東日本大地震對IGS觀測站位置影響的分析

趙槊，金鑫，鄒定杰，李成鋼

（1.中海油田服務股份有限公司 物探事業部，天津 300451；2.深圳中海油服深水技術有限公司，廣東 深圳 518067）

東日本大地震對IGS觀測站位置影響的分析

趙槊1，金鑫1，鄒定杰2，李成鋼2

（1.中海油田服務股份有限公司 物探事業部，天津 300451；2.深圳中海油服深水技術有限公司，廣東 深圳 518067）

為了研究東日本Mw9.0級大地震對IGS觀測站位置的影響。采用BERNESE軟件OBS-MAX的基線生成方式和最小約束解的網平差基準定義方法，對日本及周邊地區在東日本大地震前后各2.5年的23個IGS觀測站的觀測數據進行了處理，并采用多項式擬合的方法，對IGS觀測站在地震前后的位置及運動狀況進行了分析。分析結果表明：東日本大地震的影響范圍較大，2700km外的wuhn站也有5mm的同震位移，其中位移最大的兩個站usud站和mtka站的同震位移分別為233mm和260mm；地震對日本和韓國地區IGS觀測站位置的線性變化產生了明顯的影響，并且發現線性變化的大小與同震位移的大小成正相關關系。

東日本大地震；IGS；時間序列；同震形變；運動速度

2011年3月11日，日本東北地區太平洋近海發生了里氏9．0級地震，震源位于仙臺市以東太平洋海域約130km處，距離海面10km，地震及其所引發的海嘯造成了重大的人員傷亡和經濟損失。日本位于環太平洋地震帶上，是一個地震多發國家，該次地震是由于太平洋板塊和北美板塊發生碰撞所引起。地震發生后，相關學者對日本境內IGS站的數據進行了處理和分析，結果顯示MIZU站產生了向東2m、向南1m的位移。

隨著GNSS技術的發展，其在地殼運動監測、氣象預報等方面發揮著越來越重要的作用。IGS（International GNSS Service）是由國際大地測量協會（IAG）為了支持大地測量和地球動力學研究組建的國際協作組織。它提供各跟蹤站的GNSS觀測資料和IGS的各種產品，為大地測量和地球動力學研究服務；廣泛支持各國政府和各單位組織的相關活動；研究制定必要的標準和細則。借助IGS觀測站的觀測數據，可以研究地震對連續運行的GNSS觀測站所造成影響，從而減輕其對相關科研和生產活動的影響。目前國際上主要采用的高精度GNSS數據處理軟件主要有瑞士伯爾尼大學的BERNESE軟件、美國麻省理工學院的GAMIT軟件和美國噴氣動力實驗室的GIPSY軟件。IGS觀測站分布較為稀疏，站間距離較遠并且距離的長度相差較大，因此通過綜合考慮，選取BERNESE軟件作為數據處理軟件。

1 IGS觀測站的選取及數據解算方法

選取了日本、俄羅斯、韓國和中國的23個IGS觀測站，其分布如圖1所示。

圖1 東日本大地震周邊部分IGS觀測站點位分布圖

在BERNESE軟件中可以采用多種方法生成獨立基線和定義基準。對于長基線且基線長度相差較大的情況下采用OBS-MAX獨立基線比采用SHOREST獨立基線生成的坐標的精度要高。研究大地震對IGS觀測站位置的影響，需要對地殼形變和板塊內運動進行分析，因此在基準定義方法方面采用較為松弛的坐標約束條件，由此可以減少由基準點坐標誤差所引起的GNSS網的變形，從而獲得較高的相對定位精度。因此采用OBS-MAX的方法生成基線，在網平差基準定義方法上采用最小約束解的方法。

采用BERNESE軟件對選取的IGS觀測站在地震前后各兩年半的觀測數據進行解算，得到IGS觀測站的GNSS單日原始坐標時間序列產品。

2 數據處理及分析

解算得到的GNSS坐標時間序列產品存在著粗差，并且由于IGS觀測站數據存在缺失，從而造成時間序列存在著中斷。因此需要對解算得到的GNSS坐標時間序列產品進行數據預處理，對平面精度大于4mm、豎直精度大于20mm的觀測數據進行剔除，對于缺失的數據采用三次樣條插值函數進行補全。

2.1 同震形變

由于存在著彈性形變，因此同震形變是利用地震發生前后各7天的數據，分別計算出地震發生前后的坐標，通過地震發生前的坐標減去地震發生后的坐標而獲得。下面選取了7個具有一定代表性的IGS觀測站在N、E、U3個方向上的同震形變，見表1。

表1 東日本大地震IGS觀測站同震形變

這次地震中，距離震中較近的usud、mtka站的同震位移最大，達到200mm以上，但距離震中只有140km的p205站的同震位移卻只有5mm。位于韓國的2個IGS跟蹤站的同震形變也比較大，達到了20mm以上。位于中國的IGS站點也有較明顯的同震形變，例如距離震中2700km的wuhn站也有約5mm的同震形變，且距離震中越近，同震形變也就越大。

2.2 IGS觀測站運動速度的變化

IGS基準站點位的時間序列變化主要分為線性變化、周期變化和突然變化。根據SOPAC給出的IGS基準站運動模型，采用正弦、余弦函數描述測站的年周期、半年周期變化，將測站沿N、E、U方向的運動按下式建模：

式中，表示日坐標解歷元，以年為單位的時間。在這里我們以每日的單日解構成時間序列。待求的系數為測站平均位置，b為線性速率，c、d和e、f分別為年周期和半年周期項的系數，表示由于各種原因引起的階躍式的坐標突變，表示跳變個數，表示發生跳變的歷元，為海維西特階梯函數（Heaviside step function），在時刻之前的值為0，在此時刻之后的值為1，為觀測噪聲。

從上述的擬合方法對IGS觀測站在地震前后各2．5年的坐標時間序列進行擬合分析，由于篇幅原因只列出了部分IGS觀測站時間序列的擬合結果，見表2。

在線性運動方面，同震形變最大的usud站和mtka站在地震前后各個坐標分量上變化也是最大的，日本地區的其他IGS觀測站坐標線性速度雖然都有一定的變化但變化，相對較小；韓國地區的IGS觀測站坐標在E方向，也就是震源方向上有較大的變化；而位于中國地區的IGS觀測站由于距離震中較遠，雖然地震發生時有輕微震感，但并未影響到IGS觀測站的線性運動。

在周期運動方面，由于周期運動主要受溫度、固體潮、海潮等因素的影響，而受地殼移動的影響很小，因而除了usud站和mtka站外，其他的IGS觀測站在地震前后的周期運動上變化不大。

3 結語

基于日本及周邊地區的23個IGS觀測站在地震前后各2．5年的觀測數據，對東日本大地震對IGS觀測站的位置影響做了分析，獲得以下結論。

（1）東日本大地震對IGS觀測站位置的影響較大，即使2700km外的wuhn站，也有5mm的同震位移，其中usud站和mtka站的同震位移最大，分別為233mm和260mm，但距離震中僅140km的p205站僅有5mm的同震位移，其余IGS觀測站的同震位移大致隨著震中距的增加而減少。

（2）東日本大地震對日本和韓國地區的IGS觀測站線性運動有較為明顯的影響，且對線性運動變化的大小與同震位移的大小成正相關關系。對于周期運動除去同震位移最大的2個IGS觀測站外，其他的IGS觀測站不受東日本大地震的影響。

[1]王敏，李強，王凡等．全球定位系統測定的2011年日本宮城Mw9．0級地震遠場同震位移[J]．科學通報，2011,56(20):1593-1596．

[2]顧國華．GNSS(GPS)觀測研究地殼運動的新進展[J]．國際地震動態，2007(7)：9-14．

P288；P315.7

A

1671-0711（2017）10（下）-0162-02