帕米尔高原现代地壳运动首期GPS观测及处理

潘正洋，何建坤，卢双疆

（1．中国科学院青藏高原研究所 大陆碰撞与高原隆升重点实验室，北京 100101；2．中国科学院大学，北京 100049）

0 引 言

全球定位系统（GPS）利用24颗绕地卫星进行实时精确的测定地面点位，以地面GPS固定站点之间的位置及其基线长度随时间变化来测定局部地区以及全球地壳的相对运动。GPS观测信息丰富，全球覆盖面广，具有高精度、全天候、全球性、实时性的特点，为得到高时空分辨率地壳形变的可靠结果提供了保证［1－2］。高精度GPS的相对定位已经达到上千千米长基线的观测中误差可达毫米级精度的水平，这样的精度足以检测出地壳运动与构造变形的细微变化［3－7］。

近年来，国内外学者先后在帕米尔地区展开了一系列的GPS观测及其研究。王琪等针对天山及塔里木地区，在1992～1999年间多次利用GPS测量直接观测到跨天山西段（76°E）每年约20mm的地壳快速缩短率及天山东段（87°E）每年约4mm的汇聚变形率［8－9］。杨少敏等利用在1992～2006年间天山境内外地区近400个测站的GPS观测，获取了天山现今地壳运动速度场［10－11］。牛之俊等利用天山境内外地区在1992～2005年382个GPS测站的原始观测资料计算了天山地区现今地壳运动速率，并得出天山的汇聚速率由西向东逐步减小的结论［12］。Reigber等于1994～1998年间沿着塔吉克盆地北边和东边、北帕米尔高原、塔里木盆地到费尔干纳盆地及其南天山到哈萨克地台，布置了92个GPS观测台站（CATS），得到北天山汇聚速率为每年（12±3）mm，北北西向到东东南向缩短速率为每年（23±3）mm［13］。Banerjee等在喜马拉雅西北地区主冲断带MFT布设了26个GPS台站，测得喀喇昆仑西北部的滑动速率为每年（11±4）mm，并且得出青藏高原南部区域呈东西向伸展，西北部喜马拉雅区域相对于南加帕尔巴特向西运动［14］。Mohadjer等在30°N～44°N和60°E～76°E区域布置了一系列的GPS站点，得到阿莱—南天山的汇聚速率为每年（12±2）mm，恰曼—伽德兹—库纳断裂带滑动速率为每年（18±1）mm，达瓦孜—卡拉库尔断裂带为每年（11±2）mm，塔拉斯—费尔干纳断裂带汇聚速率小于每年2mm［15］。Zubovich等于1994～2003年间在中亚地区布置了144个连续GPS观测点和400个左右流动GPS观测点，得到塔里木盆地相对于欧亚板块的汇聚速率为每年（20±2）mm；GPS观测数据结合地质数据显示，帕米尔北缘俯冲到阿莱谷地至少需要速率为每年10mm，最大达每年15mm，塔拉斯—费尔干纳断裂带现今滑动的最大速率为每年2mm［16］。

这些GPS观测点主要分布在帕米尔高原西南侧及其东北侧天山附近，在喀喇昆仑断裂地区及其阿里盆地地区的GPS观测点非常稀少。笔者通过对帕米尔地区GPS测点进行合理设置及补充，分别在南北向及其东西向布置了2条剖面进行观测，认识青藏高原的形成过程和大陆动力学理论，探讨岩石圈变形的行为方式。

1 研究区概况

新生代以来，印度板块与欧亚大陆碰撞和持续汇聚作用在中亚地区造成了强烈的陆内形变，引起帕米尔高原大幅度向北推移旋转以及西昆仑山、天山等古老造山带的复活，使帕米尔及其邻区成为大陆内部构造运动十分强烈的地区［17－18］。

在整个青藏高原及其附近地区的GPS速率图上，可以明显看出帕米尔地区的GPS观测相对不足（图1）。现有这些GPS观测资料难以约束帕米尔高原一些大型断裂的运动学特征，为了更加紧密具体地得到帕米尔地区一些主要断裂的滑动速率，更好地约束整个青藏高原及其帕米尔活动区域的应变场［11，19］，笔者在前人工作基础上，于2011年7月在该地区进行了首次观测，并取得了一些结果（图2）。

2 GPS观测剖面布设与首期观测

本期GPS测点位于帕米尔高原区域（36°N～42°N、68°E～78°E），南边剖面从塔吉克盆地东北部到塔里木盆地西侧，西边剖面从费尔干纳盆地到帕米尔构造结内弧。野外选取无遮挡的出露基岩布设GPS测点，采用Trimble NetRs接收机和Zephry天线的GPS观测设备，设置采样率为30s，每个点位进行了不低于36h的连续观测。

3 GPS数据处理

本研究采用GAMIT／GLOBK软件（10．40版）对首期GPS观测数据进行处理。GAMIT／GLOBK软件是一种综合性GPS精密分析软件，由美国麻省理工学院（MIT）、哈佛大学天体物理研究中心（CFA）和斯克里普斯海洋研究所（SIO）共同开发和维护，可用来解算地面观测站的相对位置和卫星轨道及其他参数的数据处理。

图1 青藏高原GPS速率分布Fig．1 Distribution of GPS Rates in Tibetan Plateau

图2 帕米尔地区主要GPS测点分布Fig．2 Distribution of GPS Sites in Pamirs Plateau

首期GPS观测数据处理主要分为2步进行：①利用GAMIT软件进行单天解解算，估计站位置、卫星轨道参数等；②利用GLOBK软件获得时间序列检验坐标的一致性。基线处理时，选择周围的IGS（International GNSS Service）站与自己剖面测量的数据一起解算。解算时，主要考虑如下因素及其相关设置［20－24］：①电离层折射影响用LC观测值消除；②使用8个IGS站（BJFS，BRAO，HYDE，IRKT，POL2，KUNM，SELE，TASH）数据作为参考站约束；③使用来自IGS的精密卫星轨道和地球定向参数；④同时估计卫星轨道误差和测站坐标，即松弛IGS轨道；⑤截止高度角为15°，历元间隔为30 s；⑥对流层折射根据标准大气模型用萨斯坦莫宁（Saastamoinen）模型改正；⑦卫星钟差的模型改正（用广播星历中的钟差参数）；⑧接收机钟差的模型改正（用根据伪距观测值计算出的钟差）；⑨卫星和接收机天线相位中心改正，卫星与接收机天线L1、L2相位中心偏差采用GAMIT软件的设定值；⑩测站位置的潮汐改正以及光压模型BERNE（与SIO的全球解一致）。IGS跟踪站（NER测站）坐标约束为0．005、0．005、0．010m；GPS监测站（NER测站）坐标约束为9．999、9．999、9．999m。

在完成基线计算之后，进行GLOBK平差计算。计算中，采用ITRF08框架作为网平差的基础，主要约束为：①IGS核心站约束，共采用44个测站，每站坐标的约束为0．003、0．003、0．010m；②轨道约束，与SIO的全球解H文件联合求解，放松轨道至20m。

利用GAMIT解算时，首先需要建立工程目录（project），然后准备 GPS数据文件（rinex文件），导航文件（n文件）和星历文件（sp3文件），接下来更新表文件（tables），并建立表文件目录与该工程的连接，最后编辑控制文件包括处理控制文件（process．defaults）、站处理控制文件（site．defaults）、时段控制表（sestbl．）、站控制表（sittbl．）、站信息文件（station．info）和站坐标文件（lfile．）及其准备参考框架文件（itrf08．apr），准备工作完成之后，即可运行GAMIT的批处理命令进行解算。在解算过程中，GAMIT通过makexp和makex准备数据，用fixdrv模块生成批处理文件，用arc模块进行卫星轨道积分，用model模块计算观测值残差和偏导数，用autcln模块自动编辑数据，最后用solve模块进行最小二乘分析计算参数。

利用GLOBK解算时，首先须将GAMIT的松弛解H文件由ASCII格式转换成二进制格式，然后准备好先验坐标文件、地球极移文件、计算控制文件等，利用glred和glorg以批处理形式进行解算。

4 结果分析

GAMIT计算得到的单天解标准化均方差（normalized rms，NRMS）是衡量单天解质量的重要指标之一。据国内外GPS数据处理经验，NRMS值一般应小于0．3mm，若标准化均方差太大，则说明处理过程中周跳可能没有完全得到修正。本研究数据时间范围为2011年年积日为第199天至第228天，检查q文件后，处理30d数据的标准化均方差基本符合解算要求［25－28］（表1）。

表1 单天解标准化均方根误差值Tab．1 NRMS of Day Solutions

在GAMIT得到单天解后，可以得到卫星与测站的单程均方根残差，该指数可以在单天解总结文件（sh＿gamit＿ddd．summary）中查看，并且在用sh＿make＿sky＿gifs或者批处理命令进行批处理生成每个测站的天空图时，对均方根残差有一个直观的可视化呈现（图3）。其中，0°对应子午线。

另外，在评价GAMIT解算过程中，可以从GAMIT预处理结算中LC相位残差得到站点的矫正模型，并且得到一些高度角与残差的关系，以KHUF测站为例，均方残差为4．88mm，基本符合测站的要求（图4、5）。

图3 KHUF测站点在第210天的天空图Fig．3 Sky Plots of Day 210at Site KHUF

图4 KHUF测站的高度角与均方根残差的关系Fig．4 Relationship Between Elevation Angle and RootMean Square Residual at Site KHUF

在用GLOBK结算时，也可以对站点的信息进行统计分析，检验GAMIT处理结果，用gdl文件及其GMT进行画图处理。图6左边纵轴表示GPS站点名称，右边纵轴表示站点个数，方形代表单天解的个数（即每个站点的观测时段，一天对应一个观测文件）。

利用GLOBK软件对观测期间各测点的点位重复性进行计算，并得到每个测点的时间序列，结果显示测点的点位重复性北向分量精度在3mm以内，东向分量在3mm以内，垂向分量在6mm以内。选取观测时间最长的DASH站点为代表，从中可以看出，该站点水平方向北向分量精度为1．04mm，东向分量为1．01mm，垂向分量为4．41mm。这体现了该站点在水平方向具有很好的重复精度（图7）。

图5 KHUF测点模型Fig．5 Model of Site KHUF

图6 站点文件信息统计分布Fig．6 Distribution of File Information of Sites

图7 测点DASH的时间序列分布Fig．7 Distribution of Temporal Series of Site DASH

多天解利用GLOBK软件对观测期间所有测点进行联合解算，并将结果归算到ITRF08参考框架下［29－34］。多天整体解利用 GAMIT 软件30d（年积日为第199天至第228天）的处理结果H文件，结合SIO的全球解H文件，并且将30d的单天解进行合并，生成合并解GLX文件，利用全球stab＿site文件及其core＿site文件联合itrf08．apr文件，将其结果归算到ITRF08参考框架中，再用GLOBK命令作综合处理，通过平差计算得到最终点位和基线结果，结果归算到2011年8月16日，点位精度水平分量为2～3mm，高程分量为3～7mm（表2）。

表2 测站坐标及其精度Tab．2 Coordinates and Precisions of Sites

5 结 语

2011年7月至8月，对帕米尔高原及其邻近地区进行了GPS观测剖面的布设和首期GPS观测，这是2条真正意义上的GPS观测剖面。笔者利用GAMIT／GLOBK软件对首期观测数据进行处理，引入周边8个IGS站点参与联合解算，并将结果归算到ITRF08下，解算得到的准观测值均满足所须精度要求，其中所有站点的标准化均方差均小于0．3mm。在观测区域单天解的基础上，利用GLOBK合并全球解，并且进行全区域的综合平差，得到GPS站点的精确坐标，结果显示所有站点的点位水平分量为1～2mm，高程分量为3～7mm。

有必要在未来继续进行2～3期GPS观测，完善现有的GPS观测资料，帮助认识帕米尔高原的运动学特征和青藏高原隆升机制。

QOCA（Quasi－observation Combination Analysis）学习班的董大南老师、中国地震局地震预测研究所武艳强副研究员和中国地震局地壳应力研究所田云锋副研究员在GAMIT／GLOBK软件处理中提供了指导，图件都由GMT完成，在此一并致谢。

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