地壳垂直运动观测是地球构造运动研究、地震与火山灾害研究、地面沉降地质灾害研究、全球或区域精密高程基准维护等多项工作的重要基础。对于地表垂直运动的观测,多年来一直沿用精密水准测量方法,这是讫今为止精度最高的测量方法,其垂直位移测量精度可达毫米甚至亚毫米级,但其作业效率低、劳动强度大的缺陷也同样明显。相对于水准测量,GPS技术具有全天候、全天时、观测效率高、劳动强度低等优势,并且能够同时提供地表三维的形变信息。随着全球参考框架精度提高和数据处理技术方法的发展,GPS观测被越来越多地应用在地表垂直运动监测研究等方面,其应用领域涵盖全球或区域地壳长期垂直运动监测研究、地震同震和震后垂直位移监测研究、地面沉降监测研究等。国内外学者在理论上分析了利用GPS技术监测地表垂直形变的可行性(陈永奇,1989; 黄立人,匡绍君,2000; 顾国华,2005; 董克刚等,2008),还有学者进行了实验分析(张风霜等,2009; 顾国华,王武星,2011; Ahmed et al,2007; Kuo-En et al,2011)。前人大量研究结果表明:GPS垂向观测精度虽较水平分量弱一些,但对厘米级以上的大变形事件有比较稳健的监测能力。对于年毫米级变化的区域地壳垂直运动,利用长时间尺度的连续GPS垂直位移时间序列资料,也可以获得比较可靠的垂直形变(速率)结果。与连续GPS大量成功应用于地壳垂直运动监测不同,区域流动GPS观测能否应用于正常背景下的构造垂直运动监测,至今仍无定论。本文在前人研究的基础上,利用跨断裂带剖面资料研究探讨了GPS技术在研究区域地表垂直形变方面的可行性。

山西断陷带由10多个大小不等的NE、NNE走向的地堑和半地堑式盆地组成,主要活动断裂既控制了每个盆地的主要边界,也控制了盆地的发育; 震源机制解结果表明,山西断陷带南北两端为拉张带,中部断层活动仍然以拉张型正断层为主,反映出山西断陷带整体的张性活动。文中3个跨断裂剖面分别分布在山西断陷带的南北段及中部,根据计算结果,3个跨断裂剖面反映出的山西断陷带的垂直形变特征如图2～4所示。

图2 山阴跨断裂剖面2期(a)和多期(b)观测数据的垂向速率对比结果
Fig.2 Comparison results of vertical deformation velocities of Shangyin fault-crossing profile in two periods(a)and more than two periods(b)

从图2可以看出,山阴跨断裂剖面两种观测手段1年尺度的对比结果差异相对较大,尤其是2009～2010年差异尤其大,但总的运动趋势比较一致,而间隔2年和3年时间尺度的对比结果吻合较好,最大差异小于5 mm/a。山阴场地位于山西断陷带的北部,相对于场地西部山地稳定区域,整个山阴场地呈逐年下沉的趋势,随着观测周期的增长,下沉量变大,其中恒山北麓断裂两侧下沉量比较大,这也反映出该区域总体表现出右旋拉张断陷运动的特点。

根据图3可以看出,介休跨断裂剖面的GPS和水准对比结果在间隔2年时间尺度和3年时间尺度上均显示出了较好的趋势一致性,但间隔3年时间尺度的相关性更高,总体差异更小。间隔1年尺

图3 介休跨断裂剖面两期(a)和多期(b)观测数据的垂向速率对比结果
Fig.3 Comparison results of vertical deformation velocities of Jiexiu fault-crossing profile in two years(a)and more than two years(b)

度差异性较大,其中JX15在2009～2010年与2011～2012年时间段、JX17在2009～2010年和2010～2011年时间段均表现出较大的差异性。介休场地位于山西断陷带中部太原盆地内,太原盆地南以灵石隆起与临汾盆地相邻,北以石岭关隆起与忻定盆地相连,夹在位于东南的太行山与西北部的吕梁山之间,历史上发生过3次大于6级的地震,垂直差异运动强烈,是山西断陷带沉积厚度最大的盆地。介休场地内部点相对于两侧稳定块体呈下沉趋势,且沉降量具有随时间周期增大而逐渐增大的特点,场地边缘区域的沉降量最大,最大可达到37 mm,整体上和GPS速率剖面在区域反映出的拉张性质相吻合。

图4 临汾跨断裂剖面2期(a)和多期(b)观测数据的垂向速率对比结果
Fig.4 Comparison results of vertical deformation velocities of Linfen fault-crossing profile in two years(a)and more than two years(b)

从图4可以看出,临汾跨断裂剖面在1年时间尺度的对比结果较差,其中2009～2010年两种手段对比结果在整体趋势上存在差异,而 2009～2012年较长时间尺度的观测结果比较一致,差异也较小,最大不超过4 mm/a。临汾场地位于山西断陷带的南端,临汾盆地南以峨嵋台地与运城盆地相邻,北以灵石隆起与太原盆地相隔,东、西分别以大断裂与浮山、罗云山相邻,是山西断陷带地震活动最强烈的地区。介休场地内的点呈现整体下沉趋势,西边的点相对于东部的点沉降量明显增大,而且表现出随时间周期增大沉降量逐渐增大的特点。

根据各剖面不同时段GPS与水准测量两种手段获取的区域地表垂直形变速率,剔除个别变化量大的异常点,计算出各剖面2种观测手段对比结果的均方差,如表2所示。

表2 剖面比对结果统计表
Tab.2 Statistic of comparison result of three fault-crossing profiles

从表2可以看出,2种观测手段1年尺度的结果差异相对较大,而间隔2年和3年时间尺度就显示出了较好的趋势一致性,间隔3年时间尺度的总体差异更小。因此可以看出,时间间隔越长,利用GPS获取的垂直形变就相对越可靠。

从3个跨断裂短水准剖面的不同时段GPS与水准测得的垂直形变对比结果来看,短时间尺度(1年)的结果差异较大,个别监测点差异超过20 mm/a,而较长时间尺度(2～3年)的结果差异较小,一致性较好,绝大多数监测点的差异在3 mm/a以内。对于短期的这种较大的差异性,分析可能有以下几个方面的因素:(1)GPS观测的时间基本上在每年的9、10月,而水准测量只有在2009年测量时与GPS观测时间较为接近,其余3年的观测时间均在1～5月,季节性的变化对于形变的影响可能会导致结果的差异;(2)GPS野外观测时,天线高的量取精度较差,部分站点的天线高量取方式可能有误;(3)天线相位中心偏差的影响。天线相位中心在理论上应与其几何中心保持一致,但由于天线本身特性及机械加工等原因,相位中心会随信号输入方向和强度不同而变化(郭际明等,2007)。因此,天线相位中心的瞬时位置(一般称相位中心)与理论上采用的相位中心位置并不重合,存在一定的偏差,在GPS解算过程,虽已采用 ELEV模型进行了相位中心偏差改正,但其对垂向的影响仍不能完全消除。

本文通过对3个跨断裂带综合剖面的GPS和水准数据进行处理对比分析,验证了GPS、水准垂直形变观测结果的一致性和差异性,其结果表明:时间间隔较短(数月至1年左右)、观测时间不同步的情况下,GPS 观测与水准观测垂直形变速率之间偏差较大; 在观测时间间隔较长(3年及以上)时,GPS 观测与水准观测垂直形变速率之间有较好的一致性,与Geoffrey和David(2002)的研究结果比较一致。这表明GPS技术测得的垂直形变在较长时间尺度上是可靠的,同时也为区域流动GPS三维地壳运动观测提供了重要基础依据。