利用GPS技术研究山西跨断裂剖面垂直形变

秦姗兰 王文萍 季灵运 周琳
摘要:
利用2009~2012年山西3个跨断裂综合剖面的GPS和水准资料,分别获取了这3个剖面的垂向形变速率。结果表明:在时间间隔较短(数月至1 年左右)、观测时间不同步的情况下,GPS 观测与水准观测获得的垂直形变速率偏差较大;在观测时间间隔较长(3 年及以上)时,二者之间有较好的一致性,同时也验证了在较长时间尺度上利用GPS技术获取跨断裂综合剖面垂直形变的可行性。
关键词:垂直形变;GPS;精密水准;一致性
中图分类号:P31572文献标识码:A文章编号:1000-0666(2016)03-0421-06
0引言
地壳垂直运动观测是地球构造运动研究、地震与火山灾害研究、地面沉降地质灾害研究、全球或区域精密高程基准维护等多项工作的重要基础。对于地表垂直运动的观测,多年来一直沿用精密水准测量方法,这是讫今为止精度最高的测量方法,其垂直位移测量精度可达毫米甚至亚毫米级,但其作业效率低、劳动强度大的缺陷也同样明显。相对于水准测量,GPS技术具有全天候、全天时、观测效率高、劳动强度低等优势,并且能够同时提供地表三维的形变信息。随着全球参考框架精度提高和数据处理技术方法的发展,GPS观测被越来越多地应用在地表垂直运动监测研究等方面,其应用领域涵盖全球或区域地壳长期垂直运动监测研究、地震同震和震后垂直位移监测研究、地面沉降监测研究等。国内外学者在理论上分析了利用GPS技术监测地表垂直形变的可行性(陈永奇,1989;黄立人,匡绍君,2000;顾国华,2005;董克刚等,2008),还有学者进行了实验分析(张风霜等,2009;顾国华,王武星,2011;Ahmed et al,2007;Kuo-En et al,2011)。前人大量研究结果表明:GPS垂向观测精度虽较水平分量弱一些,但对厘米级以上的大变形事件有比较稳健的监测能力。对于年毫米级变化的区域地壳垂直运动,利用长时间尺度的连续GPS垂直位移时间序列资料,也可以获得比较可靠的垂直形变(速率)结果。与连续GPS大量成功应用于地壳垂直运动监测不同,区域流动GPS观测能否应用于正常背景下的构造垂直运动监测,至今仍无定论。本文在前人研究的基础上,利用跨断裂带剖面资料研究探讨了GPS技术在研究区域地表垂直形变方面的可行性。
1数据来源及处理
11数据来源
通过GPS和水准观测获取的高程是不同的高程系统,黄立人和匡绍君(2000)通过定量比较站心坐标系下U分量变化与水准测得的高差变化,发现当研究区域不大(小于110 km)时,可以用站心坐标系下U分量的变化来考察GPS测定高差变化的精度,即在研究区域的范围较小时,GPS和水准测量2种手段得到的高程变化可以进行直接比较。在此基础上本文选取了2009~2012年中国地震局第二监测中心在山西断陷带布设的3条跨断裂综合观测场地4期的GPS和一等精密水准观测资料,观测时间如表1所示。
使用2种方法观测3个场地的共同点点位分布,如图1所示,山阴场地(112°44′~112°51′E、39°11′~39°33′N)西北起自山西省山阴县岱岳乡下沙河村,東南止于山西省代县白草乡雁门关陡沟梁村,布设路线西北端跨口泉断裂,东南端跨六棱山前断裂。介休场地(112°00′~111°41′E,36°57′~37°09′N)西北起自山西省孝义市内,东南止于山西省介休市龙凤镇渠池村,路线西北端至中部在孝义至介休的小断裂西侧,中部跨介休东北—西南走向的小断裂,东南端跨太谷断裂。临汾场地西北起自山西省临汾市土门镇西涧北村,东南止于山西省蔚临汾市浮山县张庄乡西佐村。
12数据处理
GPS观测资料处理采用GAMIT/GLOBK软件(Herring et al,2009),解算时加入研究区域周围的中国地壳运动观测网络GPS连续站以及中国大陆周边的IGS站进行联合解算。在数据处理时采用ELEV模型对天线相位中心偏差做改正,消除天线相位中心变化的影响。采用GPT模型加马尔科夫随机过程估算(Ahmed et al,2007)改正解决GPS信号传输过程中大气对流层天顶延迟的影响,并对每个GPS测站点每小时估计1个天顶方向对流层延迟参数,并进行线性插值估算,投影映射函数采用高程方向应用精度最高的VMF1投影映射函数,以提高垂向的解算精度。在求取各站点相对ITRF08参考框架的运动速率后(Altamimi et al ,2011),采用GLOBK软件计算测站点在ITRF2008框架下的坐标,各GPS测站点大地高方向的中误差均小于4 mm,然后分别计算出每个GPS点间隔1年、2年和3年的垂向变化量。水准数据是采取往返测观测获取的,并加入尺长改正和水准面不平行改正,选取的3个跨断裂剖面每千米往返测高差中误差最大不超过0356 mm。随后利用3个跨断裂剖面的水准数据计算出同样时间间隔内的垂向变化量。为了方便比较,处理时选定每条剖面的01号监测点为基准,分别得到其他站点相对于01号站点的垂直形变速率,将两种结果进行比较分析。
2结果分析
山西断陷带由10多个大小不等的NE、NNE走向的地堑和半地堑式盆地组成,主要活动断裂既控制了每个盆地的主要边界,也控制了盆地的发育;震源机制解结果表明,山西断陷带南北两端为拉张带,中部断层活动仍然以拉张型正断层为主,反映出山西断陷带整体的张性活动。文中3个跨断裂剖面分别分布在山西断陷带的南北段及中部,根据计算结果,3个跨断裂剖面反映出的山西断陷带的垂直形变特征如图2~4所示。
从图2可以看出,山阴跨断裂剖面两种观测手段1年尺度的对比结果差异相对较大,尤其是2009~2010年差异尤其大,但总的运动趋势比较一致,而间隔2年和3年时间尺度的对比结果吻合较好,最大差异小于5 mm/a。山阴场地位于山西断陷带的北部,相对于场地西部山地稳定区域,整个山阴场地呈逐年下沉的趋势,随着观测周期的增长,下沉量变大,其中恒山北麓断裂两侧下沉量比较大,这也反映出该区域总体表现出右旋拉张断陷运动的特点。
根据图3可以看出,介休跨断裂剖面的GPS和水准对比结果在间隔2年时间尺度和3年时间尺度上均显示出了较好的趋势一致性,但间隔3年时间尺度的相关性更高,总体差异更小。间隔1年尺度差异性较大,其中JX15在2009~2010年与2011~2012年时间段、JX17在2009~2010年和2010~2011年时间段均表现出较大的差异性。介休场地位于山西断陷带中部太原盆地内,太原盆地南以灵石隆起与临汾盆地相邻,北以石岭关隆起与忻定盆地相连,夹在位于东南的太行山与西北部的吕梁山之间,历史上发生过3次大于6级的地震,垂直差异运动强烈,是山西断陷带沉积厚度最大的盆地。介休场地内部点相对于两侧稳定块体呈下沉趋势,且沉降量具有随时间周期增大而逐渐增大的特点,场地边缘区域的沉降量最大,最大可达到37 mm,整體上和GPS速率剖面在区域反映出的拉张性质相吻合。
从图4可以看出,临汾跨断裂剖面在1年时间尺度的对比结果较差,其中2009~2010年两种手段对比结果在整体趋势上存在差异,而 2009~2012年较长时间尺度的观测结果比较一致,差异也较小,最大不超过4 mm/a。临汾场地位于山西断陷带的南端,临汾盆地南以峨嵋台地与运城盆地相邻,北以灵石隆起与太原盆地相隔,东、西分别以大断裂与浮山、罗云山相邻,是山西断陷带地震活动最强烈的地区。介休场地内的点呈现整体下沉趋势,西边的点相对于东部的点沉降量明显增大,而且表现出随时间周期增大沉降量逐渐增大的特点。
根据各剖面不同时段GPS与水准测量两种手段获取的区域地表垂直形变速率,剔除个别变化量大的异常点,计算出各剖面2种观测手段对比结果的均方差,如表2所示。
从表2可以看出,2种观测手段1年尺度的结果差异相对较大,而间隔2年和3年时间尺度就显示出了较好的趋势一致性,间隔3年时间尺度的总体差异更小。因此可以看出,时间间隔越长,利用GPS获取的垂直形变就相对越可靠。
3影响因素分析
从3个跨断裂短水准剖面的不同时段GPS与水准测得的垂直形变对比结果来看,短时间尺度(1年)的结果差异较大,个别监测点差异超过20 mm/a,而较长时间尺度(2~3年)的结果差异较小,一致性较好,绝大多数监测点的差异在3 mm/a以内。对于短期的这种较大的差异性,分析可能有以下几个方面的因素:(1)GPS观测的时间基本上在每年的9、10月,而水准测量只有在2009年测量时与GPS观测时间较为接近,其余3年的观测时间均在1~5月,季节性的变化对于形变的影响可能会导致结果的差异;(2)GPS野外观测时,天线高的量取精度较差,部分站点的天线高量取方式可能有误;(3)天线相位中心偏差的影响。天线相位中心在理论上应与其几何中心保持一致,但由于天线本身特性及机械加工等原因,相位中心会随信号输入方向和强度不同而变化(郭际明等,2007)。因此,天线相位中心的瞬时位置 (一般称相位中心)与理论上采用的相位中心位置并不重合,存在一定的偏差,在GPS解算过程,虽已采用 ELEV模型进行了相位中心偏差改正,但其对垂向的影响仍不能完全消除。
4结论
本文通过对3个跨断裂带综合剖面的GPS和水准数据进行处理对比分析,验证了GPS、水准垂直形变观测结果的一致性和差异性,其结果表明:时间间隔较短(数月至1年左右)、观测时间不同步的情况下,GPS 观测与水准观测垂直形变速率之间偏差较大;在观测时间间隔较长(3年及以上)时,GPS 观测与水准观测垂直形变速率之间有较好的一致性,与Geoffrey和David(2002)的研究结果比较一致。这表明GPS技术测得的垂直形变在较长时间尺度上是可靠的,同时也为区域流动GPS三维地壳运动观测提供了重要基础依据。
参考文献:
陈永奇.1989.用GPS监测地面的垂直运动[J].工程勘察,(5):61-64.
董克刚,易长荣,许才军等.2008.利用GPS监测天津市地面沉降的可行性研究[J].大地测量与地球动力学,28(4):68-71.
顾国华.2005.GPS观测得到的中国大陆地壳垂直运动[J].地震,25(3):1-8.
顾国华,王武星.2011.区域网GPS观测得到的汶川大地震前后的地壳垂直运动[J].地震,31(3):1-8.
郭际明,史俊波,汪伟.2007.天线相位中心偏移和变化对高精度GPS数据处理的影响[J].武汉大学学报(信息科学版),32(12):l 143-1 146.
黄立人,匡绍君.2000.论地面垂直形变监测中应用GPS技术的可能性[J].地壳形变与地震,20(1):30-37.
张风霜,胡新康,陈聚忠等.2009.北京天津地区垂直形变剖面复测结果的GPS检验[J].华北地震科学,27(4):26-30.
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