斗七星全球卫星定位系统(GPS)与大地变形

1、斗七星:全球卫星定位系统(GPS)与大地变形超越 斗七星:全球卫星定位系统(GPS)与大地变形 胡植庆 国 台湾大学地质科学系 全球卫星定位系统(Global Positioning System,简称GPS)日 , 仅健登山者 用掌上型GPS定位器寻找方向,加装GPS定位器的汽 也可以在 市丛 中自动导航,甚至当 子被窃时,也可以经由GPS帮助而寻回.在2003对伊 克的战争中,美国所发射的巡弋飞弹就是 用GPS导航,而 准的命中目标.因此,目前世界各大强国莫 全 发展卫星定位科技, 战时期苏 的全球导航卫星系统GLONASS与GPS互别瞄头,近 欧洲太空总署发展的伽 BR> 系统(G

2、alileo),中国大 发展的 斗卫星计划 (并入欧洲的伽 计划),也想分食这块大饼.GPS除 在民生国防上的用途之外,在地球科学的应用上,亦有非常大的空间,尤其是近 对地壳变形的监测, 有著 可取代的地位.传统的三角或三边测 仪虽然仍保有著非常高的 确 ,但是由於仪器本身的极限,测 距 最远 超过10公 ,加上地形的影响,已无法满足大地测 长基线的需求.GPS可测得测站三维座标和 测点之间的基线长 变化,经误差修正后可达毫米级的 确 ,已逐渐取代传统的大地测 ,成为研究地壳变形的新 器. 台湾最早的GPS测网是由中央研究院地球科学研究所在1990 所建 的台湾全球卫星定位系统观测网,随后经济

3、部中央地质调所,台湾大学地质科学系,中央大学地球科学系以及成功大学卫星资讯中心等学术单亦开始建 台湾区域性的GPS观测网,经过十多 多次的重复观测,现在已能大致了解台湾现今地壳变形和能 积的情形;另外为 能进一步了解台湾和菲 宾 宋地区板块边界之变形,中央研究院於1995 11月与菲 宾火山及地震研究所在 宋地区设 GPS观测点.但由於台湾的断层密布,而大多 的观测网点间距为 十公 之远,故难以获知个别断层的活动情形,因此中央地质调查所在2002 开始为期五 的全台湾的地壳观测计划,就是希望能 用密集的GPS测 ,并结合高 密的水准测 ,以期待能估算现在的断层 移 ,并与地质观测的较长时间平均

4、 移 作比较, 评估个别断层的地震潜势.为能即时掌握台湾地区地壳变形的资讯,目前的发展为建 密集的全球定位系统 续观测网,每个固定站可全 续接收卫星资讯,即时掌握地壳的 续变化,将 有助 於地震潜势的评估.我们期待能获得震前,同震及震后地壳变化的情形,使我们对地震的震源机制,地壳应变能 的 积及释放有 多的了解. GPS的缘起及发展 GPS最初由美国国防部为军事定时及定位导航而发展,可以有效提供全球三维空间位置并决定运动的速 及方向,该系统自70 代初开始研发,於1978发射第一颗测时暨测距导航卫星(Navstar),从此启动全球定位系统, 经十余之发展,於1994 初步设置完成,并维持正常运

5、作.在1993 第24颗GPS卫星进入太空轨道运 后,GPS已达初步操作能 .GPS卫星运 於20200公高的轨道上,共有 个轨道面,另有三颗备用卫星在轨道上运 ,以随时替补发生故障的卫星 (图一).GPS卫星每11小时58分绕地球一周,无 在地球上的任何时间与角 ,只要 被遮蔽物掩盖, 可以至少接收到四颗以上的卫星,并且 受天侯的影响.GPS的讯号,包括二个L波段之载波,(L1及L2),其频分别为:L1 = 1575.42 MHz(波长19 cm),L1 = 1227.60 MHz(波长24 cm),此二种讯号为一10.23 MHz之基本L波段频 分别乘上154及120后所组成.此二种讯号为

6、同步产生,故使用者可同时接收讯号,以进 电 层延迟 之 定,并可对大气折射效应施以适当之修正,同时在载波上有测距电码及其他讯息.假设GPS接收器测出所在位置与三颗卫星的距 ,则接收器一定位於三个测距球面的交会处.根据几何学原 ,三个球面的交会处最多只有 个点,最靠近地球的一点即为接收器所在位置(图二).GPS的基本观测原 是 用太空中已知轨道的卫星位置到地面测站之间的距 .卫星所传送之讯号 间断的由时间同步之接收仪加以记 ,也就是 测站至卫星间的距 可以由讯号传送之时间乘上电波之速 决定之.GPS卫星传送的讯息有 种,第一种为导航讯息,包含卫星轨道资讯及送出 据的时间,GPS地面控制站 用己知

7、 考点的GPS追踪站网 ,计算出卫星的时间与空间座标,再将此讯息传回GPS卫星,然后卫星将此讯息再加入导航讯息中,随后传送至所有的使用者.GPS卫星传送的第二种讯息为所谓的虚拟随机杂电码(Pseudo-Random Noise Code, PRN码),此种测距码为含有独特模式的 位脉冲,可协助接收器测 进入讯号的抵达时间,也是 确定位的关键.卫星接收器存有各卫星独特的PRN码序 的副本,可藉此比对而估算卫星测距讯号的抵达时间延迟多久,接著接收器再把延迟时间乘上光速,即可算出所在位置与卫星之间的距 (图二).当有足够的卫星资讯被接收仪同时接收时,则测站之三维位置(经 ,纬 ,高 )即可求得.然而

8、由於接收仪与卫星之时间并无法保证完全同步,因此时表之误差必须加以考 ,以获得较高之定位 ,每颗卫星上并装有高 的铷原子钟及铯原子钟,准确 可达10亿分之1秒,以提供 密的时间标准.对每一个位置的点而言,皆包含点之三维地心座标及接收仪之时表误差等四个未知 ,因此要得到三维的定位资讯就必须至少有四个卫星的观测资 进 计算(图三). (图一) GPS卫星及其 个轨道面分布图,此种轨道考 在於让地球表面上各测点均可同时接收四颗以上的GPS卫星而达到 确定位之目的. (图二) GPS藉由测 地表上特定的位置与至少四颗卫星的距 ,再 用三边测 方法可以算出此地表位置的座标. (图三) 每颗GPS卫星 带有

9、 确的原子钟,但GPS接收器却只有石英钟.因计时之误差,最初三个测距值无法 确交会在一起( 线),GPS接收器必须取得第四颗卫星的测 值,此 据可以决定一校正因子,可使最初三个测距值的端点交会在一起(红线). 如何分析及搜集GPS资 目前台湾监测地壳变动的GPS测站接收方式,主要有 续接收站和地壳变动监测站二种, 续站每天24小时 间断观测(图五),通常为每30秒一笔记 .新的 续追踪站则存在 种接收资 模式, 如可同时接收30秒及1秒一笔卫星资 .另外地壳变动监测站的观测方法是每 选定一段间进 观测,每个测站每天的观测时间约为6至14小时.通常在一个测区同一天会同时进 多个测站的同时观测,亦

10、即每个测站会在同一时间接收卫星讯号,且每站观测时间相同.通常每个测站 会重覆进 2-4次以上的观测,因此野外作业时间会随著测区大小与测站 目而变,有时需要3-5周,才可以将全台湾的测点 施测完毕.目前GPS的观测及资 处 采取一定的措施,包括使用水汽 射计测定气象 ,采用 密星 ,研究 化卫星轨道及电 层与对 层模型,以 提高GPS的高程与进一步提高基线的 .目前台湾GPS观测网之基线长 ( 测站之距 )大 在2 200公 之间,其水平误差 (包含东西及南 分 ) 约为0.5公分,高程误差约为水平误差的3-5倍.一般而言,误差的大小与测站基线的长短及接收卫星讯号时间有关,在透空 好的情况下,基

11、线愈短及接收时间愈长,其误差愈小. (图四)台湾大学地质科学系与成功大学地球科学系於台东县池上乡 方富南国小所设 之GPS 续观测站.(A) GPS观测站之外观,接收天线位於白色天线罩内.(B) 仪器箱内含双频GPS接收器,地震仪,备用电池.接收之卫星讯号经由ADSL传回台大地质科学系,进 资 解算. 板块运动移动多快 板块内部是否为刚性变形 板块构造学 自1960 代开始发展以 ,地质学家们 对於板槐移动的速与方向有著非常大的兴趣.早期对板块运动的描述主要是依靠中洋脊的扩张,古地磁磁条的 常,转型断层的方向,洋底岩石的 龄,火山岛链及热点的分布和地震断层的 动等,得知 板块欧 极(Euler

12、 Pole)的位置和旋转速 .根据欧几何学原 ,对一球面上的任意曲线,可选择一条通过球心的轴,经过一次旋转 可以将它变换到球面的任意位置与任意方向上.在地球上这意味著一个表面刚性的块体,可以绕著一条唯一确定的轴,旋转一定角 后而到一个新的位置上,这条通过球心的轴称为该块体的转动轴,或欧 轴.欧 轴与地面的交点为转动极,亦称欧 极.各板块的欧 极的经纬 以及该块体绕极转动的角速 唯一地确定 该块体的运动,因此 用尤 极可以计算二个刚性板块间的相对移动速 .但以上的方法, 必须要有相当丰富的野外调查及仪器分析资 ,资 的取得有时会受到相当大的限制.近三十 由於太空测地学之进步,经由GPS与超长基线

13、干涉法(Very Long Baseline Interferometry, 简称VLBI)的发展, 能够 确地观测板块运动之速 ,VLBI是在相隔很远的2处的电波望远镜(天线)同时接收从 星体等天体发射出的电波,通过测定当时接收信号时差即延迟时间, 密测定 续 天线间的长 变化的技术.图五为 用GPS观测位於板块边界及板块内相对於全球地心 考框架(ITRF2000)之移动速 ,即地面站相对於地球质 中心之移动速 .由图可知板块相对地心坐标系统移动的尺 ,最大约为每 10公分左右,图上结果显示板块为刚性的假 大致成 ,然而板块边缘或大 地壳造山带的变形则为非刚性变形,可由测站间速 的改变而得知

14、, 如印 大 碰撞到欧亚大 ,在碰撞的边界造成的山脉及高原,同时邻近板块边界的GPS测站也显示出较大的速 梯 的变化.另一个板块边界变形带的著名范 ,则是位於菲 宾海板块及欧亚板块的台湾岛及菲 宾.中央研究院地球科学研究所於19963月,1997 5月及1998 2月在菲 宾的GPS观测显示(图 ),对这一宽达400公 的GPS测线的重复观测,可提供许多有关菲 宾断层 移 的资讯,并估算台湾- 宋地区的地壳运动速 的变化. (图五) 用GPS求得全球板块相对於全球地心座标之移动速 及方向. 台湾地壳变形的GPS速 场图像 台湾位於欧亚板块与菲 宾海板块的接合处,二者以每 8.2公分的速 互相靠

15、近,使得台湾发生显著的缩短变形作用(图七).以大时间尺 看,这二个板块的聚合速 非常快,使得台湾岛的地震活动频繁,活动断层与褶皱构造分布广泛.中央研究院地球科学所於1989 起建 台湾全球卫星定位系统观测网,涵盖台湾全岛及附近各主要 岛,并自1990 起每 实施一次高 全球卫星定位系统测 . 吾人以澎湖的白沙站(S01R)为 动的 考站,位於菲 宾海板块上的 屿和 岛以每 8.2公分的速 朝西 方的澎湖靠近,使得台湾岛大部份地区受到大小 等的挤压作用,在花东纵谷,新竹以南的西南部平原和麓山带其测站速速 极为显著且其移动方向大多向西 或西移动.至於台湾 部及宜 平原因冲绳海槽的弧后张 作用影响,

16、因此其测站速 较 明显,方向在宜 平原呈现向东南方向移动,与台湾中,南部地区正受到菲 宾海板块碰撞作用所受大地应 的情形 同.以台湾花东纵谷 侧的测站相对於澎湖白沙站而言,在纵谷断层东侧的测站每 向西 移动约6-7公分,而邻近纵谷断层西侧的测站则每 向西 移动3-4公分,因此跨过花东纵谷断层每 约有2-3公分的地壳变形缩短 .同样的道 ,我们可以 用跨过一条断层带 测的测站,评估此断层带的变形程 .由於台湾全球卫星定位系统观测网主要针对大区域的地壳变形而布设,因此对於个别断层带的变形程 的评估,则需要在邻近此断层带增加 多的测站,才能 确评估其变形 为. (图 )台湾- 宋地区GPS测站相对於

17、稳定欧亚大 之移动速 ( 考点为位於上海的VLBI测站),箭头长 代表速 ,末端椭圆代表95%可信 范围;黑色三角形为测站位置. (图七) 台湾GPS速 向 与台湾地体构造之关 .上图:由1992至1995 观测资 ,估算的台湾现今地壳水平运动速 ,箭头代表各测点相对於澎湖白沙站(S01R)的速 ,箭头末端椭圆为95%可信 范围.下图:台湾地体构造示意图. 集集地震时之位移 集集地震造成沿 埔地表约100公 长的破 ,断层二侧瞬间位移 达公尺,导致建筑物的损毁和人命的伤亡.为了解集集地震后的详细地壳变化情形,各单位 即展开全球卫星定位之测 .比较震前与震后的资 ,可得知集集地震的同震范围相当广

18、,包括苗 以南,嘉义以 的地区,自西海岸至东海岸 有显著的位移(图八及图九).根据地震后的资 显示, 埔断层南段约有3公尺的压缩 ;往 逐渐层加,至 埔附近已达8公尺.整体而言, 埔断层是一逆断层作用,亦即在断层倾斜面上方的断层上盘相对於断层面下方的下盘有相对的抬升而言;因此 埔断层西侧的测点(位於断层下盘),主要往东方或东南方移动,而断层东侧的测点(位於断层上盘)则往西 方移动.虽然GPS所得的高程误差较水平为大,但由於集集地震所造成的位移 非常大, 用GPS所测得高程变化之趋势亦可代表断层作用造成的地壳垂直变位之趋势.在 埔断层东侧上盘呈现上升现象,而西侧下盘则普遍下 .而在三义-东势-埔

19、 地震带之西南侧之点位均呈现上升之情形,而在东 侧的点位则呈现 动或少 下 的情形.东侧上盘抬升 向东急遽减小,距断层线约15公 以东的日月潭及埔 -雾社地区已转为下陷.断层下盘 呈下陷现象,最大者位於断层线附近达0.3公尺.埔 的虎子山系原有台湾地 座标的起算原点,经此次地震已有2.3公尺朝西 方的水平位移及0.6公尺的下陷 . 发展前景: 迈向1Hz的卫星接收及解算 地壳变形与地震的孕酿是大地活动构造研究的重要课题,需要有现代大地测 技术提供大尺 ,整体性,高 的地壳变形观测资 .地壳各块体相对运动的 均匀性,或是活动构造带 积变形孕育地震.强震引起的应变释放又在相当范围内调整地壳局部变形 态.地壳变形的 积,释放和调整是孕震研究上需要厘清的课题.因此地壳变形 的估算和活动断层活动性的评估极待高 的监测,可进一步建 断层活动的变形 为.在地震研究 域,各国 充分 用GPS快速发展的技术.台湾地区断层密布,因此想要监测台湾的地壳变形,布设密集的GPS观测网是一个可靠的方法.目前中央研究院已积极在全台设置GPS的 续追踪站,台湾大学地质科学系以及中央地质调查所亦积极从事GPS地壳变形的监测,并且逐渐在各邻近断层的地区设置 续追踪站或是监