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陆态网络监测地壳运动

发布时间:2020-06-30 17:33:06 阅读: 来源:无机防火堵料厂家

中国大陆构造环境监测网络站点分布图

上海VLBI监测站25米天线

新闻背景

近日发生的智利7.2级地震和墨西哥7.8级地震,再次吸引了人们对地震问题的关注。

由中国地震局等六部门联合承担的“中国大陆构造环境监测网络”(简称陆态网络),不久前通过国家验收。验收委员会认为,从设计理念、观测规模和精度水平看,该网络与美国PBO和日本GEONET一同成为世界上性能指标最先进的三大地壳运动观测网络。

2260个观测点为大地做“体检”

如同给人做心电图,要在手臂、脚踝等处夹上夹子采集数据一样。科学家们在全国选择2260个观测站点,通过全球卫星导航定位系统(GNSS)等高科技手段,以连续观测与非连续观测相结合的方式,监测地壳的微小运动,为大地不断做“体检”。

“中国大陆构造环境监测网络”是国家在“十一五”期间投资5.24亿元建设的国家重大科技基础设施,自2007年12月开工建设,经过4年的努力,按计划全面完成建设任务,日前顺利通过验收并正式投入运行。

陆态网络是一个以监测地壳运动服务于地震预测预报为主,兼顾军事测绘保障、地球科学研究、大地测量应用和灾害天气预报的国家级地球科学与信息技术综合网络系统。它以全球卫星导航定位系统为主,辅之以多种高新空间对地观测技术,对中国大陆及其邻区岩石圈的地壳运动和重力场变化、水圈的海平面变化、大气圈的对流层水汽含量变化、及近地空间圈的电离层平均电子密度变化等进行实时与非实时相结合的综合监测,为研究现今地壳构造运动及其动力学机制、灾害性天气的形成机理和某些空间环境的演变提供基础资料。

陆态网络最主体部分由260个GNSS连续观测站和2000个GNSS非连续观测站构成。这些站点不仅全面覆盖中国大陆,而且在一系列主要活动构造区、活动断裂带、地震重点危险区等进行了针对性的加密布设,并在我国南海的永暑礁、永兴岛和周边的老挝、缅甸进行了布设。

GNSS是以美国的GPS为代表的新一代全世界、全天候、全时段导航与授时系统。除主导当今的全球导航与授时外,GNSS最大的成就是为大地测量提供了高精度、大范围、全天候、低成本的革命性技术手段,使我们能够以数毫米量级的精度,定量而直接地监测从全球板块运动到局部断裂活动的各种规模尺度的地壳运动和构造形变。

“相对定位”使观测精度高达数毫米量级

当我们为“5·12”汶川地震的山崩地裂和“3·11”日本地震的滔天海啸所震撼时,应该知道地壳运动是地震的始作俑者。地震是地壳运动到达一定阶段的特殊表现形式。地壳运动产生能量的积累,当能量增加到一定程度时,地壳某个脆弱部位发生突然错动则形成地震。对地壳运动的方式、量值和变化过程进行高时空分辨率的监测,是提高地震预测能力的必由之路。

我国大规模地壳形变监测起始于1966年邢台地震之后。在上世纪90年代之前,地壳形变观测手段主要包括精密水准测量,激光测距、三角测量等。由于这些观测手段本身的局限性,尽管在全国范围内取得了大量的观测资料,但这些资料在空间上缺乏相互关联。国际上的情形也是如此。

GNSS为何能够以数毫米量级的精度观测地壳运动?其通俗原理如下:当我们在某一点进行GNSS导航时,能够立刻以数米的精度实时获得其位置坐标。这里的精度仅数米,主要受制于卫星信号误差、卫星轨道误差、卫星和接收机的时钟误差等影响。如果我们在两点同时进行导航,由于它们所受到的多数误差影响是共同或彼此相关的,就会发现,尽管两站各自的绝对位置仍有数米的不确定性,但彼此的相对位置或基线距离,其精度将会有大幅度提高。基于这样的“相对定位”策略,再加之采用专业的设备、长时间的观测和复杂的数据处理,则可使数百乃至上千公里的距离测量精度达到数毫米量级。

除地壳运动的高精度几何变化监测外,陆态网络还布设有31个连续重力观测站和700个非连续重力观测站。对中国大陆岩石圈深部物质密度变化和物质运移进行连续与非连续相结合的观测。我们知道,地震的孕育过程,伴随着地壳深部能量的积累和物质的运移,这都会在一定程度上导致物质密度或重力场的变化。因此,陆态网络通过重力场变化的监测,为地震预测提供另一种判定依据。

“反向推算”可估水汽含量和电子密度

基于陆态网络260个连续GNSS站的观测资料,还可对中国大陆大气圈水汽含量和近地空间电离层电子密度进行实时分析。其通俗原理如下:GNSS卫星距地面约2万公里,在测站到卫星的观测距离中,包含着卫星信号路径上电离层和平流层的误差影响。关于这些误差影响,已有相应的理论改正模型。在高精度的GNSS大地测量中,必须将这些误差影响进行改正和剔除。但是,如果GNSS观测网各站点的精确坐标在经过一段时间的观测后已经获知,则我们就可以反过来在原来的数据处理中,将站点坐标当作已知,而将误差改正模型中的电子密度参数和水汽含量参数等看作未知进行解算,从而获得这些参数的估值及其变化。

水汽是大气中最活跃多变的气体成分之一,对大气可降水量及其动态分布进行高精度的实时监测,是预测暴雨等灾害性天气的重要依据。电离层变化是判定太阳活动水平的重要指标,而实时获取电离层电子密度变化图,在GNSS导航定位、无线电通讯、空间天气研究和航空航天领域均有重要的应用价值。

高精度空间对地观测曾应用于探月工程

在陆态网络中,除2260个GNSS观测站和731个重力观测站外,还辅助有3个VLBI观测站(上海、昆明和乌鲁木齐)和6个SLR观测站(北京、上海、武汉、长春、昆明和西安)。

VLBI和SLR均为上世纪70年代后期开始进入实用并不断完善的高精度空间对地观测手段。在VLBI观测中,相距数千公里的两套无线电望远镜,可以同步观测来自银河系以外距地球达亿万光年之遥的类星体所发出的无线电噪声信号。当我们将两站记录到的信号进行交叉相关处理,则可确定同一信号到达两站的时间差,进而确定出距离差。通过对不同时间、不同信号源的大量观测,就可以解算出两个观测站之间的基线长度以及地球的有关旋转参数。目前对于长度达数千公里的基线距离,VLBI的观测精度达亚厘米级。

在SLR观测中,地面站发射的激光脉冲被SLR卫星的反射棱镜反回,我们通过对比激光脉冲发射与返回的时间差,可以确定观测瞬间卫星到观测站的距离。当多个SLR观测站在不同的地方重复观测SLR卫星,可以解算出卫星轨道参数、观测站的坐标和其它一系列地球旋转参数。目前SLR所确定的站点坐标精度达亚厘米。

VLBI和SLR虽能够以很高的精度测定观测站之间的距离或坐标,但因其设备庞大、昂贵,所以不适宜大规模组网。目前全球仅有几十站,主要服务于全球高精度地心参考框架的建立,及卫星精确定轨等。在陆态网络中,3套VLBI和6套SLR不仅承担着上述任务,还在我国的探月工程中发挥了重要作用。

(作者为中国地震局地质研究所研究员)

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