东日本大地震对IGS观测站位置影响的分析

赵槊，金鑫，邹定杰，李成钢

（1.中海油田服务股份有限公司 物探事业部，天津 300451；2.深圳中海油服深水技术有限公司，广东 深圳 518067）

东日本大地震对IGS观测站位置影响的分析

赵槊1，金鑫1，邹定杰2，李成钢2

（1.中海油田服务股份有限公司 物探事业部，天津 300451；2.深圳中海油服深水技术有限公司，广东 深圳 518067）

为了研究东日本Mw9.0级大地震对IGS观测站位置的影响。采用BERNESE软件OBS-MAX的基线生成方式和最小约束解的网平差基准定义方法，对日本及周边地区在东日本大地震前后各2.5年的23个IGS观测站的观测数据进行了处理，并采用多项式拟合的方法，对IGS观测站在地震前后的位置及运动状况进行了分析。分析结果表明：东日本大地震的影响范围较大，2700km外的wuhn站也有5mm的同震位移，其中位移最大的两个站usud站和mtka站的同震位移分别为233mm和260mm；地震对日本和韩国地区IGS观测站位置的线性变化产生了明显的影响，并且发现线性变化的大小与同震位移的大小成正相关关系。

东日本大地震；IGS；时间序列；同震形变；运动速度

2011年3月11日，日本东北地区太平洋近海发生了里氏9．0级地震，震源位于仙台市以东太平洋海域约130km处，距离海面10km，地震及其所引发的海啸造成了重大的人员伤亡和经济损失。日本位于环太平洋地震带上，是一个地震多发国家，该次地震是由于太平洋板块和北美板块发生碰撞所引起。地震发生后，相关学者对日本境内IGS站的数据进行了处理和分析，结果显示MIZU站产生了向东2m、向南1m的位移。

随着GNSS技术的发展，其在地壳运动监测、气象预报等方面发挥着越来越重要的作用。IGS（International GNSS Service）是由国际大地测量协会（IAG）为了支持大地测量和地球动力学研究组建的国际协作组织。它提供各跟踪站的GNSS观测资料和IGS的各种产品，为大地测量和地球动力学研究服务；广泛支持各国政府和各单位组织的相关活动；研究制定必要的标准和细则。借助IGS观测站的观测数据，可以研究地震对连续运行的GNSS观测站所造成影响，从而减轻其对相关科研和生产活动的影响。目前国际上主要采用的高精度GNSS数据处理软件主要有瑞士伯尔尼大学的BERNESE软件、美国麻省理工学院的GAMIT软件和美国喷气动力实验室的GIPSY软件。IGS观测站分布较为稀疏，站间距离较远并且距离的长度相差较大，因此通过综合考虑，选取BERNESE软件作为数据处理软件。

1 IGS观测站的选取及数据解算方法

选取了日本、俄罗斯、韩国和中国的23个IGS观测站，其分布如图1所示。

图1 东日本大地震周边部分IGS观测站点位分布图

在BERNESE软件中可以采用多种方法生成独立基线和定义基准。对于长基线且基线长度相差较大的情况下采用OBS-MAX独立基线比采用SHOREST独立基线生成的坐标的精度要高。研究大地震对IGS观测站位置的影响，需要对地壳形变和板块内运动进行分析，因此在基准定义方法方面采用较为松弛的坐标约束条件，由此可以减少由基准点坐标误差所引起的GNSS网的变形，从而获得较高的相对定位精度。因此采用OBS-MAX的方法生成基线，在网平差基准定义方法上采用最小约束解的方法。

采用BERNESE软件对选取的IGS观测站在地震前后各两年半的观测数据进行解算，得到IGS观测站的GNSS单日原始坐标时间序列产品。

2 数据处理及分析

解算得到的GNSS坐标时间序列产品存在着粗差，并且由于IGS观测站数据存在缺失，从而造成时间序列存在着中断。因此需要对解算得到的GNSS坐标时间序列产品进行数据预处理，对平面精度大于4mm、竖直精度大于20mm的观测数据进行剔除，对于缺失的数据采用三次样条插值函数进行补全。

2.1 同震形变

由于存在着弹性形变，因此同震形变是利用地震发生前后各7天的数据，分别计算出地震发生前后的坐标，通过地震发生前的坐标减去地震发生后的坐标而获得。下面选取了7个具有一定代表性的IGS观测站在N、E、U3个方向上的同震形变，见表1。

表1 东日本大地震IGS观测站同震形变

这次地震中，距离震中较近的usud、mtka站的同震位移最大，达到200mm以上，但距离震中只有140km的p205站的同震位移却只有5mm。位于韩国的2个IGS跟踪站的同震形变也比较大，达到了20mm以上。位于中国的IGS站点也有较明显的同震形变，例如距离震中2700km的wuhn站也有约5mm的同震形变，且距离震中越近，同震形变也就越大。

2.2 IGS观测站运动速度的变化

IGS基准站点位的时间序列变化主要分为线性变化、周期变化和突然变化。根据SOPAC给出的IGS基准站运动模型，采用正弦、余弦函数描述测站的年周期、半年周期变化，将测站沿N、E、U方向的运动按下式建模：

式中，表示日坐标解历元，以年为单位的时间。在这里我们以每日的单日解构成时间序列。待求的系数为测站平均位置，b为线性速率，c、d和e、f分别为年周期和半年周期项的系数，表示由于各种原因引起的阶跃式的坐标突变，表示跳变个数，表示发生跳变的历元，为海维西特阶梯函数（Heaviside step function），在时刻之前的值为0，在此时刻之后的值为1，为观测噪声。

从上述的拟合方法对IGS观测站在地震前后各2．5年的坐标时间序列进行拟合分析，由于篇幅原因只列出了部分IGS观测站时间序列的拟合结果，见表2。

在线性运动方面，同震形变最大的usud站和mtka站在地震前后各个坐标分量上变化也是最大的，日本地区的其他IGS观测站坐标线性速度虽然都有一定的变化但变化，相对较小；韩国地区的IGS观测站坐标在E方向，也就是震源方向上有较大的变化；而位于中国地区的IGS观测站由于距离震中较远，虽然地震发生时有轻微震感，但并未影响到IGS观测站的线性运动。

在周期运动方面，由于周期运动主要受温度、固体潮、海潮等因素的影响，而受地壳移动的影响很小，因而除了usud站和mtka站外，其他的IGS观测站在地震前后的周期运动上变化不大。

3 结语

基于日本及周边地区的23个IGS观测站在地震前后各2．5年的观测数据，对东日本大地震对IGS观测站的位置影响做了分析，获得以下结论。

（1）东日本大地震对IGS观测站位置的影响较大，即使2700km外的wuhn站，也有5mm的同震位移，其中usud站和mtka站的同震位移最大，分别为233mm和260mm，但距离震中仅140km的p205站仅有5mm的同震位移，其余IGS观测站的同震位移大致随着震中距的增加而减少。

（2）东日本大地震对日本和韩国地区的IGS观测站线性运动有较为明显的影响，且对线性运动变化的大小与同震位移的大小成正相关关系。对于周期运动除去同震位移最大的2个IGS观测站外，其他的IGS观测站不受东日本大地震的影响。

[1]王敏，李强，王凡等．全球定位系统测定的2011年日本宫城Mw9．0级地震远场同震位移[J]．科学通报，2011,56(20):1593-1596．

[2]顾国华．GNSS(GPS)观测研究地壳运动的新进展[J]．国际地震动态，2007(7)：9-14．

P288；P315.7

A

1671-0711（2017）10（下）-0162-02