气象因素对基岩观测标志稳定性的影响

气象因素对基岩观测标志稳定性的影响

在地壳变形监测领域，观测标志的稳定性对地质运动信息的识别有其不可忽视的影响。但是,由于基础条件(如基岩、土层、楼顶)、气象条件(如日照、降雨、刮风)、所在地域(如平原、高原、沙漠、不同地理纬度)、季节变化及年变化等因素的影响,观测墩存在偏移运动,可能对观测标志的稳定性产生影响。国内外针对观测标志稳定性的研究不多。雒喜平、Fernando分别针对兰州CORS观测墩和伊泰普水电站变形监测网络观测墩,通过解算并比较基线向量的方式分析观测墩稳定性。但是,此方法只能了解观测墩长期内相对于参考站的平均稳定水平,并不能了解观测墩每天的实际运动状态和偏移量值大小。Yan、闫昊明研究了温度变化对GPS台站垂直位移的影响,发现其影响显著,在周年振幅上可超过0.5mm,但没有涉及水平方向的稳定性。本文采用VP型垂直摆倾斜仪,针对气象因素对观测标志稳定性的影响,选取典型GNSS测站,对观测标志的稳定性进行研究。1观测墩倾斜角度的计算垂直摆倾斜仪利用了摆的铅垂原理。垂直摆的倾斜角度θ与传感器的输出电压U动成正比,比例系数为k(称之为仪器格值),即将垂直摆倾斜仪架设于GPS观测墩顶面,使测向方向与动片平面成垂直关系,将摆块调节到零位附近。以某一时刻为基准,倾斜仪输出电压值为测向初始电压U0,当观测墩发生角度为Δθ的倾斜变化时,倾斜仪同样发生角度为Δθ的倾斜变化,进而引起输出电压值的变化ΔU。根据(1)式,由电压变化值和仪器格值,可计算出仪器相对于基准时刻平衡位的倾斜角度大小,也即观测墩相对于基准时刻的倾斜角度。将观测墩视为刚体,则观测墩顶面上的点作以墩高H为半径的圆弧运动。由于观测墩的倾斜角度很小,因此可将观测墩顶面上点的圆弧运动近似看作水平运动,垂直运动忽略不计。如图1所示,分别计算任意时刻在该测向上观测墩的倾斜角度和偏移距离:其中,Ui为测向上某时刻的电压值;U0为该测向初始电压值;k为该测向仪器的格值;ρ=206264.8(″);Δθ为该测向对应时刻观测墩的倾斜角度;H为观测墩高度;dx为观测墩顶面点在测向上的位移,即观测墩的偏移距离。2观测墩的日偏移运动分析为研究观测标志的稳定性,先后于2010-05~08和2012-07~2013-01分别在黄梅地震台和荆门地震台内对观测墩进行了两期观测。其中,黄梅地震台的观测墩于2011年投入湖北CORS网络观测使用,高度为3.4m;荆门地震台的观测墩为中国地壳运动观测网络的基本站,高度为3.2m。两座观测墩均建立在基岩上,避免了外界因素对观测墩所在地面的干扰,保证了垂直摆倾斜仪能够对观测墩的偏移运动进行可靠观测。在观测墩顶部架设两台倾斜仪,分别测量观测墩南北和东西方向的倾斜变化。实验中,在观测墩的南北面或东西面分别放置一枚温度传感器,以测得墩体各面的温度值(由于本实验所使用的数据采集器最多只可采集4个通道的数据,故最多可同时安置两枚温度传感器。黄梅台站的实验数据为南、北面温度,荆门台站的实验数据为东、西面温度)。数据采集器放置于台站的观测室内,同时获取倾斜仪输出的电压值和传感器测得的温度值,采样周期为60s,每个数据通道每天有1440个数据。所有观测设备均连接到台站观测室内,由市电进行供电。由于断电、仪器故障、外界干扰等因素,两期实验的观测数据均存在不同程度的缺失与错误,需要挑选适当时间段的数据进行计算与分析。原始观测数据中存在尖峰、台阶、噪声等,必须进行预处理后才能用于观测墩的日偏移运动计算及分析。基于数据连续变化的原则,设定时间窗口和变化阈值探测尖峰和台阶。尖峰数据采用线性插值法进行改正,台阶数据则要在台阶发生后的数据中改正,噪声数据采用小波变换的方法进行消噪。数据预处理后,由式(2)和(3),可计算得到观测墩的偏移时间序列。基于本实验的实际情况,偏移特征的分析均分为南北方向和东西方向两部分。2.1观测墩日偏基因特征以单天24h为一个处理区间,以00:00为基准时刻。假设某一测向上单日偏移时间序列为D(1×1440的矩阵),可求得当天这一测向上的偏移日均值d平均、偏移日变幅度A、回归位置(即23:59时的位置)p回归等特征值。计算公式如下:其中,D(i)为时间序列D中的第i个元素,max(D)和min(D)分别为D中的最大值和最小值,D(1440)为D中的最后一个元素。选取黄梅2010-05-25~07-07和荆门2012-11-17~2013-01-19两段时间的观测值为例进行计算,得到单日偏移特征量如图2所示。表1和表2分别对黄梅和荆门观测墩的单日偏移特征量,包括偏移日均值、偏移日变幅度、单日回归位置,按距离区间进行统计,计算各区间在总数量中所占百分比。其中,偏移日均值和单日回归位置的数值存在方向性,故均取绝对值。结合图2~图4和表1、2进行分析可知,观测墩在南北向和东西向上存在回归性的日偏移运动,每天的回归位置多距离基准位置0.5mm以内,最大不超过1mm。在选择的多天观测时段内,黄梅观测墩在南北方向上的偏移日变幅度和偏移日均值多在3和1mm以内,最大可达3.5和0.9mm;在东西方向上的偏移日变幅度和偏移日均值多在0.5和0.1mm以内,最大可达0.5和0.13mm。荆门观测墩在南北方向上的偏移日变幅度和偏移日均值多在3和1mm以内,最大可达3.2和1.3mm;在东西方向上的偏移日变幅度和偏移日均值多在2和0.2mm以内,最大可达2.9和0.25mm。此运动量级对GPS单日解的影响较小,对高频解有一定的影响。其对高精度地壳运动观测造成了一定的影响,特别是在南北方向上,贡献可达1~2mm。由上可知,观测墩在南北向上的偏移变化大于东西向。其次,考虑到黄梅和荆门的观测墩实验分别处于春夏和秋冬季节,由两处观测墩单日偏移特征量并无显著差别可知,季节变化对观测标志稳定性的影响不显著。2.2观测墩日变化的规律以连续多天为处理区间。以第一天的0:00为基准,每个数据通道可得到1400×N个连续观测值(N为天数)。由式(2)和(3),可求得观测墩连续多天的偏移时间序列。同样选取黄梅2010-05-25~07-07和荆门2012-11-17~2013-01-19两段时间的观测值为例进行计算,结果如图5与图6所示。由图中波形曲线可以直观地看出,观测墩每天在南北向和东西向所作的是回归性偏移运动。观测墩从每天的基准时刻开始发生偏移,到每天的24:00回归到基准位置附近。特别的,对于多日连续偏移,在所选观测时段中,黄梅和荆门观测墩在南北向和东西向上最后一天的回归位置距第一天的基准位置也均在1mm以内,可知观测墩偏移的多日累积效应很小,观测墩经过多天回归性偏移后,仍能保持在最初的基准位置附近。此外,黄梅与荆门的观测墩运动有如下共同特点:在南北向上,向北的偏移幅度明显大于向南;在东西向上,向西和向东的偏移幅度大致相同,向西的偏移幅度略大于向东;对同一观测墩而言,一天中南北向的偏移日变幅度大于东西向。3观测墩偏移与高差变化的关系将温度传感器测得的观测墩两面温度值相减,得到温差时间序列。选取黄梅2010-06-25~08-13和荆门2012-11-17~2013-01-19两段时间的观测值为例进行计算。其中,黄梅观测墩测量的是南、北面温度,温差数据由南面温度减去北面温度得到;荆门观测墩测量的是东、西面温度,温差数据由东面温度减去西面温度得到。黄梅、荆门观测墩偏移时间序列和温差时间序列对比如图7、图8所示。从图中可以看出,观测墩南北向和东西向的偏移分别与观测墩南北面温差和东西面温差成正相关的关系。表现为,当南北面温差增大时,南面温度比北面温度升高得快,观测墩发生向北偏移;反之,当南北面温差减小时,南面温度比北面温度降低得快,观测墩发生向南偏移。东西方向观测墩偏移与温差变化的关系亦是同理。此外,当温差变化幅度很小时,观测墩的偏移量也很小。由此可以推断,由温差变化引起的观测墩膨胀度差异是引起观测墩偏移的主因。对于图7和图8反映的测向上偏移与温差的关系,应用Matlab计算偏移曲线与温差曲线的相关系数发现,偏移曲线相对于温差曲线存在着相位延迟。对偏移曲线进行相位调整后(黄梅观测墩的偏移曲线沿x轴负向平移1/40d,即36min的相位;荆门观测墩的偏移曲线沿x轴负向平移7/120d,即84min的相位),计算得到黄梅观测墩的偏移曲线与温差曲线相关系数达0.88,荆门观测墩的偏移曲线与温差曲线相关系数达0.81,观测墩在测向上的偏移变化与该测向上墩体两面温差变化的相关度较高。同时也说明,观测墩偏移对温差变化的响应存在时间上的滞后,也即存在着温差效应累积的过程,这与人们直观上的认识是一致的。通过检视本实验时段内黄梅与荆门的气象记录及两地地震台的气象三要素观测值发现,黄梅的2010-07-06~07-16,荆门的2012-11-20~12-01、12-09~12-20、12-25~12-29等时段中,阴雨天气较多,这与图7和图8中观测墩两面温差变化较小、观测墩偏移日变幅度很小的时段基本吻合。在这些时段中,观测墩南北向和东西向偏移日变幅度均在0.5mm以内,且仍与温差变化有一定的对应关系;气象三要素观测值中,气压在一天中的变化最大可达1000Pa以上,但观测墩偏移未有显著变化。可见,降雨、气压变化等因素对观测标志稳定性几乎没有影响,日照是引起观测墩体不同部分温差的主要因素,也是观测墩发生偏移运动的主因。因此,GNSS高精度连续观测站将墩体建于观测室内,避免阳光照射是必要的。除此之外,对观测墩加装温度防护设施,或采用热膨胀系数较小的特殊设计(如美国采用的三角爪观测墩),也是避免日照对观测标志稳定性造成影响的有效措施。另外,由实验数据算得观测墩的日倾斜角度变化可达102″量级,远大于地球固体潮引起的地倾斜变化(10-2″量级),因此,固体潮对观测标志稳定性的影响也很小。注意到黄梅与荆门的地理纬度分别为北纬30.09°和北纬31.02°,在地球的北回归线以北。在这两地,一年中白天太阳的位置总是位于天空的南边,观测墩南面受光照更充分,膨胀更剧烈。由此推测,这两处的观测墩在南北方向上,每天的大部分时间处于向北偏移的累积效应中,故在南北向上的偏移运动以向北为主;而在东西向上,由于东向和西向的日照时间平均,观测墩在正午时分过后便会向东发生回归运动,抵偿正午以前的西向偏移,故西向和东向的最大偏移幅度应大致相同,且在同一天中,南北向的偏移日变幅度应大于东西向。这与上两节中得出的结论是一致的。因此可以推断,观测墩在南北向上的偏移运动与该地所处地理纬度和季节有关:在北回归线以北,一年中太阳的位置始终偏南,观测墩以向北偏移为主;南回归线以南,太阳位置始终偏北,观测墩以向南偏移为主。在南北回归线之间,每年的3月20日(春分)至9月20日(秋分)左右,太阳的位置偏北,观测墩以向南偏移为主;每年的9月20日至下年3月20日左右,太阳的位置偏南,观测墩以向北偏移为主。东西向受太阳光照时间平均,故偏移无类似变化。相关结论需要对处于不同纬度上其他地域的观测墩进行实验加以验证。4基岩观测墩体偏差1)观测墩在南北向和东西向存在回归性的日偏移运动,南北向的偏移变化大于东西向。南北向的偏移日变幅度和偏移日均值多在3和1mm以内,最大可达3.5和1.3mm;东西向的偏移日变幅度和偏移日均值多在2和0.