GNSS 数据在长春地壳形变观测中的初步应用

2024-05-28季靖坤赵文渤

大科技 2024年21期

张良，王宇，季靖坤，赵文渤

（长春市地震速测速报中心，吉林长春 130000）

0 引言

全球卫星定位系统（global navigation satellite sysˉ tem, GNSS）是由北斗系统、GPS、GLONASS、Galileo 等多个卫星导航定位及其增强型系统所组成的大系统，在全球范围内应用卫星提供全天候、高精度的位置、速度和时间等信息。目前GNSS 定位精度已经达到监测地壳形变、应变积累速率研究所需要的毫米级[1]。

地震的孕育和发生与地壳形变密切相关，而地壳形变是地震过程中最直观的现象，因此精确确定区域地壳形变状态，能够为地震监测与预报提供重要的依据[2]。GNSS 观测具有精度高、效率高和成本低的特点，其在地震长中期地壳运动监测、地震短临期地壳运动异常、地震过程中各观测点瞬时运动情况和震后地壳运动位移量和变化情况等方面都有很大的应用前景[3]。

1 长春市地壳运动观测网络

长春市位于松辽断陷盆地与吉林东部断块山地的过渡地带，处于山区与平原的结合部，松辽断陷盆地东南隆起的东缘，在大黑山地垒与松辽断陷盆地交界处盆地一侧，地势东南高而西北低[4]。长春被长白山火山区、汪清深震区、松原震区扇形环伺，伊通-舒兰断裂带和四平-长春断裂带像一把活动的剪刀把长春夹在中间。长春市是国务院划定的地震重点监视防御区，建立高精度的GNSS 观测网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[5]。

长春市地震局从2014 年起，在国家地震台网中心专家的指导帮助下，先后建立了石头口门观测站（STKM）、富锋山观测站（FUFE）、双阳观测站（SUYA）、榆树观测站（YUSH）、开安观测站（NGAN）和太平观测站（SUTP），组成了长春市地壳运动观测网络。网内各观测站较均匀的分布于长春地区内，东部有1 个观测站，南部有2 个观测站，西部有1 个观测站，北部有2 个观测站，基本实现了对长春地区地壳活动情况的实时监控。长春市地壳运动观测网络建成后，将与长春市形变综合台双阳地震台一同监视研究长春地区地壳运动情况，丰富了长春地区地球物理观测方法和手段。

2 GNSS 观测数据和处理

通过处理解算GNSS 观测数据，可以得到各观测站位移变化量和速度矢量，进而了解区域地壳运动时空特征，分析区域内地壳运动情况，获取是否存在地震异常信息。长春市地壳运动观测网络自2014 年建设以来，已经历了多年的观测运行，观测数据采用美国麻省理工学院研发的开源软件GAMIT/GLOBK 进行解算，得到各观测站位移时序和速度矢量结果，并已初步应用在长春市震情趋势会商中。

本次研究选取了长春市地壳运动观测网络2017年1 月—2023 年9 月的观测数据，在解算过程中，为了提高解算精度，结合了15 个我国陆态网东北地区观测站和22 个IGS 亚太地区GPS 跟踪站的观测数据。利用这些数据解算获取长春市地壳运动观测网络各测站的坐标时间序列。考虑到数据量的大小，本次研究选取了GNSS 接收机中采样率为30s 的GNSS 连续观测数据，以一天为一观测时段。数据处理采用的美国麻省理工学院研发的开源软件GAMIT/GLOBK，也以一天为一处理时段。利用GAMIT 软件对观测数据中的载波相位观测值进行定位定轨的处理，得到基线解算结果。利用GLOBK 软件对基线处理结果进行网平差处理，得到各观测站每天精确的位置信息，得到各观测站在解算时段内的位移时序和速度矢量结果。

3 数据解算结果初步分析

本文利用长春市地壳运动观测网2017 年1 月—2023 年9 月的观测数据，结合15 个我国陆态网东北地区观测站和22 个IGS 国际GPS 跟踪站共37 个观测站数据，利用GAMIT/GLOBK 软件解算出长春市地壳运动观测网络各观测站的位移时序曲线，选取SUYA 和NGAN 2 个观测站的位移时序曲线图进行分析，其包括原始时序曲线和去除长趋势后的时序曲线（纵向为位移的波动值，直线部分为趋势拟合曲线）。

图1 为2017 年1 月—2023 年9 月长春市双阳GNSS 观测站东西向、北南向和垂直方向的位移时间序列，从图1a.中可以看出，从2017 年1 月—2023 年9月，SUYA 观测站在北南向向南偏移了75mm，年运行速率（11.66±0.02）mm/a；在东西向向东偏移了170mm，年运行速率为（27.59±0.02）mm/a；在垂直向向下偏移了8mm，年运行速率为（0.99±0.08）mm/a。

图1 双阳GNSS 观测站位移时序曲线

图2 为2017 年1 月—2023 年9 月长春市开安GNSS 观测站东西向、北南向和垂直方向的位移时间序列，从图2a.中可以看出，从2017 年1 月—2023 年9月，NGAN 观测站在北南向向南偏移了80mm，年运行速率（11.77±0.02）mm/a；在东西向向东偏移了170mm，年运行速率为（26.98±0.02）mm/a；在垂直向向下偏移了15mm，年运行速率为（1.82±0.08）mm/a。

可以看出，SUYA 和NGAN 两测站在水平方向上运动方向一致，运动速率基本相同，其余4 个测站位移时序曲线与SUYA 和NGAN 测站基本一致，均为北南向向南均偏移80mm 左右，年运行速率在12mm/a 左右；东西向向东均偏移170mm 左右，年运行速率为27mm/a 左右。相对于全球参考框架（ITRF2014），所有观测站均随着中国大陆较均匀地向南东（南东东）方向运动，运动速率均在30mm/a 左右。这与国家局第一监测中心关于东北地区地壳运动研究结果基本相同[6]。垂直方向无明显规律，且各观测站的偏移量和运动速率均较小。

为更加清楚地展示长春地区地壳运动情况，将长春市地壳运动网各观测站全球参考框架（ITRF2014）下的时间序列统一进行去线性化趋势处理，得到去趋势后的时序曲线。从图1～2 中b 图和其余测站解算结果，可以看出各GNSS 观测站北南向、东西向和垂向都具有很好的年变特征。