浅谈地壳运动监测方法

题目：浅谈地壳运动监测方法专业：测绘工程【摘要】基于GPS对地表表面的监测的稳定性，长期性，连续性，精度高等特点，从而可以判断地壳的变化情况及趋势，并且与挤压变形的结合，形成一个长期的监测手段。在用卫星热红外影像进行整体区域的蕴藏能量的判断，进行短期的辅判，形成一个长短结合，质变到量变的一体化监测模型。并且结合“中国地壳运动监测网络”与地球板块运动模型，形成整体与部分相结合的地壳运动监测模型。为预测地壳的变动以及在灾害面前保卫人民生命财产争取更多的时间提供更准确更可靠的服务。【关键词】GPS；中国地壳运动监测网络；雷达与热红外遥感；地壳变形监测；互联网目录TOC\o"1-3"\h\u207221.引言 I1.引言1.1研究背景地球生命的演化，就单从人类的发展历史来看，都没有离开过地球表面，一次大的地壳变动将足矣给人们带来灾难性后果。小的震动同样也会夺取千千万万人的生命，就更不要说对人类财产的破坏、社会经济发展的阻碍。特别是今天高科技的发展给人们带来的物质的享受，但与此同时一不小心也会酿成大祸。比如核电站所坐落的地质层变化，放射性物质的泄露将会是一次灾难，这样的例子也不少。不管在生活或者经济建设中，地壳的变形与运动，局部的运动变形导致高楼大厦、路桥隧道的变形，减少其寿命，甚至倒塌给经济建设带来严重的后果，大面积乃至板块的运动将会带来人类灾难。地壳作为人类唯一可以直接观测的地球外部圈层，对地壳的研究和反演研究地球内部运动具有重要意义。作为地球学科一个重要分支，对于地震的研究也不可缺少。1.2研究现状地壳变形监测可以获取各种地球的运动现象数据，以前的监测从水准测量到激光测距，甚至使用三角测量。随着人类科学技术的发展，空间测量技术空前的发展，大地测量技术也在日新月异的变化。现代板块测量技术，甚长基线干涉测量技术（VLBI），卫星激光测距技术（SLR），全球定位系统（GPS）能以更高的测定精度测量出板块的相对运动速度。用大量的测量数据已经检验的地质学导出的现代板块模型（NUVEL-1）的正确性[1]。特别是GPS技术的成熟为大地测量做出了突出的贡献，观测成本低，全自动化，不受时间的限制，观测精度高，观测距离远。同时随着地球物理学，地质学，地震学，地球动力学都取得了很大的成功，交叉学科的发展为地壳运动提供了更可靠的工具。随着航天事业的发展，对地观测卫星的发射，遥感手段也大大提升了监测的效率，例如InSAR（合成孔径雷达）技术和热红外遥感的的发展日益完善，为地壳监测注入了新的活力。应用GPS系统数据来连续监测地壳运功状况，结合应力变化大小、方向进一步确认板块长时间的运功趋势和方向速度。并结合热红外影像进行补判，监测一些急促的短时间的运动，为减少灾害而做出努力。1.3研究目的和意义研究地壳运动意义在于地壳的运动会对于我们认识地震或者预测地震有着重要作用，因为从目前全球来看，是不能预测的，也是科学界的一个瓶颈。地壳运动的原因目前也没有一个权威的说法，对地震的认识还不够。所以地壳运动就成为我们一个重要的表象监测，地壳的运动还会给人类的生命财产带来严重的威胁，对人类的生活带来隐患。通过对地球变形速度场和应变率场的推算，可以得到研究区特定点相对于参考系的变化特征和应变率分布状况。研究地壳应力场可以推算地壳变形的动力源，对地壳构造机制做出合理解释[2]。2.地壳运动的概述2.1地壳运动的原因地球岩石圈层的运动叫地壳运动。地球表面相比较于地球的运动，通常所说的地壳运动，其实是特指岩石圈相对于软流圈以下的地球内部的运动。岩石圈下有一层容易发生塑性变形的较软的地层，这个地层很容易受到外力后就发生变化，相比较于坚硬的地壳外壳有些不相同，我们把这层叫做软流圈。软流圈上面的坚硬外壳层包括地壳和上地幔顶部，地壳可以在软流圈上面运动。关于地壳运动的原因上述只是大部分人的认可，但是目前没有权威的说法。2.2地壳的组成断裂分布全球板块的分布如下。板块不仅时刻在运动而且运动具有连锁效应，任何一个的运动都会引起其他的运动，即使没有变化，但也蕴藏了巨大即将要释放的能量。我国地处于大陆地处欧亚、太平洋、印度和菲律宾海板块的交汇地带，我国的陆地构造很复杂，同样中国也由小的板块组成，并不是一个统一的整体，而是由小块拼接而成，形成了一个暂时稳定的状态。但与此同时，环境的变化，自身的土质，自身的构造，人的活动影响，以及全球板块的运动带来的助力也足以让已经稳定小的板块活跃起来，随时都有动的可能性和趋势。对居住在其上的人以及坐落的建筑物都隐藏着巨大的隐患。图2-1中国地壳板块图图2-2世界地壳板块图2.3地壳运动与变形监测的意义地壳运功监测模型的重要性和意义基本表现在以下几个方面：1.地壳运动以及即将要变化的趋势如果被监测到或者预测到，这将是人类在面临自然灾又一次伟大性的突破，也为地球学科的研究提供更为宝贵的数据资料，为人类认识地球及其运动更近了一步。2.如果能提前预测到板块的运动以及趋势，将会为人们生命财产提供了一种更安全的保障3.地壳的运动同样可以在山体滑坡、大坝变形、铁路等自然灾害面前采取一定的措施，提高弥足珍贵的时间和人力物力的准备。3.监测方法的组成3.1CORS系统3.1.1CORS系统原理连续运行卫星定位服务系统，利用计算机和互联网技术实时给请求客户发送定位误差改正和定位数据。CORS系统具有独特的优势：1.CORS系统可以事实监测，不受时间和环境的影响，具有连续性，具有单独观测互不影响的优势，并且数值精度可靠高、数据数量足、稳定。2.CORS系统可以和互联网技术结合进行数据的共享，进行大面积区域进行数据的处理，现实性强，动态太化可观。3.CORS基准站目前的布设已经取得了进一步的发展，为我们数据的获取提供了可能性。同时随着我国北斗的建设，基准站的建设将会更加的完善，数据获取的丰富性将进一步提，升从而形成一套数据的获取链。4.CORS系统弥补了中国地壳运动观测网络基准站和基本站密度小的缺点。同时也利于了CORS系统本身分布的优势，分布在城市，对于人类居住的地质环境变形更为敏感和精确。5.中国地壳运动观测网络数据观测站分布和地壳板块组成相关，提供大框架的运动，CORS提供城市在地壳宏观运动和各种地质和建筑下相互作用的变形结果。6.例如日本国土地理院筹建的1000多个GPS连续监测站，从1994年4月监测到北海道东部近海8.1级大地震以及地震前后地壳变形。1995年1月17日监测到日本阪神7.2级大地震[3]。图3-1CORS系统的原理图图3-2中国地壳运动观测网络基准站（五角星）和基本站（正方块）分布图[4]图3-3中国地壳运动观测网络区域站点分布图[4]图3-4中国大陆及其邻区地壳运动的GPS速度场（相对于稳定欧亚参考框架)[4]3.1.2CORS数据的作用就现在的地面连续监测站数据而言：1.GPS系统不仅可以测的基准点的P（x，y）而且还可以解算基线向量的长度P1（x1，y1）到P2（x2，y2）的距离，方向。2.总共有n个基准站，总共就可以解的C2n条基线向量。3.在CORS基线网中，随着数据的更新网形基线向量也在更新变化。4.可以计算出每一条基线向量的长度随时间的变化而变化情况，以及点位变化，从而确定出点位的移动方向及其变形的程度大小。5.每一点的坐标三维变化值，以及联合局域网内的点的变化，从而断定局域板块的运动速度和方向以及扭曲变形的程度。6.结合“中国地壳运动监测网络”以及全球板块运动模型的运动状况对某一板块的趋势影响，在根据具体板块的具体断裂构造以及地质构造和当地地质条件，可以确定运功方向，以及速度，变形程度导致的地壳的起伏还是下沉或者形成新的断裂。图3-5福州、厦门、泉州、莆田、东山至桃园基线的时间序列图[5]3.2雷达与红外遥感3.2.1雷达与红外遥感的原理遥感是指传感器发射电磁波，电磁波经过和目标作用后经过大气后传感器接受的信息，或者直接接受地表电磁波的反射或辐射电磁波信息，通过这些相互作用的信息来提取需要的数据或者信息。红外遥感就是工作波段处于红外波段的遥感。雷达遥感中最成功的一项技术就是InSAR，属于微波主动遥感的范畴，用两幅天线和观测目标之间位置关系通过接受目标的两个回波之间的相位差来产生图像从而达到提取信息[6]。3.2.2雷达与红外遥感的作用雷达遥感以InSAR为代表的新一轮技术从真实孔径到合成孔径，通过差分干涉手段可以量测地表变形在厘米甚至毫米级的变形。雷达遥感可以穿透云雾，尘埃，受天气影响比较小可以获得更多的地面信息。可以进行被动的微波遥感搭载在卫星、航空飞、直升无人机进行大面积或者小面积的监测，机动性强、效率高。弥补了热红外遥感的不足之处。热红外遥感，具有对地表温度敏感的特性，从而可以感受地表热异常的信息。地表的热异常是地壳运动或者能量释放的一种前兆，因为地壳的运动或者有运动的趋势都会向外释放大量的能量，这些能量很大部分是辐射或者以热的形式释放的。利用热红外探测仪器就可以探测出来能量异常的片区，从而为预报地壳的变化以及自然灾害提供一种大面积，连续性，宏观的预报，不在是传统的点式测量。随着对微波的特性的认识和遥感技术的发展，热红外影像可以判断地表温度以及蕴藏能量的大小，如果地面的有比较大的变形运功或者趋势，利用热红外影像可以进行区域的判定，从而进行CORS判定的不足以及整体的把握。以卫星热红外遥感进行短期监测，可以进行如：地震、泥石流、大坝的安全性的一个大面积的监测。与此同时热红外遥感也有自己的不足就是，受到云雾，天气，尘埃的影响比较大，探测到的信息比较有限。图3-62008年汶川地震前5月6日热异常图[7]图3-7汶川地震震前及震后的红外温度差异的动态演化过程（红点表示震中，绿线表示活动断层）[8]从图3-7和3-8中用热红外遥感图可以看出地震前的能量分布差异变，可以大概了解地壳运动的片区和强度状况，为地震短期预报提供很有价值的参考。图3-8汶川地震震中区域的InSAR干涉图[9]3.3应力传感器3.3.1应力传感器传感器的埋设地点一般是构造带或者断裂带，地壳的运动变化首先从有断裂的地方更容易释放能量，同时变形也比较显著，不会像坚硬的地表对变形具有一定的抵抗作用，或者具有一定的缓冲变形的大小。如果这些地方地壳运动往往会释放很大的能量，同时也会对地表造成比的破坏程度也会比较大。这样便可以更容易更快速更安全的发现地壳的变化状况，应用压力传感器就是根据这埋设在断裂地带地层中时时刻刻监测压力的变化。同时也要在城市，或者重要建筑物，基础设施分布区域相应的布设，比如，核电站，大型水库水坝等。这些区域的安全直接关系到千千万万的人们生命以及财产的一种传感器可以感受到不同方向的挤压和压力的大小。3.3.2应力传感器作用压力传感器形象的比作一个球体，当受到来自不同方向的压力之后就会变形，变形成椭球，来自不同的挤压或者剪切都会形成特定的形状，从而传递给我们地层的运动趋势，或者断裂形成剪切，或者挤压运动，以及各地壳的力学运动特征都会比较好的体现。更好的帮助我们结合地面其他监测进行分析以便更准确的判定地壳运动趋势。图3-9受到压力后变形前后地壳运动是一个力学过程，埋设在一定深度的传感器来测定地壳变形状况，通过力的分解，算出各个方向上的力的大小，可以判断出地壳表侧的变形状况。水平剪切变形强度，水平张压变形强度垂直剪切变形强度，地表变形强度，水平变形强度。3.4监测方法的流程实现图3.4.1坐标系统的转换任何测量都需要一定的坐标系统，不同的系统就有不同的坐标。全球定位系统（GPS）采用的是WGS84坐标系统，该系统测量的坐标数值与我国的坐标系统不同，所以存在一个坐标转换的过程。1.在不同空间直角坐标系统转换涉及七个参数，三个旋转角度，三个平移量，以及一个比例关系。2.不同大地坐标系统的转换包含三个平移量，三个旋转参数，一个比例参数，还有两个地球椭球元素变换参数。只有经过转换后这些坐标才能为我国的经济建设使用，同样才能被大多数的测量，监测所发现和识别。3.4.2坐标系统的精度随着，测量精度也逐渐提高。GPS技术的成熟，全球IGS的合作和努力，使得国际地球参考系统（ITRS）和国际地球参考框架（ITRF）。不管是参考椭球定位定向还是椭球参数的精度进一步提升，从而使得三维坐标基准和卫星大地控制网的精度提升。与此同时我国也是努力合作不断进取建成了高精度的GPSA，B级网和GPS一，二级网从而提供给了地震预报和板块运动的科学研究所布设的“中国地壳运动观测网络”，同时为我国的2000国家大地坐标系统做出的基础性工作。GPS连续观测数据应力感应器数据雷达与热红外影像数据GPS连续观测数据应力感应器数据雷达与热红外影像数据宏观地壳运动速度场互联局域联合计算。时事动态监测数据传输宏观地壳运动速度场互联局域联合计算。时事动态监测数据传输辅助运动区域短期决策判断地壳力学运动。判断力的大小方向。1．基线向量所围成图形的扭曲，摆动与变形。2.判断监测变形区域或者断裂带。判断地壳力学运动。判断力的大小方向。1．基线向量所围成图形的扭曲，摆动与变形。2.判断监测变形区域或者断裂带。判断能量蕴藏区块。InSAR监测地表微小变形互联网时事动态数据传输互联网时事动态数据传输计算机联合叠加计算。建模运动变化模拟。与“中国地壳监测网络”结合。整体决定局部，局部有自己特点判断出变形的状况：判断出变形的状况：地壳运动方向。地壳运动速度。地壳上升下降扭曲破坏程度估计。结合地壳构造成分与地面建筑估计能力释放剩余时间。图3-10监测流程图4.监测方法特点分析4.1优点1.目前的该监测模型与现有的获取数据，相结合GPS，雷达与热红外遥感。2.与国家建设的“中国地壳运动监测网络”和全球板块运功相结合，对于国家短、中、长期地震预测有一定的参考价值，运用互联网传输数据成为了可能。3.随着我国经济实力的提高科学技术的发展，定位为系统的多样化，不仅有GPS还有我国的北斗俄罗斯的GLONASS，欧盟的GALILEO定位系统。为大地监测提供更高精度的数据，随着跨学科的结合，板块运动的规律将慢慢被人们认识和熟悉。4.目前的全球监测网有：（1）中欧16国大地测量和地球动力学合作计划CEI。（2）中南美GPS计划CASA。（3）阿根廷的GPS计划。（4）非洲地壳运动的监测计划。（5）意大利的第勒尼安海大地网计划。（6）美国南加州永久GPS大地测量阵列。（7）日本的地震地壳监测网(GEONet)。（8）中国地壳运动GPS监测网[10]。5．随着GPS软件处理数据精度的提高和坐标参考框架的完善，地壳运动的变化将更准确化。6．中国地壳运动观测网络(CMONOC)是依托全球卫星定位系统(GPS)观测技术的支持下,在加上甚长基线射电干涉测量(VLBI)和人卫激光测距(SLR)等空间技术,结合精密重力和精密水准测量构成的大范围、高精度、高时空等技术。加上全球的监测系统，以及交叉学科的发展，建城一个动态的，网络的，全国的地壳监测网络系统是可能的，也是必然的。4.2缺点1.该模型对数据现势性的要求比较高，以及对计算机处理能力比较搞，要结合三种数据共同做出决断。2.发现问题确认问题对问题进行模拟判断这个完整的过程要与数学模型动态可视化相结合。所以不管对数据还是对数据操作处理数据要求都比较高。我国地大但经济发展相对落后，CORS系统跟踪站的建设相对比较稀疏。热红外影像的能力密度比较小，不容易穿透云层，遥感影像的分辨率相对比较低，遥感图像处理技术仍存在一些问题。雷达干涉测量数据处理软件跟不上数据的发展，卫星和航测传感器的发展也比较落后。传感器的放置也存在问题，因为钻探技术的落后，人类一直停留在地球表象，无法深入地球内部，从而限制了人类认识地球的速度。5.结语通过对地壳运动监测模型的探讨，更深刻的认识到到地壳运动监测的重要性。与此同时监测地壳的运动更为重要的事情就是提供可靠大量的数据并且运动一定的实现流程，取长补短共同监测，为灾害预报提供更准确的依据。在GPS高精度三维坐标系统下，长期进行地表监测手段获取地表板块的运动状况，从而解算出地壳的运