何福秀，劉 江，楊 洋，張 瀾

(四川省地震局，四川 成都 610041)

長期以來，四川GNSS觀測網絡為該區(qū)域中、短臨地震監(jiān)測預報工作提供了支持。隨著科學技術的發(fā)展和GNSS臺站密度的不斷增加，未來GNSS觀測手段對該區(qū)域孕震環(huán)境及臨震風險評估以及做好震害防御工作仍將發(fā)揮作用。然而，受觀測環(huán)境、觀測質量和背景地殼(表)運動等潛在影響，GNSS連續(xù)觀測時間序列會呈現出不同程度的擾動，如何從綜合觀測中排除潛在的擾動源，并最終提取出因地殼運動引起的變化信息是GNSS進行地殼運動監(jiān)測、地震預測預報的關鍵(Savage et al.，2001；江在森等，2003； Matsu’ura et al., 1986；馮蔚，2016)。在長寧地震之前，工作組第一時間發(fā)現并落實了距離其西南側約42 km處的筠連(JUNL)測站異常，并正式提交了異常核實報告。通過梳理這次成功的異常核實經驗，為后續(xù)地震監(jiān)測預報工作提供震例總結。

1 四川GNSS連續(xù)觀測網絡概況

由四川省地震局籌資建設的四川GNSS觀測網絡是中國最早實現標準化位置服務的連續(xù)運行參考站網絡之一。該網絡始建于2002年，目前，該網絡共包含自建、承建、共享等連續(xù)運行參考站109個，流動觀測站點154個，科研合作觀測站點55個。其中，就連續(xù)運行參考站點而言，四川省地震局自建站點36個，承建中國大陸環(huán)境構造網絡站點25個，共享四川省測繪局連續(xù)站點50個，共享中國地震局監(jiān)測司站點4個。全網覆蓋范圍約48萬平方千米，平均間距約70 km，是目前國內覆蓋面積最大的集毫米級靜態(tài)定位、厘米/分米級實時動態(tài)定位等多種位置服務功能于一體的綜合型GPS網絡觀測系統(tǒng)之一。

2 異常調查與分析

2.1 GNSS坐標時序分析

本文基于GAMIT/GLOBK軟件獲取GNSS測站在歐亞框架下的坐標時間序列，并去除了共模誤差、年周期項及水平方向的線性運動趨勢(速度)，呈現測站自身序列的變化特征。

圖1a為JUNL站2017年1月1日至2019年8月11日坐標時間序列。將近兩年的坐標時間序列結果放在同一圖中進行疊加對比，更能直觀形象的看出單站坐標時間序列運動趨勢的改變。作為對比分析，圖1b為理想情況下的GNSS時間序列特性(ANYU站)，即，最新數據結果與背景運動趨勢吻合良好，無顯著趨勢變化。2019年6月17日長寧發(fā)生MS6.0級地震。由圖1a可知，在震前約60天(2019年4月5日，虛線框)，筠連(JUNL)GNSS連續(xù)觀測站(距離震中西南方向約42 km)坐標時間序列東方向開始出現顯著異常轉折。該站坐標時間序列到5月中旬變化量值約10 mm，然后又逐漸回轉。異?；剞D期間，發(fā)生了長寧MS6.0地震，隨后，JUNL坐標時間序列逐漸回歸到正常波動水平。

圖1 JUNL站(a)、ANYU站(b)2017年1月1日至2019年8月11日坐標時間序列

2.2 數據質量檢測

筠連(JUNL)GNSS基準站位于四川省筠連縣筠連鎮(zhèn)，建站時間為2008年11月，站址設在石灰?guī)r層上，處在筠連背斜軸部，附近無大的斷裂分布，屬構造相對穩(wěn)定區(qū)域。針對時間序列表現出的異常，對該站數據質量做內業(yè)檢測，包括多路徑效應分析和異常前后天空殘差視圖對比分析。

(1)多路徑效應分析。多路徑誤差是由于衛(wèi)星信號在傳播過程中，遇到反射物后經過反射的信號與直射信號產生干涉，天線接收到干涉后的組合信號，從而使觀測值與真值產生偏差(Counselman，1998；宋樂，2015)。多路徑效應誤差是與測站所處環(huán)境相關的誤差，在不同環(huán)境下多路徑效應誤差的大小有所不同(楊哲等，2010)，由于其復雜性和特殊性，難以在數據解算過程中進行消除，但考慮到站點周邊觀測環(huán)境的相對穩(wěn)定，可以通過殘差分析多路徑效應的影響變化。圖2為JUNL站2019年多路徑效應誤差變化圖，MP1、MP2在0.3上下波動，整體小于0.40，且從變化趨勢上看也沒有明顯的擾動，說明JUNL站數據質量合格，無多路徑效應影響，可排除樹木、建筑遮擋等環(huán)境干擾影響(趙傳華等，2013)。作為對比，圖3展示了基于TEQC軟件計算四川寧南(SCNN)站原始GNSS觀測數據中兩個波段(L1、L2)的單天多路徑值(MP1、MP2)總體變化情況?？梢?，該站點2018年前三個季度多路徑效應比冬季強烈，在夏末秋初出現明顯增強(圖3第150天至第271天之間)，嚴重影響了數據解算質量，使得該站坐標時序出現了同步異常擾動(見圖4)。從現場異常核實(見圖5)結果看，該站點樹木遮擋嚴重，屋頂有積水，進行清理后，多路徑效應明顯下降(見圖3，第271天后)，同時坐標時序的異常變化也得到恢復。

(2)天空殘差分析。天空殘差視圖反映了因降雨、多路徑效應、衛(wèi)星軌道等引起的綜合觀測誤差影響。圖6為JUNL站2019年第139天全天接收到的衛(wèi)星運行軌道情況及其軌道殘差，每隔4 h輸出一次。該圖直觀的表達了JUNL站2019年第139天綜合觀測殘差大小及分布情況，通過對比GNSS異常信號產生前后，這種綜合環(huán)境影響是否發(fā)生顯著變化，可以排除觀測環(huán)境干擾影響。

圖8為隨機選取的異常發(fā)生前(見圖7a、7b)、異常期間(見圖7c、7d)共4天的天空殘差視圖對比，筠連站2019年第79、80、139、140天天空殘差RMS分別為6.4 mm、6.5 mm、6.5 mm、6.1 mm，可見，異常發(fā)生前后這種綜合環(huán)境影響的變化并不顯著。

圖5 SCNN站2018年觀測環(huán)境圖(a為2018年3月巡檢圖片；b為2018年9月28日異常核實圖片；c為2018年9月29日進行樹木砍伐和積水處理后圖片)

圖4 SCNN站2017年1月1日至2019年8月11日坐標時間序列

圖6 JUNL站2019年第139天天空殘差視圖

圖7 JUNL站2019年第79天(a)、80天(b)、139天(c)、140天(d)天空殘差視圖

2.3 現場異常核實

一旦發(fā)現時間序列異常變化，除了根據上述分析方法做數據質量檢測外，還需赴測站現場，檢測儀器工作狀態(tài)、調查環(huán)境干擾情況，排查如樹木遮擋、建筑物遮擋、降雨、人類活動等異常，為判斷異常擾動源和最終獲取“干凈的”地殼形變信息提供保障。根據中國地震局監(jiān)測司《形變學科觀測資料異常變化現場核實工作報告編寫要求(修訂)》，異常核實流程包括：①儀器工作狀態(tài)檢查：檢查GPS接收機、天線、連接電纜、高頻饋線防雷器、儀器供電系統(tǒng)、網絡設備、人員操作、日志記錄等情況。②環(huán)境干擾情況調查：調查GPS觀測墩異常情況；調查在異常變化前后周邊有無大型的施工作業(yè)，如工程施工、礦產開采、爆破、磁暴及空間天氣變化等，以及河道水位、水庫庫容量、地下水開采引起的地面沉降漏斗等變化情況；調查附近有無較強電磁干擾；調查觀測點各方向視線高度角15°以上有無高大建筑物或樹木等阻擋物；調查常見多路徑效應的影響因素。③氣象因素調查：收集異常測點或附近氣象信息，如溫度、氣壓、降水量等；收集異常測點或附近一定范圍內的地下水位資料、旱澇情況。

圖8 JUNL站觀測室內圖

筠連GNSS站點接收及天線設備分別為Trimble NetR9和GNSS-Ti Choke Ring R8，近兩年未進行設備更換。自建站以來，站點運行穩(wěn)定，為排除環(huán)境、人為等因素干擾，臺站工作人員于2019年5月23日前往該站做異常核實。硬件方面，通過對GPS接收機、天線、連接電纜、高頻饋線防雷器、儀器供電系統(tǒng)、網絡設備、人員操作、日志記錄等進行排查，表明近期JUNL站所有設備運行正常(見圖8)。環(huán)境方面，從現場考察結果看，GNSS觀測墩無異常情況，觀測點環(huán)視高度角15°以上無高大建筑物和樹木遮擋(見圖9)。天氣方面，異常變化前后，沒有明顯的氣候變化。通過詢問地震臺工作人員，在近兩個月，附近施工的場地有：①距觀測墩直線距離約70 m山腳下的水池邊有一次鉆孔(圖10a)；②水池旁邊修建了一個垃圾房(圖10b)；③距離觀測墩直線距離約1 km的路面上，有下水道施工(圖10c)。由于JUNL站建站以來，附近修建過幾次房屋，并未對數據產生過影響，所以水池鉆孔和垃圾房的修建基本不會對數據造成影響；據當地人員介紹，該路段斷斷續(xù)續(xù)已修建幾年，2019年開始動工的時間為5月18日，與異常轉折開始時間相差較大，且在數據異常期間，路面上沒有頻繁施工，因此可以排除路段施工影響。

圖9 GNSS天線遠視圖

圖10 距離觀測墩約70 m的山腳下一水池鉆孔(a)、新修垃圾房(b)、 距GNSS觀測墩直線距離約1 km的在建路面(c)

2.4 地震活動分析

圖11為JUNL站附近50 km范圍2019年1月1日至2019年6月15日0級以上地震分布圖，可見筠連站東北側約30 km處有一個震群，長寧MS6.0地震震中位置距筠連站約42 km，位于震群震區(qū)內。圖12為該震群2019年1月1日至2019年6月15日的M-T圖和頻度圖(月頻度)，其中，M-T圖體現了地震震級和時間的關系，而頻度圖直觀展示每月發(fā)震頻率。該震群2019年1～5月發(fā)震月頻度最高達272次，最低125次，可見該區(qū)域地殼運動比較活躍。因此，結合GNSS觀測資料分析，工作組認為JUNL站東方向運動趨勢發(fā)生的異常轉折與該區(qū)域小震頻發(fā)現象應高度重視，并做出了該GNSS站點時間序列異常與區(qū)域地質構造活動有關的判斷，提交了異常核實報告。

圖11 2019年1月1日至2019年6月15日筠連站附近50 km地震分布

圖12 2019年1月1日至2019年6月15日長寧區(qū)域地震M-T圖和頻度圖

3 結論與討論

2019年6月17日長寧發(fā)生MS6.0地震，在震前約60天，筠連GNSS測站(震中西南方約42 km處)坐標時間序列東方向開始發(fā)生異常變化，最大量值達到10 mm。從多路徑效應分析、天空殘差分析等內業(yè)質量檢測結果排除數據質量問題，通過現場異常核實排除了設備故障和外部環(huán)境干擾因素，同時鑒于緊挨筠連臺站的長寧珙縣震群地震活動活躍，因此，綜合判定該站異常與地質構造運動或區(qū)域應力活動有關，為本次地震的預測預報工作提供了科學依據。