中国现今板块运动对陆态网基准站稳定性影响

岳彩亚，党亚民，杨 强，韩雪丽1，

(1.山东科技大学，山东 青岛 266590；2.中国测绘科学研究院，北京 100830)



中国现今板块运动对陆态网基准站稳定性影响

岳彩亚1,2，党亚民2，杨 强2，韩雪丽1，2

(1.山东科技大学，山东 青岛 266590；2.中国测绘科学研究院，北京 100830)

中国大陆板块的整体漂移及其二级板块之间的相互运动必然会对大陆构造环境监测网络中的基准站稳定性造成一定的影响。本文使用最新5年的陆态网连续基准站观测数据计算出各站点的速度，从而分析二级板块的运动趋势；并利用极限误差椭圆法对陆态网中各基准站进行逐个分析，判断其稳定性。结果表明：各板块间的运动速度存在差异，特别是川滇地区板块运动相对活跃；陆态网中稳定性较差的台站大部分是分布在板块与板块的交接处。

二级板块；陆态网；基准站稳定性；极限误差椭圆

地壳是指由岩石组成的固体外壳，即地球固体圈层的最外层。在漫长的地球历史中，地壳并不是静止的，而是在不断的发生运动，其运动表现形式主要有大陆漂移、板块运动、火山爆发、地震等[1-2]。中国大陆处于亚欧板块的东南边缘，运动活跃，其中包含了由板块间和板块内部造成的构造运动以及由大气荷载和海潮荷载造成的非构造运动，尤其是位于新疆维吾尔自治区、四川省、云南省、青海省以及环渤海地区的二级板块运动更为活跃[3]。中国大陆构造环境监测网络(以下简称陆态网络)由260个连续观测站和2 000个不定期观测站构成，主要用于监测中国大陆地壳运动、重力场形态及变化、大气圈对流层水汽含量变化及电离层离子浓度的变化以及现代大地测量基准系统的建立和维持[4]。本文针对中国大陆整体漂移以及二级板块间相对运动会给陆态网基准站造成影响，利用陆态网基准站的两期观测数据(间隔为1 a)采用极限误差椭圆法进行位移显著性检验，并对2010—2014年5年的观测数据进行基线解算和网平差，得出基准站的速度场。

1 陆态网基准站稳定性检验判别原则

1.1 极限误差椭圆

极限误差椭圆是一种比较实用的测站逐点分析检验方法。原理是通过对两期观测得到测站点的位移量进行显著性检验，间隔可为10天、1个月、或者一年。判断位移显著的标准是取2倍的误差椭圆与两期测站点位移值做差，若差值为正，则位移不显著，点位稳定；反之，若差值为负，则位移显著，点位不稳定，即GPS网不稳定[4-5]。

任意方向φ的位差：

Qφφ=Qxxcos2φ+Qyysin2φ+Qxysin2φ,

(1)

(2)

式中:Qxx和Qyy分别为X方向和Y方向坐标差的协因数，Qxy为坐标差互协因素，σ02为单位权中误差，Qψψ和σψ2分别为方向的协因数和位差。

位差的极大值和极小值[6]：

(3)

(4)

式中:E和F为位差的极大值和位差的极小值，ψE和ψF为位差极大值和极小值的方向，其他参数同上。

误差椭圆方程为

(5)

式中：τ为以极大值E、原点O和极小值F为坐标系时，由纵轴E转过的角度。利用点位误差椭圆可求某点在任意方向的位差，但这种方法只能对一个待定点分析，如果对一个网中的所有点分析时，需要做出每个点的点位误差椭圆[4]。

1.2 点位中误差

判断测站点位移显著性时，首先要确定点的解算精度是否满足判断的要求，在精度许可的情况下进行判断。确定点位在平面上位置时，通常是对该点进行观测，然后取观测的平均值为点的真位置。这样处理会消除部分偶然误差，但是和点的真正位置间仍有些差异，而点位中误差可以表示两者差异大小，并可以对所求观测值进行精度评定[7]。

点位中误差计算式：

(6)

(7)

2 算例分析与讨论

2.1 我国二级板块和速度场

二级板块是对我国大陆所处的欧亚板块进一步的划分。张培震，邓起东等人在划分的一级板块的前提下，将我国及其周边板块划分成22个活动地块[8-9]。中国测绘科学研究院大地测量与地球动力学研究所的程鹏飞、成英燕等在此基础上利用“中国地壳运动观测网络”1999—2009年GNSS数据获得中国大陆二级板块运动趋势图。

党亚民、成英燕等人利用2010—2013年GNSS速度场解算结果建立了新一代的二级板块运动模型[10]，与以前的二级板块相比，大致趋势相同，局部地方有变化。王阎昭等人对我国川滇地区板块进行了二级板块的细分，郭晓虎等人在此基础上对该地区板块的细分做了调整[3,11]。

本文对2010—2014年的陆态网GPS连续运行站观测数据进行GAMIT基线解算和GLOBK网平差求得陆态网GPS站在ITRF框架下的速度场(见图1)。其中根据实际地质构造因素，某些二级板块的具体划分延伸到了中国周边，如阿尔泰、中蒙等。控制站选用我国境内和周边的15个相对稳定的IGS站，二级板块划分图引用于宁一鹏(中国测绘科学研究院)对2010—2013年GNSS观测数据处理得到的速度值，并通过欧拉方程计算得到。

从所有测站的速度矢量方向分析整个中国大陆板块的运动趋势，可明显发现该板块呈现整体的右旋趋势，其中青藏高原有向东北方向的运动趋势，而整个新疆省的准格尔地区几乎是向东运动；华北、东北等地的运动趋势基本一致，均具有往西南方向的运动趋势。针对于二级板块来分析，其中祁连、柴达木、巴彦碦拉三个板块每年以大约3 cm的速度往东运动，除此之外，以大约7 mm的速度向南方向运动；川滇块体和滇西南块体的运动速度都较大，东西方向和南北方向每年的运动量级均在几个厘米，但二者相比较，东西方向运动差值约为1～2 cm，而南北方向运动差值在1 cm之内，并且川滇块体又受到了稳定的华南块体的阻挡作用，造成该块体内部出现了一系列的构造断裂。这种板块之间速度的差异以及相互挤压、拉张的错动形式导致该地区浅源地震高发；其他板块之间虽然运动速度不同，但是差异非常小，大约为5～10 mm，因此可以断定这些二级板块之间的相对稳定性较强，表1列出了各个二级板块的欧拉极经度、欧拉极纬度、板块旋转角速度。

图1 二级板块与速度场

板块Ωx/mmΩy/mmΩz/mm阿尔泰0．003698190．00631559-0．00192016阿拉善-0．00013589-0．001168370．00461742巴颜喀拉-0．007418880．00444183-0．00471648柴达木-0．00586247-0．002199090．00090439鄂尔多斯0．00078528-0．000931230．00102315华北-0．00064023-0．00034373-0．00180664华南0．00235635-0．00009065-0．00187859拉萨-0．006744700．000948700．00228967鲁东黄海-0．003807490．001306140．00495304川滇-0．001711180．000202520．01252943滇西南0．005347670．005423280．00495803南海-0．003637370．00068539-0．00666137羌塘0．00256915-0．00360407-0．02373197祁连0．00014614-0．002064370．00390548塔里木0．00467856-0．00229841-0．00023514天山-0．00396391-0．00796372-0．00023843燕山-0．00038571-0．00098934-0．00099382中朝-0．00074375-0．00119492-0．00341840中蒙0．000793790．000796980．00059158准格尔0．00268490-0．00160713-0．00121154

2.2 陆态网基准站稳定性分析

中国大陆所处亚欧板块的边缘，其运动显著，地质断裂构造非常显著[12]，并且各个板块之间存在相互运动，且运动差异随着地方不同差异大小也不相同。大陆构造环境监测网络是用于监测中国大陆地壳运动、重力场形态及变化、大气圈对流层水汽含量变化、电离层离子浓度的变化以及现代大地测量基准系统的建立。为了能够更好的发挥构造环境监测网络的作用，对网中测站点的稳定性分析尤为重要。本文分别用2013年1月1—10日、2014年1月1—10日两期陆态网观测值进行站点位移显著性分析。用GAMIT/GLOBK求出前后两期的单日解，剔除坏的数据，后求出一个平均坐标。

图2是剔除陆态网中解算不符合要求的测站点后，通过极限误差椭圆(其中k=2)判断测站点的分布。实心圆点为测站不稳定点，三角形点为测站稳定点。从点位的分布可知不稳定点主要分布在二级板块的边界处，其中川滇、滇西南、环渤海地区不稳定点居多；整个华南地区测站点稳定性较好，除了板块边界处一些点不稳定，其他的点基本都是稳定状态；天山和塔里木边界处的点稳定的较多，可说明这两个二级板块间的相对运动并不是很明显。本文用测站稳定率来描述测站的稳定程度，稳定率定义为2倍极限椭圆误差与测站点位移量之间的差值与测站点位移量的比值。稳定率的值为正，极限误差大于测站位移量，测站稳定；相反，其值为负时，测站位移量大于极限误差，测站不稳定。若比值从正向接近0说明测站虽然稳定，但其稳定性较低；若比值越接近1说明此点的稳定性程度较高。反之，若比值从负向接近0说明此测站不稳定，但其不稳定性并不明显；若比值越接近-1说明此点的不稳定性程度较高。

图2 测站点位稳定性分析

对所有测站点的稳定率做统计分析，结果见表2。

表2 测站稳定性分析

从表2可以看出：陆态网测站的稳定率大部分在-10%～10%之间，部分站点超过这个范围(均方差等表示的区间)，表明部分测站相对稳定性或者相对不稳定性是显著的，如测站YNTH，其稳定率为12.34%，说明这个测站相对不稳定性较为显著(稳定的也要举例)。二级板块的边缘处的测站虽然有的呈现出稳定性，但是其稳定程度并不高，如测站XJQH和YONG，稳定率是从正向接近于0；同样在板块内部的一些点虽然表现出不稳定，但是其稳定率是从负向接近0，说明这个测站不稳定性并非显著，如SDRC和SNXY。这种情况可能是由于板块内部的变形引起局部地区地壳隆起或者下沉，但这个结论还有待进一步证明。

3 结 论

通过对2010—2014年5年的陆态网台站连续观测数据进行基线解算和网平差，从而得到网中测站的速度值；并对两期观测值(间隔周期为一年)做测站点位显著性分析。得到结论如下：

1)将测站速度场展到中国二级板块上，结果表明整个中国大陆的运动趋势呈现右旋状态，对于二级板块而言，祁连、柴达木、巴彦碦拉三个板块每年以约3 cm的速度往东运动，并且以约7 mm的速度向南方向运动；川滇地区的运动速度向东西方向接近4 cm，南北方向接近2 cm，而滇西南板块东西方向运动速度约2.5 cm，南北方向约为1.4 cm，羌塘和拉萨板块运动速度约为2.7 cm，这样造成川滇板块和羌塘、拉萨板块之间出现断裂，而川滇板块在不断地推挤华南板块和滇西南板块。尤其在东西方向上的相对运动更加明显，这种板块之间大的相对运动可能就是导致该地区浅源地震高发的原因；其他板块之间虽然运动速度不同，但是差异非常小，大约为5～10 mm，可以断定这些二级板块之间的相对稳定性较强。

2)中国大陆板块整体漂移和二级板块之间的相对运动对陆态网测站稳定性造成的影响主要集中在板块断裂边界处。通过极限误差椭圆法分析得到不稳定测站点主要分布在板块间的交接处，不稳定程度一般在10%以下；在板块边缘处的一些点虽然被判断为稳定的，但是其稳定程度相对内部点是比较低的；在板块内部有些点呈现不稳定，原因可能是由于板块在运动过程中出现了局部隆起或者下沉。

3)中国大陆二级板块之间运动复杂，对陆态网基准站造成的稳定性影响不可忽略，为保证基准站坐标精确，需要每年对陆态网整体平差更新坐标，为其他应用提供精确的参考资料。

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[责任编辑：李铭娜]

The influence of China’s current plate movement on reference station stability of the land state network

YUE Caiya1，2，DANG Yamin2，YANG Qiang2，HAN Xueli1，2

(1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100830,China)

The whole drift of the continental plate and mutual movement between the two plates will inevitably affect the stability of the reference station in the tectonic environment monitoring network in China. In this paper, the velocity of each station is calculated by using the latest 5 years’ land data base station observation data, and the movement trend of the two-stage plate is analyzed. The results show that there is a difference between the velocity of the plates, especially the plate movement in the Sichuan&Yunnan region. Most of the stations with poor stability in terrestrial networks are located at the junction between the plates.

two-stage plate; land state network; reference station stability; limit error ellipse

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.03.007

2016-02-24

国家自然科学基金资助项目(41474011)；国家青年基金资助项目(41404034)

岳彩亚(1990-)，男，硕士研究生.

韩雪丽(1991-)，女，硕士.

P227

A

1006-7949(2017)03-0032-05

引用著录：岳彩亚，党亚民，杨强，等.中国现今板块运动对陆态网基准站稳定性影响[J].测绘工程，2017，26(3)：32-36.