GNSS垂向分量用于地殼動態(tài)形變的研究

薄萬舉

（中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180）

GNSS（GPS）對地觀測技術(shù)在我國發(fā)展迅速，“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”和“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”等重大工程項目均將GNSS作為主要技術(shù)觀測手段之一。目前GNSS用于地殼水平運動的監(jiān)測比較成熟，精度高、應(yīng)用廣，產(chǎn)出了一大批基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究成果。目前全國1000多個GPS區(qū)域站自1999年以來已經(jīng)獲得了多期復(fù)測資料，可產(chǎn)生多期全國范圍地殼運動的動態(tài)圖像，其中含有大量已知和未知的信息，有待于不斷地開發(fā)和利用。其中，GNSS點位垂向變化的數(shù)據(jù)被公認(rèn)為含有大量信息，但由于觀測誤差比水平分量大，點位垂向變化頻譜成分豐富，在實用中受到一定的限制，應(yīng)用成果相對較少。本文重點研究如何提取和利用這樣高噪聲背景數(shù)據(jù)中的有用信息，對全國多期GNSS區(qū)域站垂向復(fù)測資料進(jìn)行了處理和分析，得到多幅全國GNSS區(qū)域站垂直位移數(shù)據(jù)，確定適合的區(qū)域均衡基準(zhǔn)，給出多幅全國GNSS區(qū)域站垂直位移分布圖，發(fā)現(xiàn)其升降分布格局往往與大地構(gòu)造格局和大地震孕育發(fā)生的區(qū)域密切相關(guān)。通過深入思考和研究，認(rèn)為不是偶然巧合，從機(jī)理上存在內(nèi)在的聯(lián)系，可以得到較好的解釋。較好的規(guī)避了弱信息、大誤差、多成分等應(yīng)用GNSS垂向分量研究地殼垂直形變動態(tài)帶來的矛盾，在一定程度上解除了我們的困惑，也為我們在不得已時，充分挖掘利用高噪聲數(shù)據(jù)中，某些有用頻譜信息提供了支持和參考。

文中用于垂直形變研究的區(qū)域均衡基準(zhǔn)，是一個相對基準(zhǔn)。也叫區(qū)域通量均衡基準(zhǔn)。即假定該區(qū)域范圍內(nèi)地殼總介質(zhì)數(shù)量的變化可以忽略不計，周邊邊界物質(zhì)雖然有進(jìn)有出，但假設(shè)進(jìn)入部分約等于流出部分。這種假設(shè)與真實情況會有一定的差異，但對分析區(qū)域內(nèi)的垂直形變的空間分布和相對變化影響不大。在這種假設(shè)下，則必然有：兩期觀測之間若區(qū)域內(nèi)無垂直形變，則兩期觀測數(shù)據(jù)描述的區(qū)域地殼表面相重合；反之，通過第二期觀測數(shù)據(jù)一定能計算上升的點，上升量乘以所代表的面積，是高出原表面的介質(zhì)體積，同理可計算出因點位下降造成原表面以下虧空的體積。在總介質(zhì)不變的條件下，高出原表面的體積必須等于因下降造成虧空的體積，將這一條件方程與無速率起算基準(zhǔn)的秩虧網(wǎng)速率平差方程組聯(lián)立求解，即可得到區(qū)域均衡基準(zhǔn)的垂直形變速率場。在實際計算中還要做若干簡化，一般不會影響垂直形變分析的結(jié)果和結(jié)論。本文的研究是一個大膽的、不得已而為之的但確有一定效果的嘗試。關(guān)于精度問題，嚴(yán)格解算誤差遠(yuǎn)大于信息量，但氣象、電離層、衛(wèi)星軌道波動、衛(wèi)星與觀測點間的空間幾何結(jié)構(gòu)、固體潮變化等等因素雖然對GNSS垂向分量影響十分顯著，但對地面相鄰較近的點來說，其影響具有較強(qiáng)的共模性質(zhì)。換句話說，雖然每個點垂直分量的統(tǒng)計誤差較大，但相鄰點所帶的誤差中有相當(dāng)大的一部分是一樣的，這就可能大大減小這類誤差對相鄰點間相對變形分析的影響。