郯廬斷裂帶主體相連成一線，是一條延伸長、規模大、切割深、活動時間長的復雜斷裂帶。該斷裂帶是山東省區域地質的重要分界線，把山東分為地質上所說的魯東、魯西兩大塊。隨著科學技術的發展，為了在全世界范圍內更好地進行地球動力學和地球物理學等學科研究，國際GNSS服務組織在全球范圍內設立了若干個GPS觀測站，并且已經構成了連續的跟蹤站網絡。許多國家及部分地區為了精確地掌握地表變化情況，實時檢測地震活動并且進行相應的預防，也都開始建立用于特定領域或可綜合運用的觀測站，并且相互之間構成了GPS連續運行的參考站網。中國為了監測災害天氣、海平面的變化以及有關地震活動，已經在沿海地區布設了多個能夠持續運行的GPS觀測站，這些觀測站所提供的觀測數據對于研究沿海地區以及陸地地表變化有重要的作用。探究此次日本地震對山東所處塊體的影響，以及在此影響下，沂沭斷裂帶在地震期間發生了怎么樣的運動變化及在之后的一段時間內會有什么樣的位移變化趨勢，對研究沂沭斷裂帶的運動發展規律以及地質構造有重要的參考作用，可為地震震源機制解提供重要的約束參數，為判斷該地區的地震變化趨勢及實施防震抗震措施提供依據。除此之外，研究沂沭斷裂帶兩側地表的運動規律以及該地區的地震活動性對于社會以及經濟的發展也有著至關重要的作用。

本文將結合沂沭斷裂帶兩側的觀測站在日本2011年3月11日地震期間采集的高頻GPS信號，利用GAMIT/TRACK對其進行解算，并對各個測站之間進行基線分析，選擇出最佳觀測站作為最優GPS解，利用解算結果分析與總結各個觀測站的三維位移變化規律。

1 解算原理

1.1 TRACK解算原理

GAMIT中有許多不同的模塊，TRACK是其中可以用來動態定位的一個模塊。TRACK通過原始觀測文件中的偽距觀測量來得到之后要用到的初始值，再采用相對值的方法，利用卡方增量法對載波相位L1和L2整周模糊度的最優結果與次優結果進行相互比較。如果最優值的卡方影響小于次優值，那么這個整周模糊度就可以確定是整數，然后再使用迭代的方法進行計算，一直到將更多其他歷元的模糊度都解算出來，最后再通過卡爾曼濾波修正對流層延遲參數和未解決的模糊度參數，解算出想要的結果。

由于研究區的范圍比較大，相對應的GPS觀測網屬于中大尺度觀測網，各個站點之間的距離超過了100 km，其處理過程比較復雜，要想對其進行解算也相對比較困難，因此TRACK模塊會使用MW-WL組合模型的方法來進行電離層干擾的消除，從而解算出最優的模糊度解[1-4]。MW-WL組合，即相位寬巷組合(MW)和偽距窄巷組合(WL)之差，是由Wubbena和Melbourne在1985年分別提出來的，詳細的計算公式如下：

M+e，

(1)

式中：φi為雙頻相位觀測值；Ri為雙頻偽距觀測值；fi為頻率(i=1,2)；c為光速；M為偽距多路徑；e為觀測噪聲。

MW-WL組合由雙頻相位觀測值和偽距碼組成，對于GPS觀測量來說，Δf/Σf≈0.124，這表明其距離噪聲減小了約1個數量級。GPS信號從發射到傳播，直到最終到達接收機，在此過程中會受到各種誤差源以及各種物理效應和地球引力的影響。由公式(1)可以看出來，該組合減小了幾何距離、電離層、對流層以及鐘差等的影響，但是仍然受到偽距多路徑M和觀測噪聲e的影響。

1.2 高頻GPS解算過程

在處理高頻GPS數據時選擇GAMIT/TRACK軟件會得到相對較高精度的解算結果，但是最終解算結果的精度也會受到觀測站選取的影響。關于怎樣選取觀測站才能獲得高精度的解算結果，許多專家學者進行了大量的實驗研究。尹繼堯[4]通過處理北京的GPS連續觀測網并對此進行研究發現：在相對理想的情況下，一般選擇4個觀測站就能夠進行數據的處理，并且能夠能到較高精度的解算結果；但是對于觀測條件較差，所得觀測數據不太理想的情況下，要得到所需要的高精度解算結果最好是增加所使用觀測站的數目。鄔熙娟等[5]通過對相對小區域的GPS網進行解算并分析，最終的實驗結果表明，6～7個均勻且分布在測區附近的觀測站為較理想的觀測站數目。在此基礎上，劉小明等[6-10]通過對用于各個方面的GPS網進行了仔細的研究，最終的結果也表明，在解算高頻GPS數據時選取6～7個觀測站所得到的是最為理想的結果，所以在此次數據處理中，選取6個觀測站的數據進行解算并對此進行分析與研究[11-13]。本次實驗選取6個觀測站的觀測數據作為原始數據，分別為SDCY(山東昌邑)、SDJX(山東嘉祥)、SDLY(山東臨沂)、SDYT(山東煙臺)、SDZB(山東淄博)、TAIN(泰安)。觀測數據從2011年3月11日5時50分0.00秒—2011年3月11日6時4分59.98秒。采用igs精密星歷，觀測的時間長度為15 min，數據的采樣間隔為0.02 s。

2 精度分析

2.1 精度分析方法

1)計算流動站的坐標。以基準站的概略坐標(approximate position)以及解算出來的N、E、U三個方向上的變化為基礎，計算出其他觀測站的坐標。以SDCY為基準站，計算SDJX的坐標公式如下：

Xsdcysdjx=APXsdcy+dNsdcysdjx，

(2)

Ysdcysdjx=APYsdcy+dEsdcysdjx，

(3)

Zsdcysdjx=APZsdcy+dUsdcysdjx，

(4)

式中：Xsdcysdjx、Ysdcysdjx、Zsdcysdjx為以SDCY為基準站計算所得的SDJX的X、Y、Z坐標；APXsdcy、APYsdcy、APZsdcy為SDCY站X、Y、Z方向的概略坐標；dNsdcysdjx、dEsdcysdjx、dUsdcysdjx為GAMIT/TRACK為解算出來的N方向的分量變化。其他各觀測站的坐標計算如上。

2)計算各個觀測站的標準差。對每個觀測站計算出來的坐標進行標準差的運算。以SDYC為基準站，計算SDJX坐標的標準差公式如下：

(5)

(6)

(7)

3)計算點位誤差。每個觀測站會計算出X、Y、Z三個方向的標準差，對它們進行點位誤差的運算。以SDCY為基準站計算所得SDJX坐標的點位誤差計算公式如下：

(8)

式中：σsdcysdjx為以SDCY為基準站計算所得SDJX的X、Y、Z坐標的點位誤差，其他各觀測站的點位誤差計算如上。

4)計算基準站的點位誤差的均值。

(9)

2.2 精度計算

把6個觀測站分別作為基準站，剩余的5個觀測站作為流動站并且分別于基準站構成單基線，最終解算出6套結果數據。在計算出來的結果中包含著6個結果文件，其中以觀測站本身命名的結果文件中的數值全部為0，剩余其他的結果文件中就包括觀測的時間、觀測的時間間隔以及該流動站相對于基準站在觀測期間N、E、U三個方向上的位移分量。下面以SDCY作為基準站，其他5個觀測站作為流動站解算出來的結果為例進行詳細的分析說明。由SDCY觀測文件中可以獲取基準站的概略坐標XYZ，然后再根據結果文件中的N、E、U三個方向的分量計算出各個流動站的坐標，再計算出每個觀測站坐標的中誤差以及點位誤差。按照以上步驟將剩余5個觀測站的結果數據也進行同樣的處理。

各個觀測站進過計算所得的點位誤差以及點位誤差的均值見表1、表2。

表1 各個觀測站的點位誤差Tab.1 Position errors of each observation station 單位：m

表2 各個基準站的點位誤差平均值 Tab.2 Average position error of each reference station 單位：m

3 運動規律分析

經過精度分析，將穩定性相對較好的SDJX站作為基準站，之后利用以SDJX為基準站計算所得的數據進行其他各個觀測站的運動規律分析。

3.1 永久位移

要想知道觀測站在開始記錄數據與停止記錄數據時的瞬時位置變化，就要進行永久位移的分析，把最后時刻觀測站的位置坐標與起始時刻觀測站的位置坐標進行運算，得到觀測站的永久位移。

從表3可以看出在N方向上SDLY觀測站的永久位移變化最大，SDYT觀測站的變化最小；在E方向上TAIN觀測站的永久位移變化最大，SDZB觀測站的變化最小；U方向上SDZB觀測站的永久位移變化最大，SDYT觀測站的變化最小。各測站在東西方向和垂直方向發生的位移總變化較大，在南北方向受到的影響較小。

表3 以SDJX為基準站其他五個觀測站在N、E、U三個方向上的永久位移Tab.3 Permanent displacements of other five observation stations in three directions of N、E、U with SDJX as reference station 單位：m

3.2 震時位移

3.2.1N、E、U三個方向上的震時位移變化

在計算過程中將各個觀測站的所有坐標全部減去該觀測站開始記錄時的第一個坐標數據，為了將各個觀測站的變化曲線區分開來，又在上述計算所得數據的基礎上分別加上了不同的數值數，圖1為各個觀測站在N、E、U三個方向上的位移變化情況，其中圖1a、圖1b、圖1c分別為各個觀測站在N、E、U方向上的震時位移變化。

(a)N方向

從圖1a可以看出在N方向上SDYT觀測站最先受到影響開始發生位移的變化，接著SDCY觀測站開始變化，剩余三個觀測站發生位移變化的時間相隔較短，在整個觀測過程中，TAIN和SDLY總體向北方向移動，其他三個觀測站總體上向南方向變化。從圖1b可以看出SDYT最先發生明顯的位移變化，各個觀測站位移變化的最高峰都出現在400～550 s之間，在整個觀測過程中，SDLY和TAIN總體上向東方向移動，其他三個觀測站總體上發生了西方向的位移變化。從圖1c可以看出SDCY和SDYT最先受到影響開始發生位移的變化，其他三個觀測站位移開始發生明顯變化的時間大致相同。在500 s左右的時候各個觀測站達到了位移變化的一個波峰，在整個觀測過程中，SDZB和TAIN有垂直地面向上運動的趨勢，位移逐漸垂直地面向上變化，其余三個觀測站有垂直地面下移的趨勢。

3.2.2 三維位移變化

圖2為各基準站的三維運動軌跡，其中圖2a、圖2b、圖2c、圖2d、圖2e分別為SDCY觀測站、SDYT觀測站、SDLY觀測站、SDZB觀測站、和TAIN觀測站在受到地震的影響之后所發生的三維位移變化。可以看出SDCY觀測站在垂直地面的上下方向上變化的幅度較大，在東西方向和南北方向大致呈圓圈形狀變化；SDYT觀測站在垂直地面的上下方向上變化的幅度較小，在東西方向和南北方向大致呈圓圈形狀變化；SDLY觀測站在垂直地面的上下方向上變化的幅度相對較大，在東西方向和南北方向大致呈圓圈形狀變化；SDZB觀測站在垂直地面的上下方向上變化的幅度較大，在東西方向和南北方向分別呈線性形狀變化；TAIN觀測站在垂直地面的上下方向上變化的幅度較大，在東西方向變化較小，在南北方向大致呈線狀變化。

(a)SDCY測站三維運動軌跡

4 結論與討論

本文利用以SDJX(山東嘉祥)為基準站解算所得的數據對各個觀測站進行了N、E、U三個方向上的位移變化分析。分析結果表明：各個觀測站所處地區在東西方向和垂直方向受到日本地震的影響較大，在南北方向受到的影響相對較小，斷裂帶西側的觀測站有向西移動的趨勢，東側觀測站有向東運動的趨勢，進一步研究發現位于北側的觀測站發生的位移大于南側觀測站所發生的位移變化，說明在日本地震期間，沂沭斷裂帶向兩側發生了擴張的變化，而且北側的擴張程度相對較大。

隨著技術的發展和GPS接收機存儲數據的能力不斷提高，高頻GPS技術逐漸運用于精度要求較高的觀測領域，比如監測震時地表位移變化以及進行地表變形的監測等。高頻GPS記錄到了2011年3月11日日本Ms 9.0級大地震發生時，沂沭斷裂帶兩側地表真實的運動方式及其運動規律，為以后該區域發生地震時的震時情況判斷以及在地震發生之后進行相應的應急防范措施提供了參考依據。在后續的研究中將利用遙感技術手段對震后研究區內地物的變化進行監測，分析地震對地物變化產生的影響。