网络RTK在活动构造变形分析中的应用--以川西南大塘断裂为例.pdf

2023年 7月CHINESEJOURNALOFGEOLOGY地质科学DOI：10.12017/dzkx.2023.06158（3）：1137114620姜大伟1137网络 RTK在活动构造变形分析中的应用以川西南大塘断裂为例*姜大伟张世民丁锐（应急管理部国家自然灾害防治研究院 北京100085）摘要在活动构造研究方面，传统 RTK 技术常用于局部的地表测量，测量距离受限于信号的地形影响。而网络 RTK 技术基于全国区域性的基准站网，通过移动通信可以实现百公里以上尺度厘米级精度动态测量，在构造地表分析方面具有广阔应用空间。本文以横跨龙门山地区的大塘断裂为试验对象，利用网络 RTK 技术测量了一条长度 17.7 km 的地表剖面。测量结果表明，尽管大塘断裂局部受到强烈的侵蚀作用不易识别，但网络 RTK 测线能够反映出区域性的褶皱变形特征。结合深部地震剖面进行定量分析发现，地表的冲积扇发生反坡向的构造抬升，与深部的断层扩展褶皱变形对应。进一步参考年代学数据计算得出，横跨大塘断裂的第四纪构造缩短速率为 0.290.04 mm/yr。试验分析结果表明，网络 RTK 技术可以用于大尺度、高精度的构造变形分析，识别区域性的构造变形。关键词网络 RTK龙门山大塘断裂构造变形缩短速率中图分类号：P228，P553文献标识码：A文章编号：0563-5020（2023）03-1137-10全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）现已应用于各个领域，可为地表提供实时定位功能，常用 GNSS 包括我国的北斗、美国的 GPS、俄罗斯的GLNOSS 等定位系统。在高精度测绘应用中，实时动态差分技术（Real Time Kinematic，RTK）基于 GNSS 与一个本地参考站，可以实现厘米级误差的测量，在工程建设等领域广泛应用（卫柳艳，2006；马桃桃，2013）。但常规 RTK 技术受限于信号强度，难以实现大区域与复杂地形的测量工作（徐文兵，2009）。网络 RTK 技术的提出克服了这一缺点，能够实现大区域的高精度移动测量。网络 RTK 技术是利用多个基准站构成的基准站网，通过移动通信进行数据传输，借助广域 GNSS差分与多基准站局域差分实现厘米级 精 度 的 动 态 定 位（Rizos，2002）。主 要 的 网 络 RTK 解 决 方 案 包 括 VRS（VirtualReference Station）、PRS（PseudoReference Station）、FKP（德 语 Flchen KorrekturParameter）、MAC（MasterAuxiliary Concept）等（Retscher，2002；Wei et al.，2006；Janssen，2009）。世界上已投入使用的网络 RTK 系统包括美国的 CORS系统、加拿大的CACS 系 统、德 国 的 SAPOS 系 统、日 本 的 COSMOS 系 统 等（吴 北 平，2003；张 锋，*国家自然科学基金项目（编号：41802226）和中央级公益性科研院所基本科研业务专项（编号：ZDJ201724）资助。姜大伟，男，1989年生，博士，副研究员，构造地质学专业。Email：2022-12-20收稿，2023-03-05改回。20姜大伟地质科学2023年11382008）。我国的网络 RTK 基站建设工作发展迅速，测绘相关单位建设有全国性的网络RTK基站系统，各地区也建设了面向区域性服务的基站系统。随着 4G、5G网络通信覆盖范围越来越广，网络 RTK技术的应用更加便捷稳定，这也为各相关行业提供了新的工作思路。在活动构造研究领域，常规 RTK 技术广泛应用于微地貌测量工作，用于生成局部数字高程模型，提取断层地表位错参数等（任治坤等，2007；李峰等，2008；魏占玉等，2012；孙浩越等，2015）。但由于研究地区往往是山地丘陵，受限于地形起伏对仪器信号强度的约束，难以开展大尺度的地表测量工作。而网络 RTK 不受限于距离，为区域性活动构造研究提供了新思路。本文基于四川省测绘地理信息局开发的“四川省卫星定位连续运行基准服务平台（SCGNSS）”，应用网络 RTK 技术对龙门山山前的大塘断裂进行了横跨断裂地表长距离测量，结合地震反射剖面特征，识别出了大塘断裂的活动模式，并进一步约束了区域的构造缩短速率，为网络 RTK在活动构造分析方面提供了简单有效的思路。1区域概况大塘断裂也称为邛西构造（陈颖莉等，2008），位于龙门山山前、成都平原西侧，呈南北向展布，从龙门山山前区域延伸至熊坡背斜北麓的转折端（图 1）。前人通过深部图 1龙门山前陆区构造示意图黄色区域为第四纪冲积扇覆盖范围，黑色图框为本文研究区域Fig.1Tectonic map of the foreland region in the Longmen Shan彩页海拔高程/m113820姜大伟3期姜大伟等：网络 RTK在活动构造变形分析中的应用以川西南大塘断裂为例1139地震剖面研究认为断裂受控于其东侧一系列小型背斜，并且这些背斜源自深部的一条滑脱带（Wang et al.，2013a；梁明剑等，2014）。近南北走向的大塘断裂与北东方向展布的龙门山断裂带呈斜交，体现了不同方向的主压应力特征（Li et al.，2018）。前人认为其第四纪存在断错活动（Wang et al.，2013a），但由于地表侵蚀严重，断错地貌保留不完整，第四纪断层滑动速率一直缺少限定。了解大塘断裂的活动特征及缩短速率，对于理解龙门山前陆地区的变形样式尤为重要。从沉积地层上看，大塘断裂切穿了龙门山前陆区的第四纪冲积扇（图 2）。前人将该区域的冲积扇命名为名邛冲积扇，是青衣江与岷江之间的分水岭（张倬元等，1982）。名邛冲积扇扇顶位于名山县，在龙门山与熊坡背斜之间向北东东方向呈带状分布，一直到邛崃市西侧的扇缘区域，纵长 56 km，前缘宽约 24 km，分布面积 1 050 km2，沉积厚度 50150 m。大塘断裂在扇体表面形成了明显的线性构造特征，同时造成了冲积扇图 2大塘构造区域地质图Fig.2Geological map of the Datang structure and its adjacent area彩页K2K2K1Z1D1K2K2K2K2J2J3K2J3J3J3K2J3J2J2J3T3P2P1T1K1J1J2K2K2T3J3T1T1Z1T3J3J3J3J1Z2N2K1J1K1J3J2J3J3113920姜大伟地质科学2023年1140扇体上水系的偏转（姜大伟等，2016；Jiang et al.，2021）。这些证据表明大塘断裂第四纪具备一定程度的活动量，但由于该区域地表侵蚀严重，近断层区域断错地貌难以保存，局部的运动学参数研究受到限制。因此本文利用网络 RTK 研究名邛冲积扇横跨大塘断裂的地表变形特征，根据大尺度的地表变形推测其构造变形模式。2研究方法本文利用网络 RTK技术测量了一条横跨大塘断裂的地形剖面，剖面长度为 17.7 km，垂直于大塘断裂方向投影长度为 12.8 km（图 2 测线位置），测线位于名邛冲积扇南部的成佳镇肖坪村至长滩村，测量点间距为 25 m。在实地测量中，我们使用了流动GNSS 测量站，通过 4G 信号进行网络通信，基于四川省测绘地理信息局开发的“四川省卫星定位连续运行基准服务平台（SCGNSS）”进行网络 RTK 实时差分测量。SCGNSS在四川省范围内具备 60座卫星连续运行站，可以实现全区域流动测量水平精度达5 cm，大地高程精度达8 cm（图 3）。在测量过程中，我们根据露头情况调查了名邛冲积扇的扇体厚度，明确了冲积扇的基座高度，用于后期分析名邛冲积扇横跨大塘断裂的变形特征。图 3四川省卫星定位连续运行基准服务平台（SCGNSS）网络 RTK基站分布图Fig.3Distribution of the RTK station of the Sichuan Global Navigation Satellite System（SCGNSS）114020姜大伟3期姜大伟等：网络 RTK在活动构造变形分析中的应用以川西南大塘断裂为例11413结果测量平面图如图 4a所示，测线从肖坪村穿过成佳镇至长滩村，最终测量点位投影至垂直于大塘断裂的水平投影轴线（图 4b、图 4c）。从测量结果可以看出（图 4b），原始数据呈现西低东高的特征，两侧都具有原始的倾向东的扇体坡度，说明横跨大塘断裂，冲积扇体发生了整体性的变形，而近断裂两侧由于侵蚀作用地表陡坎已被破坏。将数据投影至东西向轴线后，除去了测绘曲线带来的视觉拉伸，恢复了地表高度与东西向长度的直接对应关系，可以发现扇体东西两侧更加连续，整体的变形也更加明显（图4c）。另一方面，由于冲积扇体表面受到小冲沟的侵蚀，原始扇面遭到破坏，现今保留的最高处为原始的扇体表面，将扇面恢复后，可以看出扇体的东部具有一定的拱曲特征（图 4c），推测横跨大塘断裂区域受到了褶皱变形影响。图 4测量结果平面图及纵剖面图a.测线平面展布范围及投影纵剖面，底图使用了 Alos 12.5 m分辨率 DEM 渲染得到的地形图；b.沿测绘距离实测数据纵剖面图；c.沿投影轴线的投影纵剖面图Fig.4Plan and longitudinal profiles of the measurement results彩页高程/m高：682低：482abc海拔/m距离/km海拔/m投影长度/km114120姜大伟地质科学2023年11424讨论结合前人发表的区域深部地震剖面数据进行解译分析（Wang et al.，2013a），可以发现沿深部滑脱带形成了断层扩展褶皱变形，地表冲积扇发生了与之对应的整体性抬升（图 5）。根据野外调查的冲积扇厚度与基座出露情况，发现冲积扇在大塘断裂两侧并无明显厚度变化，说明在冲积扇废弃后区域变形一直在持续，因此大塘断裂的深部构造变形是长期的累积结果。根据测量数据结果计算，断裂两侧扇体坡度的均值为0.697，再经过几何计算得出扇体的整体错断量 D 约为 64.1 m（图 5）。在得到定量的地貌面变形数据之后，可以通过不同的方法约束垂直于构造轴线方向的地壳缩短速率。一种是根据断层及断层传播褶皱与第四纪地貌面变形的几何关系进行计算地壳缩短速率（Lav and Avouac，2000；Li et al.，2013；Stockmeyer et al.，2017），另一种是在已知滑脱带深度的情况下，利用剩余面积法计算褶皱变形导致的地壳缩短速率（Amos et al.，2007；HubertFerrari et al.，2007；SaintCarlier et al.，2016）。若通过褶皱与地貌面之间的几何关系计算缩短速率，需对高精度的地震反射剖面进行校准，而此区域的反射剖面对滑脱带形态控制比较好，但对近地表地层识别较模糊，难以得到准确的浅层结构。另一方面，通过反射剖面的解读与野外调查落实，本文认为大塘构造整体是断层扩展褶皱，滑脱带并未出露地表，因此可以应用多余面积法对冲积扇面变形进行地壳缩短量的约束。综合考虑之下，本文采用了剩余面积法计算缩短速率。根据年代学测试结果，名邛冲积扇的年龄分布在 30834 ka、42142 ka、53764 ka之间（Jiang et al.，2016）。从地震剖面分析得出，控制大塘褶皱变形的滑脱带深度为 2.1 km 至 4.8 km（图 5）。通过地表测量的数据结果，取表面进行拟合得到剩余面积为 0.43 km2。我们采用蒙特卡罗模拟方法减小误差传递，数据输入模型参考了前人成图 5大塘褶皱构造变形模式图（据 Wang et al.，2013a修改）Fig.5Deformation pattern of the Datang fold structure（modified after Wang et al.，2013a）114220姜大伟3期姜大伟等：网络 RTK在活动构造变形分析中的应用以川西南大塘断裂为例1143果（Thompson et al.，2002；Amos et al.，2007），剩余面积、冲积扇年龄、缩短长度设定为正态分布，滑脱带深度设定为线性区间，结果取置信区间为 95%，经过 5万次模拟得到构造缩短速率为 0.290.04 mm/yr（图 6）。前人根据多条地震反射剖面的定量分析，认为大塘断裂的活动始于上新世中晚期（Wang et al.，2013b）。利用平衡地质剖面方法计算得到大塘断裂在距今 3.60.8 Ma之间地壳缩短速率为 0.13 mm/yr（Li et al.，2016）至 0.25 mm/yr（Wang et al.，2013b），中更新世的缩地壳短速率最高达 0.45 mm/yr（Li et al.，2018）。本文通过古冲击扇的地貌面变形得到的大塘断裂晚第四纪缩短速率 0.29 mm/yr与前人百万年时间尺度的研究结果接近，说明川西南地区第四纪期间存在持续的东西向挤压构造活动，并与龙门山北西南东向构造缩短呈现斜交特征，这可能是应力场的转换（Li et al.，2014），也可能为深部滑脱带控制的局部构造叠加作用。5结论（1）基于网络 RTK 技术，通过横跨龙门山山前大塘断裂的长剖面测量工作，识别出区域变形受控于深部的褶皱活动，使得地表的名邛冲积扇发生反坡向的整体性抬升。（2）结合深部地震反射剖面定量地分析了构造变形量，根据冲积扇的年代学约束、滑脱带深度等数据，利用剩余面积法模拟计算得出横跨大塘构造的晚第四纪缩短速率为 0.290.04 mm/yr。（3）网络 RTK技术趋于成熟，在活动构造引起的地表变形方面有广阔的应用空间。不同于传统 RTK 只能用于局部断错标志的测量，网络 RTK 可以用于大尺度、高精度的构造变形分析，识别区域性的构造变形模式。图 6构造缩短速率模拟结果Fig.6The simulation results of the structural shortening rate114320姜大伟地质科学2023年1144参考文献陈颖莉，顾阳，陈古明等.2008.川西坳陷邛西构造古构造应力研究.中国石油勘探，13（3）：1017.Cheng Yingli，Gu Yang，Chen Guming et al.2008.Research on paleostructure stress of Qiongxi structure in West Sichuandepression.China Petroleum Exploration，13（3）：1017.姜大伟，张世民，丁锐等.2016.龙门山南段前陆区古冲积扇分析及河流地貌面序列的建立基于地貌面的测年数据、野外地貌分析与调查.第四纪研究，36（5）：12631279.Jiang Dawei，Zhang Shimin，Ding Rui et al.2016.A fluvial morphologic surface sequence based on the research of alluvialfans in the foreland region of southern Longmen Shan：According to the dating methods，field survey，andgeomorphological analysis.Quaternary Sciences，36（5）：12631279.李峰，徐锡伟，陈桂华等.2008.高精度测量方法在汶川 Ms8.0地震地表破裂带考察中的应用.地震地质，30（4）：10651075.Li Feng，Xu Xiwei，Chen Guihua et al.2008.The application of different highprecision survey methods in theinvestigation of the Ms8.0 Wenchuan earthquake surface ruptures.Seismology and Geology，30（4）：10651075.梁明剑，李大虎，郭红梅等.2014.成都盆地南缘第四纪构造变形及地貌响应特征.地震工程学报，36（1）：98106.Liang Mingjian，Li Dahu，Guo Hongmei et al.2014.Quaternary tectonic deformation and geomorphologic responsecharacteristics in the southern margin of Chengdu Basin.China Earthquake Engineering Journal，36（1）：98106.马桃桃.2013.GPSRTK小区域测量精度研究（硕士学位论文）.西安：西安科技大学.184.Ma Taotao.2013.Accuracy Research of GPSRTK in Small Areas（Masters Thesis）.Xian：Xian University of Science andTechnology.184.任治坤，田勤俭，张军龙.2007.后差分 GPS测量则木河断裂地震微地貌特征.地震，27（3）：97104.Ren Zhikun，Tian Qinjian and Zhang Junlong.2007.Microgeomorphology of Zemuhe fault surveyed by virtue deferentialGPS.Earthquake，27（3）：97104.孙浩越，何宏林，魏占玉等.2015.大凉山断裂带北段东支竹马断裂晚第四纪活动性.地震地质，37（2）：440454.Sun Haoyue，He Honglin，Wei Zhanyu et al.2015.Late Quaternary activity of Zhuma fault on the north segment ofDaliangshan fault zone.Seismology and Geology，37（2）：440454.卫柳艳.2006.GPS网络 RTK系统的算法及定位精度研究（硕士学位论文）.南京：河海大学.178.Wei Liuyan.2006.Algorithm of GPS Network RTK and the Analysis of Positioning Precision（Masters Thesis）.Nanjing：Hohai University.178.魏占玉，何宏林，石峰等.2012.大凉山断裂带南段滑动速率估计.地震地质，34（2）：282293.Wei Zhanyu，He Honglin，Shi Feng et al.2012.Slip rate on the south segment of Daliangshan fault zone.Seismology andGeology，34（2）：282293.吴北平.2003.GPS网络 RTK定位原理与数学模型研究（博士学位论文）.武汉：中国地质大学.198.Wu Beiping.2003.Principle and Mathematical Model Research for GPS Network RTK（PhD Thesis）.Wuhan：ChinaUniversity of Geosciences.198.徐文兵.2009.GPS 连续运行参考站系统（CORS）定位精度的可靠性研究（硕士学位论文）.合肥：合肥工业大学.1118.Xu Wenbing.2009.Research on Positioning Reliability for GPS Continuously Operating Reference Stations System（MastersThesis）.Hefei：Hefei University of Technology.1118.张锋，郝金明，丛佃伟等.2008.基于多参考站网络的 VRS 算法研究与实现.测绘科学技术学报，25（6）：414416.Zhang Feng，Hao Jinming，Cong Dianwei et al.2008.Researching and realization of algorithm of VRS based on network ofnumerous reference stations.Journal of Geomatics Science and Technology，25（6）：414416.张倬元，陈叙伦，刘世青.1982.论名邛砾石层的成因、时代与青衣江改道.四川地质学报，3（2）：101102.114420姜大伟3期姜大伟等：网络 RTK在活动构造变形分析中的应用以川西南大塘断裂为例1145Zhang Zhuoyuan，Chen Xulun and Liu Shiqing.1982.Discussion on the origin and age of Mingqiong gravel layer and thediversion of Qingyi River.Acta Geologica Sichuan，3（2）：101102.Amos C B，Burbank D W，Nobes D C et al.2007.Geomorphic constraints on listric thrust faulting：Implications for activedeformation in the Mackenzie Basin，South Island，New Zealand.Journal of Geophysical Research：Solid Earth，112（B3）：B03S11.DOI：10.1029/2006JB004291.HubertFerrari A，Suppe J，GonzalezMieres R et al.2007.Mechanisms of active folding of the landscape（southern TianShan，China）.Journal of Geophysical Research：Solid Earth，112（B3）：B03S09.DOI：10.1029/2006JB004362.Janssen V.2009.A comparison of the VRS and MAC principles for network RTK./IGNSS Symposium Proceedings 2009.Queensland：International Global Navigation Satellite Systems Society.113.Jiang D W，Zhang S M and Li W.2016.Research on the Quaternary fluvial geomorphological surface sequence of theforeland region in southern Longmen Shan，eastern Tibet.Geomorphology，269：133148.DOI：10.1016/j.geomorph.2016.06.036.Jiang D W，Zhang S M and Ding R.2021.Weathering process of the alluvial fans in western Sichuan Basin，eastern marginof the Tibetan Plateau.Natural Hazards Research，1（2）：3647.DOI：10.1016/j.nhres.2021.05.001.Lav J and Avouac J P.2000.Active folding of fluvial terraces across the Siwaliks Hills，Himalayas of central Nepal.Journal of Geophysical Research：Solid Earth，105（B3）：57355770.DOI：10.1029/1999JB900292.Li T，Chen J，Thompson J A et al.2013.Quantification of threedimensional folding using fluvial terraces：A case studyfrom the Mushi anticline，northern margin of the Chinese Pamir.Journal of Geophysical Research：Solid Earth，118（8）：46284647.DOI：10.1002/jgrb.50316.Li Z G，Jia D，Chen W et al.2014.Late Cenozoic eastwest crustal shortening in southern Longmen Shan，eastern Tibet：Implications for regional stress field changes.Tectonophysics，623：169186.DOI：10.1016/j.tecto.2014.03.033.Li Z G，LiuZeng J，Jia D et al.2016.Quaternary activity of the range front thrust system in the Longmen Shan piedmont，China，revealed by seismic imaging and growth strata.Tectonics，35（12）：28072827.DOI：10.1002/2015TC004093.Li Z G，Zhang P Z，Zheng W J et al.2018.Oblique thrusting and strain partitioning in the Longmen Shan foldandthrustbelt，eastern Tibetan Plateau.Journal of Geophysical Research：Solid Earth，123（5）：44314453.DOI：10.1029/2018JB015529.Retscher G.2002.Accuracy performance of virtual reference station（VRS）networks.Journal of Global Positioning Systems，1（1）：4047.DOI：10.5081/jgps.1.1.40.Rizos C.2002 Network RTK research and implementation：A geodetic perspective.Journal of Global Positioning Systems，1（2）：144150.DOI：10.5081/jgps.1.2.144.SaintCarlier D，Charreau J，Lav J et al.2016.Major temporal variations in shortening rate absorbed along a large activefold of the southeastern Tianshan piedmont（China）.Earth and Planetary Science Letters，434：333348.DOI：10.1016/j.epsl.2015.11.041.Stockmeyer J M，Shaw J H，Brown N D et al.2017.Active thrust sheet deformation over multiple rupture cycles：Aquantitative basis for relating terrace folds to fault slip rates.Geological Society of America Bulletin，129（910）：13371356.DOI：10.1130/B31590.1.Thompson S C，Weldon R J，Rubin C M et al.2002.Late Quaternary slip rates across the central Tien Shan，Kyrgyzstan，central Asia.Journal of Geophysical Research：Solid Earth，107（B9）：2203.DOI：10.1029/2001JB000596.Wang M M，Jia D，Lin A M et al.2013a.Late Holocene activity and historical earthquakes of the Qiongxi thrust faultsystem in the southern Longmen Shan foldandthrust belt，eastern Tibetan Plateau.Tectonophysics，584：102113.DOI：10.1016/j.tecto.2012.08.019.Wang M M，Jia D，Shaw J H et al.2013b.Active faultrelated folding beneath an alluvial terrace in the southern LongmenShan range front，Sichuan Basin，China：Implications for seismic hazard.Bulletin of the Seismological Society ofAmerica，103（4）：23692385.DOI：10.1785/0120120188.Wei E H，Chai H，An Z G et al.2006.VRS virtual observations generation algorithm.Journal of Global PositioningSystems，5（12）：7681.DOI：10.5081/jgps.5.1.76.114520姜大伟地质科学2023年1146Application of network RTK in analysis of active tectonic deformation:Taking the Datang fault as an exampleJiang DaweiZhang ShiminDing Rui（National Institute of Natural Hazards,Ministry of Emergency Management of China,Beijing 100085）AbstractIn terms of active structure research,traditional RTK technology is often used for localsurface landmark measurement.The measurement distance is limited by the topographicinfluence of the signal.The network RTK technology is based on the regional network ofreference stations.Through mobile communication,it can achieve centimeterlevel precisiondynamic measurement on a scale of more than 100 km.It has a broad application space instructural surface analysis.This paper takes the Datang fault across the Longmen Shan area asthe test object,and uses the network RTK technology to measure a surface section with a lengthof 17.7 km.The measurement results show that although it is difficult to identify the localstrong erosion of the Datang fault,the network RTK survey line can reflect the regional folddeformation characteristics.Combined with the quantitative analysis of the deep seismicsection,it is found that the alluvial fan on the surface has overall deformation and archingagainst the slope.Referring to the chronological data,it is calculated that the Quaternarystructural shortening rate across the Datang fault is 0.290.04 mm/yr.The experimentalanalysis results show that the network RTK technology can be used for largescale andhighprecision structural deformation analysis to identify regional structural deformation.KeywordsNetworkRTK,LongmenShan,Datangfault,Tectonicdeformation,Shortening rate1146