GPS技术在监测地震与地壳运动中的应用
所属分类：GPS/DVD导航
2013-9-11 17:30:46 推荐指数：
GPS技术在监测地震与地壳运动中的应用
地球动力学是从地球的整体运动出发，由地球内部和表层的构造运动来探讨其动力演化过程，进而寻求其驱动机制。其基本问题是研究地球的变形及其变形机理。
板块构造概念带动了地学的一次重大革命，板间构造和板块运动理论能否成立或被人接受，均需得到全球板块运动的最新直接测量结果的支持。此外，板块运动的动力学机制、板内和板缘运动的复杂性的精细描述等方面，有待更多测量结果去完善。
中国大陆东部受西太平洋洋型板块俯冲、削减的影响，造成了一系列与弧后扩张有关的陆缘海伸展和断陷盆地；西部和西南受印度板块与青藏块体陆壳碰撞后的构造效应，形成不同地质构造时期的推覆构造带。现代地壳运动则以青藏高原的快速隆起和沿巨型活动带的走滑或逆走滑的强烈变动为特征。据有限的观测，其水平运动速率每年高达l ～4cm ，垂直运动速率每年达1cm.这说明同时存在当代板块构造学说两种最具代表性的边界，即陆- 陆壳相碰撞型和洋陆壳俯冲型边界，既具有主要的全球构造意义，又具有独特的演化特征。这里的现代地壳运动类型多样，性质复杂，地貌清晰，是全球动力学研究中具有重要特殊地位的实验场。
因此，不论从地球动力学、板块运动还是青藏高原隆起，运用高精度、高时空分辨率、动态实时定量的观测技术，建立符合实际的地球动力学基础的全国统一的观测网络，势在必行。
对于地震监测预报而言，这种紧迫性尤为显著，因为我国地震台网，尤其是地震前兆网，存在着严重的三个主要缺陷：
第一，自1988～1999年，我国大陆共发生6 级以上地震53次，其中7 级以上地震9 次，若以东经105 °为界，西部地区发生8 次，东部地区为1 次，为8 ∶1.可是，在东经105 °以西，由于人烟稀少，交通不便，台网布局极为稀少。一个释放地震能量90％以上的地区，台网过稀，无疑浪费了宝贵的地震信息的天然资源，大大延迟了人类的实践，从而延缓了提高地震预报水平的进程。
第二，全国地震前兆台网都是以“点测”形式进行相对变化量的日常观测，各台站的观测数据都是相对独立的，台站之间数据没有相互关系。一旦出现异常时，由于是点结构观测，没有面上的联系，则难以判断其真伪。
第三，地震活动是区域性和全球性的，而前兆观测是独立的，不相关的，则难以研究其与全球地震活动的关系。
对于能加密西部观测，具有全球框架意义，又有“面结构”联系的高精度的观测系统，只有运用空间测量技术（甚长基线干涉测量—VLBI、人卫测距—SLR 、全球定位系统—GPS 、卫星遥感—RS、合成孔径雷达干涉测量—INSAR ）。特别是GPS 技术，近10年来，发展尤快，观测精度几乎提高了三个数量级，为监测地壳运动提供了有效的观测方法。
一、GPS 卫星定位
全球定位系统（Global Positioning System ——GPS ）是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。1978年发射了第一颗试验卫星（Block Ⅰ），1989年2 月开始发射第一颗工作卫星（Block Ⅱ），至1994年底全部24颗卫星已经升空，由于卫星寿命约5 年，目前运行的卫星有27颗，
大部分是后来发射的。
1.GPS 的特点
由于GPS 卫星数目较多，分布合理，在地球任何地点均可连续同步观测到至少4 颗卫星，在我国最多可同时观测到13颗卫星（按现运行的27颗讲）。从而保障了全球、全天候连续地三维定位。
实时确定运动目标的三维位置和速度，既可保障运动载体沿预定航线的运行，也可监视和修正航行路线，以及选择最佳航线。
定位精度高。目前在大于1000km的基线上，相对定位精度可达10-9；100km 可达10-8.
观测站之间无需通视，又可使观测时间缩短。
实时定位这一导航技术是现代化的重要标志，使GPS 的应用领域不断拓宽，成为20世纪最大科技成就之一。
2.GPS 定位基本原理
绝对定位方法：绝对定位也称单点定位，是指相对于地球质心为坐标原点的坐标系中的直接确定观测站的坐标。其原理是以GPS 卫星到用户接收机天线之间距离的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收机天线所对应点位坐标。
由于实际观测点至卫星间的距离，因测量瞬时卫星钟与接收机钟难以保持严格的同步，这种含有钟差影响的距离，称为“伪距”。其中卫星钟差可以应用导航电文中给出的钟差参数加以改正，而接收机钟差无法事先知道，故需把它作为一个未知数与观测点的三维坐标在数据处理中一并求解，因此一个观测点上要实时求解4 个未知数，也就是必须至少同时观测4 颗卫星。
相对定位方法是用两台GPS 接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS 卫星，以确定基线在地球坐标中的相对位置或基线向量。因为在两个或多个观测点同步观测相同的卫星，可有效地消除或减弱卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差等的影响。目前我国地壳运动监测就是采用这种静态相对定位的方法，其精度可达 10-8～10-9。
二、GPS 技术在监测地震与地壳运动中的应用
GPS 技术的应用极为广泛。近年来，GPS 在测定地球自转参数从提高观测精度转向提高时间分辨率，它与VLBI或SLR 相比，有着不可估量的作用。GPS 在地球参考系的建立有着时空加密和提高分辨率的作用，GPS 全球资料得到的全球尺度上相对于地球参考框架的三维地心坐标精度已达到厘米级。利用GPS 定位研究海平面变化而测定的大地高的精度也可达到厘米级的精度。
GPS 接收器安置在飞行器（飞机、飞船、卫星等）上可确定三维位置和飞行姿态。尤其是多种陆海空交通运输工具的GPS 自动导航系统和管理调度系统，低轨通讯卫星的发射，建立的卫星全球导航、定位、通信三位一体系统，将整个世界缩成为一个崭新的电子地球村。除了传统测量与军事应用外，GPS 气象学、GPS 用于海洋资源开发、热带原始森林、捕鱼、放牧、旅游、探险以及各种防灾减灾事业等。
高精度GPS 技术已成为世界主要国家和地区用来监测火山地震、构造地震、全球板块运动，尤其是板块边界地区的重要手段。
全球有200 个GPS 基准站，计划在板块边界和全球已知构造活动区约25个区域加密GPS 监测网，实现全球地壳运动的自动监测。此外，连同各国的区域网，主要研究内容：
研究全球板块间的相对运动；监测板块边缘及内部的构造变形；确定不同尺度构造块体运动方式规模和运动速率。
确定区域位移场、速率场和应变场。
近年来，随着GPS 技术的发展，加之各国相继受强烈地震的袭击，国际上兴起了利用GPS 研究地震预测、大陆构造变形和地球动力学等领域的高潮。开展此项研究的观测网主要有：
1.美国南加州GPS 观测网（SCIGN ）
SCIGN 由约250 个GPS 站组成，在区域上每30km一个站，其中在主要活动断层上设置两条密集型测线，沿两条测线每3km 一个站。预期监测精度lmm ／a.对形变场的这种测量实质上将是对南加州应变积累的一种“快镜拍摄”，通过拍摄将为最精确的应变场提供空间上的高分辨率。其目的在于勾绘出测区范围内的构造应变图、监测隐伏逆断层及其几何性质和活动性质、应变积累中弹性应变与塑性应变的比例等等。
SCIGN 正在建设中，目前已完成约150 站的任务。
2.日本的密集GPS 观测台阵
日本Shimada 等人在1989年7 月13日前，用GPS 成功监测到一次火山爆发的地壳变形在水平方向有13.6cm，垂直方向有5cm 的变化。
1995年阪神地震后，提出建立以30km的密度全面覆盖国土的GPS 观测网，拟建约1000个站，目前已建成约650个站，以强化对日本列岛的地壳运动和变形监测。目的在于监测太平洋板块和菲律宾海板块的消减运动造成的日本列岛的应变场、监测板块运动伴有地壳应变积累的地震活动和火山爆发、GPS 与验潮站联测研究海平面变化以及研究大气层变化。
一次发生在距GPS 站约200km 近海7.5 级地震，记录到同震位移量高达70mm，主震后的震后位移量达20mm. 多次记录表明，震后位移的总量约是同震位移的40％。
3.我国GPS 监测网概况
我国应用GPS 研究地壳运动始于80年代中期，在90年代初期，“现代地壳运动和地球动力学研究”攀登计划课题的实施，在全国布设了22个不定期复测的GPS 站。后复测了7 条边，其结果首次给出了认为影响中国大陆地壳运动的主要力源来自印度板块向北推挤欧亚大陆的看法的直接定量证据，推挤量为3.4 ×10-8／a.同时表明中国西南地区金沙江红河断裂和南北带南段一系列南北走向断裂所夹的菱形块体确有甚为显著的向南稍偏西的滑动，其中向南滑动1.8cm ／a ，向西滑动约1.0cm ／a .
滇西地区的GPS 结果，监测到剑川丽江断裂和红河断裂带的明显活动，并根据活动断层变形的反演计算，在1993年预测在该断裂带上将发生一次6.8 ～7.0 级的地震，而1996年的丽江发生了7.0 级地震与预测震中位置相差仅30km，证实了GPS 的有效性。
华北首都圈GPS 监测网共有97个站，结果表明，监测区内几个主要的北北东向构造单元之间没有明显的差异运动，而鄂尔多斯东缘与其东侧的晋、冀、鲁块体的强烈拉张最为明显。
地矿部与美国自然科学基金会合作在我国西南地区进行GPS 观测，其资料表明，鲜水河- 小江断裂以西的藏东- 滇中地区的运动速率总体为8mm ／a 以上，在该断裂以东地区的运动速率为3mm ／a.这对两个顺时针涡旋的认定，以及为青藏高原东部流变构造模型提供了证据。
4.中国地壳运动观测网络（CMONOC）
虽然我国在GPS 研究地壳运动方面取得了一些进展，但与先进国家相比，差距十分明显。主要是用于地壳运动监测的GPS 连续观测站数量太少，定期复测网点数也严重不足，空间分布太稀，复测次数过少，无法取得一定时空分辨率的全国地壳运动图像和参数，更谈不上为地震预报所需的实时或准实时的数据了。一方面是网点较少，复测无期，另一方面不同部门为各自目的重复布点，数据不能实现共享，我国迄今没有类似西欧、美、日等区域性的GPS工作机构或数据处理中心，这些与我国经济发展、广阔国土资源的地位是极不相称的。
1997年国家正式启动了国家重大科学工程——中国地壳运动观测网络（CMONOC）。它是以GPS 为主，辅之已有的VLBI和SLR 等空间技术，结合精密重力和精密水准构成的大范围、高精度、高时空分辨率的地壳运动观测网络。
CMONOC是一个综合性、多用途、连续观测、数据共享、全国统一的观测网络，从根本上改善地球表层固、液、气三个圈层的动态监测方式和功能。由中国地震局牵头，总参测绘局、中国科学院和国家测绘局共同建设。
CMONOC以地震预测预报为主，兼顾大地测量和国防建设的需要，可服务于广域差分GPS 、气象、电离层等领域。
CMONOC工程由基准网、基本网、区域网和数据传输与分析处理系统四大部分组成。
基准网由25个连续观测站组成，建立统一的、高精度的空间坐标参考框架，并与国际地球坐标参考框架（ITRF）相联结。监测与周边国家和我国大陆块体之间的地壳运动。25个站中有5 个站辅以SLR 和3 个站辅以VLBI.
各站同时进行绝对重力、相对重力和水准联测。
基本网由56个定期复测站组成，监测大陆块体内部及其边界的运动。各站同时进行相对重力和水准联测。
区域网由1000个不定期复测站组成，监测断裂带之间的运动。
数据传输与分析处理系统包括一个数据中心和三个数据共享子系统。
目前工程的四大部分已基本建成，并开始试运行。
工程最终产出除上述四大部分实体内容外，还有：
中国地壳运动图及其相应数据。
提供我国GPS 精密星历。
CMONOC中的基准网经约一年的试运行，绘制的我国大陆地壳运动位移图，说明西部的运动强度优于东部，大陆整体运动呈右旋转动，运动剧烈部位在云南与西藏交界处。由于时间间隔较短，而且空间尺度过大，则难以判断具体地段。因此很有必要在这类区域内加密连续观测站的工作。
CMONOC的建立为我国地震监测和地壳运动研究提供了良好的前景，随着时间的推移，越来越显示其卓越的功能。
但也应看到问题所在：首先，GPS 连续观测的基准站应大大加密；其次，GPS 数据处理的唯一性尚待规范； GPS 资料解释所需的反演理论与方法有待发展与完善等等。
2013年9月3日
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