斗七星全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)與大地變形

1、斗七星:全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)與大地變形超越 斗七星:全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)與大地變形 胡植慶 國 臺灣大學地質科學系 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System,簡稱GPS)日 , 僅健登山者 用掌上型GPS定位器尋找方向,加裝GPS定位器的汽 也可以在 市叢 中自動導航,甚至當 子被竊時,也可以經(jīng)由GPS幫助而尋回.在2003對伊 克的戰(zhàn)爭中,美國所發(fā)射的巡弋飛彈就是 用GPS導航,而 準的命中目標.因此,目前世界各大強國莫 全 發(fā)展衛(wèi)星定位科技, 戰(zhàn)時期蘇 的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GLONASS與GPS互別瞄頭,近 歐洲太空總署發(fā)展的伽 BR 系統(tǒng)(Galil

2、eo),中國大 發(fā)展的 斗衛(wèi)星計劃 (并入歐洲的伽 計劃),也想分食這塊大餅.GPS除 在民生國防上的用途之外,在地球科學的應用上,亦有非常大的空間,尤其是近 對地殼變形的監(jiān)測, 有著 可取代的地位.傳統(tǒng)的三角或三邊測 儀雖然仍保有著非常高的 確 ,但是由於儀器本身的極限,測 距 最遠 超過10公 ,加上地形的影響,已無法滿足大地測 長基線的需求.GPS可測得測站三維座標和 測點之間的基線長 變化,經(jīng)誤差修正后可達毫米級的 確 ,已逐漸取代傳統(tǒng)的大地測 ,成為研究地殼變形的新 器. 臺灣最早的GPS測網(wǎng)是由中央研究院地球科學研究所在1990 所建 的臺灣全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)觀測網(wǎng),隨后經(jīng)濟部中央地

3、質調所,臺灣大學地質科學系,中央大學地球科學系以及成功大學衛(wèi)星資訊中心等學術單亦開始建 臺灣區(qū)域性的GPS觀測網(wǎng),經(jīng)過十多 多次的重復觀測,現(xiàn)在已能大致了解臺灣現(xiàn)今地殼變形和能 積的情形;另外為 能進一步了解臺灣和菲 賓 宋地區(qū)板塊邊界之變形,中央研究院於1995 11月與菲 賓火山及地震研究所在 宋地區(qū)設 GPS觀測點.但由於臺灣的斷層密布,而大多 的觀測網(wǎng)點間距為 十公 之遠,故難以獲知個別斷層的活動情形,因此中央地質調查所在2002 開始為期五 的全臺灣的地殼觀測計劃,就是希望能 用密集的GPS測 ,并結合高 密的水準測 ,以期待能估算現(xiàn)在的斷層 移 ,并與地質觀測的較長時間平均 移 作

4、比較, 評估個別斷層的地震潛勢.為能即時掌握臺灣地區(qū)地殼變形的資訊,目前的發(fā)展為建 密集的全球定位系統(tǒng) 續(xù)觀測網(wǎng),每個固定站可全 續(xù)接收衛(wèi)星資訊,即時掌握地殼的 續(xù)變化,將 有助 於地震潛勢的評估.我們期待能獲得震前,同震及震后地殼變化的情形,使我們對地震的震源機制,地殼應變能 的 積及釋放有 多的了解. GPS的緣起及發(fā)展 GPS最初由美國國防部為軍事定時及定位導航而發(fā)展,可以有效提供全球三維空間位置并決定運動的速 及方向,該系統(tǒng)自70 代初開始研發(fā),於1978發(fā)射第一顆測時暨測距導航衛(wèi)星(Navstar),從此啟動全球定位系統(tǒng), 經(jīng)十余之發(fā)展,於1994 初步設置完成,并維持正常運作.在1

5、993 第24顆GPS衛(wèi)星進入太空軌道運 后,GPS已達初步操作能 .GPS衛(wèi)星運 於20200公高的軌道上,共有 個軌道面,另有三顆備用衛(wèi)星在軌道上運 ,以隨時替補發(fā)生故障的衛(wèi)星 (圖一).GPS衛(wèi)星每11小時58分繞地球一周,無 在地球上的任何時間與角 ,只要 被遮蔽物掩蓋, 可以至少接收到四顆以上的衛(wèi)星,并且 受天侯的影響.GPS的訊號,包括二個L波段之載波,(L1及L2),其頻分別為:L1 = 1575.42 MHz(波長19 cm),L1 = 1227.60 MHz(波長24 cm),此二種訊號為一10.23 MHz之基本L波段頻 分別乘上154及120后所組成.此二種訊號為同步產生

6、,故使用者可同時接收訊號,以進 電 層延遲 之 定,并可對大氣折射效應施以適當之修正,同時在載波上有測距電碼及其他訊息.假設GPS接收器測出所在位置與三顆衛(wèi)星的距 ,則接收器一定位於三個測距球面的交會處.根據(jù)幾何學原 ,三個球面的交會處最多只有 個點,最靠近地球的一點即為接收器所在位置(圖二).GPS的基本觀測原 是 用太空中已知軌道的衛(wèi)星位置到地面測站之間的距 .衛(wèi)星所傳送之訊號 間斷的由時間同步之接收儀加以記 ,也就是 測站至衛(wèi)星間的距 可以由訊號傳送之時間乘上電波之速 決定之.GPS衛(wèi)星傳送的訊息有 種,第一種為導航訊息,包含衛(wèi)星軌道資訊及送出 據(jù)的時間,GPS地面控制站 用己知 考點的

7、GPS追蹤站網(wǎng) ,計算出衛(wèi)星的時間與空間座標,再將此訊息傳回GPS衛(wèi)星,然后衛(wèi)星將此訊息再加入導航訊息中,隨后傳送至所有的使用者.GPS衛(wèi)星傳送的第二種訊息為所謂的虛擬隨機雜電碼(Pseudo-Random Noise Code, PRN碼),此種測距碼為含有獨特模式的 位脈沖,可協(xié)助接收器測 進入訊號的抵達時間,也是 確定位的關鍵.衛(wèi)星接收器存有各衛(wèi)星獨特的PRN碼序 的副本,可藉此比對而估算衛(wèi)星測距訊號的抵達時間延遲多久,接著接收器再把延遲時間乘上光速,即可算出所在位置與衛(wèi)星之間的距 (圖二).當有足夠的衛(wèi)星資訊被接收儀同時接收時,則測站之三維位置(經(jīng) ,緯 ,高 )即可求得.然而由於接收

8、儀與衛(wèi)星之時間并無法保證完全同步,因此時表之誤差必須加以考 ,以獲得較高之定位 ,每顆衛(wèi)星上并裝有高 的銣原子鐘及銫原子鐘,準確 可達10億分之1秒,以提供 密的時間標準.對每一個位置的點而言,皆包含點之三維地心座標及接收儀之時表誤差等四個未知 ,因此要得到三維的定位資訊就必須至少有四個衛(wèi)星的觀測資 進 計算(圖三). (圖一) GPS衛(wèi)星及其 個軌道面分布圖,此種軌道考 在於讓地球表面上各測點均可同時接收四顆以上的GPS衛(wèi)星而達到 確定位之目的. (圖二) GPS藉由測 地表上特定的位置與至少四顆衛(wèi)星的距 ,再 用三邊測 方法可以算出此地表位置的座標. (圖三) 每顆GPS衛(wèi)星 帶有 確的原

9、子鐘,但GPS接收器卻只有石英鐘.因計時之誤差,最初三個測距值無法 確交會在一起( 線),GPS接收器必須取得第四顆衛(wèi)星的測 值,此 據(jù)可以決定一校正因子,可使最初三個測距值的端點交會在一起(紅線). 如何分析及搜集GPS資 目前臺灣監(jiān)測地殼變動的GPS測站接收方式,主要有 續(xù)接收站和地殼變動監(jiān)測站二種, 續(xù)站每天24小時 間斷觀測(圖五),通常為每30秒一筆記 .新的 續(xù)追蹤站則存在 種接收資 模式, 如可同時接收30秒及1秒一筆衛(wèi)星資 .另外地殼變動監(jiān)測站的觀測方法是每 選定一段間進 觀測,每個測站每天的觀測時間約為6至14小時.通常在一個測區(qū)同一天會同時進 多個測站的同時觀測,亦即每個測

10、站會在同一時間接收衛(wèi)星訊號,且每站觀測時間相同.通常每個測站 會重覆進 2-4次以上的觀測,因此野外作業(yè)時間會隨著測區(qū)大小與測站 目而變,有時需要3-5周,才可以將全臺灣的測點 施測完畢.目前GPS的觀測及資 處 采取一定的措施,包括使用水汽 射計測定氣象 ,采用 密星 ,研究 化衛(wèi)星軌道及電 層與對 層模型,以 提高GPS的高程與進一步提高基線的 .目前臺灣GPS觀測網(wǎng)之基線長 ( 測站之距 )大 在2 200公 之間,其水平誤差 (包含東西及南 分 ) 約為0.5公分,高程誤差約為水平誤差的3-5倍.一般而言,誤差的大小與測站基線的長短及接收衛(wèi)星訊號時間有關,在透空 好的情況下,基線愈短及

11、接收時間愈長,其誤差愈小. (圖四)臺灣大學地質科學系與成功大學地球科學系於臺東縣池上鄉(xiāng) 方富南國小所設 之GPS 續(xù)觀測站.(A) GPS觀測站之外觀,接收天線位於白色天線罩內.(B) 儀器箱內含雙頻GPS接收器,地震儀,備用電池.接收之衛(wèi)星訊號經(jīng)由ADSL傳回臺大地質科學系,進 資 解算. 板塊運動移動多快 板塊內部是否為剛性變形 板塊構造學 自1960 代開始發(fā)展以 ,地質學家們 對於板槐移動的速與方向有著非常大的興趣.早期對板塊運動的描述主要是依靠中洋脊的擴張,古地磁磁條的 常,轉型斷層的方向,洋底巖石的 齡,火山島鏈及熱點的分布和地震斷層的 動等,得知 板塊歐 極(Euler Pol

12、e)的位置和旋轉速 .根據(jù)歐幾何學原 ,對一球面上的任意曲線,可選擇一條通過球心的軸,經(jīng)過一次旋轉 可以將它變換到球面的任意位置與任意方向上.在地球上這意味著一個表面剛性的塊體,可以繞著一條唯一確定的軸,旋轉一定角 后而到一個新的位置上,這條通過球心的軸稱為該塊體的轉動軸,或歐 軸.歐 軸與地面的交點為轉動極,亦稱歐 極.各板塊的歐 極的經(jīng)緯 以及該塊體繞極轉動的角速 唯一地確定 該塊體的運動,因此 用尤 極可以計算二個剛性板塊間的相對移動速 .但以上的方法, 必須要有相當豐富的野外調查及儀器分析資 ,資 的取得有時會受到相當大的限制.近三十 由於太空測地學之進步,經(jīng)由GPS與超長基線干涉法(

13、Very Long Baseline Interferometry, 簡稱VLBI)的發(fā)展, 能夠 確地觀測板塊運動之速 ,VLBI是在相隔很遠的2處的電波望遠鏡(天線)同時接收從 星體等天體發(fā)射出的電波,通過測定當時接收信號時差即延遲時間, 密測定 續(xù) 天線間的長 變化的技術.圖五為 用GPS觀測位於板塊邊界及板塊內相對於全球地心 考框架(ITRF2000)之移動速 ,即地面站相對於地球質 中心之移動速 .由圖可知板塊相對地心坐標系統(tǒng)移動的尺 ,最大約為每 10公分左右,圖上結果顯示板塊為剛性的假 大致成 ,然而板塊邊緣或大 地殼造山帶的變形則為非剛性變形,可由測站間速 的改變而得知, 如印

14、 大 碰撞到歐亞大 ,在碰撞的邊界造成的山脈及高原,同時鄰近板塊邊界的GPS測站也顯示出較大的速 梯 的變化.另一個板塊邊界變形帶的著名范 ,則是位於菲 賓海板塊及歐亞板塊的臺灣島及菲 賓.中央研究院地球科學研究所於19963月,1997 5月及1998 2月在菲 賓的GPS觀測顯示(圖 ),對這一寬達400公 的GPS測線的重復觀測,可提供許多有關菲 賓斷層 移 的資訊,并估算臺灣- 宋地區(qū)的地殼運動速 的變化. (圖五) 用GPS求得全球板塊相對於全球地心座標之移動速 及方向. 臺灣地殼變形的GPS速 場圖像 臺灣位於歐亞板塊與菲 賓海板塊的接合處,二者以每 8.2公分的速 互相靠近,使得

15、臺灣發(fā)生顯著的縮短變形作用(圖七).以大時間尺 看,這二個板塊的聚合速 非常快,使得臺灣島的地震活動頻繁,活動斷層與褶皺構造分布廣泛.中央研究院地球科學所於1989 起建 臺灣全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)觀測網(wǎng),涵蓋臺灣全島及附近各主要 島,并自1990 起每 實施一次高 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)測 . 吾人以澎湖的白沙站(S01R)為 動的 考站,位於菲 賓海板塊上的 嶼和 島以每 8.2公分的速 朝西 方的澎湖靠近,使得臺灣島大部份地區(qū)受到大小 等的擠壓作用,在花東縱谷,新竹以南的西南部平原和麓山帶其測站速速 極為顯著且其移動方向大多向西 或西移動.至於臺灣 部及宜 平原因沖繩海槽的弧后張 作用影響,因此其測

16、站速 較 明顯,方向在宜 平原呈現(xiàn)向東南方向移動,與臺灣中,南部地區(qū)正受到菲 賓海板塊碰撞作用所受大地應 的情形 同.以臺灣花東縱谷 側的測站相對於澎湖白沙站而言,在縱谷斷層東側的測站每 向西 移動約6-7公分,而鄰近縱谷斷層西側的測站則每 向西 移動3-4公分,因此跨過花東縱谷斷層每 約有2-3公分的地殼變形縮短 .同樣的道 ,我們可以 用跨過一條斷層帶 測的測站,評估此斷層帶的變形程 .由於臺灣全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)觀測網(wǎng)主要針對大區(qū)域的地殼變形而布設,因此對於個別斷層帶的變形程 的評估,則需要在鄰近此斷層帶增加 多的測站,才能 確評估其變形 為. (圖 )臺灣- 宋地區(qū)GPS測站相對於穩(wěn)定歐亞

17、大 之移動速 ( 考點為位於上海的VLBI測站),箭頭長 代表速 ,末端橢圓代表95%可信 范圍;黑色三角形為測站位置. (圖七) 臺灣GPS速 向 與臺灣地體構造之關 .上圖:由1992至1995 觀測資 ,估算的臺灣現(xiàn)今地殼水平運動速 ,箭頭代表各測點相對於澎湖白沙站(S01R)的速 ,箭頭末端橢圓為95%可信 范圍.下圖:臺灣地體構造示意圖. 集集地震時之位移 集集地震造成沿 埔地表約100公 長的破 ,斷層二側瞬間位移 達公尺,導致建筑物的損毀和人命的傷亡.為了解集集地震后的詳細地殼變化情形,各單位 即展開全球衛(wèi)星定位之測 .比較震前與震后的資 ,可得知集集地震的同震范圍相當廣,包括苗

18、 以南,嘉義以 的地區(qū),自西海岸至東海岸 有顯著的位移(圖八及圖九).根據(jù)地震后的資 顯示, 埔斷層南段約有3公尺的壓縮 ;往 逐漸層加,至 埔附近已達8公尺.整體而言, 埔斷層是一逆斷層作用,亦即在斷層傾斜面上方的斷層上盤相對於斷層面下方的下盤有相對的抬升而言;因此 埔斷層西側的測點(位於斷層下盤),主要往東方或東南方移動,而斷層東側的測點(位於斷層上盤)則往西 方移動.雖然GPS所得的高程誤差較水平為大,但由於集集地震所造成的位移 非常大, 用GPS所測得高程變化之趨勢亦可代表斷層作用造成的地殼垂直變位之趨勢.在 埔斷層東側上盤呈現(xiàn)上升現(xiàn)象,而西側下盤則普遍下 .而在三義-東勢-埔 地震帶

19、之西南側之點位均呈現(xiàn)上升之情形,而在東 側的點位則呈現(xiàn) 動或少 下 的情形.東側上盤抬升 向東急遽減小,距斷層線約15公 以東的日月潭及埔 -霧社地區(qū)已轉為下陷.斷層下盤 呈下陷現(xiàn)象,最大者位於斷層線附近達0.3公尺.埔 的虎子山系原有臺灣地 座標的起算原點,經(jīng)此次地震已有2.3公尺朝西 方的水平位移及0.6公尺的下陷 . 發(fā)展前景: 邁向1Hz的衛(wèi)星接收及解算 地殼變形與地震的孕釀是大地活動構造研究的重要課題,需要有現(xiàn)代大地測 技術提供大尺 ,整體性,高 的地殼變形觀測資 .地殼各塊體相對運動的 均勻性,或是活動構造帶 積變形孕育地震.強震引起的應變釋放又在相當范圍內調整地殼局部變形 態(tài).地殼變形的 積,釋放和調整是孕震研究上需要厘清的課題.因此地殼變形 的估算和活動斷層活動性的評估極待高 的監(jiān)測,可進一步建 斷層活動的變形 為.在地震研究 域,各國 充分 用GPS快速發(fā)展的技術.臺灣地區(qū)斷層密布,因此想要監(jiān)測臺灣的地殼變形,布設密集的GPS觀測網(wǎng)是一個可靠的方法.目前中央研究院已積極在全臺設置GPS的 續(xù)追蹤站,臺灣大學地質科學系以及中央地質調查所亦積極從事GPS地殼變形的監(jiān)測,并且逐漸在各鄰近斷層的地區(qū)設置 續(xù)追蹤站或是監(jiān)