超高频GPS记录地震位移信号的能力评估:一个人工爆破震源的实验

李祖宁 林树 陈超贤 陈光 关玉梅 王紫燕



摘要:利用2014年6月福建省地震局进行的人工爆破实验的50 Hz超高频GPS观测数据,采用快速预报星历以及事后精密星历,对观测的数据分别进行准实时和事后精密处理。结果显示高频GPS在差分处理模式下,其水平向噪声大致为5 mm,垂直向大致为10 mm。高频GPS差分单历元解在采用快速预报星历与事后精密星历得到的结果基本一致,因此采用快速预报星历进行高频GPS实时解算的结果具有很高的可靠性。同时,通过比较并址的高频GPS和强震仪信号的波形和频率成分发现,差异主要是由于高频GPS和强震仪记录对于不同频率震动信号的响应不同,两者在重叠的频段上有较好的一致性,而这种差异本身体现了一种互补的特征。因此,高频GPS数据的实时处理结果具备监测地表震动的能力,可应用于地震烈度速报与地震预警,成为地表震动和地震研究的良好补充。
关键词:超高频GPS观测;人工爆破;观测精度;地震预警
中图分类号:P315.3 文献标识码:A 文章编号:1000-0666(2016)04-0587-11
0 引言
传统的GPS 大地测量学和地震学的研究目标区别在于研究地壳形变谱的频段不同,前者主要研究较长周期(几天到几十年)的变化,后者主要研究瞬时(小于1 s到几小时)地壳运动的特征。随着高频(1 Hz)和超高频(20~50 Hz)GPS接收机的出现以及高频GPS数据处理算法的成熟,使得GPS的观测精度和对形变谱的敏感性朝着测量地壳动态瞬时变化的方向不断改进(Avallone et al,2011;Blewitt et al, 2006;Lou et al,2013),目前已经出现大地测量和地震学观测谱范围逐渐合并的趋势。由于高频GPS不仅可以观测到周期小于1 s的位移量,而且可以检测到超长周期的地壳运动,没有限幅的约束,因此,采用高频GPS接收机一方面可观测到大动态的静态位移,另一方面可以观测到大震震时动态位移,为研究地震的破裂过程、地壳介质的非均匀特性和地震前后地壳形变短期变化过程提供了多窗口检测的工具(Yehuda et al,2000;Choi et al,2004;Elósegui et al,2006)。
利用高频GPS作为长周期地震仪器的设想和方法最早由Miyazaki等(1997)在1997年AGU秋季会议上提出,他们基于GEONET观测网1 Hz采样率记录,分析1996年Hyuga NadaMW6.7级地震的观测数据,清楚地得到了P波和S波的到时,通过与理论和强震仪记录的波形数据对比,P波和S波到时符合得很好(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资料研究2002年Denali 7.9级地震的地壳变形特征(Bilich et al,2008),得到了近场和远场地面运动位移的时间序列,与地震仪记录结果比较,两者具有较好的一致性。由于高频GPS观测能够得到地震动态波形,利用高频GPS资料反演震源破裂过程的代表性研究有对2003年Tokachi-Oki地震的研究,利用1 Hz的观测资料,对震源滑动分布进行反演研究,不仅得到了空间滑动总量分布特征,也得到了空间破裂速度。
由于GPS测量所受的影响因素比较多。如大气、电离层扰动等,GPS的观测噪声来源很广,而且高频GPS的观测精度相对于地震仪的观测精度相差较大,导致其对地震信号观测精度比地震仪低很多。在垂直方向,目前GPS的精度在厘米级,而地震仪的精度高于微米级。高频GPS所观测到的信号到底是噪声还是真正的位移信号,一些学者还存在疑问和争论(Li et al,2015;Geng et al,2015)。同时,对于超高频GPS数据的稳定性以及可靠性也存在着不同的意见和说法。因此,定量评估高频GPS的噪声水平以及监测地震位移信号的能力,对于确定高频GPS在地震研究中的应用具有重要意义。
近些年来,随着一些快速定位方法的出现,快速解算GPS位移逐渐成为可能,如单点定位方法(PPP方法)、双差定位方法等。但是这些快速解算方法的精度如何、能否满足地震研究的需要,仍需要定量的分析和标定。因此,如何确定高频和超高频GPS的解算精度,特别是利用快速预测星历确定GPS位移的解算精度,对于地震快速响应以及地震预警等工作具有极为重要的意义。
由于地震大小和空间分布具有不确定性,如果能够采用人工源或者可控震源进行研究和标定,其结果和可靠性会高得多。从2010年开始,福建地震局开始实施了人工源爆破试验,这为定量评估高频GPS探测地震信号的能力提供了理想的实验条件。因此,本文将利用超高频GPS(50 Hz)对人工爆破引起的位移信号进行测量,探究超高频GPS数据在实际观测中的可靠性及捕获位移信号的能力及精度。
1 数据及处理方法
1.1 实验观测及数据分布
福建省地震局自2010年开始实施的“跨越台湾海峡人工爆破观测”项目旨在通过多次人工爆破激震的方式,探测海峡地震的深部构造和孕震环境(李祖宁等,2007;丁学仁等,2007)。2014年6月,该项目在福建省多个区域进行了4次不同当量的人工爆破实验。为了更好地获取观测资料的对比性,笔者选取了其中观测条件最好的2个爆破点进行高频GPS观测,同时在部分高频GPS观测点进行了并址的强震仪观测,如图1所示。观测的仪器采用了天宝R9型高精度大地测量GNSS接收机,配备标准的扼流圈天线,同时记录50 Hz的观测数据;强震仪器采用的是Grulap强震仪。
为了定量评估高频GPS接收机得到的位移信号随震中距的衰减情况,2014年6月16日在南靖试验场按照距离远近一共布设了8台(套)NetR9 GPS接收机,台站布局如图1a,其中黄色线段为炮点,红色圆圈为GPS点,7号点并址布设MEMS强震仪和Grulap强震仪。各点离炮点的距离为:1号点约5 m,2、3号点约13 m,4、5号点约20 m,6号点约25 m,7号点约50 m,8号点约100 m。为了进一步验证高频GPS确实能够捕捉到近场爆破引起的地壳振动信号,2014年6月23日在漳州华安实施人工爆破前,在爆破点附近布置了3台NetR9 GPS接收机,点位分布图如图1b所示,其中黄色线段为炮点,红色圆圈为GPS点,粉红色为MEMS强震仪和Grulap强震仪位置,由于观测条件比较复杂,考虑仪器安全,没有进行严格的并址观测,但是两者的距离都很近。各点离炮点
1.2 GPS数据处理方法
为了获取高采样率高精度的结果,本文采用短基线差分处理模式,选择离炮点最近的福建GNSS基准站(>30 km)为参考站,由于爆破源的能量衰减得非常快,在参考站附近由于爆破源引起的位移基本为零。利用动态历元差分方法对1~8号点的50 Hz高频GPS数据进行解算,所采用的软件为GAMIT/GLOBK程序中的track模块(King,Bock,2002)。
为了探究实时高频GPS解算结果的可靠性,采用IGS快速预报星历来进行准实时解算,采用事后精密星历进行事后精密解算。解算结果如图2所示,选取南靖1号点的高程方向的结果进行展示,图中红色实线表示采用事后精密星历处理的结果,而蓝色虚线表示采用快速预报星历处理的结果,不难看出,两者吻合得非常好。因此,高频GPS差分单历元解在采用快速预报星历与事后精密星历得到的结果基本一致,这也说明采用快速预报星历进行高频GPS实时解算结果的可靠性。
由于GPS测量所受的干扰信号源比较复杂,为了获取更准确的时间信号信息,对解算结果进行带通滤波来去掉不需要的噪声信号。为了能准确地进行噪声滤波,首先对原始的观测记录进行频谱分析,找出爆破信号所集中的频率范围,然后再基于这个频率范围对原始结果进行带通滤波来消除其他噪声信号。
如图3所示,对离爆破点最近的1号点的高程方向原始信号进行频谱分析,蓝色、紫色和绿色分别为爆破前、爆破时和爆破后的信号频谱曲线。不难发现,高频GPS接收到的由爆破激发的地壳介质震动能量主要集中在0.2~2 Hz,2 Hz以后信号的能量与震前、震后噪声基本叠加一致,因此,将对所有的观测数据以0.2~2 Hz频带范围进行带通滤波来获取更好的信号信息。
2 数据结果及讨论
通过以上的观测,分别得到了南靖和华安2个区域多个观测点的记录并对其进行分析,从而定量给出超高频GPS接收能力的评估。
2.1 南靖区域高频GPS实验结果
南靖1号点布置在山体的石壁上,离炮点很近,其结果如图4所示,可以看出南北和东西向的位移不明显,高程向的位移很明显,接近60 mm,图中虚线是噪声水平线,东西和南北方向为5 mm,高程向为10 mm。对1号点高程向位移进行详细分析如图5所示,可以发现高程位移从14 s开始有一个脉冲,与并址布置的简易强震仪和Guralp高精度强震仪捕捉到的波形时间点是能够对应的, 简易强震仪和Guralp高精度强震仪的记录数据如图6所示,其中SM-104和SM-58为两台简易强震仪,Guralp-104为高精度强震仪。
通过对其他点的处理结果我们可以发现,3~5号点的位移波形在1时10分14秒都有所反应,有的水平向比较明显,有的高程向比较明显,如图7~8
2.2 华安区域高频GPS实验结果
采用南靖试验相同的数据处理方式对华安地区的高频GPS观测结果进行了分析,同时,也对原始数据进行0.2~2 Hz频带范围的带通滤波。从华安1号点和2号点的处理结果图中可以看到,起爆点的时间大概为1时00分17秒(图9~10),与强震仪加速度波形捕捉到的起爆时刻是能够对应的(图13~14),1号点振动时间比较长,持续了近4 s,幅度南北向达到了12 mm,高程向接近16 mm。而从2号点的南北向位移更明显接近16 mm,高程向位移达到了14 mm,对2号点的南北位移进行了放大(图11),从图11中可以很明显地看出高频GPS确实捕捉到了爆破瞬间的波形(17~20 s),而3号点的处理结果并不明显(图12),
3 结论
本文利用2014年6月福建省地震局进行的人 工爆破实验获得的50 Hz超高频GPS观测数据,并采用快速预报星历以及事后精密星历,对观测数据分别进行准实时和事后精密处理。通过近场的2次人工爆破高频GPS实验的数据分析,结果表明:
(1)高频GPS在差分处理模式下,其水平向噪声大致为5 mm,垂直向大致为10 mm,如果地壳的振动幅度超过高频GPS噪声水平,高频GPS 能够捕捉到近场地震引起的位移信号。
(2)高频GPS差分单历元解在采用快速预报星历与事后精密星历得到的结果基本一致,这也说明采用快速预报星历进行高频GPS实时解算的结果的可靠性。
综合高频GPS的监测能力,以及其基线漂移小,观测稳定的特点,高频GPS记录可以作为有效的“地震位移计”,对以记录速度和加速度的地震仪起到很重要的补充作用,使得“GPS地震学”这一交叉学科具有很好的发展前景。特别是近场 强震仪由于地表倾斜的原因,其得到的水平向加速度通常都带有地表倾斜的特征,从而导致积分后得到的位移出现严重的基线漂移,这给利用强震仪信号研究地震震源性质产生了严重影响。相比而言,高频GPS由于记录的本身就是位移信号,因此,基线漂移比较小。如果将高频GPS和强震 仪进行并址观测,采用高频GPS校正强震仪信号的基线,那么就能够得到无基线漂移的地表位移情况。另外,高频GPS通常能够接收到低频甚至静态位移信息,而强震仪的记录则对高频信号敏感。两者之间存在明显的互补性。综合两者的优点,进行联合观测,就能够得到无基线漂移的宽 频带地震信息,从而大大提高对于地震震源性质的研究。另外,高频GPS数据的实时处理结果,结合烈度计的记录,将能够在很大程度上提高地震烈度速报与地震预警的能力。因此,高频GPS将能够在未来的地震研究、地震预警方面发挥重要的作用。
感谢中国科学院测量与地球物理研究所的郑勇研究员、李军副研究员在本工作中的指导和帮助。
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