淺談地殼運動監(jiān)測方法

題目：淺談地殼運動監(jiān)測方法專業(yè)：測繪工程【摘要】基于GPS對地表表面的監(jiān)測的穩(wěn)定性，長期性，連續(xù)性，精度高等特點，從而可以判斷地殼的變化情況及趨勢，并且與擠壓變形的結(jié)合，形成一個長期的監(jiān)測手段。在用衛(wèi)星熱紅外影像進(jìn)行整體區(qū)域的蘊藏能量的判斷，進(jìn)行短期的輔判，形成一個長短結(jié)合，質(zhì)變到量變的一體化監(jiān)測模型。并且結(jié)合“中國地殼運動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”與地球板塊運動模型，形成整體與部分相結(jié)合的地殼運動監(jiān)測模型。為預(yù)測地殼的變動以及在災(zāi)害面前保衛(wèi)人民生命財產(chǎn)爭取更多的時間提供更準(zhǔn)確更可靠的服務(wù)?！娟P(guān)鍵詞】GPS；中國地殼運動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；雷達(dá)與熱紅外遙感；地殼變形監(jiān)測；互聯(lián)網(wǎng)目錄TOC\o"1-3"\h\u207221.引言 I1.引言1.1研究背景地球生命的演化，就單從人類的發(fā)展歷史來看，都沒有離開過地球表面，一次大的地殼變動將足矣給人們帶來災(zāi)難性后果。小的震動同樣也會奪取千千萬萬人的生命，就更不要說對人類財產(chǎn)的破壞、社會經(jīng)濟發(fā)展的阻礙。特別是今天高科技的發(fā)展給人們帶來的物質(zhì)的享受，但與此同時一不小心也會釀成大禍。比如核電站所坐落的地質(zhì)層變化，放射性物質(zhì)的泄露將會是一次災(zāi)難，這樣的例子也不少。不管在生活或者經(jīng)濟建設(shè)中，地殼的變形與運動，局部的運動變形導(dǎo)致高樓大廈、路橋隧道的變形，減少其壽命，甚至倒塌給經(jīng)濟建設(shè)帶來嚴(yán)重的后果，大面積乃至板塊的運動將會帶來人類災(zāi)難。地殼作為人類唯一可以直接觀測的地球外部圈層，對地殼的研究和反演研究地球內(nèi)部運動具有重要意義。作為地球?qū)W科一個重要分支，對于地震的研究也不可缺少。1.2研究現(xiàn)狀地殼變形監(jiān)測可以獲取各種地球的運動現(xiàn)象數(shù)據(jù)，以前的監(jiān)測從水準(zhǔn)測量到激光測距，甚至使用三角測量。隨著人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空間測量技術(shù)空前的發(fā)展，大地測量技術(shù)也在日新月異的變化?，F(xiàn)代板塊測量技術(shù)，甚長基線干涉測量技術(shù)（VLBI），衛(wèi)星激光測距技術(shù)（SLR），全球定位系統(tǒng)（GPS）能以更高的測定精度測量出板塊的相對運動速度。用大量的測量數(shù)據(jù)已經(jīng)檢驗的地質(zhì)學(xué)導(dǎo)出的現(xiàn)代板塊模型（NUVEL-1）的正確性[1]。特別是GPS技術(shù)的成熟為大地測量做出了突出的貢獻(xiàn)，觀測成本低，全自動化，不受時間的限制，觀測精度高，觀測距離遠(yuǎn)。同時隨著地球物理學(xué)，地質(zhì)學(xué)，地震學(xué)，地球動力學(xué)都取得了很大的成功，交叉學(xué)科的發(fā)展為地殼運動提供了更可靠的工具。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，對地觀測衛(wèi)星的發(fā)射，遙感手段也大大提升了監(jiān)測的效率，例如InSAR（合成孔徑雷達(dá)）技術(shù)和熱紅外遙感的的發(fā)展日益完善，為地殼監(jiān)測注入了新的活力。應(yīng)用GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)來連續(xù)監(jiān)測地殼運功狀況，結(jié)合應(yīng)力變化大小、方向進(jìn)一步確認(rèn)板塊長時間的運功趨勢和方向速度。并結(jié)合熱紅外影像進(jìn)行補判，監(jiān)測一些急促的短時間的運動，為減少災(zāi)害而做出努力。1.3研究目的和意義研究地殼運動意義在于地殼的運動會對于我們認(rèn)識地震或者預(yù)測地震有著重要作用，因為從目前全球來看，是不能預(yù)測的，也是科學(xué)界的一個瓶頸。地殼運動的原因目前也沒有一個權(quán)威的說法，對地震的認(rèn)識還不夠。所以地殼運動就成為我們一個重要的表象監(jiān)測，地殼的運動還會給人類的生命財產(chǎn)帶來嚴(yán)重的威脅，對人類的生活帶來隱患。通過對地球變形速度場和應(yīng)變率場的推算，可以得到研究區(qū)特定點相對于參考系的變化特征和應(yīng)變率分布狀況。研究地殼應(yīng)力場可以推算地殼變形的動力源，對地殼構(gòu)造機制做出合理解釋[2]。2.地殼運動的概述2.1地殼運動的原因地球巖石圈層的運動叫地殼運動。地球表面相比較于地球的運動，通常所說的地殼運動，其實是特指巖石圈相對于軟流圈以下的地球內(nèi)部的運動。巖石圈下有一層容易發(fā)生塑性變形的較軟的地層，這個地層很容易受到外力后就發(fā)生變化，相比較于堅硬的地殼外殼有些不相同，我們把這層叫做軟流圈。軟流圈上面的堅硬外殼層包括地殼和上地幔頂部，地殼可以在軟流圈上面運動。關(guān)于地殼運動的原因上述只是大部分人的認(rèn)可，但是目前沒有權(quán)威的說法。2.2地殼的組成斷裂分布全球板塊的分布如下。板塊不僅時刻在運動而且運動具有連鎖效應(yīng)，任何一個的運動都會引起其他的運動，即使沒有變化，但也蘊藏了巨大即將要釋放的能量。我國地處于大陸地處歐亞、太平洋、印度和菲律賓海板塊的交匯地帶，我國的陸地構(gòu)造很復(fù)雜，同樣中國也由小的板塊組成，并不是一個統(tǒng)一的整體，而是由小塊拼接而成，形成了一個暫時穩(wěn)定的狀態(tài)。但與此同時，環(huán)境的變化，自身的土質(zhì)，自身的構(gòu)造，人的活動影響，以及全球板塊的運動帶來的助力也足以讓已經(jīng)穩(wěn)定小的板塊活躍起來，隨時都有動的可能性和趨勢。對居住在其上的人以及坐落的建筑物都隱藏著巨大的隱患。圖2-1中國地殼板塊圖圖2-2世界地殼板塊圖2.3地殼運動與變形監(jiān)測的意義地殼運功監(jiān)測模型的重要性和意義基本表現(xiàn)在以下幾個方面：1.地殼運動以及即將要變化的趨勢如果被監(jiān)測到或者預(yù)測到，這將是人類在面臨自然災(zāi)又一次偉大性的突破，也為地球?qū)W科的研究提供更為寶貴的數(shù)據(jù)資料，為人類認(rèn)識地球及其運動更近了一步。2.如果能提前預(yù)測到板塊的運動以及趨勢，將會為人們生命財產(chǎn)提供了一種更安全的保障3.地殼的運動同樣可以在山體滑坡、大壩變形、鐵路等自然災(zāi)害面前采取一定的措施，提高彌足珍貴的時間和人力物力的準(zhǔn)備。3.監(jiān)測方法的組成3.1CORS系統(tǒng)3.1.1CORS系統(tǒng)原理連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)，利用計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時給請求客戶發(fā)送定位誤差改正和定位數(shù)據(jù)。CORS系統(tǒng)具有獨特的優(yōu)勢：1.CORS系統(tǒng)可以事實監(jiān)測，不受時間和環(huán)境的影響，具有連續(xù)性，具有單獨觀測互不影響的優(yōu)勢，并且數(shù)值精度可靠高、數(shù)據(jù)數(shù)量足、穩(wěn)定。2.CORS系統(tǒng)可以和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享，進(jìn)行大面積區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，現(xiàn)實性強，動態(tài)太化可觀。3.CORS基準(zhǔn)站目前的布設(shè)已經(jīng)取得了進(jìn)一步的發(fā)展，為我們數(shù)據(jù)的獲取提供了可能性。同時隨著我國北斗的建設(shè)，基準(zhǔn)站的建設(shè)將會更加的完善，數(shù)據(jù)獲取的豐富性將進(jìn)一步提，升從而形成一套數(shù)據(jù)的獲取鏈。4.CORS系統(tǒng)彌補了中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站和基本站密度小的缺點。同時也利于了CORS系統(tǒng)本身分布的優(yōu)勢，分布在城市，對于人類居住的地質(zhì)環(huán)境變形更為敏感和精確。5.中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)觀測站分布和地殼板塊組成相關(guān)，提供大框架的運動，CORS提供城市在地殼宏觀運動和各種地質(zhì)和建筑下相互作用的變形結(jié)果。6.例如日本國土地理院籌建的1000多個GPS連續(xù)監(jiān)測站，從1994年4月監(jiān)測到北海道東部近海8.1級大地震以及地震前后地殼變形。1995年1月17日監(jiān)測到日本阪神7.2級大地震[3]。圖3-1CORS系統(tǒng)的原理圖圖3-2中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站（五角星）和基本站（正方塊）分布圖[4]圖3-3中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)區(qū)域站點分布圖[4]圖3-4中國大陸及其鄰區(qū)地殼運動的GPS速度場（相對于穩(wěn)定歐亞參考框架)[4]3.1.2CORS數(shù)據(jù)的作用就現(xiàn)在的地面連續(xù)監(jiān)測站數(shù)據(jù)而言：1.GPS系統(tǒng)不僅可以測的基準(zhǔn)點的P（x，y）而且還可以解算基線向量的長度P1（x1，y1）到P2（x2，y2）的距離，方向。2.總共有n個基準(zhǔn)站，總共就可以解的C2n條基線向量。3.在CORS基線網(wǎng)中，隨著數(shù)據(jù)的更新網(wǎng)形基線向量也在更新變化。4.可以計算出每一條基線向量的長度隨時間的變化而變化情況，以及點位變化，從而確定出點位的移動方向及其變形的程度大小。5.每一點的坐標(biāo)三維變化值，以及聯(lián)合局域網(wǎng)內(nèi)的點的變化，從而斷定局域板塊的運動速度和方向以及扭曲變形的程度。6.結(jié)合“中國地殼運動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”以及全球板塊運動模型的運動狀況對某一板塊的趨勢影響，在根據(jù)具體板塊的具體斷裂構(gòu)造以及地質(zhì)構(gòu)造和當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件，可以確定運功方向，以及速度，變形程度導(dǎo)致的地殼的起伏還是下沉或者形成新的斷裂。圖3-5福州、廈門、泉州、莆田、東山至桃園基線的時間序列圖[5]3.2雷達(dá)與紅外遙感3.2.1雷達(dá)與紅外遙感的原理遙感是指傳感器發(fā)射電磁波，電磁波經(jīng)過和目標(biāo)作用后經(jīng)過大氣后傳感器接受的信息，或者直接接受地表電磁波的反射或輻射電磁波信息，通過這些相互作用的信息來提取需要的數(shù)據(jù)或者信息。紅外遙感就是工作波段處于紅外波段的遙感。雷達(dá)遙感中最成功的一項技術(shù)就是InSAR，屬于微波主動遙感的范疇，用兩幅天線和觀測目標(biāo)之間位置關(guān)系通過接受目標(biāo)的兩個回波之間的相位差來產(chǎn)生圖像從而達(dá)到提取信息[6]。3.2.2雷達(dá)與紅外遙感的作用雷達(dá)遙感以InSAR為代表的新一輪技術(shù)從真實孔徑到合成孔徑，通過差分干涉手段可以量測地表變形在厘米甚至毫米級的變形。雷達(dá)遙感可以穿透云霧，塵埃，受天氣影響比較小可以獲得更多的地面信息?？梢赃M(jìn)行被動的微波遙感搭載在衛(wèi)星、航空飛、直升無人機進(jìn)行大面積或者小面積的監(jiān)測，機動性強、效率高。彌補了熱紅外遙感的不足之處。熱紅外遙感，具有對地表溫度敏感的特性，從而可以感受地表熱異常的信息。地表的熱異常是地殼運動或者能量釋放的一種前兆，因為地殼的運動或者有運動的趨勢都會向外釋放大量的能量，這些能量很大部分是輻射或者以熱的形式釋放的。利用熱紅外探測儀器就可以探測出來能量異常的片區(qū)，從而為預(yù)報地殼的變化以及自然災(zāi)害提供一種大面積，連續(xù)性，宏觀的預(yù)報，不在是傳統(tǒng)的點式測量。隨著對微波的特性的認(rèn)識和遙感技術(shù)的發(fā)展，熱紅外影像可以判斷地表溫度以及蘊藏能量的大小，如果地面的有比較大的變形運功或者趨勢，利用熱紅外影像可以進(jìn)行區(qū)域的判定，從而進(jìn)行CORS判定的不足以及整體的把握。以衛(wèi)星熱紅外遙感進(jìn)行短期監(jiān)測，可以進(jìn)行如：地震、泥石流、大壩的安全性的一個大面積的監(jiān)測。與此同時熱紅外遙感也有自己的不足就是，受到云霧，天氣，塵埃的影響比較大，探測到的信息比較有限。圖3-62008年汶川地震前5月6日熱異常圖[7]圖3-7汶川地震震前及震后的紅外溫度差異的動態(tài)演化過程（紅點表示震中，綠線表示活動斷層）[8]從圖3-7和3-8中用熱紅外遙感圖可以看出地震前的能量分布差異變，可以大概了解地殼運動的片區(qū)和強度狀況，為地震短期預(yù)報提供很有價值的參考。圖3-8汶川地震震中區(qū)域的InSAR干涉圖[9]3.3應(yīng)力傳感器3.3.1應(yīng)力傳感器傳感器的埋設(shè)地點一般是構(gòu)造帶或者斷裂帶，地殼的運動變化首先從有斷裂的地方更容易釋放能量，同時變形也比較顯著，不會像堅硬的地表對變形具有一定的抵抗作用，或者具有一定的緩沖變形的大小。如果這些地方地殼運動往往會釋放很大的能量，同時也會對地表造成比的破壞程度也會比較大。這樣便可以更容易更快速更安全的發(fā)現(xiàn)地殼的變化狀況，應(yīng)用壓力傳感器就是根據(jù)這埋設(shè)在斷裂地帶地層中時時刻刻監(jiān)測壓力的變化。同時也要在城市，或者重要建筑物，基礎(chǔ)設(shè)施分布區(qū)域相應(yīng)的布設(shè)，比如，核電站，大型水庫水壩等。這些區(qū)域的安全直接關(guān)系到千千萬萬的人們生命以及財產(chǎn)的一種傳感器可以感受到不同方向的擠壓和壓力的大小。3.3.2應(yīng)力傳感器作用壓力傳感器形象的比作一個球體，當(dāng)受到來自不同方向的壓力之后就會變形，變形成橢球，來自不同的擠壓或者剪切都會形成特定的形狀，從而傳遞給我們地層的運動趨勢，或者斷裂形成剪切，或者擠壓運動，以及各地殼的力學(xué)運動特征都會比較好的體現(xiàn)。更好的幫助我們結(jié)合地面其他監(jiān)測進(jìn)行分析以便更準(zhǔn)確的判定地殼運動趨勢。圖3-9受到壓力后變形前后地殼運動是一個力學(xué)過程，埋設(shè)在一定深度的傳感器來測定地殼變形狀況，通過力的分解，算出各個方向上的力的大小，可以判斷出地殼表側(cè)的變形狀況。水平剪切變形強度，水平張壓變形強度垂直剪切變形強度，地表變形強度，水平變形強度。3.4監(jiān)測方法的流程實現(xiàn)圖3.4.1坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換任何測量都需要一定的坐標(biāo)系統(tǒng)，不同的系統(tǒng)就有不同的坐標(biāo)。全球定位系統(tǒng)（GPS）采用的是WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)測量的坐標(biāo)數(shù)值與我國的坐標(biāo)系統(tǒng)不同，所以存在一個坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過程。1.在不同空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換涉及七個參數(shù)，三個旋轉(zhuǎn)角度，三個平移量，以及一個比例關(guān)系。2.不同大地坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換包含三個平移量，三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，一個比例參數(shù)，還有兩個地球橢球元素變換參數(shù)。只有經(jīng)過轉(zhuǎn)換后這些坐標(biāo)才能為我國的經(jīng)濟建設(shè)使用，同樣才能被大多數(shù)的測量，監(jiān)測所發(fā)現(xiàn)和識別。3.4.2坐標(biāo)系統(tǒng)的精度隨著，測量精度也逐漸提高。GPS技術(shù)的成熟，全球IGS的合作和努力，使得國際地球參考系統(tǒng)（ITRS）和國際地球參考框架（ITRF）。不管是參考橢球定位定向還是橢球參數(shù)的精度進(jìn)一步提升，從而使得三維坐標(biāo)基準(zhǔn)和衛(wèi)星大地控制網(wǎng)的精度提升。與此同時我國也是努力合作不斷進(jìn)取建成了高精度的GPSA，B級網(wǎng)和GPS一，二級網(wǎng)從而提供給了地震預(yù)報和板塊運動的科學(xué)研究所布設(shè)的“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”，同時為我國的2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)做出的基礎(chǔ)性工作。GPS連續(xù)觀測數(shù)據(jù)應(yīng)力感應(yīng)器數(shù)據(jù)雷達(dá)與熱紅外影像數(shù)據(jù)GPS連續(xù)觀測數(shù)據(jù)應(yīng)力感應(yīng)器數(shù)據(jù)雷達(dá)與熱紅外影像數(shù)據(jù)宏觀地殼運動速度場互聯(lián)局域聯(lián)合計算。時事動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸宏觀地殼運動速度場互聯(lián)局域聯(lián)合計算。時事動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸輔助運動區(qū)域短期決策判斷地殼力學(xué)運動。判斷力的大小方向。1．基線向量所圍成圖形的扭曲，擺動與變形。2.判斷監(jiān)測變形區(qū)域或者斷裂帶。判斷地殼力學(xué)運動。判斷力的大小方向。1．基線向量所圍成圖形的扭曲，擺動與變形。2.判斷監(jiān)測變形區(qū)域或者斷裂帶。判斷能量蘊藏區(qū)塊。InSAR監(jiān)測地表微小變形互聯(lián)網(wǎng)時事動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸互聯(lián)網(wǎng)時事動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸計算機聯(lián)合疊加計算。建模運動變化模擬。與“中國地殼監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”結(jié)合。整體決定局部，局部有自己特點判斷出變形的狀況：判斷出變形的狀況：地殼運動方向。地殼運動速度。地殼上升下降扭曲破壞程度估計。結(jié)合地殼構(gòu)造成分與地面建筑估計能力釋放剩余時間。圖3-10監(jiān)測流程圖4.監(jiān)測方法特點分析4.1優(yōu)點1.目前的該監(jiān)測模型與現(xiàn)有的獲取數(shù)據(jù)，相結(jié)合GPS，雷達(dá)與熱紅外遙感。2.與國家建設(shè)的“中國地殼運動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”和全球板塊運功相結(jié)合，對于國家短、中、長期地震預(yù)測有一定的參考價值，運用互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)成為了可能。3.隨著我國經(jīng)濟實力的提高科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，定位為系統(tǒng)的多樣化，不僅有GPS還有我國的北斗俄羅斯的GLONASS，歐盟的GALILEO定位系統(tǒng)。為大地監(jiān)測提供更高精度的數(shù)據(jù)，隨著跨學(xué)科的結(jié)合，板塊運動的規(guī)律將慢慢被人們認(rèn)識和熟悉。4.目前的全球監(jiān)測網(wǎng)有：（1）中歐16國大地測量和地球動力學(xué)合作計劃CEI。（2）中南美GPS計劃CASA。（3）阿根廷的GPS計劃。（4）非洲地殼運動的監(jiān)測計劃。（5）意大利的第勒尼安海大地網(wǎng)計劃。（6）美國南加州永久GPS大地測量陣列。（7）日本的地震地殼監(jiān)測網(wǎng)(GEONet)。（8）中國地殼運動GPS監(jiān)測網(wǎng)[10]。5．隨著GPS軟件處理數(shù)據(jù)精度的提高和坐標(biāo)參考框架的完善，地殼運動的變化將更準(zhǔn)確化。6．中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)(CMONOC)是依托全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)觀測技術(shù)的支持下,在加上甚長基線射電干涉測量(VLBI)和人衛(wèi)激光測距(SLR)等空間技術(shù),結(jié)合精密重力和精密水準(zhǔn)測量構(gòu)成的大范圍、高精度、高時空等技術(shù)。加上全球的監(jiān)測系統(tǒng)，以及交叉學(xué)科的發(fā)展，建城一個動態(tài)的，網(wǎng)絡(luò)的，全國的地殼監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是可能的，也是必然的。4.2缺點1.該模型對數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性的要求比較高，以及對計算機處理能力比較搞，要結(jié)合三種數(shù)據(jù)共同做出決斷。2.發(fā)現(xiàn)問題確認(rèn)問題對問題進(jìn)行模擬判斷這個完整的過程要與數(shù)學(xué)模型動態(tài)可視化相結(jié)合。所以不管對數(shù)據(jù)還是對數(shù)據(jù)操作處理數(shù)據(jù)要求都比較高。我國地大但經(jīng)濟發(fā)展相對落后，CORS系統(tǒng)跟蹤站的建設(shè)相對比較稀疏。熱紅外影像的能力密度比較小，不容易穿透云層，遙感影像的分辨率相對比較低，遙感圖像處理技術(shù)仍存在一些問題。雷達(dá)干涉測量數(shù)據(jù)處理軟件跟不上數(shù)據(jù)的發(fā)展，衛(wèi)星和航測傳感器的發(fā)展也比較落后。傳感器的放置也存在問題，因為鉆探技術(shù)的落后，人類一直停留在地球表象，無法深入地球內(nèi)部，從而限制了人類認(rèn)識地球的速度。5.結(jié)語通過對地殼運動監(jiān)測模型的探討，更深刻的認(rèn)識到到地殼運動監(jiān)測的重要性。與此同時監(jiān)測地殼的運動更為重要的事情就是提供可靠大量的數(shù)據(jù)并且運動一定的實現(xiàn)流程，取長補短共同監(jiān)測，為災(zāi)害預(yù)報提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。在GPS高精度三維坐標(biāo)系統(tǒng)下，長期進(jìn)行地表監(jiān)測手段獲取地表板塊的運動狀況，從而解算出地殼的運