岳彩亞，黨亞民，楊 強，韓雪麗1，

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

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中國現(xiàn)今板塊運動對陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站穩(wěn)定性影響

岳彩亞1,2，黨亞民2，楊 強2，韓雪麗1，2

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

中國大陸板塊的整體漂移及其二級板塊之間的相互運動必然會對大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的基準(zhǔn)站穩(wěn)定性造成一定的影響。本文使用最新5年的陸態(tài)網(wǎng)連續(xù)基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)計算出各站點的速度，從而分析二級板塊的運動趨勢；并利用極限誤差橢圓法對陸態(tài)網(wǎng)中各基準(zhǔn)站進(jìn)行逐個分析，判斷其穩(wěn)定性。結(jié)果表明：各板塊間的運動速度存在差異，特別是川滇地區(qū)板塊運動相對活躍；陸態(tài)網(wǎng)中穩(wěn)定性較差的臺站大部分是分布在板塊與板塊的交接處。

二級板塊；陸態(tài)網(wǎng)；基準(zhǔn)站穩(wěn)定性；極限誤差橢圓

地殼是指由巖石組成的固體外殼，即地球固體圈層的最外層。在漫長的地球歷史中，地殼并不是靜止的，而是在不斷的發(fā)生運動，其運動表現(xiàn)形式主要有大陸漂移、板塊運動、火山爆發(fā)、地震等[1-2]。中國大陸處于亞歐板塊的東南邊緣，運動活躍，其中包含了由板塊間和板塊內(nèi)部造成的構(gòu)造運動以及由大氣荷載和海潮荷載造成的非構(gòu)造運動，尤其是位于新疆維吾爾自治區(qū)、四川省、云南省、青海省以及環(huán)渤海地區(qū)的二級板塊運動更為活躍[3]。中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱陸態(tài)網(wǎng)絡(luò))由260個連續(xù)觀測站和2 000個不定期觀測站構(gòu)成，主要用于監(jiān)測中國大陸地殼運動、重力場形態(tài)及變化、大氣圈對流層水汽含量變化及電離層離子濃度的變化以及現(xiàn)代大地測量基準(zhǔn)系統(tǒng)的建立和維持[4]。本文針對中國大陸整體漂移以及二級板塊間相對運動會給陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站造成影響，利用陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站的兩期觀測數(shù)據(jù)(間隔為1 a)采用極限誤差橢圓法進(jìn)行位移顯著性檢驗，并對2010—2014年5年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差，得出基準(zhǔn)站的速度場。

1 陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站穩(wěn)定性檢驗判別原則

1.1 極限誤差橢圓

極限誤差橢圓是一種比較實用的測站逐點分析檢驗方法。原理是通過對兩期觀測得到測站點的位移量進(jìn)行顯著性檢驗，間隔可為10天、1個月、或者一年。判斷位移顯著的標(biāo)準(zhǔn)是取2倍的誤差橢圓與兩期測站點位移值做差，若差值為正，則位移不顯著，點位穩(wěn)定；反之，若差值為負(fù)，則位移顯著，點位不穩(wěn)定，即GPS網(wǎng)不穩(wěn)定[4-5]。

任意方向φ的位差：

Qφφ=Qxxcos2φ+Qyysin2φ+Qxysin2φ,

(1)

(2)

式中:Qxx和Qyy分別為X方向和Y方向坐標(biāo)差的協(xié)因數(shù)，Qxy為坐標(biāo)差互協(xié)因素，σ02為單位權(quán)中誤差，Qψψ和σψ2分別為方向的協(xié)因數(shù)和位差。

位差的極大值和極小值[6]：

(3)

(4)

式中:E和F為位差的極大值和位差的極小值，ψE和ψF為位差極大值和極小值的方向，其他參數(shù)同上。

誤差橢圓方程為

(5)

式中：τ為以極大值E、原點O和極小值F為坐標(biāo)系時，由縱軸E轉(zhuǎn)過的角度。利用點位誤差橢圓可求某點在任意方向的位差，但這種方法只能對一個待定點分析，如果對一個網(wǎng)中的所有點分析時，需要做出每個點的點位誤差橢圓[4]。

1.2 點位中誤差

判斷測站點位移顯著性時，首先要確定點的解算精度是否滿足判斷的要求，在精度許可的情況下進(jìn)行判斷。確定點位在平面上位置時，通常是對該點進(jìn)行觀測，然后取觀測的平均值為點的真位置。這樣處理會消除部分偶然誤差，但是和點的真正位置間仍有些差異，而點位中誤差可以表示兩者差異大小，并可以對所求觀測值進(jìn)行精度評定[7]。

點位中誤差計算式：

(6)

(7)

2 算例分析與討論

2.1 我國二級板塊和速度場

二級板塊是對我國大陸所處的歐亞板塊進(jìn)一步的劃分。張培震，鄧起東等人在劃分的一級板塊的前提下，將我國及其周邊板塊劃分成22個活動地塊[8-9]。中國測繪科學(xué)研究院大地測量與地球動力學(xué)研究所的程鵬飛、成英燕等在此基礎(chǔ)上利用“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”1999—2009年GNSS數(shù)據(jù)獲得中國大陸二級板塊運動趨勢圖。

黨亞民、成英燕等人利用2010—2013年GNSS速度場解算結(jié)果建立了新一代的二級板塊運動模型[10]，與以前的二級板塊相比，大致趨勢相同，局部地方有變化。王閻昭等人對我國川滇地區(qū)板塊進(jìn)行了二級板塊的細(xì)分，郭曉虎等人在此基礎(chǔ)上對該地區(qū)板塊的細(xì)分做了調(diào)整[3,11]。

本文對2010—2014年的陸態(tài)網(wǎng)GPS連續(xù)運行站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行GAMIT基線解算和GLOBK網(wǎng)平差求得陸態(tài)網(wǎng)GPS站在ITRF框架下的速度場(見圖1)。其中根據(jù)實際地質(zhì)構(gòu)造因素，某些二級板塊的具體劃分延伸到了中國周邊，如阿爾泰、中蒙等?？刂普具x用我國境內(nèi)和周邊的15個相對穩(wěn)定的IGS站，二級板塊劃分圖引用于寧一鵬(中國測繪科學(xué)研究院)對2010—2013年GNSS觀測數(shù)據(jù)處理得到的速度值，并通過歐拉方程計算得到。

從所有測站的速度矢量方向分析整個中國大陸板塊的運動趨勢，可明顯發(fā)現(xiàn)該板塊呈現(xiàn)整體的右旋趨勢，其中青藏高原有向東北方向的運動趨勢，而整個新疆省的準(zhǔn)格爾地區(qū)幾乎是向東運動；華北、東北等地的運動趨勢基本一致，均具有往西南方向的運動趨勢。針對于二級板塊來分析，其中祁連、柴達(dá)木、巴彥碦拉三個板塊每年以大約3 cm的速度往東運動，除此之外，以大約7 mm的速度向南方向運動；川滇塊體和滇西南塊體的運動速度都較大，東西方向和南北方向每年的運動量級均在幾個厘米，但二者相比較，東西方向運動差值約為1～2 cm，而南北方向運動差值在1 cm之內(nèi)，并且川滇塊體又受到了穩(wěn)定的華南塊體的阻擋作用，造成該塊體內(nèi)部出現(xiàn)了一系列的構(gòu)造斷裂。這種板塊之間速度的差異以及相互擠壓、拉張的錯動形式導(dǎo)致該地區(qū)淺源地震高發(fā)；其他板塊之間雖然運動速度不同，但是差異非常小，大約為5～10 mm，因此可以斷定這些二級板塊之間的相對穩(wěn)定性較強，表1列出了各個二級板塊的歐拉極經(jīng)度、歐拉極緯度、板塊旋轉(zhuǎn)角速度。

圖1 二級板塊與速度場

板塊Ωx/mmΩy/mmΩz/mm阿爾泰0．003698190．00631559-0．00192016阿拉善-0．00013589-0．001168370．00461742巴顏喀拉-0．007418880．00444183-0．00471648柴達(dá)木-0．00586247-0．002199090．00090439鄂爾多斯0．00078528-0．000931230．00102315華北-0．00064023-0．00034373-0．00180664華南0．00235635-0．00009065-0．00187859拉薩-0．006744700．000948700．00228967魯東黃海-0．003807490．001306140．00495304川滇-0．001711180．000202520．01252943滇西南0．005347670．005423280．00495803南海-0．003637370．00068539-0．00666137羌塘0．00256915-0．00360407-0．02373197祁連0．00014614-0．002064370．00390548塔里木0．00467856-0．00229841-0．00023514天山-0．00396391-0．00796372-0．00023843燕山-0．00038571-0．00098934-0．00099382中朝-0．00074375-0．00119492-0．00341840中蒙0．000793790．000796980．00059158準(zhǔn)格爾0．00268490-0．00160713-0．00121154

2.2 陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站穩(wěn)定性分析

中國大陸所處亞歐板塊的邊緣，其運動顯著，地質(zhì)斷裂構(gòu)造非常顯著[12]，并且各個板塊之間存在相互運動，且運動差異隨著地方不同差異大小也不相同。大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是用于監(jiān)測中國大陸地殼運動、重力場形態(tài)及變化、大氣圈對流層水汽含量變化、電離層離子濃度的變化以及現(xiàn)代大地測量基準(zhǔn)系統(tǒng)的建立。為了能夠更好的發(fā)揮構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的作用，對網(wǎng)中測站點的穩(wěn)定性分析尤為重要。本文分別用2013年1月1—10日、2014年1月1—10日兩期陸態(tài)網(wǎng)觀測值進(jìn)行站點位移顯著性分析。用GAMIT/GLOBK求出前后兩期的單日解，剔除壞的數(shù)據(jù)，后求出一個平均坐標(biāo)。

圖2是剔除陸態(tài)網(wǎng)中解算不符合要求的測站點后，通過極限誤差橢圓(其中k=2)判斷測站點的分布。實心圓點為測站不穩(wěn)定點，三角形點為測站穩(wěn)定點。從點位的分布可知不穩(wěn)定點主要分布在二級板塊的邊界處，其中川滇、滇西南、環(huán)渤海地區(qū)不穩(wěn)定點居多；整個華南地區(qū)測站點穩(wěn)定性較好，除了板塊邊界處一些點不穩(wěn)定，其他的點基本都是穩(wěn)定狀態(tài)；天山和塔里木邊界處的點穩(wěn)定的較多，可說明這兩個二級板塊間的相對運動并不是很明顯。本文用測站穩(wěn)定率來描述測站的穩(wěn)定程度，穩(wěn)定率定義為2倍極限橢圓誤差與測站點位移量之間的差值與測站點位移量的比值。穩(wěn)定率的值為正，極限誤差大于測站位移量，測站穩(wěn)定；相反，其值為負(fù)時，測站位移量大于極限誤差，測站不穩(wěn)定。若比值從正向接近0說明測站雖然穩(wěn)定，但其穩(wěn)定性較低；若比值越接近1說明此點的穩(wěn)定性程度較高。反之，若比值從負(fù)向接近0說明此測站不穩(wěn)定，但其不穩(wěn)定性并不明顯；若比值越接近-1說明此點的不穩(wěn)定性程度較高。

圖2 測站點位穩(wěn)定性分析

對所有測站點的穩(wěn)定率做統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。

表2 測站穩(wěn)定性分析

從表2可以看出：陸態(tài)網(wǎng)測站的穩(wěn)定率大部分在-10%～10%之間，部分站點超過這個范圍(均方差等表示的區(qū)間)，表明部分測站相對穩(wěn)定性或者相對不穩(wěn)定性是顯著的，如測站YNTH，其穩(wěn)定率為12.34%，說明這個測站相對不穩(wěn)定性較為顯著(穩(wěn)定的也要舉例)。二級板塊的邊緣處的測站雖然有的呈現(xiàn)出穩(wěn)定性，但是其穩(wěn)定程度并不高，如測站XJQH和YONG，穩(wěn)定率是從正向接近于0；同樣在板塊內(nèi)部的一些點雖然表現(xiàn)出不穩(wěn)定，但是其穩(wěn)定率是從負(fù)向接近0，說明這個測站不穩(wěn)定性并非顯著，如SDRC和SNXY。這種情況可能是由于板塊內(nèi)部的變形引起局部地區(qū)地殼隆起或者下沉，但這個結(jié)論還有待進(jìn)一步證明。

3 結(jié) 論

通過對2010—2014年5年的陸態(tài)網(wǎng)臺站連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差，從而得到網(wǎng)中測站的速度值；并對兩期觀測值(間隔周期為一年)做測站點位顯著性分析。得到結(jié)論如下：

1)將測站速度場展到中國二級板塊上，結(jié)果表明整個中國大陸的運動趨勢呈現(xiàn)右旋狀態(tài)，對于二級板塊而言，祁連、柴達(dá)木、巴彥碦拉三個板塊每年以約3 cm的速度往東運動，并且以約7 mm的速度向南方向運動；川滇地區(qū)的運動速度向東西方向接近4 cm，南北方向接近2 cm，而滇西南板塊東西方向運動速度約2.5 cm，南北方向約為1.4 cm，羌塘和拉薩板塊運動速度約為2.7 cm，這樣造成川滇板塊和羌塘、拉薩板塊之間出現(xiàn)斷裂，而川滇板塊在不斷地推擠華南板塊和滇西南板塊。尤其在東西方向上的相對運動更加明顯，這種板塊之間大的相對運動可能就是導(dǎo)致該地區(qū)淺源地震高發(fā)的原因；其他板塊之間雖然運動速度不同，但是差異非常小，大約為5～10 mm，可以斷定這些二級板塊之間的相對穩(wěn)定性較強。

2)中國大陸板塊整體漂移和二級板塊之間的相對運動對陸態(tài)網(wǎng)測站穩(wěn)定性造成的影響主要集中在板塊斷裂邊界處。通過極限誤差橢圓法分析得到不穩(wěn)定測站點主要分布在板塊間的交接處，不穩(wěn)定程度一般在10%以下；在板塊邊緣處的一些點雖然被判斷為穩(wěn)定的，但是其穩(wěn)定程度相對內(nèi)部點是比較低的；在板塊內(nèi)部有些點呈現(xiàn)不穩(wěn)定，原因可能是由于板塊在運動過程中出現(xiàn)了局部隆起或者下沉。

3)中國大陸二級板塊之間運動復(fù)雜，對陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站造成的穩(wěn)定性影響不可忽略，為保證基準(zhǔn)站坐標(biāo)精確，需要每年對陸態(tài)網(wǎng)整體平差更新坐標(biāo)，為其他應(yīng)用提供精確的參考資料。

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[責(zé)任編輯：李銘娜]

The influence of China’s current plate movement on reference station stability of the land state network

YUE Caiya1，2，DANG Yamin2，YANG Qiang2，HAN Xueli1，2

(1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100830,China)

The whole drift of the continental plate and mutual movement between the two plates will inevitably affect the stability of the reference station in the tectonic environment monitoring network in China. In this paper, the velocity of each station is calculated by using the latest 5 years’ land data base station observation data, and the movement trend of the two-stage plate is analyzed. The results show that there is a difference between the velocity of the plates, especially the plate movement in the Sichuan&Yunnan region. Most of the stations with poor stability in terrestrial networks are located at the junction between the plates.

two-stage plate; land state network; reference station stability; limit error ellipse

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.03.007

2016-02-24

國家自然科學(xué)基金資助項目(41474011)；國家青年基金資助項目(41404034)

岳彩亞(1990-)，男，碩士研究生.

韓雪麗(1991-)，女，碩士.

P227

A

1006-7949(2017)03-0032-05

引用著錄：岳彩亞，黨亞民，楊強，等.中國現(xiàn)今板塊運動對陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站穩(wěn)定性影響[J].測繪工程，2017，26(3)：32-36.