GNSS在天津地震监测中的发展与初步应用1

贺同江 刘红艳 曹井泉

（天津市地震局，天津300201）

引言

近10年来，我国的GPS应用得到了飞速的发展，GPS技术已渗透到了大地测量、导航服务等国民经济的许多领域中，并成功地被各界人士所认知。目前，由于俄罗斯的GLONASS、中国的北斗和欧洲伽利略卫星导航系统的发展，GPS已与这些系统共同构成了GNSS（全球导航卫星系统）。多系统更有助于进一步提高 GNSS的观测精度，特别是由于同一时刻观测到的GNSS卫星数量成倍增加，可显著提高定位精度（顾国华，2012）。

自1998年以GPS（GNSS）为主要观测技术、以地震预测为主要目标的中国地壳运动观测网络（一期）建成以来，GNSS观测技术在我国地壳形变观测和地震预报探索等方面取得了巨大的发展。利用 GPS（GNSS）技术观测地壳形变、监测地震前兆、探索地震预报已成为国内外的共识，并寄予了极大的希望（吴云等，2003）。

天津市处于首都圈地震重点监视防御区，建立高精度的GNSS观测网将有利于加强对区域内地壳和断层活动的实时监控，为从更大的空间范围和多角度认识地震活动和构造活动，以及为数值地震预测提供全新的技术支持。

天津地壳运动观测网络正是以GNSS观测技术为主，并辅以高精度重力和水准观测手段，它是以地震监测预报服务为主的综合性观测网络。

1 发展历程

天津市地震局GNSS观测技术的发展与地壳运动观测网络的组网，前后历经近15年的时间。

“九五”期间为网络建设的初级阶段，中国地震局“中国地壳运动观测网络”（简称“陆态网一期”）在蓟县壕门建设了天津境内第一个GPS参考站，作为全国25个GPS连续观测站之一，主要设备为单频GPS接收机，并辅助开展相对重力观测。

“十五”和“十一五”期间，由于 “陆态网一期”工程在地震预报等方面取得的重要观测成果，中国地震局协同中国气象局、中国科学院、国家测绘局等单位进一步开展了“中国大陆构造环境监测网络”（简称“陆态网二期”）建设。在天津地区新建了宝坻GNSS基准站和滨海GNSS基准站，并对原蓟县GPS连续站进行了设备升级和台站改造。主要设备均采用了双频的GNSS接收机，实现了对GLONASS、北斗和欧洲伽利略等全球多个导航系统的兼容，同时还建设了蓟县连续重力观测站（绝对重力），并增加了气象辅助观测等项目。

以此为契机，“十一五”期间，天津市地震局开展了天津市地壳运动观测网络项目的建设，以进一步推动GNSS地壳形变观测技术在区域地壳运动观测的应用。该网络作为天津市“十一五”地震安全基础工程的重点建设项目之一，由天津市发改委、财政局和滨海新区财政局共同投资，在天津境内新建了8个GNSS基准站和1个数据中心。

2 网点布设

天津市地壳运动观测网GNSS基准站，在布设过程中主要参照了以下三项原则。

首先，充分考虑天津地区主要活动断裂的分布情况，以服务于地震监测为主要目的。华北地区地处欧亚板块东部，长期以来受到印度板块、欧亚板块和太平洋板块相互作用的影响，特别是受菲律宾板块和太平洋板块向大陆俯冲的影响，形成了近北东东向的挤压与北北西向伸张的水平构造应力场，使原本比较稳定完整的地壳在新生代初期发生显著的破裂和分异，形成了以北东向为主，北东和北西向两组断裂组成的构造体系和隆起、坳陷相间的构造格局（王琪等，2001）。这是当今欧亚板块内部主要地震活动区之一，更是中国大陆东部最重要的地震区，历史上曾发生过多次7级乃至8级大地震。

天津地处华北地区中部偏东北部，东临渤海，构造上位于冀渤断块坳陷中北部和燕山断块隆起南部，是华北平原地震带和张家口—渤海地震带的交汇部位，境内分布着多条隐伏断裂带，存在发生中强以上地震的构造背景（陈宇坤等，2010）。

其次，考虑了网形平均分布的原则，当测区范围较大时（几百平方公里），为保证控制网点的整体精度，应使用经典大地测量方法布设控制网，控制网点要与高等级控制点构成图形，并且控制网点与点之间也要构成图形，如精度要求较高时，点与点之间应构成直接边。由于许多工程完成后需要用常规方法进行测量，因此布点时根据需要确定点的位置，并考虑其图形结构（乔旭等，2012）。

最后，点位观测环境还应符合《中国地壳运动观测技术规程》（地壳运动监测工程研究中心，2006）和《全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T 18314-2009）》（中华人民共和国国家标准，2011）的相关要求。

以上述三项原则为主要依据，同时以蓟县、宝坻和滨海3个国家陆态网GNSS基准站为主要基础，天津市地壳运动观测网络对区域内基准站进行了认真勘选和精心建设。网内各站点较均匀地分布于市内多个区县，南部较密集，北部稍稀疏，基本实现了对境内主要地壳活动的实时监控，同时也满足了作为工程测量等参考网的要求。其具体位置如图 1和表1所示。

图1 GNSS测站分布图Fig. 1 Distribution of the GNSS observation stations of Tianjin

表1 GNSS基准站位置表Table 1 Geographical location of the GNSS observation stations

3 数据解算与初步结果分析

在地震监测中，从地壳形变数据处理中可得到地壳形变的时间序列和空间分布，以获取地震前兆信息，进而研究其机理或模型是目前研究人员的主要研究方向（顾国华，2012）。天津市的XUZZ、JHAI、ZHDK、QING、NIHE、PANZ、GGSL、WQCG等8个新建基准站，自2010年8月投入运行以来，已历经2年多的时间，其观测数据采用GAMIT/GLOBK软件进行了解算，获取了相应的时间序列观测结果，并在震情监视中得到了初步的应用。TJBD、TJBH、JIXN等3个国家级GNSS基准站，从2012年下半年起实现了共享运行，其观测时长仅有半年，故没有在本次解算中得到体现。

在解算过程中，为加强GNSS观测数据的解算精度，在数据处理时结合了中国陆态网和IGS国际GPS跟踪站共22个站点的数据，以保证数据处理结果的精度。这些站点基本分布在以华北为中心的亚太地区内。

GAMIT软件以 1天为处理时段进行解算，获取每天的基线处理结果。GLOBK应用GAMIT的结果进行联合网平差处理，获取各站点位的坐标，并估算测站运动速率。

3.1 基线向量精度统计

各时段解的基线精度是衡量基线解质量的一个重要指标。本次解算对天津市地壳运动观测网络中的15条主要基线952天的解算结果进行了统计（见表2），除其中11天无法解算外，15条基线的平均精度均优于10-8，达到了全球定位系统（GPS）测量规范中A级网的精度要求。

表2 基线向量精度统计Tabel 2 Precisions of the baseline vector

3.2 网平差与点位精度分析

通过分析天津市地壳运动观测网络2010年8月1日（年积日：91）至2013年3月1日（年积日：60）期间的时间序列结果，8个新建GNSS基准站的定位精度在南北向和东西向均在1.5mm之内，垂直向在5.0mm之内，完全满足了进行地壳运动观测所需的mm级精度要求，具体结果见表3。这说明站点建设是成功的，同时也说明应用GAMIT/GLOBK进行数据处理的方案和方法是正确的，达到了预期的要求。

表3 测站点位定位精度统计Table 3 Positional accuracy of the observation stations

3.3 站点的运动速率

利用现有观测数据可以估计各测站的运动速度。

图2（a）所示为2010—2012年天津市地壳运动观测网络8个新建GNSS测站在ITRF参考框架下的运动矢量图。从图中可以看出，各测站随同中国大陆较均匀地向南东（南东东）方向运动，大小在35mm/a左右，各速度分量精度均优于0.3mm/a。这与由GNSS测定的现今天津地区应变场变化，以及与根据震源机制求得的区域应力场和地质学推测得到的构造应力场三者基本相符，均为南东东向，反映出这是受欧亚板块和太平洋板块之间的共同相互作用影响（赖锡安等，2004）。

天津位于中国大陆内部，欧亚板块的东南部，要分析区域内部的地壳运动状况，必须消除欧亚板块在全球框架下的整体运动（王琪等，2001）。从ITRF框架下各个测站速度观测值中扣除属于 NNR-NUVE-1A模型中欧亚板块刚性运动的理论速度值，从而可得到图2（b）所示各测站相对于稳定欧亚板块的相对运动或变形速度，可以看出各站点运动速率均较小，在每年几个mm左右。而在天津市区周边各站点运动速度与外围站点速度具有较大差异，说明这些站点可能受到了天津地区不同区域地壳活动的影响。

3.4 水平方向时间序列观测结果

为了更好地表征天津地区的内部运动特征，将ITRF08框架下8个基准站站点坐标时间序列统一进行去线性化趋势处理，去除各站点水平向共性运动趋势，从而得到各站的位移残差曲线。由图 3（a）和图 3（b）可以看出，日本“3·11”地震对各站点在东西向有约 7—9mm的同震位移影响，这与王敏等（2011）计算的远场同震位移（方向近正东，天津地区位移8—9mm）结果基本一致；而在南北向和垂直向无明显反应，表明本次计算结果是正确的，天津地区确实存在着这样的地壳运动。根据图3分析，在2012年5月28日唐山发生4.8级地震前，各站点运动趋势似乎有一定的前兆异常变化，但因为观测资料时间较短，还需要进一步用更多的震例对其可靠性进行验证。

图2 不同参考框架下的测站速度矢量图（箭头为各GNSS测站速度矢量）Fig. 2 Velocity vector of observation stations under the different frame of reference(the arrow indicates velocity vector of station)

图3 水平位移时序曲线Fig. 3 Time sequence curve of horizontal movement

3.5 垂直方向时间序列观测结果

图4 为垂直向位移时序曲线，从图中可以看出，垂直向坐标位移存在一定的年周期变化。在天津市区周边，JHAI、QING和 ZHDK等站点存在明显的沉降趋势性变化，其中QING站点年沉降量接近100mm/a，JHAI接近50mm/a，这也表明天津地区沉降漏斗仍然存在。

图4 垂直向位移时序曲线Fig. 4 Time sequence curve of vertical movement

4 结论

天津市地壳运动观测网络的建设，为GNSS观测技术在天津地震监测中的应用奠定了基础，也为天津地区的地震前兆研究增加了一种新的方法和手段。GNSS观测技术的应用，对于实时监控天津区域内地壳形变，提高天津及周边地区的地震监测能力，捕捉地震前兆信息，有效减轻地震灾害损失将具有重要意义。

对8个新建GNSS站点数据处理结果的初步分析表明，数据处理采用的方法和控制参数的取舍是合理的；其站点水平位移精度达到了mm级，基线相对精度较高，能够满足监测天津地区mm级地壳运动变化量的要求；站点的运动速率和时序曲线也在一定程度上反映了天津地区真实的地壳运动过程，各测站随同中国大陆较均匀地向南东（南东东）方向运动，运动速率在35mm/a左右，相对于欧亚板块的运动速率较小，每年只有几个mm的运动量。各站点对日本“3.11”大地震具有明显的水平同震位移影响，东西向平均达到 7—9mm；地表沉降趋势反映明显，沉降速率最大点（QING）年沉降速率达 100mm/a，这反映出 GNSS连续站也有监测地面沉降的作用。

当前，GNSS观测技术在天津地震实时监测中的应用仍然较为短暂，相信随着观测技术的不断发展和数据处理方法的不断进步，其在地震监测中能够发挥的作用也将越来越大。

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