夏 峰，張 銳，馮勝濤，周 偉

（1.中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180；2.中國地殼運(yùn)動監(jiān)測工程研究中心，北京 100036）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，應(yīng)用GNSS進(jìn)行地形變觀測研究也在不斷進(jìn)步，大量觀測墩的興建也是必然，然而，哪種類型的觀測墩穩(wěn)定可靠或者能滿足地形變分析精度需要無從得知。為驗(yàn)證不同類型觀測墩的穩(wěn)定性，中國地殼運(yùn)動監(jiān)測工程研究中心在吉林長春選設(shè)了3 個試驗(yàn)點(diǎn)（編號為RWZ1、RWZ2、JLDX），獲得了2年多的觀測數(shù)據(jù)，其中RWZ1 為二層樓樓頂標(biāo)、RWZ2 為土層標(biāo)、JLDX 為四層樓樓頂標(biāo)；另結(jié)合試驗(yàn)點(diǎn)附近的2 個長期觀測的基巖點(diǎn)（編號為CHUN 和CHAN），共計5個試驗(yàn)點(diǎn)。由于試驗(yàn)點(diǎn)RWZ1、RWZ2、CHUN和CHAN 之間距離不到80 m，距離稍遠(yuǎn)的JLDX點(diǎn)與其它4個點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離也不到1.2km，因此，可認(rèn)為各試驗(yàn)點(diǎn)下臥地殼穩(wěn)定性環(huán)境基本一致，能基本消除各點(diǎn)之間共模誤差影響，對試驗(yàn)點(diǎn)噪聲影響主要來自于不同類型墩點(diǎn)自身穩(wěn)定性的影響。

白噪聲和閃爍噪聲被認(rèn)為是GPS觀測中固有的噪聲［1－2］，所以比較不同類型觀測墩穩(wěn)定性宜從這2方面入手。如何從時間序列中分離出白噪聲和閃爍噪聲，不同的觀察角度會有所不同，目前我們尚沒有辦法恰如其分的構(gòu)造出一個模型將白噪聲和閃爍噪聲完全分離。盡管如此，因認(rèn)知和研究的需要人們還是根據(jù)噪聲與孕震信息的一些特點(diǎn)嘗試著進(jìn)行分離。楊國華［3］對基巖時間序列噪聲分類特征做了詳細(xì)研究，指出中、高頻噪聲幅值變化與季節(jié)相關(guān)。楊博［4－6］等對基巖基準(zhǔn)站水平向及垂向時間序列共模噪聲識別與估計進(jìn)行研究，探討了共模誤差的識別與消減處理問題，定量地研究了不同種類特征特性及大小。本文將在此基礎(chǔ)上對其它類型觀測墩做進(jìn)一步研究，分析比較不同類型觀測墩在同等觀測條件下的幅值變化情況，為正確地判斷地殼板塊運(yùn)動信息，研究地震構(gòu)造信息及建站選址等提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)場地概況

1.1 地震地質(zhì)背景

吉林長春地區(qū)海拔一般在220～406m，極端溫度為－34.9℃～38.0℃。長春市地處山區(qū)與平原的結(jié)合部，在地質(zhì)構(gòu)造上位于長白山—張廣才嶺隆起和松遼坳陷盆地2 個Ⅱ級構(gòu)造單元交界處盆地一側(cè)，屬盆地東南隆起帶的邊緣。城區(qū)局部構(gòu)造環(huán)境由城區(qū)東北部興隆山凸起和西南部西新凹陷組成，二者分界面表現(xiàn)為重磁梯度帶，過城區(qū)中部呈北西向延展。松遼盆地在其周邊斷裂控制下成為中國現(xiàn)今六大活動盆地之一，其東緣斷裂為隱伏斷裂帶，過長春市城區(qū)，沿盆地邊緣呈北北東向展布，成為郯廬斷裂帶北段主干斷裂之一，并控制了長春市西南側(cè)晚第三紀(jì)—第四紀(jì)范家屯—大屯—大南火山活動，以及第四紀(jì)沉積和現(xiàn)今地震活動。

該地區(qū)的主要地震帶為郯廬斷裂帶吉林省段，由北東向斷裂與北西向斷裂相互交切形成發(fā)震構(gòu)造，成為中強(qiáng)地震活動帶。長春及附近地區(qū)發(fā)生過1937年6月沿伊舒地塹的吉林北5.0級地震、1960年4月沿松遼盆地東緣斷裂的長春榆樹5.8 級地震、1966年10月的長春范家屯5.2級地震，后者距城區(qū)僅16km。長春市地震基本烈度為Ⅶ度，南段潛在震源區(qū)震級上限為6.0級，北段為6.5級。

1.2 觀測墩建設(shè)

本次實(shí)驗(yàn)新設(shè)3 個實(shí)驗(yàn)站，分別為二層樓標(biāo)（RWZ1）、四層樓標(biāo)（JLDX）和土層點(diǎn)（RWZ2），結(jié)合近旁的陸態(tài)網(wǎng)長春基巖站點(diǎn)（CHUN）和中國科學(xué)院國家天文臺長春人造衛(wèi)星觀測站（CHAN），共5個試驗(yàn)站。

根據(jù)以上原則選擇4種類型的宿體建立觀測墩，即基巖、土層、二層樓、四層樓?；鶐r觀測站選擇陸態(tài)網(wǎng)長春站（CHUN），土層、二層樓觀測墩是原有的，新建四層樓觀測墩。觀測站分布在半徑2km 范圍內(nèi)。觀測時間持續(xù)2a左右，觀測站信息見表1。

表1 GNSS觀測點(diǎn)基本信息

長春站（CHUN）是“中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)”的25個基準(zhǔn)站之一，位于中國科學(xué)院長春人造衛(wèi)星觀測站內(nèi)，屬于長白山脈西側(cè)的低山丘陵區(qū)，也是長白山山脈向松遼平原過渡的地帶，基巖基本是花崗巖，附近地區(qū)地震活動平靜。

中國科學(xué)院國家天文臺長春人造衛(wèi)星觀測站（CHAN），位于長春市凈月潭公園，為室外基巖點(diǎn)站。

土層站（RWZ2）在長春人造衛(wèi)星觀測站院內(nèi)，按照GNSS測量規(guī)范土層觀測墩標(biāo)準(zhǔn)建造，已經(jīng)建成10年以上。

二層樓觀測墩（RWZ1），樓體為長春人造衛(wèi)星觀測站院內(nèi)1個2層樓，框架結(jié)構(gòu)，觀測墩隨樓體同時建造，1998年9月建成。

新建四層樓觀測墩（JLDX），選擇附近吉林大學(xué)四層實(shí)驗(yàn)樓，為磚混圈梁結(jié)構(gòu)，1990年6月建成。在樓頂承重墻頂端，開鑿圈梁深度大于10cm，觀測墩鋼筋結(jié)構(gòu)和圈梁內(nèi)鋼筋焊接，水泥澆筑高出樓頂40cm。

所有觀測點(diǎn)高度角15度以上無遮擋物。

2 觀測數(shù)據(jù)分析

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)解算及初步處理

將2009年12月1日至2011年11月22日之間各站點(diǎn)的觀測資料與同時段網(wǎng)絡(luò)工程28個連續(xù)站及中國大陸周邊IGS 測站數(shù)據(jù)一起使用GAMIT／GLOBK 軟件進(jìn)行解算，計算中適當(dāng)緊約束IGS 站及網(wǎng)絡(luò)工程基準(zhǔn)站坐標(biāo)（其中包括CHAN、CHUN 站），對 于 其 余3 個 站 點(diǎn)（RWZ1、RWZ2、JLDX）坐標(biāo)給予較松馳的約束，完成GAMIT 計算之后，利用GLOBK 將SOPAC給出的全球單日松弛解和計算所得的單日松弛解進(jìn)行綜合平差計算，在此基礎(chǔ)上通過IGS核心站求解相對于全球參考框架ITRF2005的相似變換7參數(shù)，從而獲得ITRF2005下的單日解。

各觀測墩數(shù)據(jù)缺失情況統(tǒng)計表明，最大連續(xù)缺失天數(shù)為12d，用線性插值補(bǔ)全數(shù)據(jù)缺失基本能滿足精度要求［7］。線性差值補(bǔ)全數(shù)據(jù)并用三倍中誤差去異后再線性插值補(bǔ)全，最后剔出線性趨勢部分，得到各觀測點(diǎn)N、E和U 向殘差時間序列。

2.2 初步處理結(jié)果小波分析

小波變換方法是一種信號的時間－頻率分析方法［8］，它具有多分辨率分析的特點(diǎn)，在時、頻兩域都具有表征信號特性的能力，且時間窗的大小可與頻率窗變化相適應(yīng)。若從頻域的角度來觀察噪聲，那么不同種類的噪聲所對應(yīng)的頻率域也不同，所以可借助于小波方法在某種程度上將不同特性的噪聲進(jìn)行分離與估計［9］?？紤]到sym8小波為近似對稱正交緊支撐小波，且光滑性好，通過試算認(rèn)為進(jìn)行8尺度分解基本能反映不同種類噪聲基本特性，在這里采用sym8小波對資料進(jìn)行分解（圖1），尺度從d1～d8信號頻率逐級降低，其中d1～d3為以白噪聲為主的高頻部分，d4～d6為以閃爍噪聲為主的中頻部分，d7和d8為主要包含非構(gòu)造形變成分及隨機(jī)游走噪聲等部分，a8 所反映的是信號的趨勢性部分。

圖1 CHUN 基準(zhǔn)站的連續(xù)觀測序列線性擬合殘差的sym8小波8尺度分解系列

由于白噪聲和閃爍噪聲被認(rèn)為是GPS觀測中所固有的噪聲，依據(jù)圖1系列噪聲的頻段特性，將小波分析的細(xì)節(jié)部分作了簡單的合成（圖2），將d1～d3合并為一類，表示為D高，其以白噪聲為主要成分；將d4～d6合并為一類，表示為D中，具有閃爍噪聲的特性；本文不研究主要包含非構(gòu)造形變成分、隨機(jī)游走噪聲等成分（d7和d8）及構(gòu)造形變成分（a8）。圖2包絡(luò)線（紅色）按殘差的2.5倍計算得到。

圖2 不同類型站點(diǎn)高頻、中頻段組合及幅值擬合圖

表2 各測站N、E和U組合高頻段和中頻段噪聲變化幅值擬合結(jié)果

由圖2及表2統(tǒng)計情況可知：（1）不同類型觀測墩D高和D中部分均呈現(xiàn)一定的周期變化，其噪聲幅值大小與觀測季節(jié)明顯相關(guān)，每年的6—7月份達(dá)最大值，1—2月份達(dá)最小值；（2）不同類型觀測墩D高部分均占主要地位，N 和E 向較小，為3mm 左右，U 向則達(dá)到9mm 左右，不同類型觀測墩N 和E向差別不大，其變化幅值差別不到1mm，U 向變化最大差值2.1 mm；D中相比D高幅值有所減小，但不同類型觀測墩差別不大。

3 結(jié)論

試驗(yàn)選用基巖、土層、建筑樓頂做宿體，建立4種類型宿體的GNSS 觀測墩，這些站分布在2km范圍內(nèi)，通過對不同類型觀測站時間序列在ITRF2005下單日解的白噪聲和閃爍噪聲的分離及其變化幅值的擬合分析，定量地獲得了不同類型觀測墩的不同種類噪聲幅值。比較不同類型觀測墩不同種類噪聲幅值大小及變化規(guī)律，在ITRF2005下按單日解采樣并考慮觀測誤差及數(shù)據(jù)處理誤差水平的情況下，可認(rèn)為基巖、土層和樓頂標(biāo)（兩層、四層樓）穩(wěn)定性對白噪聲及閃爍噪聲幅值影響不大，在進(jìn)行臨震異常分析或震后形變異常監(jiān)測時上述不同類型觀測墩觀測數(shù)據(jù)均基本能滿足要求。

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