GNSS在天津地震監測中的發展與初步應用1

賀同江 劉紅艷 曹井泉

（天津市地震局，天津300201）

引言

近10年來，我國的GPS應用得到了飛速的發展，GPS技術已滲透到了大地測量、導航服務等國民經濟的許多領域中，并成功地被各界人士所認知。目前，由于俄羅斯的GLONASS、中國的北斗和歐洲伽利略衛星導航系統的發展，GPS已與這些系統共同構成了GNSS（全球導航衛星系統）。多系統更有助于進一步提高 GNSS的觀測精度，特別是由于同一時刻觀測到的GNSS衛星數量成倍增加，可顯著提高定位精度（顧國華，2012）。

自1998年以GPS（GNSS）為主要觀測技術、以地震預測為主要目標的中國地殼運動觀測網絡（一期）建成以來，GNSS觀測技術在我國地殼形變觀測和地震預報探索等方面取得了巨大的發展。利用 GPS（GNSS）技術觀測地殼形變、監測地震前兆、探索地震預報已成為國內外的共識，并寄予了極大的希望（吳云等，2003）。

天津市處于首都圈地震重點監視防御區，建立高精度的GNSS觀測網將有利于加強對區域內地殼和斷層活動的實時監控，為從更大的空間范圍和多角度認識地震活動和構造活動，以及為數值地震預測提供全新的技術支持。

天津地殼運動觀測網絡正是以GNSS觀測技術為主，并輔以高精度重力和水準觀測手段，它是以地震監測預報服務為主的綜合性觀測網絡。

1 發展歷程

天津市地震局GNSS觀測技術的發展與地殼運動觀測網絡的組網，前后歷經近15年的時間。

“九五”期間為網絡建設的初級階段，中國地震局“中國地殼運動觀測網絡”（簡稱“陸態網一期”）在薊縣壕門建設了天津境內第一個GPS參考站，作為全國25個GPS連續觀測站之一，主要設備為單頻GPS接收機，并輔助開展相對重力觀測。

“十五”和“十一五”期間，由于 “陸態網一期”工程在地震預報等方面取得的重要觀測成果，中國地震局協同中國氣象局、中國科學院、國家測繪局等單位進一步開展了“中國大陸構造環境監測網絡”（簡稱“陸態網二期”）建設。在天津地區新建了寶坻GNSS基準站和濱海GNSS基準站，并對原薊縣GPS連續站進行了設備升級和臺站改造。主要設備均采用了雙頻的GNSS接收機，實現了對GLONASS、北斗和歐洲伽利略等全球多個導航系統的兼容，同時還建設了薊縣連續重力觀測站（絕對重力），并增加了氣象輔助觀測等項目。

以此為契機，“十一五”期間，天津市地震局開展了天津市地殼運動觀測網絡項目的建設，以進一步推動GNSS地殼形變觀測技術在區域地殼運動觀測的應用。該網絡作為天津市“十一五”地震安全基礎工程的重點建設項目之一，由天津市發改委、財政局和濱海新區財政局共同投資，在天津境內新建了8個GNSS基準站和1個數據中心。

2 網點布設

天津市地殼運動觀測網GNSS基準站，在布設過程中主要參照了以下三項原則。

首先，充分考慮天津地區主要活動斷裂的分布情況，以服務于地震監測為主要目的。華北地區地處歐亞板塊東部，長期以來受到印度板塊、歐亞板塊和太平洋板塊相互作用的影響，特別是受菲律賓板塊和太平洋板塊向大陸俯沖的影響，形成了近北東東向的擠壓與北北西向伸張的水平構造應力場，使原本比較穩定完整的地殼在新生代初期發生顯著的破裂和分異，形成了以北東向為主，北東和北西向兩組斷裂組成的構造體系和隆起、坳陷相間的構造格局（王琪等，2001）。這是當今歐亞板塊內部主要地震活動區之一，更是中國大陸東部最重要的地震區，歷史上曾發生過多次7級乃至8級大地震。

天津地處華北地區中部偏東北部，東臨渤海，構造上位于冀渤斷塊坳陷中北部和燕山斷塊隆起南部，是華北平原地震帶和張家口—渤海地震帶的交匯部位，境內分布著多條隱伏斷裂帶，存在發生中強以上地震的構造背景（陳宇坤等，2010）。

其次，考慮了網形平均分布的原則，當測區范圍較大時（幾百平方公里），為保證控制網點的整體精度，應使用經典大地測量方法布設控制網，控制網點要與高等級控制點構成圖形，并且控制網點與點之間也要構成圖形，如精度要求較高時，點與點之間應構成直接邊。由于許多工程完成后需要用常規方法進行測量，因此布點時根據需要確定點的位置，并考慮其圖形結構（喬旭等，2012）。

最后，點位觀測環境還應符合《中國地殼運動觀測技術規程》（地殼運動監測工程研究中心，2006）和《全球定位系統（GPS）測量規范（GB/T 18314-2009）》（中華人民共和國國家標準，2011）的相關要求。

以上述三項原則為主要依據，同時以薊縣、寶坻和濱海3個國家陸態網GNSS基準站為主要基礎，天津市地殼運動觀測網絡對區域內基準站進行了認真勘選和精心建設。網內各站點較均勻地分布于市內多個區縣，南部較密集，北部稍稀疏，基本實現了對境內主要地殼活動的實時監控，同時也滿足了作為工程測量等參考網的要求。其具體位置如圖 1和表1所示。

圖1 GNSS測站分布圖Fig. 1 Distribution of the GNSS observation stations of Tianjin

表1 GNSS基準站位置表Table 1 Geographical location of the GNSS observation stations

3 數據解算與初步結果分析

在地震監測中，從地殼形變數據處理中可得到地殼形變的時間序列和空間分布，以獲取地震前兆信息，進而研究其機理或模型是目前研究人員的主要研究方向（顧國華，2012）。天津市的XUZZ、JHAI、ZHDK、QING、NIHE、PANZ、GGSL、WQCG等8個新建基準站，自2010年8月投入運行以來，已歷經2年多的時間，其觀測數據采用GAMIT/GLOBK軟件進行了解算，獲取了相應的時間序列觀測結果，并在震情監視中得到了初步的應用。TJBD、TJBH、JIXN等3個國家級GNSS基準站，從2012年下半年起實現了共享運行，其觀測時長僅有半年，故沒有在本次解算中得到體現。

在解算過程中，為加強GNSS觀測數據的解算精度，在數據處理時結合了中國陸態網和IGS國際GPS跟蹤站共22個站點的數據，以保證數據處理結果的精度。這些站點基本分布在以華北為中心的亞太地區內。

GAMIT軟件以 1天為處理時段進行解算，獲取每天的基線處理結果。GLOBK應用GAMIT的結果進行聯合網平差處理，獲取各站點位的坐標，并估算測站運動速率。

3.1 基線向量精度統計

各時段解的基線精度是衡量基線解質量的一個重要指標。本次解算對天津市地殼運動觀測網絡中的15條主要基線952天的解算結果進行了統計（見表2），除其中11天無法解算外，15條基線的平均精度均優于10-8，達到了全球定位系統（GPS）測量規范中A級網的精度要求。

表2 基線向量精度統計Tabel 2 Precisions of the baseline vector

3.2 網平差與點位精度分析

通過分析天津市地殼運動觀測網絡2010年8月1日（年積日：91）至2013年3月1日（年積日：60）期間的時間序列結果，8個新建GNSS基準站的定位精度在南北向和東西向均在1.5mm之內，垂直向在5.0mm之內，完全滿足了進行地殼運動觀測所需的mm級精度要求，具體結果見表3。這說明站點建設是成功的，同時也說明應用GAMIT/GLOBK進行數據處理的方案和方法是正確的，達到了預期的要求。

表3 測站點位定位精度統計Table 3 Positional accuracy of the observation stations

3.3 站點的運動速率

利用現有觀測數據可以估計各測站的運動速度。

圖2（a）所示為2010—2012年天津市地殼運動觀測網絡8個新建GNSS測站在ITRF參考框架下的運動矢量圖。從圖中可以看出，各測站隨同中國大陸較均勻地向南東（南東東）方向運動，大小在35mm/a左右，各速度分量精度均優于0.3mm/a。這與由GNSS測定的現今天津地區應變場變化，以及與根據震源機制求得的區域應力場和地質學推測得到的構造應力場三者基本相符，均為南東東向，反映出這是受歐亞板塊和太平洋板塊之間的共同相互作用影響（賴錫安等，2004）。

天津位于中國大陸內部，歐亞板塊的東南部，要分析區域內部的地殼運動狀況，必須消除歐亞板塊在全球框架下的整體運動（王琪等，2001）。從ITRF框架下各個測站速度觀測值中扣除屬于 NNR-NUVE-1A模型中歐亞板塊剛性運動的理論速度值，從而可得到圖2（b）所示各測站相對于穩定歐亞板塊的相對運動或變形速度，可以看出各站點運動速率均較小，在每年幾個mm左右。而在天津市區周邊各站點運動速度與外圍站點速度具有較大差異，說明這些站點可能受到了天津地區不同區域地殼活動的影響。

3.4 水平方向時間序列觀測結果

為了更好地表征天津地區的內部運動特征，將ITRF08框架下8個基準站站點坐標時間序列統一進行去線性化趨勢處理，去除各站點水平向共性運動趨勢，從而得到各站的位移殘差曲線。由圖 3（a）和圖 3（b）可以看出，日本“3·11”地震對各站點在東西向有約 7—9mm的同震位移影響，這與王敏等（2011）計算的遠場同震位移（方向近正東，天津地區位移8—9mm）結果基本一致；而在南北向和垂直向無明顯反應，表明本次計算結果是正確的，天津地區確實存在著這樣的地殼運動。根據圖3分析，在2012年5月28日唐山發生4.8級地震前，各站點運動趨勢似乎有一定的前兆異常變化，但因為觀測資料時間較短，還需要進一步用更多的震例對其可靠性進行驗證。

圖2 不同參考框架下的測站速度矢量圖（箭頭為各GNSS測站速度矢量）Fig. 2 Velocity vector of observation stations under the different frame of reference(the arrow indicates velocity vector of station)

圖3 水平位移時序曲線Fig. 3 Time sequence curve of horizontal movement

3.5 垂直方向時間序列觀測結果

圖4 為垂直向位移時序曲線，從圖中可以看出，垂直向坐標位移存在一定的年周期變化。在天津市區周邊，JHAI、QING和 ZHDK等站點存在明顯的沉降趨勢性變化，其中QING站點年沉降量接近100mm/a，JHAI接近50mm/a，這也表明天津地區沉降漏斗仍然存在。

圖4 垂直向位移時序曲線Fig. 4 Time sequence curve of vertical movement

4 結論

天津市地殼運動觀測網絡的建設，為GNSS觀測技術在天津地震監測中的應用奠定了基礎，也為天津地區的地震前兆研究增加了一種新的方法和手段。GNSS觀測技術的應用，對于實時監控天津區域內地殼形變，提高天津及周邊地區的地震監測能力，捕捉地震前兆信息，有效減輕地震災害損失將具有重要意義。

對8個新建GNSS站點數據處理結果的初步分析表明，數據處理采用的方法和控制參數的取舍是合理的；其站點水平位移精度達到了mm級，基線相對精度較高，能夠滿足監測天津地區mm級地殼運動變化量的要求；站點的運動速率和時序曲線也在一定程度上反映了天津地區真實的地殼運動過程，各測站隨同中國大陸較均勻地向南東（南東東）方向運動，運動速率在35mm/a左右，相對于歐亞板塊的運動速率較小，每年只有幾個mm的運動量。各站點對日本“3.11”大地震具有明顯的水平同震位移影響，東西向平均達到 7—9mm；地表沉降趨勢反映明顯，沉降速率最大點（QING）年沉降速率達 100mm/a，這反映出 GNSS連續站也有監測地面沉降的作用。

當前，GNSS觀測技術在天津地震實時監測中的應用仍然較為短暫，相信隨著觀測技術的不斷發展和數據處理方法的不斷進步，其在地震監測中能夠發揮的作用也將越來越大。

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