地壳形变GPS监测数据的统计分析研究

引文格式：酒正纲，张林广，郁雯. 地壳形变GPS监测数据的统计分析研究[J].测绘通报，2015(2)：67-69.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0044

地壳形变GPS监测数据的统计分析研究

酒正纲，张林广，郁雯

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075024)

TheStudyofGPSCrustalDeformationMonitoringStatisticalAnalysis

JIUZhenggang，ZHANGLinguang，YUWen

摘要：地壳形变与地震孕育有非常密切的关系，地壳形变监测可为地震预报提供重要的数据依据。本文论述了地壳形变和地震孕育的相互关系，对中国地壳运动观测网络的建立进行说明，并采用统计软件SPSS对区域网的GPS点位变化数据进行了统计分析，采用箱图的形式表示数据分析的结果，得到了统计数据中一些奇异点数据，这些点位数据需要进一步研究和探讨。

关键词：GPS；地壳形变监测；地震预报；SPSS；统计分析

中图分类号：P228.4文献标识码：B

收稿日期：2013-12-04

基金项目：华北地区地壳形变及地震预报研究(11276927)

作者简介：酒正纲(1965—)，男，硕士，副教授，主要研究方向为GPS理论与应用。E-mail：zjkzlg001@sohu.com

一、引言

全球定位系统(GPS) 观测可提供高精度、大范围和准实时的地壳运动定量数据, 使得在短时间内获取大范围地壳运动速度场成为可能, 已广泛地用于监测现今地壳运动[1]。本文将通过研究中国地壳运动观测网络各GPS观测站点的坐标变化来找到点位变化奇异的点，这些奇异点将是地壳形变监测中重点关注的点。

前期的大量研究表明，地壳形变与地震孕育有着非常密切的关系，而地壳形变的具体数值在某种程度上可以通过GPS站点三维坐标的变化表现出来。对于地壳形变和地震孕育的相互关系，国内专家和学者论述较多，汪在森(2007)认为从地壳运动速度场的分布来看，强烈地震通常发生在地壳运动差异显著的区域，也就是运动速度的矢量大小、方向存在显著差异的地区[2]。王双绪(2009)有以下论述：通过研究2001年昆仑山口西8.1级地震和汶川8.0级地震发现，通常人们认为强烈地震或巨大地震应该发生在构造运动非常强烈的区域，而这两个强震的发生区域却并不如此，2001年昆仑山口西8.1级强震发生在青藏高原块体内部第二弧形带上，该区域断裂错动速率不高，但两侧的昆仑山地块和柴达木地块运动速率南强、北弱差异十分显著；汶川8.0级地震发生在青藏高原块体东部边界的龙门山断裂中段水平区域，该区域相对运动量不大，但其两侧的羌塘地块与华南地块运动速率西强、东弱差异十分显著[3]。冒爱泉(2008)利用GPS监测地壳形变得出了以下结论：地壳水平运动的方向和大小显著变化的区域是需要密切关注的区域，强烈地震可能就发生在这样的区域[4]。

中国地壳运动观测网络是1997年国家批准实施的“九五”国家重大科学工程，该工程于2000年12月全面建成并正式投入运行。中国地壳运动观测网络建成了由27个连续观测基准站组成的基准网、55个定期观测的基本站组成的基本网和1000个不定期观测的区域站组成的区域网3部分构成的观测网络，以及由一个数据中心与3个数据共享子系统构成的数据传输与分析处理系统。本文对中国地壳运动观测网络GPS区域网1999年、2001年、2004年、2007年观测资料的数据处理结果分析点位异常的点，即采用统计分析的方法，对中国地壳运动观测网络的地壳形变数据进行统计分析，通过统计分析寻找奇异点。

下面通过箱图表示中国地壳运动观测网络区域网点坐标变化的统计特性。

二、区域网点坐标变化统计分析界面

1. 区域网点X坐标变化箱图

从中国地壳运动观测网络GPS数据共享服务(http:∥www.igs.org.cn:8080/)获取846个区域网点坐标在ITRF2000框架下X、Y和Z方向的变化数据，并输入到SPSS系统中，编辑成文件区域网点*.sav。图1为区域网点位变化分析界面。图2是经过运行统计分析程序后得到的区域网点X坐标变化箱图。

从图2区域网点X坐标变化箱图中可以明显看到区域网点X坐标变化数据的最大值、最小值、中位数和两个四分位数5个特征点，以及所有异常值的点，这些异常值点分别是H057、J019、J010、H062、H067、H056、H075、H053、H042、C044、A109、A100、A101、H218、H21、H213、C011、A103、C029、A096、A105、A146、B012、C003、C022，A137和C002。

图1　区域网点位变化分析界面

图2　区域网点X坐标变化箱图

2. 区域网点Y坐标变化箱图

图3是经过运行统计分析程序后得到的区域网点Y坐标变化箱图。

图3　区域网点Y坐标变化箱图

图3显示了区域网点Y坐标变化数据的最大值、最小值、中位数和两个四分位数5个特征值，并显示出了所有异常值的点号，这些点号分别是C002、A137、C022、、A105、C029、C007、C003、B012、A096、A103、C011、A112、C058、A138、A146、C010、A100、B021、C021、D029、C034、I027、H078、H186、H107和H137。

3. 区域网点Z坐标变化箱图

图4是经过运行统计分析程序后得到的区域网点Z坐标变化箱图，图4区域网Z坐标变化箱图显示了区域网点位Z坐标变化数据的最大值、最小值、中位数和两个四分位数5个特征值，并显示了所有异常值的点号，这些点号分别是C002、A137、C022、A105、C030、C003、B012、A103、H205、A096、C044、A135、C010、A138、A136、I009、I068、G156、I017、I075、J043、I090、I084和I088。

图4　区域网点Z坐标变化箱图

以上图2—图4分别显示了区域网X、Y和Z坐标变化异常的点号，在以上点号中， X、Y和Z坐标变化均为异常的点号为A096、A103、A105、A137、C002、C003、C022；将这些X、Y和Z坐标变化均为异常的点确定为奇异点，这些奇异点的位置及坐标变化量见表1。

表1　奇异点的位置及坐标变化量

在数据计算之前曾认为这些奇异点会分布在全国各地，但是计算结果却出人意外地显示这些点几乎全部位于河北省中南部地区(A137宁河除外)，这是非常令人关注的，希望有关研究人员对此进一步深入研究和探讨。

三、结束语

本文论述了地震的孕育和地壳形变存在着密切的关系，并通过相关震例论证了部分强震震前地壳形变的特点，即强烈地震常常发生在地壳形变差异较大的区域；同时本文又论述了中国地壳运动观测网络的建立过程，采用了其中846个区域网点的X、Y、和Z方向变化的数据，并采用统计软件SPSS对数据进行统计计算，对统计计算的结果进行分析，得到了一些奇异点数据，这些数据具有明显的统计异常，本文给出了这些奇异点数据的编号和点位，以便进行深入的研究。

致谢：本文计算原始数据来自中国地壳运动观测网络GPS数据共享服务(http:∥www.igs.org.cn:8080/)，在此表示感谢。

参考文献：

[1]姜卫平,周晓慧,刘经南，等.青藏高原地壳运动与应变的GPS监测研究[J]. 测绘学报，2008,37(3):285-292.

[2]汪在森,杨国华,方颖，等. 利用GPS观测结果研究地壳运动分布动态及其与强震关系[J].国际地震动态,2007(7):32-41.

[3]王双绪,张希,张四新，等.基于地壳形变的强地震中长期预测的针对性探讨[J].国际地震动态,2009,24(7):234-236.

[4]冒爱泉, 张金华,胡伍生，等.GPS地壳形变和前兆信息与地震预测[J].现代测绘,2008,31(5):3-6.

[5]张晓亮,张希,蒋峰云，等. 汶川Ms8．0地震孕震机制及同震影响研究[J]. 国际地震动态,2010,25(8):112-116.

[6]钱进,韩志云,林学峰，等.GPS在地壳形变和板块运动监测中的应用[J]. 测绘与空间地理信息,2013,6(36):21-24.

[7]田云锋.GPS位置时间序列中的中长期误差研究[J]. 国际地震动态,2012(5):46-48.

[8]刘峡.华北地区现今地壳运动及形变动力学数值模拟[D].北京：中国科学技术大学，2007.

[9]符养.中国大陆现今地壳形变与GPS坐标时间序列分析[D].上海：中国科学院上海天文台，2002.

[10]中国地震局监测预报司组织编著. 汶川8.0级地震科学研究报告[M].北京：地震出版社,2009.