王龍超

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

隨著GNSS 觀測站多年的持續(xù)運行，各個觀測網(wǎng)絡已經(jīng)積累了大量的觀測數(shù)據(jù)，GNSS 坐標時間序列已成為地殼形變監(jiān)測、全球板塊運動動力學研究、區(qū)域構造運動、斷層滑動和地震形變監(jiān)測等地學研究的主要方法之一[1]。

近年來，中國大陸西部區(qū)域的地質(zhì)構造活動和地表形變呈現(xiàn)異?；钴S的態(tài)勢，每年都會發(fā)生各種強烈的地質(zhì)災害活動。 因此，有必要對該區(qū)域地表形變進行研究，深入揭示中國西部地區(qū)塊體運動的趨勢特征和成因[2]。

已有學者對區(qū)域地表形變進行了相關研究，張風霜等利用中國陸態(tài)網(wǎng)基準站多年累積的觀測數(shù)據(jù)，對中國大陸GNSS 基線時間序列進行分析，認為中國大陸的GNSS 基線總體上呈現(xiàn)NE 向縮短，NW 向伸長的運動趨勢； GPS 基線時間序列可以捕捉強震孕震形變信息，同時說明了大范圍區(qū)域構造活動的劇烈變化對地震的孕育發(fā)生有一定的推動作用[3]。

曹里等提出利用多維度應變參數(shù)分析中國川滇地區(qū)的應變特征，基于去除歐亞板塊背景場的精確速度場，利用Delaunay 三角形構網(wǎng)的方法求得川滇地區(qū)的各應變參數(shù)。 驗證了川滇地區(qū)地震頻繁發(fā)生在最大剪切應變率出現(xiàn)高值和面膨脹率梯度較大區(qū)域[4]。

李延興等提出了板內(nèi)塊體的整體旋轉(zhuǎn)與均勻應變模型，并基于中國大陸地區(qū)速度場，計算了大陸8 個塊體的應變參數(shù)。 結果表明，塊體應變參數(shù)參考框架無關，計算的應變參數(shù)是唯一的[5]。

選用中國西部陸態(tài)網(wǎng)80 個GNSS 連續(xù)觀測站2010 年6 月28 日至2018 年8 月14 日的觀測資料，獲得各個測站的GNSS 坐標時間序列結果，基于上述結果計算研究區(qū)域的速度場、應變速率場和基線時間序列，進而研究分析監(jiān)測區(qū)域的地表形變[6-7]。

1 GNSS 數(shù)據(jù)處理和坐標時間序列分析

1.1 GNSS 數(shù)據(jù)收集

選用中國西部陸態(tài)網(wǎng)80 個GNSS 連續(xù)觀測站2010 年6 月28 日至2018 年8 月14 日的觀測資料，并對數(shù)據(jù)進行精密處理，從而獲得中國大陸西部各地塊的構造形變特征。 圖1 為中國西部陸態(tài)網(wǎng)GNSS 連續(xù)觀測站點的分布示意，其中，紅色和黑色線條分別表示區(qū)域界線、地塊界線。

1.2 GNSS 數(shù)據(jù)處理

基線處理軟件采用應用較為廣泛的GAMIT 10.7 高精度數(shù)據(jù)處理軟件，網(wǎng)平差采用MIT 和SIO 共同研發(fā)的GLOBK 軟件，該軟件采用平差方法是最小二乘估計和卡爾曼濾波法，將全球IGS-H 文件合并進行聯(lián)合平差，獲得這些站點在ITRF2014 框架下的坐標。 所選觀測站2010 年6 月28 日至2018 年8 月14 日單天解的NRMS 值的統(tǒng)計結果見圖2。 可以看出GNSS 觀測網(wǎng)的質(zhì)量良好，基線解算質(zhì)量較高。

圖1 GNSS 連續(xù)觀測站站點分布

圖2 單天解NRMS 值統(tǒng)計結果

以單周解為例，在解算的歷元范圍內(nèi)根據(jù)統(tǒng)計，N方向的平均精度為3.5 mm，有60%的測站精度優(yōu)于2.3 mm，95%的測站精度優(yōu)于5.2 mm；E 方向平均精度為4.7 mm，有60%的測站精度優(yōu)于3.0 mm，95%的測站精度優(yōu)于7.4 mm；U 方向平均精度為8.7 mm，有60%的測站精度優(yōu)于9.4 mm，95%的測站精度優(yōu)于13.7 mm。

1.3 GNSS 坐標時間序列分析

GNSS 坐標時間序列不僅攜帶了代表構造運動的線性信號，也包含代表周期運動、各種因素引起的突變項、噪聲信號等非線性信號。 為更加準確提取和分析GNSS 坐標時間序列中的各種信息，對GNSS 觀測站的單個坐標分量的坐標時間序列進行建模，可采用如式(1)所描述的非線性模型進行分析。

式中，ti表示GNSS 觀測站的單日歷元；a、b 表示時間序列的初始位置和運動速度；c、d 和e、f 表示連續(xù)觀測站周年項和半周年項運動系數(shù)；H(?)表示坐標時間序列中的階躍函數(shù)；gi表示連續(xù)觀測站的坐標分量在Tp時刻的突變值；kj表示連續(xù)觀測站在地震發(fā)生后的Tpost時刻的地表形變指數(shù)函數(shù)的振幅大?。沪觠表示GNSS 觀測站在地震發(fā)生后的松弛時間常數(shù)；vi表示坐標時間序列的坐標殘差。

按照上述非線性模型，將中國西部陸態(tài)網(wǎng)80 個GNSS 連續(xù)觀測站的坐標時間序列進行建模，并對坐標時間序列進行共模誤差剔除和噪聲分析，分別在只考慮高斯白噪聲和“白噪聲+閃爍噪聲”噪聲類型下求得的坐標時間序列擬合參數(shù)的速度項和振幅的大小和誤差[8-9]，圖3 是測站SCTQ 坐標殘差時間序列示意，表1 和表2 分別為速度和振幅對比結果。

圖3 SCTQ 坐標殘差時間序列示意

表1 速度對比結果 mm/a

續(xù)表1

表2 振幅對比結果 mm/a

從表1、表2 的對比結果可知:各坐標分量速度大小相差較小，N、E、U 方向最大相差0.21，0.42，0.29 mm/a；但對應的中誤差相差較大，N、E、U 方向?qū)獢M合不確定度差值分別為8.11，7.61，11.46 倍。 時間序列各坐標分量的振幅大小相差不大，N、E、U 方向最大相差0.15，0.18，0.25 mm/a；但對應擬合不確定度相差較大，N、E、U 方向?qū)獢M合不確定度差值分別為3.64，3.69，3.97 倍。 對GNSS 坐標時間序列進行共模誤差和噪聲剔除，獲得精確可靠的坐標時間序列結果。

2 GNSS 坐標時間序列在地表形變監(jiān)測中的應用

在地表形變問題的研究中，通常從研究區(qū)域的速度場、基線時間序列和應變特征參數(shù)三個方面入手，分析由于地震、板塊擠壓碰撞引起的地表形變。 速度場能夠反映研究區(qū)域塊體的總體運動趨勢，基線時間序列的變化特性反映了塊體之間的碰撞擠壓特征，應變特征參數(shù)反映了塊體應變狀態(tài)[10-13]，文章從上述三個方面展開研究。

2.1 水平速度場的獲取

使用中國GNSS 西部陸態(tài)網(wǎng)80 個觀測站，時間跨度8.13 年的觀測數(shù)據(jù)。 在進行基線處理和網(wǎng)平差時，選用中國周邊12 個IGS 站和穩(wěn)定的陸態(tài)網(wǎng)連續(xù)站進行約束，最終得到陸態(tài)網(wǎng)連續(xù)觀測站在ITRF2014 框架下的速度場，并繪制了中國西部陸態(tài)網(wǎng)GNSS 連續(xù)觀測站速度場示意圖4，藍色箭頭表示測站速度。

從圖4 可以看出，中國西部地塊總體上是往東南方向運動，且從南向北速率逐漸減小，從拉薩地塊向北依次是羌塘地塊、巴顏喀拉地塊、塔里木地塊、天山地塊和準噶爾地塊，其塊體最大運動速率依次為50.39，45.91，37.91，32.11，30.83，28.39 mm/a。

圖4 GNSS 連續(xù)觀測站速度場示意

2.2 GNSS 基線時間序列變化分析

分析中國西部地區(qū)104 條GNSS 基線的時間序列結果的趨勢性運動特征，基線分布如圖5 所示，為凸顯GNSS 連續(xù)觀測站之間的基線運動趨勢，采用最小二乘法對研究區(qū)域內(nèi)的基線時間序列進行線性擬合，最后得到GNSS 連續(xù)觀測站的運動速率，計算結果如表3 所示(僅列舉其中20 條基線成果)。 用基線時間序列的擬合誤差作為單位權中誤差，用來反映擬合精度，線性擬合得到的速率可以映GNSS 基線的運動趨勢特征。

圖5 基線分布

表3 中國西部GNSS 基線運動速率

由表3 可知，在歐亞板塊和印度洋板塊碰撞和推擠力的作用下，中國大陸西部的GNSS 基線時間序列呈現(xiàn)出NE-SW、NW-SE 方向縮短的運動特征。 拉薩地塊、羌塘地塊也有NE-SW 縮短和NW-SE 方向伸長的運動趨勢，縮短最快的XJRQ-XZZB 基線速率為-27.78 mm/a，伸長最快的XZRT-QHTT 基線速率為23.64 mm/a。

2.3 應變時間序列分析

應變場直接反映了局部應力應變的空間分布特征，從地殼內(nèi)部所受的構造力和應變?nèi)シ治?，通過構造應變模型計算研究區(qū)域塊體的應變特征參數(shù)，根據(jù)所求的應變參數(shù)特征評估地震災害。 因此，尋找能夠反映研究區(qū)域塊體內(nèi)部形變特征的參數(shù)和表述方法是確定區(qū)域地殼形變特征的基礎。

(1) 體旋轉(zhuǎn)與均勻應變模型

計算塊體應變速率的方法有:多面函數(shù)法、最小二乘配置法、球諧函數(shù)法和Delaunay 三角形法。 武艷強等在研究中對比了幾種方法的應用可靠性，認為各個方法都有各自應用的優(yōu)點和局限性，與研究區(qū)域的空間尺度和觀測數(shù)據(jù)密度有密切關系[14-17]。 大量研究表明，板塊或者地塊并不是純剛體，而更接近于彈性體或粘彈性體。 試驗研究和觀測結果都證明巖石圈板塊和板內(nèi)地塊不是純剛性的而是彈塑性的，故采用文獻[5]提出的塊體剛性彈塑性運動應變模型，有

式中，r 為塊體上矢徑；Ω(kx，ky，kz)為塊體的絕對歐拉矢量；λ 和h 分別表示點位的經(jīng)度和緯度。

(2)應變速率場分析

結合中國西部地區(qū)的GNSS 連續(xù)觀測站點，根據(jù)Delaunay 三角形構網(wǎng)算法，以各個塊體為研究目標，構造了由68 個測站生成的39 個多邊形，圖6 中紅色細線為中國西部地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)連續(xù)觀測站點Delaunay 三角形構形結果。 基于上節(jié)計算的速度場，求解研究區(qū)域的每個多邊形的應變參數(shù)，繪制中國西部地區(qū)應變速率場，分析各個塊體的運動趨勢和產(chǎn)生形變的內(nèi)在因素。

圖6 中國西部陸態(tài)網(wǎng)GNSS 觀測站構形結果

根據(jù)西部地區(qū)GNSS 連續(xù)觀測站的水平運動速度場，利用模型計算中國西部地區(qū)各個塊體的運動參數(shù)和應變參數(shù)，結果如表4 所示。 最后求得中國西部地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)2010～2018 年時間跨度下的主應變速率場，如圖7 所示。

圖7 主應變率結果

表4 中國西部地區(qū)主應變參數(shù)結果

續(xù)表4

從表4 和圖7 可以看出，天山塊體和準噶爾塊體區(qū)域主壓應變率的方向為北西向并呈現(xiàn)順時針右旋的趨勢，主壓應變率最大為-35.9×10-9·a-1；而主張應變率較小，最小為0.5×10-9·a-1；面膨脹率均為負值，最大為-34.4×10-9·a-1，在歐亞板塊北西方向的強大推力作用下，天山塊體和準噶爾塊體呈現(xiàn)北西-南東壓縮的運動趨勢。 塔里木地塊的主壓應變方向是北西130°，該地塊主壓和主張應變都比較小，相對較為穩(wěn)定。 祁連地塊主壓應變速率方向為北西方向并呈現(xiàn)順時針右旋的趨勢，主壓應變率最大為-37.4×10-9·a-1，而主張應變率則要小于主壓應變率，最小為2.6×10-9·a-1，面膨脹率都為負值，最大為-16.8×10-9·a-1，該地塊整體處于壓縮狀態(tài)。 橫斷山脈核心區(qū)域應變速率場呈現(xiàn)弧狀向東南方向發(fā)散趨勢明顯，且川滇地塊北部地區(qū)，東西向拉伸明顯，南北向擠壓也比較顯著，主壓應變率最大為-33.7×10-9·a-1，主張應變率較最大為41.3×10-9·a-1，此處位于四川盆地和云貴高原的交界處，受到東西部兩側擠壓造成該地區(qū)拉伸和收縮都比較強烈。

3 總結與展望

以中國西部陸態(tài)網(wǎng)GNSS 觀測站積累的觀測數(shù)據(jù)對地表形變進行監(jiān)測作為研究主題，對GNSS 坐標時間序列進行共模誤差和噪聲剔除，獲得精確可靠的坐標時間序列結果。 基于坐標時間序列結果總結了分析地表形變的常用方法，通過求得GNSS 連續(xù)觀測站的二維平面速率場，基線時間序列和應變速率場來獲取塊體的運動趨勢和地表形變規(guī)律。

本研究僅利用了整體旋轉(zhuǎn)與均勻應變模型按照Delaunay 三角形構網(wǎng)規(guī)則計算了研究區(qū)域的應變參數(shù)，在今后的研究中，應對主流的最小二乘配置法、球諧函數(shù)法和多面函數(shù)法進行應參數(shù)求解進行深入研究和對比。