中国大陆地壳形变GNSS站网简述及数据产品应用现状.pdf

书书书第 卷第 期（）年 月中 国 地 震 王阅兵，师宏波，李瑜，等 中国大陆地壳形变 站网简述及数据产品应用现状 中国地震，（）：中国大陆地壳形变 站网简述及数据产品应用现状王阅兵，）师宏波）李瑜，）王坦）邹锐）张锐）谭凯）中国地震台网中心，北京 ）中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室，北京 ）中国地震局地球物理研究所，北京 ）中国地震局地震研究所，武汉 摘要自 世纪 年代中期以来，技术在高精度地壳运动观测与构造形变研究中取得了丰硕的成果，为大地测量、地球动力学研究和防震减灾等诸多领域的业务深化和应用拓展提供了强大的技术支撑。本文在回顾中国大陆地壳形变 站网发展历程的基础上，阐述该网络产出的中国大陆长期构造运动速度场、中国大陆应变率场、位移时间序列、基线时间序列和多边形应变时间序列等几类基础产品，分析这些产品在中国大陆构造运动动态趋势和地震预测分析中的应用情况以及所面临的瓶颈问题，最后展望未来 在高精度地壳运动监测应用中的发展方向。以中国大陆构造环境监测网络为基础，大力推进国内海量 观测数据的共享，提升 多系统融合定位精度，将产出更为精细的科学产品，更好地服务于中国大陆地壳运动和地震预测分析等研究。关键词：中国大陆构造环境监测网络地壳形变 数据产品数据共享融合定位 文章编号 （）中图分类号 文献标识码 收稿日期 修定日期 项目类别国家自然科学基金（）、国家重点研发计划（、）和北京市自然科学基金（）共同资助 作者简介 王阅兵，男，年生，高级工程师，主要从事 数据处理及其在地壳形变监测中的应用研究。：引言自 世纪 年代中期以来，以美国 （）为代表的全球导航卫星系统（，）的迅速发展和广泛应用，不仅使全球范围的导航与授时进入了稳、准、便、捷的全新时代，更为高精度、大范围、全天候和低成本的地壳运动观测与构造变形研究提供了革命性的空间大地测量技术手段。与传统大地测量方法相比较，技术不仅将观测精度提高了 个数量级，而且将工作效率提升了上百倍，为大地测量、地球动力学研究和防震减灾等诸多领域的业务深化和应用拓展提供了强有力的技术支撑。期王阅兵等：中国大陆地壳形变 站网简述及数据产品应用现状早在 年秋季，美国国家大地测量局（，）即利用 技术在加州曼姆德斯湖（）附近的构造活跃和岩浆作用区获取了三维地壳形变场，这为地壳形变的统一三维监测开创了新纪元。结果显示：站间基线矢量的内符合精度为 ，网平差后基线各分量的相对精度高达 （，）。随后的 年 月，在加州中、南部布设 大地测量网，通过 年的流动监测（，），确定出圣安德烈亚斯断层的西段具有 量级的显著水平变形（，、；，）。基于该网的 观测数据，等（）提出一种同时进行定轨和模糊度解算的有效算法，使 的定位和定轨效果取得了明显改进，所得基线精度水平分量达到几个毫米，垂直分量达到几十个毫米，相对精度达到 ，并证明 大地测量技术能够很容易实现 水平变形的分辨（，）。年，在美国南加州建立了一个由 个连续 台站构成的大地测量阵列（），作为当时唯一的连续 观测网络，首次实现了从几分钟到几年时间分辨率的地壳运动监测，使区分区域地壳应变随时间的变化成为可能，展示出连续 观测在地壳形变运动学和地震复发周期研究中的独特作用（，）。该网络各站点的单日解坐标精度水平向为 ，垂直向为 ，成功检测到 年 月 日兰德斯 地震的同震形变（，）。随 着 年 年 初 系 统 的 全 面 运 行 和 国 际 服 务 组 织（，）的成立（，），大地测量技术在各种规模尺度的构造运动学和地球动力学观测研究中得到了迅猛发展和广泛应用。自此，全球多个国家逐步开始建立不同监测目的 观测网络，用于全球高精度形变监测的台站越来越多，逐步满足区域和全球高精度形变监测的需求，特别是在板块运动（，；，；，；金双根，）、地震形变获取（，；，；，；，）等方面取得了长足进展。我国 地壳运动观测通过国际合作开始起步，之后开展了自主研究，在“九五”期间整体布局和“十一五”期间升级加密 站点，建成了中国大陆地壳形变 站网。国际合作阶段始于 年国家地震局地震研究所与德国汉诺威大学大地测量研究所在滇西地震实验场的 监测，之后又有不同机构在青藏高原联合开展了 建设（甘卫军，）。年，作为国家攀登计划的“现代地壳运动与地球动力学”研究项目开始实施，开启了我国 建设的自主阶段，在首都圈、青藏高原、河西走廊、新疆、福建东南沿海等地区构建了 高精度形变监测网（李延兴等，、；李延兴，；游新兆等，；朱文耀等，；刘经南等，；乔学军等，；孟国杰，）。在“九五”国家重大科学工程和“十一五”国家重大科技基础设施的支持下，我国于 年年底建成中国大陆构造环境监测网络，该网络包含了 个 基准站和 个区域站，为研究我国大陆内部构造块体运动特征和机制提供了高精度、高时空分辨率的观测数据（，；，；，；，；，；，）。随着中国大陆地壳形变 站网观测资料的陆续产出（，；，；，；，；，；，），地震科技工作者首次认识到了中国大陆的整体运动与变形特征，识别出了活动地块、边界带、主干断层的变形差异，并直接观测到了震间变形、同震位移和震后调整过程，观测结果被广泛应用于 中国地震 卷地壳形变监测和震情会商研判中。例如，基于 年昆仑山口西 级、年印尼 级、年汶川 级、年日本 级、年尼泊尔 级地震的同震及震后 观测，研究给出了这些地震对我国主要构造区的影响，为震后形势研判提供了可靠支撑。另外，观测结果还有力地推动了正反演模型的发展，对于识别震间期中国大陆地壳变形细节、认识强震孕育发生机理至关重要。本文首先回顾了中国大陆地壳形变 站网建设的发展历程，其次介绍了中国大陆构造环境监测网络运营现状和基于 数据产出的中国大陆长期构造运动速度场、应变率场和时间序列等基础产品，并讨论了这些产品在我国大陆内部构造块体运动特征和地震分析预测中的应用现状，最后展望了未来 地壳运动监测的发展方向。中国大陆地壳形变 站网发展现状 年国家批准实施国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”（简称网络工程），该网由中国地震局、原总参测绘导航局、中国科学院和原国家测绘地理信息局四部门联合建设。网络工程以 观测技术为主，建成了由 个连续观测基准站组成的基准网、个定期观测的基本站组成的基本网和 个不定期观测的区域站组成的区域网，实现了对中国大陆一级地块构造运动的监测，初步建成了中国大陆地壳运动整体观测体系，使我国在大陆地震强震机理、大地测量、板块运动学及动力学研究等方面取得重要进展（，；孟国杰，；，；，；，；江在森等，）。为连续准确地获取与地震孕育有关变形信息和提供次级地块运动和变形的精细图像，“十一五”期间，建设了国家重大科技基础设施“中国大陆构造环境监测网络”（简称陆态网络），在网络工程基础上，建成分布全国的 个 连续观测基准站和加密新建 个不定期观测的区域站。该设施为全国范围大尺度二级构造块体内部和块体之间（大部分二级活动块体平均站间距约 ）相对地壳运动的精确测定提供了大量高精度观测资料，已在地震监测预报、地球动力学研究、国防建设和大地测量等方面产生了显著的科学、社会和经济效益（甘卫军等，；，；，；，）。近年来北斗卫星导航系统（，）日趋完善，其定位精度逐步提升，为进一步促进 在高精度形变中的应用，陆态网络 基准站开始逐步升级兼容 ，截至 年底，已有 多个基准站能够兼容包括 在内的多卫星导航系统，具体分布见图 。陆态网络兼容 极大地促进了多系统融合定位在高精度形变监测中的应用，基于陆态网络 多模数据的研究已取得一定进展（王广兴，；，；，），特别是 等（）利用陆态网络 数据成功监测到 年 月 日尼泊尔 地震的波形信号（，）。此外，一些学者基于陆态网络 数据初步探讨了 获取地壳形变的应用效果（王阅兵等，、；，；李良发，）。该类产品已在地球物理站网平台发布，且已广泛应用于地震系统；外系统单位可在国家科学数据中心网站（：）通过申请获取位置时间序列等基础产品。期王阅兵等：中国大陆地壳形变 站网简述及数据产品应用现状注：红色三角形为可以接收 信号的基准站。图 陆态网络 个 基准站站点分布 陆态网络 数据产品产出和应用 中国大陆长期构造运动速度场中国大陆地壳运动与形变监测经历了由点及面、由稀疏到密集的渐进式发展进程，其产出的地壳运动速度场也在不断的完善和精化（王敏等，）。等（）基于网络工程产出的 年和 年两期观测成果率先给出了中国大陆地壳运动速度场，详细刻画出中国大陆相对欧亚板块的构造运动特征（，）。之后，随着网络工程多期观测和陆态网络的加密观测，中国大陆地壳运动速度场越来越精细地刻画出我国大陆构造运动的总体态势（王敏等，；牛之俊等，；李强等，；，；，；，）。中国大陆长期构造运动总体表现为受印度、欧亚板块碰撞驱动，青藏高原内部物质东向运动时受刚性四川盆地阻挡分成两支，一支沿南北地震带向东南方向运动，表现为绕东构造结的顺时针运动，一支向东北方向扩展，表现为地壳挤压缩短；新疆天山断裂带水平挤压运动显著（，；，；，；江在森等，；李强等，；王敏等，）。中国大陆长期构造运动速度场受大地震同震和震后形变加载的扰动，特别是近年来国内及周边发生的 年昆仑山西口 级、年苏门答腊 级、年汶川 级、中国地震 卷 年日本宫城 级和 年尼泊尔 级地震对中国大陆长期构造运动速度场影响深远。因此，为获取较为稳定的中国大陆构造运动速度场，一个行而有效的方法是利用大震时间将位移时间序列分为数段，针对每一段来分别估计中国大陆构造运动速度场。该方法直接消除了大地震同震的影响，但震后影响仍然存在。利用基于大震时间来分段的多期结果，可以分析中国大陆构造运动震前整体动态特征和震后调整过程，从而识别区域构造运动的增强或减弱，并结合区域构造背景特征来为地震危险性分析和危险区域预测提供参考（江在森等，；武艳强等，）。为扣除上述大地震的同震和震后效应，获取稳定的中国大陆长期构造运动速度场，也可以采用在线性模型基础上附加年周期、同震阶跃和震后对数或指数响应来同时估计长期构造运动速度场和其他模型参数。由于该模型中包含了非线性参数变量，受其初始值选择的影响，参数最优估计容易陷入局部解，从而造成长期构造背景场的细微差异。已有研究发现，该模型中震后衰减的松弛时间变量具有随观测时间逐渐变化的特征（苏利娜，），这也将造成采用不同时段观测数据估计的长期构造运动速度场存在差异。此外，由于网络工程和陆态网络的流动观测站点在时间上并不连续，无法准确区分同震和震后效应，从而造成在上述模型下的参数估计不准确，导致估计的中国大陆长期构造运动速度场不稳定。综上，随着观测时间的推移，需要不断地更新中国大陆长期构造运动速度场，以获取更精细的地壳运动动态特征（，；王敏等，；牛之俊等，；李强等，；，；，；，）。基于陆态网络最新产出的 年观测数据，经过统一平差解算，采用统一模型扣除大地震同震效应后，给出了 年相对欧亚框架的中国大陆构造运动速度场（图 ），为现今中国大陆地壳运动研究提供基础数据支撑。中国大陆应变率场构造运动速度场能够反映构造活动的运动学特征，应变率场能够在一定程度上反映区域构造应力特征（王敏等，）。基于连续形变假设，利用中国大陆长期构造运动速度场可以计算中国大陆应变率场，且应变率场计算方法众多（，、；，；，；石耀霖等，；武艳强等，）。其中，最小二乘配置法在大尺度连续应变率场计算中具有较好的抗差性（，），基于该方法计算的中国大陆应变率场结果如图 所示。图 结果显示，中国大陆主应变率场主要表现为东部主应变率数值较小，西部主应变率数值较大，尤其在南北地震带附近主应变率值较大。图 （）中最大剪应变率场高值区主要分布在各断裂构造带附近，如川滇地区的龙门山断裂、安宁河则木河小江断裂、红河断裂、丽江小金河断裂、东昆仑断裂等构造带及新疆地区的南天山西段以及青藏高原西部的部分地区。面膨胀率场显示高值区也是聚集在主要断裂附近，如图 （）所示。中国大陆应变率场给出了应变率方向、大小和剪切 张压性质，结合构造背景、构造断裂，可以识别现今变形强弱及其与构造背景的关系（江在森等，）。在利用最小二乘配置方法计算中国大陆应变率场时，大尺度的连续形变假设可能造成局部区域结果过渡平滑。因此，通常可以选择尺度稍小的区域来计算局部地区的应变率场。图 给出了西南地区的应变率场详细特征，结果显示青藏高原内部巴颜喀拉块体东向逃逸受刚性四川盆地阻挡，在龙门山断裂带中段面应变率呈现强压缩状态，之后沿南北地震带向东南方向运动，表现为绕 期王阅兵等：中国大陆地壳形变 站网简述及数据产品应用现状图 中国大陆长期构造运动速度场（年）东构造结的顺时针旋转，展现出强剪切应变。时间序列时间序列能够连续跟踪地壳运动与形变的动态变化特征，在地震预测跟踪分析中，常用的时间序列有位移时间序列、基线时间序列和多边形应变时间序列。基于陆态网络 个 基准站和我国周边 连续站的时间序列产品，可实现对中国周边板块运动状态和大陆内部主要断裂带活动现状的连续跟踪，以此来识别构造带、活动地块边界带地壳运动强弱动态和分段差异（江在森等，）。位移时间序列 位移时间序列中包含了受区域构造应力场控制下的继承性构造运动，同时也包含了地球物理效应等因素引起的非线性变化（姜卫平等，）。在地震预测分析应用中，上述地球物理效应等因素引起的非线性变化属于非构造信号，因此需要尽可能地去除非构造信号。在 年陆态网络 位移时间序列跟踪过程中，发现多个台站位移时间序列异常，通过对测站所处地质构造背景、测站环境、观测墩类型、同震、震后影响等各类因素对比分析，在排除外部环境因素的干扰后，共发现有 处 连续站点位移时间序列曲线出现异常，如图 所示，异常站点信息见表 。表 中松潘、泸州和理塘 个站点分别位于巴颜喀拉块体、四川盆地和川滇菱形块体上，这三个块体之间的边界带构造活动强烈且大震频发。此外已有研究认为相对长趋势的数年间线性趋势转折反映了地壳运动调整过程，在原准线性 中国地震 卷注：箭头表示主应变率场。图 中国大陆应变率场（年）期王阅兵等：中国大陆地壳形变 站网简述及数据产品应用现状注：箭头表示主应变率场。图 西南地区应变率场（年）图 站点时间序列异常特征表 异常站点统计地点站名经度 （）纬度 （）异常特征四川松潘 年开始水平运动趋势转折四川泸州 年开始水平运动趋势转折四川理塘 年开始水平运动趋势转折趋势上表现为趋势增强的动态变化可导致大地震孕育进程加速（江在森等，）。因此，这处站点位移时间序列的异常需继续探索和持续关注。基线时间序列 位移时间序列中包含了复杂的非线性变化信号，这些非线性变化信号不易从单站位移时间序列中完全扣除，从而导致在地震预测跟踪分析中位移时间序列的应用受限。基线时间序列是指两个站点间的相对运动变化特征，其能够在一定程度上削弱系统误差和共 中国地震 卷模噪声的影响，因此基线时间序列往往比位移时间序列更灵敏地反映周围构造环境的变化（张风霜等，）。中国大陆几乎所有 级和 的 级以上强震都发生在活动块体的边界带上，因此，区域活动地块及边界带变形机理与强震孕育之间有着密不可分的关系。基于大尺度的基线时间序列可以描述大陆周边板块和内部块体相对运动状态，这对中国大陆地震趋势预测具有重要意义（江在森等，）。基线时间序列在地震预测分析中得到广泛应用。目前，基于陆态网络基准站和 连续站形成的丰富基线能够对大陆周边板块和内部块体相对运动状态进行持续跟踪。图 给出了 条基线时间序列的动态变化特征。图 中 、和 基线时间序列结果表明，年汶川 级地震后印度板块对青藏高原的挤压作用减缓。在 年苏门答腊 级和 年尼泊尔 级地震震前都有加速挤压运动。挤压速率大于 ，显示青藏高原内部存在显著变形，且两者基线时序在 年以来均存在挤压速率增快现象，这说明印度板块对青藏高原北东向挤压显著增强，有利于中国大陆西部强震孕育和发生。此外，小尺度跨断裂带的基线时间序列在提取数月尺度的地壳运动异常信息时也发挥了积极作用，这为短期地震预测提供了有益探索。多边形应变时间序列多边形应变时间序列是利用多个站点的位移时间序列结果，基于块体整体旋转与均匀应变模型计算的多边形块体内部应变（李延兴等，）。因此，多边形应变时间序列体现了块体内部应变的动态变化特征，相比单站位移时间序列的点特征和基线时间序列的线特征，其更能够展现出区域的面特征。针对多边形应变时间序列的异常特征提取和分析，对短期地震预测能够提供有效数据支撑。基于陆态网络基准站和区域加密连续站数据，已有研究利用应变时间序列提取了一套适合于云南地区的地震短临异常识别指标，并通过历史强震进行回溯性分析，发现该指标对地震的发震时间、震中位置均具有较好的指示意义（邵德盛等，），该套理论方法已经在地震短期跟踪预测中得到实践应用（杨建文等，），且得到了长期在地震分析预报一线专家的高度认可（江在森等，）。未来展望以陆态网络为基础的 技术在中国大陆地壳运动特征刻画、地震预测探索和大震应急等方面应用取得了重大突破和进展，但受当前单系统定位精度、站点空间分布密度等客观条件的限制，加之中国大陆地壳运动的动态复杂性和地震预测极具挑战的困难性，这些应用仍然存在时空分辨率不足等问题（江在森等，）。针对这些问题展开以下几点讨论和展望。数据共享进一步推进网络工程和陆态网络连续运行 多年以来，一直以高精度、高质量和高稳定性著称，备受国内外研究学者熟知和青睐，也是数据共享应用推广最广泛的典型之一。网络工程和陆态网络建设中制定的 地壳运动监测技术规程，引领了中国大陆 观测站建设和应用。一些行业部门，如中国气象局、原国土资源部、原国家海洋局等，也陆续建设了总数愈千的连续 观测站（甘卫军，）。如果将这些 站点都纳入中国地壳运动 观测网 期王阅兵等：中国大陆地壳形变 站网简述及数据产品应用现状络共享之中，必将极大地促进中国地壳运动监测空间分辨率的提升。但需要注意的是，这些共享的 观测数据由于行业用途和建站标准的不同，其站点分布的合理性、观测墩的稳定性需要进一步分析，从而挑选出满足地壳运动观测的高精度站点。但无论如何，当前已有的 连续站共享数据在大震同震形变获取中发挥了流动观测所无法媲美的作用（王阅 中国地震 卷注：（）、（）、（）、（）为原始基线时间序列，（）、（）、（）、（）为去线性基线时间序列，（）为基线空间位置。图 跨板块长基线时间序列变化特征兵等，、）。此外，中国地震局近年来一直在一系列地震重点监测区进行连续 观测站的加密布站，譬如，南北地震带的 加密观测、鲜水河断裂带的 加密观测、鄂尔多斯周缘地堑的 加密观测、成都连续 观测网以及当前正在稳步推进的川滇“地震科学实验场”项目等（甘卫军，）。这些加密观测数据在地震预测分析中的应用将弥补已有连续站点时空分辨率不足的问题（江在森等，）。综上所述，当前可用于中国大陆地壳形变观测的 网络，无论是整体覆盖范围和平均密度，还是局部重点构造区域的针对性密集观测，均已有了长足的发展（甘卫军，）。近年来地震部门通过不同行业的数据共享取得了一些进展，当前 连续站数量近 个（李瑜等，；王坦等，）。未来，随着更多海量 观测数据的共享融合，将产出更为精细的科学产品，更好地服务于中国大陆地壳运动和地震预测分析等研究。高精度 融合定位产品产出当前，在高精度地壳运动监测领域，大地测量技术仍然保持着一枝独秀的引领地位（甘卫军，），但其在获取空间高分辨率的地壳变形微动态弱信号能力仍然不能完全满足需求（江在森等，）。近年来，随着 多系统融合定位研究逐步展开，多系统间配合可以增加区域可视卫星数量，改善卫星几何分布结构，从而可以提高导航定位精度。特别是我国北斗卫星导航系 期王阅兵等：中国大陆地壳形变 站网简述及数据产品应用现状统的飞速发展和日趋成熟，北斗 多系统融合定位已逐步展现出独特优势，主要表现在模糊度快速固定和多系统融合定位精度等方面（，；，；，）。因此，未来应逐步加快陆态网络等观测网络设施兼容北斗在内的多卫星导航系统的步伐，同时致力于解决多系统定位中的差异性问题，从而产出更高精度的 融合定位产品，更好地满足地震预测分析对高精度定位产品的需求。参考文献甘卫军 中国大陆地壳运动 观测技术进展与展望 城市与减灾，（）：甘卫军，李强，张锐，等 中国大陆构造环境监测网络的建设与应用 工程研究 跨学科视野中的工程，（）：姜卫平，王锴华，李昭，等 坐标时间序列分析理论与方法及展望 武汉大学学报信息科学版，（）：江在森，方颖，武艳强，等 汶川 级地震前区域地壳运动与变形动态过程 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