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.
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.
