GPS技術(shù)在監(jiān)測(cè)地震與地殼運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用

地球動(dòng)力學(xué)是從地球的整體運(yùn)動(dòng)出發(fā)，由地球內(nèi)部和表層的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)來(lái)探討其動(dòng)力演化過(guò)程，進(jìn)而尋求其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。其基本問(wèn)題是研究地球的變形及其變形機(jī)理。

板塊構(gòu)造概念帶動(dòng)了地學(xué)的一次重大革命，板間構(gòu)造和板塊運(yùn)動(dòng)理論能否成立或被人接受，均需得到全球板塊運(yùn)動(dòng)的最新直接測(cè)量結(jié)果的支持。此外，板塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制、板內(nèi)和板緣運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性的精細(xì)描述等方面，有待更多測(cè)量結(jié)果去完善。

中國(guó)大陸東部受西太平洋洋型板塊俯沖、削減的影響，造成了一系列與弧后擴(kuò)張有關(guān)的陸緣海伸展和斷陷盆地；西部和西南受印度板塊與青藏塊體陸殼碰撞后的構(gòu)造效應(yīng)，形成不同地質(zhì)構(gòu)造時(shí)期的推覆構(gòu)造帶?，F(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)則以青藏高原的快速隆起和沿巨型活動(dòng)帶的走滑或逆走滑的強(qiáng)烈變動(dòng)為特征。據(jù)有限的觀測(cè)，其水平運(yùn)動(dòng)速率每年高達(dá)l～4cm，垂直運(yùn)動(dòng)速率每年達(dá)1cm.這說(shuō)明同時(shí)存在當(dāng)代板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)兩種最具代表性的邊界，即陸-陸殼相碰撞型和洋猜嬌歉┏逍捅囈紓既具有主要的全球構(gòu)造意義，又具有獨(dú)特的演化特征。這里的現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)類型多樣，性質(zhì)復(fù)雜，地貌清晰，是全球動(dòng)力學(xué)研究中具有重要特殊地位的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。

因此，不論從地球動(dòng)力學(xué)、板塊運(yùn)動(dòng)還是青藏高原隆起，運(yùn)用高精度、高時(shí)空分辨率、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定量的觀測(cè)技術(shù)，建立符合實(shí)際的地球動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的全國(guó)統(tǒng)一的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，勢(shì)在必行。

對(duì)于地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)而言，這種緊迫性尤為顯著，因?yàn)槲覈?guó)地震臺(tái)網(wǎng)，尤其是地震前兆網(wǎng)，存在著嚴(yán)重的三個(gè)主要缺陷：

第一，自1988～1999年，我國(guó)大陸共發(fā)生6級(jí)以上地震53次，其中7級(jí)以上地震9次，若以東經(jīng)105為界，西部地區(qū)發(fā)生8次，東部地區(qū)為1次，為8∶1.可是，在東經(jīng)105°以西，由于人煙稀少，交通不便，臺(tái)網(wǎng)布局極為稀少。一個(gè)釋放地震能量90％以上的地區(qū)，臺(tái)網(wǎng)過(guò)稀，無(wú)疑浪費(fèi)了寶貴的地震信息的天然資源，大大延遲了人類的實(shí)踐，從而延緩了提高地震預(yù)報(bào)水平的進(jìn)程。

第二，全國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)都是以“點(diǎn)測(cè)”形式進(jìn)行相對(duì)變化量的日常觀測(cè)，各臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)都是相對(duì)獨(dú)立的，臺(tái)站之間數(shù)據(jù)沒(méi)有相互關(guān)系。一旦出現(xiàn)異常時(shí)，由于是點(diǎn)結(jié)構(gòu)觀測(cè)，沒(méi)有面上的聯(lián)系，則難以判斷其真?zhèn)巍?/p>

第三，地震活動(dòng)是區(qū)域性和全球性的，而前兆觀測(cè)是獨(dú)立的，不相關(guān)的，則難以研究其與全球地震活動(dòng)的關(guān)系。

對(duì)于能加密西部觀測(cè)，具有全球框架意義，又有“面結(jié)構(gòu)”聯(lián)系的高精度的觀測(cè)系統(tǒng)，只有運(yùn)用空間測(cè)量技術(shù)（甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量—VLBI、人衛(wèi)測(cè)距—SLR、全球定位系統(tǒng)—GPS、衛(wèi)星遙感—RS、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量—INSAR）。特別是GPS技術(shù)，近10年來(lái)，發(fā)展尤快，觀測(cè)精度幾乎提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)，為監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)提供了有效的觀測(cè)方法。

一、GPS衛(wèi)星定位

全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem——GPS）是美國(guó)國(guó)防部主要為滿足軍事部門對(duì)海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位的要求而建立的。1978年發(fā)射了第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星（BlockⅠ），1989年2月開(kāi)始發(fā)射第一顆工作衛(wèi)星（BlockⅡ），至1994年底全部24顆衛(wèi)星已經(jīng)升空，由于衛(wèi)星壽命約5年，目前運(yùn)行的衛(wèi)星有27顆，大部分是后來(lái)發(fā)射的。

1.GPS的特點(diǎn)

由于GPS衛(wèi)星數(shù)目較多，分布合理，在地球任何地點(diǎn)均可連續(xù)同步觀測(cè)到至少4顆衛(wèi)星，在我國(guó)最多可同時(shí)觀測(cè)到13顆衛(wèi)星（按現(xiàn)運(yùn)行的27顆講）。從而保障了全球、全天候連續(xù)地三維定位。

實(shí)時(shí)確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維位置和速度，既可保障運(yùn)動(dòng)載體沿預(yù)定航線的運(yùn)行，也可監(jiān)視和修正航行路線，以及選擇最佳航線。

定位精度高。目前在大于1000km的基線上，相對(duì)定位精度可達(dá)10-9；100km可達(dá)10-8.觀測(cè)站之間無(wú)需通視，又可使觀測(cè)時(shí)間縮短。

實(shí)時(shí)定位這一導(dǎo)航技術(shù)是現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，使GPS的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，成為20世紀(jì)最大科技成就之一。

2.GPS定位基本原理

絕對(duì)定位方法：絕對(duì)定位也稱單點(diǎn)定位，是指相對(duì)于地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的直接確定觀測(cè)站的坐標(biāo)。其原理是以GPS衛(wèi)星到用戶接收機(jī)天線之間距離的觀測(cè)量為基礎(chǔ)，并根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)，來(lái)確定用戶接收機(jī)天線所對(duì)應(yīng)點(diǎn)位坐標(biāo)。

由于實(shí)際觀測(cè)點(diǎn)至衛(wèi)星間的距離，因測(cè)量瞬時(shí)衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘難以保持嚴(yán)格的同步，這種含有鐘差影響的距離，稱為“偽距”。其中衛(wèi)星鐘差可以應(yīng)用導(dǎo)航電文中給出的鐘差參數(shù)加以改正，而接收機(jī)鐘差無(wú)法事先知道，故需把它作為一個(gè)未知數(shù)與觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)在數(shù)據(jù)處理中一并求解，因此一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上要實(shí)時(shí)求解4個(gè)未知數(shù)，也就是必須至少同時(shí)觀測(cè)4顆衛(wèi)星。

相對(duì)定位方法是用兩臺(tái)GPS接收機(jī)分別安置在基線的兩端，并同步觀測(cè)相同的GPS衛(wèi)星，以確定基線在地球坐標(biāo)中的相對(duì)位置或基線向量。因?yàn)樵趦蓚€(gè)或多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)同步觀測(cè)相同的衛(wèi)星，可有效地消除或減弱衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差等的影響。目前我國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)就是采用這種靜態(tài)相對(duì)定位的方法，其精度可達(dá)10-8～10-9。

二、GPS技術(shù)在監(jiān)測(cè)地震與地殼運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用

GPS技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛。近年來(lái)，GPS在測(cè)定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)從提高觀測(cè)精度轉(zhuǎn)向提高時(shí)間分辨率，它與VLBI或SLR相比，有著不可估量的作用。GPS在地球參考系的建立有著時(shí)空加密和提高分辨率的作用，GPS全球資料得到的全球尺度上相對(duì)于地球參考框架的三維地心坐標(biāo)精度已達(dá)到厘米級(jí)。利用GPS定位研究海平面變化而測(cè)定的大地高的精度也可達(dá)到厘米級(jí)的精度。

GPS接收器安置在飛行器（飛機(jī)、飛船、衛(wèi)星等）上可確定三維位置和飛行姿態(tài)。尤其是多種陸海空交通運(yùn)輸工具的GPS自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)和管理調(diào)度系統(tǒng)，低軌通訊衛(wèi)星的發(fā)射，建立的衛(wèi)星全球?qū)Ш?、定位、通信三位一體系統(tǒng)，將整個(gè)世界縮成為一個(gè)嶄新的電子地球村。除了傳統(tǒng)測(cè)量與軍事應(yīng)用外，GPS氣象學(xué)、GPS用于海洋資源開(kāi)發(fā)、熱帶原始森林、捕魚(yú)、放牧、旅游、探險(xiǎn)以及各種防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)等。

高精度GPS技術(shù)已成為世界主要國(guó)家和地區(qū)用來(lái)監(jiān)測(cè)火山地震、構(gòu)造地震、全球板塊運(yùn)動(dòng)，尤其是板塊邊界地區(qū)的重要手段。

全球有200個(gè)GPS基準(zhǔn)站，計(jì)劃在板塊邊界和全球已知構(gòu)造活動(dòng)區(qū)約25個(gè)區(qū)域加密GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全球地殼運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。此外，連同各國(guó)的區(qū)域網(wǎng)，主要研究?jī)?nèi)容：

研究全球板塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；監(jiān)測(cè)板塊邊緣及內(nèi)部的構(gòu)造變形；確定不同尺度構(gòu)造塊體運(yùn)動(dòng)方式規(guī)模和運(yùn)動(dòng)速率。

確定區(qū)域位移場(chǎng)、速率場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。

近年來(lái)，隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，加之各國(guó)相繼受強(qiáng)烈地震的襲擊，國(guó)際上興起了利用GPS研究地震預(yù)測(cè)、大陸構(gòu)造變形和地球動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的高潮。開(kāi)展此項(xiàng)研究的觀測(cè)網(wǎng)主要有：

1.美國(guó)南加州GPS觀測(cè)網(wǎng)（SCIGN）

SCIGN由約250個(gè)GPS站組成，在區(qū)域上每30km一個(gè)站，其中在主要活動(dòng)斷層上設(shè)置兩條密集型測(cè)線，沿兩條測(cè)線每3km一個(gè)站。預(yù)期監(jiān)測(cè)精度lmm／a.對(duì)形變場(chǎng)的這種測(cè)量實(shí)質(zhì)上將是對(duì)南加州應(yīng)變積累的一種“快鏡拍攝”，通過(guò)拍攝將為最精確的應(yīng)變場(chǎng)提供空間上的高分辨率。其目的在于勾繪出測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)變圖、監(jiān)測(cè)隱伏逆斷層及其幾何性質(zhì)和活動(dòng)性質(zhì)、應(yīng)變積累中彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變的比例等等。

SCIGN正在建設(shè)中，目前已完成約150站的任務(wù)。

2.日本的密集GPS觀測(cè)臺(tái)陣

日本Shimada等人在1989年7月13日前，用GPS成功監(jiān)測(cè)到一次火山爆發(fā)的地殼變形在水平方向有13.6cm，垂直方向有5cm的變化。

1995年阪神地震后，提出建立以30km的密度全面覆蓋國(guó)土的GPS觀測(cè)網(wǎng)，擬建約1000個(gè)站，目前已建成約650個(gè)站，以強(qiáng)化對(duì)日本列島的地殼運(yùn)動(dòng)和變形監(jiān)測(cè)。目的在于監(jiān)測(cè)太平洋板塊和菲律賓海板塊的消減運(yùn)動(dòng)造成的日本列島的應(yīng)變場(chǎng)、監(jiān)測(cè)板塊運(yùn)動(dòng)伴有地殼應(yīng)變積累的地震活動(dòng)和火山爆發(fā)、GPS與驗(yàn)潮站聯(lián)測(cè)研究海平面變化以及研究大氣層變化。

一次發(fā)生在距GPS站約200km近海7.5級(jí)地震，記錄到同震位移量高達(dá)70mm，主震后的震后位移量達(dá)20mm.多次記錄表明，震后位移的總量約是同震位移的40％。

3.我國(guó)GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)概況

我國(guó)應(yīng)用GPS研究地殼運(yùn)動(dòng)始于80年代中期，在90年代初期，“現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)和地球動(dòng)力學(xué)研究”攀登計(jì)劃課題的實(shí)施，在全國(guó)布設(shè)了22個(gè)不定期復(fù)測(cè)的GPS站。后復(fù)測(cè)了7條邊，其結(jié)果首次給出了認(rèn)為影響中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)的主要力源來(lái)自印度板塊向北推擠歐亞大陸的看法的直接定量證據(jù)，推擠量為3.4×10-8／a.同時(shí)表明中國(guó)西南地區(qū)金沙江紅河斷裂和南北帶南段一系列南北走向斷裂所夾的菱形塊體確有甚為顯著的向南稍偏西的滑動(dòng)，其中向南滑動(dòng)1.8cm／a，向西滑動(dòng)約1.0cm／a.

滇西地區(qū)的GPS結(jié)果，監(jiān)測(cè)到劍川怖黿斷裂和紅河斷裂帶的明顯活動(dòng)，并根據(jù)活動(dòng)斷層變形的反演計(jì)算，在1993年預(yù)測(cè)在該斷裂帶上將發(fā)生一次6.8～7.0級(jí)的地震，而1996年的麗江發(fā)生了7.0級(jí)地震與預(yù)測(cè)震中位置相差僅30km，證實(shí)了GPS的有效性。

華北首都圈GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)共有97個(gè)站，結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)幾個(gè)主要的北北東向構(gòu)造單元之間沒(méi)有明顯的差異運(yùn)動(dòng)，而鄂爾多斯東緣與其東側(cè)的晉、冀、魯塊體的強(qiáng)烈拉張最為明顯。

地礦部與美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)合作在我國(guó)西南地區(qū)進(jìn)行GPS觀測(cè)，其資料表明，鮮水河-小江斷裂以西的藏東-滇中地區(qū)的運(yùn)動(dòng)速率總體為8mm／a以上，在該斷裂以東地區(qū)的運(yùn)動(dòng)速率為3mm／a.這對(duì)兩個(gè)順時(shí)針渦旋的認(rèn)定，以及為青藏高原東部流變構(gòu)造模型提供了證據(jù)。

4.中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（CMONOC）

雖然我國(guó)在GPS研究地殼運(yùn)動(dòng)方面取得了一些進(jìn)展，但與先進(jìn)國(guó)家相比，差距十分明顯。主要是用于地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的GPS連續(xù)觀測(cè)站數(shù)量太少，定期復(fù)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)數(shù)也嚴(yán)重不足，空間分布太稀，復(fù)測(cè)次數(shù)過(guò)少，無(wú)法取得一定時(shí)空分辨率的全國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)圖像和參數(shù)，更談不上為地震預(yù)報(bào)所需的實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)了。一方面是網(wǎng)點(diǎn)較少，復(fù)測(cè)無(wú)期，另一方面不同部門為各自目的重復(fù)布點(diǎn)，數(shù)據(jù)不能實(shí)現(xiàn)共享，我國(guó)迄今沒(méi)有類似西歐、美、日等區(qū)域性的GPS工作機(jī)構(gòu)或數(shù)據(jù)處理中心，這些與我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、廣闊國(guó)土資源的地位是極不相稱的。

1997年國(guó)家正式啟動(dòng)了國(guó)家重大科學(xué)工程——中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（CMONOC）。它是以GPS為主，輔之已有的VLBI和SLR等空間技術(shù)，結(jié)合精密重力和精密水準(zhǔn)構(gòu)成的大范圍、高精度、高時(shí)空分辨率的地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

CMONOC是一個(gè)綜合性、多用途、連續(xù)觀測(cè)、數(shù)據(jù)共享、全國(guó)統(tǒng)一的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，從根本上改善地球表層固、液、氣三個(gè)圈層的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方式和功能。由中國(guó)地震局牽頭，總參測(cè)繪局、中國(guó)科學(xué)院和國(guó)家測(cè)繪局共同建設(shè)。

CMONOC以地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)為主，兼顧大地測(cè)量和國(guó)防建設(shè)的需要，可服務(wù)于廣域差分GPS、氣象、電離層等領(lǐng)域。

CMONOC工程由基準(zhǔn)網(wǎng)、基本網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸與分析處理系統(tǒng)四大部分組成。

基準(zhǔn)網(wǎng)由25個(gè)連續(xù)觀測(cè)站組成，建立統(tǒng)一的、高精度的空間坐標(biāo)參考框架，并與國(guó)際地球坐標(biāo)參考框架（ITRF）相聯(lián)結(jié)。監(jiān)測(cè)與周邊國(guó)家和我國(guó)大陸塊體之間的地殼運(yùn)動(dòng)。25個(gè)站中有5個(gè)站輔以SLR和3個(gè)站輔以VLBI.

各站同時(shí)進(jìn)行絕對(duì)重力、相對(duì)重力和水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。

基本網(wǎng)由56個(gè)定期復(fù)測(cè)站組成，監(jiān)測(cè)大陸塊體內(nèi)部及其邊界的運(yùn)動(dòng)。各站同時(shí)進(jìn)行相對(duì)重力和水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。

區(qū)域網(wǎng)由1000個(gè)不定期復(fù)測(cè)站組成，監(jiān)測(cè)斷裂帶之間的運(yùn)動(dòng)。

數(shù)據(jù)傳輸與分析處理系統(tǒng)包括一個(gè)數(shù)據(jù)中心和三個(gè)數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)。

目前工程的四大部分已基本建成，并開(kāi)始試運(yùn)行。

工程最終產(chǎn)出除上述四大部分實(shí)體內(nèi)容外，還有：

中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)圖及其相應(yīng)數(shù)據(jù)。

提供我國(guó)GPS精密星歷。

CMONOC中的基準(zhǔn)網(wǎng)經(jīng)約一年的試運(yùn)行，繪制的我國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)位移圖，說(shuō)明西部的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度優(yōu)于東部，大陸整體運(yùn)動(dòng)呈右旋轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)劇烈部位在云南與西藏交界處。由于時(shí)間間隔較短，而且空間尺度過(guò)大，則難以判斷具體地段。因此很有必要在這類區(qū)域內(nèi)加密連續(xù)觀測(cè)站的工作。

CMONOC的建立為我國(guó)地震監(jiān)測(cè)和地殼運(yùn)動(dòng)研究提供了良好的前景，隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越顯示其卓越的功能。