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(guó) 臺(tái)灣大學(xué)地質(zhì)科學(xué)系 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System,簡(jiǎn)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(dòng)導(dǎo)航,甚至當(dāng) 子被竊時(shí),也可以經(jīng)由GPS幫助而尋回.在2003對(duì)伊 克的戰(zhàn)爭(zhēng)中,美國(guó)所發(fā)射的巡弋飛彈就是 用GPS導(dǎo)航,而 準(zhǔn)的命中目標(biāo).因此,目前世界各大強(qiáng)國(guó)莫 全 發(fā)展衛(wèi)星定位科技, 戰(zhàn)時(shí)期蘇 的全球?qū)Ш叫l(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)(G

2、alileo),中國(guó)大 發(fā)展的 斗衛(wèi)星計(jì)劃 (并入歐洲的伽 計(jì)劃),也想分食這塊大餅.GPS除 在民生國(guó)防上的用途之外,在地球科學(xué)的應(yīng)用上,亦有非常大的空間,尤其是近 對(duì)地殼變形的監(jiān)測(cè), 有著 可取代的地位.傳統(tǒng)的三角或三邊測(cè) 儀雖然仍保有著非常高的 確 ,但是由於儀器本身的極限,測(cè) 距 最遠(yuǎn) 超過(guò)10公 ,加上地形的影響,已無(wú)法滿足大地測(cè) 長(zhǎng)基線的需求.GPS可測(cè)得測(cè)站三維座標(biāo)和 測(cè)點(diǎn)之間的基線長(zhǎng) 變化,經(jīng)誤差修正后可達(dá)毫米級(jí)的 確 ,已逐漸取代傳統(tǒng)的大地測(cè) ,成為研究地殼變形的新 器. 臺(tái)灣最早的GPS測(cè)網(wǎng)是由中央研究院地球科學(xué)研究所在1990 所建 的臺(tái)灣全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)觀測(cè)網(wǎng),隨后經(jīng)濟(jì)

3、部中央地質(zhì)調(diào)所,臺(tái)灣大學(xué)地質(zhì)科學(xué)系,中央大學(xué)地球科學(xué)系以及成功大學(xué)衛(wèi)星資訊中心等學(xué)術(shù)單亦開(kāi)始建 臺(tái)灣區(qū)域性的GPS觀測(cè)網(wǎng),經(jīng)過(guò)十多 多次的重復(fù)觀測(cè),現(xiàn)在已能大致了解臺(tái)灣現(xiàn)今地殼變形和能 積的情形;另外為 能進(jìn)一步了解臺(tái)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(shè) GPS觀測(cè)點(diǎn).但由於臺(tái)灣的斷層密布,而大多 的觀測(cè)網(wǎng)點(diǎn)間距為 十公 之遠(yuǎn),故難以獲知個(gè)別斷層的活動(dòng)情形,因此中央地質(zhì)調(diào)查所在2002 開(kāi)始為期五 的全臺(tái)灣的地殼觀測(cè)計(jì)劃,就是希望能 用密集的GPS測(cè) ,并結(jié)合高 密的水準(zhǔn)測(cè) ,以期待能估算現(xiàn)在的斷層 移 ,并與地質(zhì)觀測(cè)的較長(zhǎng)時(shí)間平均

4、 移 作比較, 評(píng)估個(gè)別斷層的地震潛勢(shì).為能即時(shí)掌握臺(tái)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(cè)網(wǎng),每個(gè)固定站可全 續(xù)接收衛(wèi)星資訊,即時(shí)掌握地殼的 續(xù)變化,將 有助 於地震潛勢(shì)的評(píng)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(duì)地震的震源機(jī)制,地殼應(yīng)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(guó)國(guó)防部為軍事定時(shí)及定位導(dǎo)航而發(fā)展,可以有效提供全球三維空間位置并決定運(yùn)動(dòng)的速 及方向,該系統(tǒng)自70 代初開(kāi)始研發(fā),於1978發(fā)射第一顆測(cè)時(shí)暨測(cè)距導(dǎo)航衛(wèi)星(Navstar),從此啟動(dòng)全球定位系統(tǒng), 經(jīng)十余之發(fā)展,於1994 初步設(shè)置完成,并維持正常運(yùn)

5、作.在1993 第24顆GPS衛(wèi)星進(jìn)入太空軌道運(yùn) 后,GPS已達(dá)初步操作能 .GPS衛(wèi)星運(yùn) 於20200公高的軌道上,共有 個(gè)軌道面,另有三顆備用衛(wèi)星在軌道上運(yùn) ,以隨時(shí)替補(bǔ)發(fā)生故障的衛(wèi)星 (圖一).GPS衛(wèi)星每11小時(shí)58分繞地球一周,無(wú) 在地球上的任何時(shí)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(hào),包括二個(gè)L波段之載波,(L1及L2),其頻分別為:L1 = 1575.42 MHz(波長(zhǎng)19 cm),L1 = 1227.60 MHz(波長(zhǎng)24 cm),此二種訊號(hào)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(hào)為

6、同步產(chǎn)生,故使用者可同時(shí)接收訊號(hào),以進(jìn) 電 層延遲 之 定,并可對(duì)大氣折射效應(yīng)施以適當(dāng)之修正,同時(shí)在載波上有測(cè)距電碼及其他訊息.假設(shè)GPS接收器測(cè)出所在位置與三顆衛(wèi)星的距 ,則接收器一定位於三個(gè)測(cè)距球面的交會(huì)處.根據(jù)幾何學(xué)原 ,三個(gè)球面的交會(huì)處最多只有 個(gè)點(diǎn),最靠近地球的一點(diǎn)即為接收器所在位置(圖二).GPS的基本觀測(cè)原 是 用太空中已知軌道的衛(wèi)星位置到地面測(cè)站之間的距 .衛(wèi)星所傳送之訊號(hào) 間斷的由時(shí)間同步之接收儀加以記 ,也就是 測(cè)站至衛(wèi)星間的距 可以由訊號(hào)傳送之時(shí)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(dǎo)航訊息,包含衛(wèi)星軌道資訊及送出 據(jù)的時(shí)間,GPS地面控制站 用己知

7、 考點(diǎn)的GPS追蹤站網(wǎng) ,計(jì)算出衛(wèi)星的時(shí)間與空間座標(biāo),再將此訊息傳回GPS衛(wèi)星,然后衛(wèi)星將此訊息再加入導(dǎo)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(jī)雜電碼(Pseudo-Random Noise Code, PRN碼),此種測(cè)距碼為含有獨(dú)特模式的 位脈沖,可協(xié)助接收器測(cè) 進(jìn)入訊號(hào)的抵達(dá)時(shí)間,也是 確定位的關(guān)鍵.衛(wèi)星接收器存有各衛(wèi)星獨(dú)特的PRN碼序 的副本,可藉此比對(duì)而估算衛(wèi)星測(cè)距訊號(hào)的抵達(dá)時(shí)間延遲多久,接著接收器再把延遲時(shí)間乘上光速,即可算出所在位置與衛(wèi)星之間的距 (圖二).當(dāng)有足夠的衛(wèi)星資訊被接收儀同時(shí)接收時(shí),則測(cè)站之三維位置(經(jīng) ,緯 ,高 )即可求得.然而

8、由於接收儀與衛(wèi)星之時(shí)間并無(wú)法保證完全同步,因此時(shí)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(zhǔn)確 可達(dá)10億分之1秒,以提供 密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn).對(duì)每一個(gè)位置的點(diǎn)而言,皆包含點(diǎn)之三維地心座標(biāo)及接收儀之時(shí)表誤差等四個(gè)未知 ,因此要得到三維的定位資訊就必須至少有四個(gè)衛(wèi)星的觀測(cè)資 進(jìn) 計(jì)算(圖三). (圖一) GPS衛(wèi)星及其 個(gè)軌道面分布圖,此種軌道考 在於讓地球表面上各測(cè)點(diǎn)均可同時(shí)接收四顆以上的GPS衛(wèi)星而達(dá)到 確定位之目的. (圖二) GPS藉由測(cè) 地表上特定的位置與至少四顆衛(wèi)星的距 ,再 用三邊測(cè) 方法可以算出此地表位置的座標(biāo). (圖三) 每顆GPS衛(wèi)星 帶有

9、 確的原子鐘,但GPS接收器卻只有石英鐘.因計(jì)時(shí)之誤差,最初三個(gè)測(cè)距值無(wú)法 確交會(huì)在一起( 線),GPS接收器必須取得第四顆衛(wèi)星的測(cè) 值,此 據(jù)可以決定一校正因子,可使最初三個(gè)測(cè)距值的端點(diǎn)交會(huì)在一起(紅線). 如何分析及搜集GPS資 目前臺(tái)灣監(jiān)測(cè)地殼變動(dòng)的GPS測(cè)站接收方式,主要有 續(xù)接收站和地殼變動(dòng)監(jiān)測(cè)站二種, 續(xù)站每天24小時(shí) 間斷觀測(cè)(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(shí)接收30秒及1秒一筆衛(wèi)星資 .另外地殼變動(dòng)監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)方法是每 選定一段間進(jìn) 觀測(cè),每個(gè)測(cè)站每天的觀測(cè)時(shí)間約為6至14小時(shí).通常在一個(gè)測(cè)區(qū)同一天會(huì)同時(shí)進(jìn) 多個(gè)測(cè)站的同時(shí)觀測(cè),亦

10、即每個(gè)測(cè)站會(huì)在同一時(shí)間接收衛(wèi)星訊號(hào),且每站觀測(cè)時(shí)間相同.通常每個(gè)測(cè)站 會(huì)重覆進(jìn) 2-4次以上的觀測(cè),因此野外作業(yè)時(shí)間會(huì)隨著測(cè)區(qū)大小與測(cè)站 目而變,有時(shí)需要3-5周,才可以將全臺(tái)灣的測(cè)點(diǎn) 施測(cè)完畢.目前GPS的觀測(cè)及資 處 采取一定的措施,包括使用水汽 射計(jì)測(cè)定氣象 ,采用 密星 ,研究 化衛(wèi)星軌道及電 層與對(duì) 層模型,以 提高GPS的高程與進(jìn)一步提高基線的 .目前臺(tái)灣GPS觀測(cè)網(wǎng)之基線長(zhǎng) ( 測(cè)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(cè)站基線的長(zhǎng)短及接收衛(wèi)星訊號(hào)時(shí)間有關(guān),在透空 好的情況下,基

11、線愈短及接收時(shí)間愈長(zhǎng),其誤差愈小. (圖四)臺(tái)灣大學(xué)地質(zhì)科學(xué)系與成功大學(xué)地球科學(xué)系於臺(tái)東縣池上鄉(xiāng) 方富南國(guó)小所設(shè) 之GPS 續(xù)觀測(cè)站.(A) GPS觀測(cè)站之外觀,接收天線位於白色天線罩內(nèi).(B) 儀器箱內(nèi)含雙頻GPS接收器,地震儀,備用電池.接收之衛(wèi)星訊號(hào)經(jīng)由ADSL傳回臺(tái)大地質(zhì)科學(xué)系,進(jìn) 資 解算. 板塊運(yùn)動(dòng)移動(dòng)多快 板塊內(nèi)部是否為剛性變形 板塊構(gòu)造學(xué) 自1960 代開(kāi)始發(fā)展以 ,地質(zhì)學(xué)家們 對(duì)於板槐移動(dòng)的速與方向有著非常大的興趣.早期對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)的描述主要是依靠中洋脊的擴(kuò)張,古地磁磁條的 常,轉(zhuǎn)型斷層的方向,洋底巖石的 齡,火山島鏈及熱點(diǎn)的分布和地震斷層的 動(dòng)等,得知 板塊歐 極(Euler

12、 Pole)的位置和旋轉(zhuǎn)速 .根據(jù)歐幾何學(xué)原 ,對(duì)一球面上的任意曲線,可選擇一條通過(guò)球心的軸,經(jīng)過(guò)一次旋轉(zhuǎn) 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(gè)表面剛性的塊體,可以繞著一條唯一確定的軸,旋轉(zhuǎn)一定角 后而到一個(gè)新的位置上,這條通過(guò)球心的軸稱為該塊體的轉(zhuǎn)動(dòng)軸,或歐 軸.歐 軸與地面的交點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)極,亦稱歐 極.各板塊的歐 極的經(jīng)緯 以及該塊體繞極轉(zhuǎn)動(dòng)的角速 唯一地確定 該塊體的運(yùn)動(dòng),因此 用尤 極可以計(jì)算二個(gè)剛性板塊間的相對(duì)移動(dòng)速 .但以上的方法, 必須要有相當(dāng)豐富的野外調(diào)查及儀器分析資 ,資 的取得有時(shí)會(huì)受到相當(dāng)大的限制.近三十 由於太空測(cè)地學(xué)之進(jìn)步,經(jīng)由GPS與超長(zhǎng)基線

13、干涉法(Very Long Baseline Interferometry, 簡(jiǎn)稱VLBI)的發(fā)展, 能夠 確地觀測(cè)板塊運(yùn)動(dòng)之速 ,VLBI是在相隔很遠(yuǎn)的2處的電波望遠(yuǎn)鏡(天線)同時(shí)接收從 星體等天體發(fā)射出的電波,通過(guò)測(cè)定當(dāng)時(shí)接收信號(hào)時(shí)差即延遲時(shí)間, 密測(cè)定 續(xù) 天線間的長(zhǎng) 變化的技術(shù).圖五為 用GPS觀測(cè)位於板塊邊界及板塊內(nèi)相對(duì)於全球地心 考框架(ITRF2000)之移動(dòng)速 ,即地面站相對(duì)於地球質(zhì) 中心之移動(dòng)速 .由圖可知板塊相對(duì)地心坐標(biāo)系統(tǒng)移動(dòng)的尺 ,最大約為每 10公分左右,圖上結(jié)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(cè)站間速 的改變而得知

14、, 如印 大 碰撞到歐亞大 ,在碰撞的邊界造成的山脈及高原,同時(shí)鄰近板塊邊界的GPS測(cè)站也顯示出較大的速 梯 的變化.另一個(gè)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(tái)灣島及菲 賓.中央研究院地球科學(xué)研究所於19963月,1997 5月及1998 2月在菲 賓的GPS觀測(cè)顯示(圖 ),對(duì)這一寬達(dá)400公 的GPS測(cè)線的重復(fù)觀測(cè),可提供許多有關(guān)菲 賓斷層 移 的資訊,并估算臺(tái)灣- 宋地區(qū)的地殼運(yùn)動(dòng)速 的變化. (圖五) 用GPS求得全球板塊相對(duì)於全球地心座標(biāo)之移動(dòng)速 及方向. 臺(tái)灣地殼變形的GPS速 場(chǎng)圖像 臺(tái)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

15、近,使得臺(tái)灣發(fā)生顯著的縮短變形作用(圖七).以大時(shí)間尺 看,這二個(gè)板塊的聚合速 非?？?使得臺(tái)灣島的地震活動(dòng)頻繁,活動(dòng)斷層與褶皺構(gòu)造分布廣泛.中央研究院地球科學(xué)所於1989 起建 臺(tái)灣全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)觀測(cè)網(wǎng),涵蓋臺(tái)灣全島及附近各主要 島,并自1990 起每 實(shí)施一次高 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)測(cè) . 吾人以澎湖的白沙站(S01R)為 動(dòng)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(tái)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(cè)站速速 極為顯著且其移動(dòng)方向大多向西 或西移動(dòng).至於臺(tái)灣 部及宜 平原因沖繩海槽的弧后張 作用影響,

16、因此其測(cè)站速 較 明顯,方向在宜 平原呈現(xiàn)向東南方向移動(dòng),與臺(tái)灣中,南部地區(qū)正受到菲 賓海板塊碰撞作用所受大地應(yīng) 的情形 同.以臺(tái)灣花東縱谷 側(cè)的測(cè)站相對(duì)於澎湖白沙站而言,在縱谷斷層?xùn)|側(cè)的測(cè)站每 向西 移動(dòng)約6-7公分,而鄰近縱谷斷層西側(cè)的測(cè)站則每 向西 移動(dòng)3-4公分,因此跨過(guò)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(guò)一條斷層帶 測(cè)的測(cè)站,評(píng)估此斷層帶的變形程 .由於臺(tái)灣全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)觀測(cè)網(wǎng)主要針對(duì)大區(qū)域的地殼變形而布設(shè),因此對(duì)於個(gè)別斷層帶的變形程 的評(píng)估,則需要在鄰近此斷層帶增加 多的測(cè)站,才能 確評(píng)估其變形 為. (圖 )臺(tái)灣- 宋地區(qū)GPS測(cè)站相對(duì)於

17、穩(wěn)定歐亞大 之移動(dòng)速 ( 考點(diǎn)為位於上海的VLBI測(cè)站),箭頭長(zhǎng) 代表速 ,末端橢圓代表95%可信 范圍;黑色三角形為測(cè)站位置. (圖七) 臺(tái)灣GPS速 向 與臺(tái)灣地體構(gòu)造之關(guān) .上圖:由1992至1995 觀測(cè)資 ,估算的臺(tái)灣現(xiàn)今地殼水平運(yùn)動(dòng)速 ,箭頭代表各測(cè)點(diǎn)相對(duì)於澎湖白沙站(S01R)的速 ,箭頭末端橢圓為95%可信 范圍.下圖:臺(tái)灣地體構(gòu)造示意圖. 集集地震時(shí)之位移 集集地震造成沿 埔地表約100公 長(zhǎng)的破 ,斷層二側(cè)瞬間位移 達(dá)公尺,導(dǎo)致建筑物的損毀和人命的傷亡.為了解集集地震后的詳細(xì)地殼變化情形,各單位 即展開(kāi)全球衛(wèi)星定位之測(cè) .比較震前與震后的資 ,可得知集集地震的同震范圍相當(dāng)廣

18、,包括苗 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(dá)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(duì)於斷層面下方的下盤有相對(duì)的抬升而言;因此 埔斷層西側(cè)的測(cè)點(diǎn)(位於斷層下盤),主要往東方或東南方移動(dòng),而斷層?xùn)|側(cè)的測(cè)點(diǎn)(位於斷層上盤)則往西 方移動(dòng).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(cè)得高程變化之趨勢(shì)亦可代表斷層作用造成的地殼垂直變位之趨勢(shì).在 埔斷層?xùn)|側(cè)上盤呈現(xiàn)上升現(xiàn)象,而西側(cè)下盤則普遍下 .而在三義-東勢(shì)-埔

19、 地震帶之西南側(cè)之點(diǎn)位均呈現(xiàn)上升之情形,而在東 側(cè)的點(diǎn)位則呈現(xiàn) 動(dòng)或少 下 的情形.東側(cè)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(zhuǎn)為下陷.斷層下盤 呈下陷現(xiàn)象,最大者位於斷層線附近達(dá)0.3公尺.埔 的虎子山系原有臺(tái)灣地 座標(biāo)的起算原點(diǎn),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(dòng)構(gòu)造研究的重要課題,需要有現(xiàn)代大地測(cè) 技術(shù)提供大尺 ,整體性,高 的地殼變形觀測(cè)資 .地殼各塊體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的 均勻性,或是活動(dòng)構(gòu)造帶 積變形孕育地震.強(qiáng)震引起的應(yīng)變釋放又在相當(dāng)范圍內(nèi)調(diào)整地殼局部變形 態(tài).地殼變形的 積,釋放和調(diào)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(dòng)斷層活動(dòng)性的評(píng)估極待高 的監(jiān)測(cè),可進(jìn)一步建 斷層活動(dòng)的變形 為.在地震研究 域,各國(guó) 充分 用GPS快速發(fā)展的技術(shù).臺(tái)灣地區(qū)斷層密布,因此想要監(jiān)測(cè)臺(tái)灣的地殼變形,布設(shè)密集的GPS觀測(cè)網(wǎng)是一個(gè)可靠的方法.目前中央研究院已積極在全臺(tái)設(shè)置GPS的 續(xù)追蹤站,臺(tái)灣大學(xué)地質(zhì)科學(xué)系以及中央地質(zhì)調(diào)查所亦積極從事GPS地殼變形的監(jiān)測(cè),并且逐漸在各鄰近斷層的地區(qū)設(shè)置 續(xù)追蹤站或是監(jiān)