2. 中国测绘科学研究院, 北京 100830;
3. 同济大学测绘与地理信息学院, 上海 200092
2. Chinese Academy of Surveying & Mapping, Beijing 100830, China;
3. College of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, Shanghai 200092, ChinaAbstract
2015年4月25日14时11分，在尼泊尔(28.2°N，84.7°E)发生Ms8.1级地震，震源深度15 km，震中位于博克拉，最大烈度为X度，重烈度区从震中向东延伸。该地震发生之后，2015年4月25、4月26日又分别发生了Ms7.0、Ms7.1级地震，5月12日15时05分在尼泊尔(27.8°N，86.1°E)，则再次发生Ms7.5级地震，震源深度10 km。由于尼泊尔位于全球著名的地震带——地中海—喜马拉雅地震带上(印度板块与欧亚板块的接触带)，喜马拉雅构造带使北向运动的印度板块俯冲到欧亚板块的之下相互碰撞，已导致了非常多的地震，因此该地区的地质构造与地震活动最为强烈。此次，中国与尼泊尔毗邻的西藏自治区日喀则市聂拉木县、定日县、吉隆县震感非常强烈，均出现了不同程度的人员伤亡，同时触发了定日县5.9级地震和聂拉木县5.3级地震，此次地震还造成山体滑坡及雪崩，影响波及我国珠峰及周边地区。
珠穆朗玛峰作为世界最高峰，位于中华人民共和国与尼泊尔边界上，它的北坡在中国青藏高原境内，南坡在尼泊尔境内，而顶峰位于中国境内。如何通过GNSS技术精确测定此次地震对于珠峰及周边地震同震位移的影响，特别是对“世界屋脊”喜马拉雅山脉—珠穆朗玛峰的造成了什么样的影响，则显得尤为重要。为此，本文将利用“国家基准一期工程”“中国大陆构造环境监测网络”以及国家测绘地理信息局在珠峰周边所观测的GNSS观测资料，基于UPD模糊度固定技术高精度解算2015年4月25日尼泊尔Ms8.1级地震对我国珠峰地区及周边地震同震位移影响，分析中国珠峰地区及周边GNSS站的地震同震位移，无需顾及基线解算基站地震所带来的影响，“真实”地获取了地震周边地区GNSS站点高精度同震位移变化。为今后GNSS用于监测地震震中位置、发震时刻、地震快速预报预警、应急救援提供了一种精确、可靠的技术手段。
1 基于UPD模糊度固定技术 1.1 UPD模糊度固定方法早在1999年Gabor MJ和Nerem RS[1]对于非差宽巷和窄巷模糊度的小数部分进行了研究，发现宽、巷模糊度的小数部分在几天甚至一个月内都非常的稳定，但是窄巷模糊度的小数部分稳定性较差。现在随着精密卫星轨道、钟差产品和GNSS接收机质量和稳定性的提高，文献[2-5]发现窄巷模糊度的小数部分在小段时间内如15分钟是比较稳定的，可以将小数部分标定(称之为UPD—“Uncalibrated phase delay”)，用于恢复模糊度的整数特性，进而使得PPP的模糊度固定。宽、窄巷UPD的标定一般是利用测区内均匀分布的测站上的非差模糊度，计算卫星端的宽巷和窄巷UPD。宽巷UPD通过MW组合观测值[6]计算得到，窄巷UPD作为随机游走参数进行估计
(1)
式中，LW是浮点宽巷模糊度，可以通过MW组合取平均得到；NW为整数宽巷模糊度；fwr、fws为接收端和卫星端的UPD小数部分
(2)
式中，LW、LN是浮点宽巷模糊度，如果将固定好的整数宽巷模糊度NW代入，则相应的宽巷浮点部分将被强制分配给窄巷中。式(2) 可以表示为
(3)
(4)
宽巷模糊度固定之后，可以通过式(3) 直接计算得到浮点的窄巷模糊度LN。通过初差剔除、质量控制，每隔一段时间计算一组窄巷UPD值。
宽巷相对较稳定，对于宽巷UPD的估计，采用累计的数据进行估计，每天一颗卫星一个值；窄巷UPD在小时段内变化也很小，采用每15 min估计一个值，并对UPD的估计方法进行精度评定。
1.2 基于UPD模糊度固定的IGS整网解算的结果与分析本文采用2015年4月20日147个国际IGS框架点的观测数据，进行了宽巷UPD和窄巷UPD的求解，然后逐测站进行PPP解算，先固定宽巷模糊度，再固定窄巷模糊度；随后将已经固定了的载波相位观测值归算为精确的距离观测值，模糊度没有固定的仍为相位观测值，将其写到新的rinex文件中，最后对147个国家IGS框架点，进行整网解算。图 1为147个国际IGS站点分布图；图 2为当天UPD每隔30 s估计值时序图，从图中可以看出窄巷UPD在短期时期内相当稳定，其稳定后最大变化不超过0.15周；以圣地亚哥海洋研究所轨道中心sopac产出的全球IGS跟踪站的当日历元坐标为真值，与通过UPD模糊度固定之后的IGS观测数据整网解算的结果直接进行了做差，图 3、图 4、图 5中分别显示本文解算结果与The Scripps Orbit and Permanent Array Center(SOPAC)解算结果XYZ 3方向的差值，均相差在毫米；图 6为以ADIS测站为例，以UPD模糊度固定和模糊度浮点解实时模式解算了该站，实时解算结果显示，UPD模糊度固定的结果能够加速坐标解算收敛速度，更快趋近于真值，能够真实反映测站的坐标位置变化。以上基于UPD模糊度固定的IGS整网解算的结果，充分证明了该算法的有效性和准确性，能够用于下文中国珠峰地区及周边GNSS监测点的数据处理，反映地震同震的位移变化。
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| 图 1 IGS站点的地理分布图 Fig. 1 Geographical distribution of IGS stations |
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| 图 2 窄巷UPD估值时序 Fig. 2 NL UPDs of satellites |
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| 图 3 147个国际IGS测站与sopac解算X坐标差值 Fig. 3 The differences of X-axis between the solution using UPD and SOPAC |
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| 图 4 147个国际IGS测站与sopac解算Y坐标差值 Fig. 4 The differences of Y-axis between the solution using UPD and SOPAC |
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| 图 5 147个国际IGS测站与sopac解算Z坐标差值 Fig. 5 The differences of Z-axis between the solution using UPD and SOPAC |
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| 图 6 ADIS测站UPD模糊度固定和模糊度浮点解时序 Fig. 6 Displacement time series of ADIS with the float solution and the UPD fixed solution((1.Blue line denote the UPD fixed solution; 2.Red line denote the float solution) |
本文采用的UPD模糊度固定技术进行的非差PPP精密定位解算，与传统PPP精密单点定位相比，精度要高于浮点解、收敛速度快；与传统双差精密基线结果相比，精度相当，一次能够进行成百上千个站解算，消除了此前双差解测站分区、公共点重复解算、保证了整网解的严密性等；对于地震数据处理，则能够消基线解算基站地震所带来的影响，保证了地震同震位移的可靠性。
2 尼泊尔Ms8.1级地震对中国珠峰地区及周边地震同震位移 2.1 观测资料与数据处理方法410个“国家基准一期工程”和260个“中国大陆构造环境监测网络”GNSS连续运行基准站的观测数据(有重合)；中国地震局应急监测的西藏自治区的GNSS观测数据；国家测绘地理信息局2005年和2015年5月9—11日珠峰5个监测点的GNSS观测数据；中国区域及周边IGS站的GNSS观测数据。
本文首先上述GNSS测站点中，挑选出站点均匀分布、稳定、连续的GNSS观测站[12]，解算出宽巷、窄巷UPD(消除地震区域测站观测数据对宽、窄巷UPD解算结果稳定性带来的影响)，然后逐测站进行PPP解算，固定宽巷、窄巷模糊度，将已经固定了的载波相位观测值归算为精确的距离观测值，模糊度没有固定的仍为相位观测值，将其写到新的rinex文件中，最后对所有站点进行非差整网解算。
本文分别采用4月25日尼泊尔Ms8.1级地震、5月12日尼泊尔Ms7.5级地震前后多天数据，选用IGS的精密轨道和30 s精密钟差，通过上述方法解算各站在ITRF框架下的坐标位置，以地震前后多天的坐标均值的差来反映地震对中国珠峰地区及周边的地震同震位移。
2.2 尼泊尔地震对中国珠峰及周边地区的影响采用上述解算方法获取了4月25日尼泊尔Ms8.1级地震和5月12日Ms7.5级地震的同震位移结果，如图 7—图 10和表 1所示，三角形表示珠峰位置，大圆点为尼泊尔震中位置，所观测到的不同测站的水平方向和垂直方向地震同震位移揭示了此次尼泊尔地震对中国珠峰及周边地区的影响。4月25日的Ms8.1级地震使得中国珠峰及周边地区的地壳整体向西南方向运动，运动方向基本指向地震破裂区域，随距离震中的距离，由近至远产生了几十个厘米到几毫米的水平位移。最大的同震位移出现在J041点，为541.5 mm；位于震中上方的J040点，为155.9 mm；J339点为113.5 mm；距离珠峰较近的XZZF和J030点分别为32.6 mm和34.4 mm；位于震中西方方向的J4430、J332、XZZB水平方向均指向震中方向；距离震中较远的LHAZ、XZNM、XZGZ也有约2.5 mm的位移；随距离震中距离增大同震位移快速衰减，可以较直观地反映出地震能量随震中向外传播能量衰减的过程。垂向位移量最大的测站也是J041点，在中国珠峰及周边地区的测站，均观测到了几个厘米到几个毫米的垂向位移下降。
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| 图 7 4月25日尼泊尔Ms8.1级地震在中国珠峰及周边区域产生的同震水平方向位移 Fig. 7 The vertical component of co-seismic displacement derived from GNSS stations in the China's Mount Everest area, before and after the 25 April 2015 Nepal Ms8.1 Earthquake |
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| 图 8 4月25日尼泊尔Ms8.1级地震在中国珠峰及周边区域产生的同震垂直方向位移 Fig. 8 The vertical component of co-seismic displacement derived from GNSS stations in the China's Mount Everest area, before and after the 25 April 2015 Nepal Ms8.1 Earthquake |
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| 图 9 5月12日尼泊尔Ms7.5级地震在中国珠峰及周边区域产生的同震水平方向位移 Fig. 9 The horizontal component of co-seismic displacement derived from GNSS stations in the China's Mount Everest area, before and after the 12 MAY 2015 Nepal Ms7.5 Earthquake |
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| 图 10 5月12日尼泊尔Ms7.5级地震在中国珠峰及周边区域产生的同震垂直方向位移 Fig. 10 The vertical component of co-seismic displacement derived from GNSS stations in the China's Mount Everest area, before and after the 12 MAY 2015 Nepal Ms7.5 Earthquake |
| 序 号 | 测站 名 | 经度 /(°) | 纬度 /(°) | 北向位移 /mm | 东向位移 /mm | 垂向位移 /mm |
| 1 | J029 | 88.6 | 28.2 | -0.2 | -3.8 | -24.1 |
| 2 | J030 | 87.1 | 28.6 | -18.9 | -28.8 | -25.6 |
| 3 | J040 | 85.4 | 29.0 | -154.6 | -20.2 | -22.7 |
| 4 | J041 | 86.0 | 28.2 | -473.4 | -262.8 | -107.5 |
| 5 | J332 | 84.0 | 29.7 | -11.6 | 1.2 | -16.8 |
| 6 | J339 | 86.4 | 28.7 | -96.4 | -59.9 | -11.1 |
| 7 | J346 | 87.8 | 28.5 | -5.2 | -8.2 | -31.9 |
| 8 | J428 | 88.4 | 29.3 | -3.1 | -4.8 | -23.5 |
| 9 | J430 | 83.7 | 29.9 | -13.5 | 3.8 | -11.9 |
| 10 | J045 | 81.2 | 30.3 | 30.29 | 6.1 | -3.3 |
| 11 | J046 | 82.8 | 30.4 | 30.39 | -3.0 | -2.0 |
| 12 | J313 | 80.00 | 32.6 | 32.61 | 7.8 | -3.5 |
| 13 | J320 | 81.9 | 30.7 | 30.72 | 8.9 | -9.2 |
| 14 | J328 | 83.6 | 30.8 | 30.77 | -2.0 | -9.0 |
| 15 | J330 | 84.0 | 31.0 | 31.03 | -2.2 | -1.6 |
| 16 | J332 | 84.0 | 29.7 | 29.72 | -11.0 | -5.2 |
| 17 | J430 | 83.7 | 29.9 | 29.87 | -11.7 | -2.4 |
| 18 | JB56 | 79.8 | 32.4 | 32.43 | 0.7 | -2.8 |
| 19 | LHAZ | 91.1 | 29.7 | -0.5 | 2.8 | -14.7 |
| 20 | XZAR | 87.2 | 29.3 | -16.3 | -16.1 | -14.4 |
| 21 | XZCD | 97.2 | 31.1 | -2.3 | 5.2 | -16.6 |
| 22 | XZCY | 97.5 | 28.7 | -0.8 | 1.0 | -22.4 |
| 23 | XZGE | 80.1 | 32.5 | 0.0 | -2.0 | -4.2 |
| 24 | XZGZ | 84.1 | 32.3 | -2.0 | 1.4 | -10.7 |
| 25 | XZNM | 87.2 | 31.8 | -3.2 | 0.2 | -9.9 |
| 26 | XZRK | 88.9 | 29.3 | -2.3 | -2.8 | -15.7 |
| 27 | XZRT | 79.7 | 33.4 | 0.7 | 1.6 | -4.5 |
| 28 | XZSH | 88.8 | 33.2 | -1.1 | 2.5 | -9.1 |
| 29 | XZYD | 88.9 | 27.4 | 1.9 | 24.8 | -22.9 |
| 30 | XZZB | 84.2 | 29.7 | -15.7 | 5.6 | -9.8 |
| 31 | XZZF | 86.9 | 28.4 | -21.0 | -25.0 | -7.0 |
从上述数据的参考分析，此次地震引起了珠峰的高度下降，同时中国珠峰地区及周边地震同震位移分布特征也反映了青藏高原内部存在逆冲应变释放现象，符合逆冲断裂破裂的形变特征。
从图 9—图 10可以看出，5月12日的Ms7.5级地震对中国珠峰及周边地区的水平位移和垂直位移影响很微弱，对中国西藏区域大地基准影响并不明显。
通过UPD模糊度固定技术进行的整网解，所获得的中国珠峰地区和周边的地震同震位移的结果与此前中国地震局等相关科研机构研究所获得结果基本一致[7-13]，也验证了该算法的可靠性。
3 2005—2015年中国珠峰监测点位移国家测绘地理信息局采集的2005年6月和2015年5月9—11日珠峰周边地区监测点的GNSS观测数据进行了解算，通过两种方式来反映中国珠峰监测点位移变化情况。
(1) 解算的2005年和2015年各监测点，通过框架参数转换，将ITRF2008框架下的坐标直接做差来反映珠峰这10年来的位移变化情况；
从珠峰监测的5个点可以看出，珠峰地区在2005—2015年这10年沿着东北方向移动约40 cm左右，该地区10年上升约2 cm。
(2) 采用陆态网络以及中国地壳运动观测网络工程所解算的ITRF2008框架下的速度场和框架转换参数，对各监测点进行归算至2015年4月24日ITRF2008参考历元下，再与2015年的各监测点做差，以便反映中国珠峰地震前后的位移变化情况。0018、0029、0038、0037、0049各监测受地震同震影响，均向西南方向运动，运动方向基本指向地震破裂区域，在高程方向均有下沉。
| 序 号 | 测站 名 | 北向位移 /m | 东向位移 /m | 垂向位移 /m | 平移量 /m |
| 1 | 0018 | 0.217 5 | 0.355 4 | 0.024 8 | 0.416 7 |
| 2 | 0029 | 0.222 0 | 0.336 0 | 0.037 0 | 0.402 8 |
| 3 | 0037 | 0.220 5 | 0.345 1 | 0.029 7 | 0.409 5 |
| 4 | 0038 | 0.220 9 | 0.350 8 | 0.023 6 | 0.414 6 |
| 5 | 0049 | 0.224 8 | 0.371 0 | -0.015 3 | 0.433 8 |
| 序号 | 测站名 | 北向 位移 /mm | 东向 位移 /mm | 垂向 位移 /mm | 平移 量 /mm | 距离 珠峰 /km | 距离 震中 /km |
| 1 | 0018 | -26 | -22 | -11 | 34.1 | 73 | 271 |
| 2 | 0029 | -19 | -23 | -6 | 29.8 | 51 | 252 |
| 3 | 0037 | -29 | -31 | -15 | 42.4 | 25 | 230 |
| 4 | 0038 | -31 | -37 | -16 | 48.3 | 18 | 232 |
| 5 | 0049 | -26 | -11 | -39 | 30.1 | 13 | 236 |
4 结论
本文采用的UPD模糊度固定技术进行的非差整网解算，无需顾及基线解算基站地震所带来的影响，真实地获取了尼泊尔Ms8.1级地震对我国珠峰地区及周边地震同震位移，监测数据分析结果表明尼泊尔Ms8.1级地震对世界屋脊喜马拉雅山脉和世界最高峰珠穆朗玛峰产生了显著影响。在地震发生前，中国珠峰区域以每年约4 cm的速度向东北方向移动，垂直方向以每年约0.2 cm的速度上升；此次地震使得珠峰地区与地震前相比，产生了约33 mm的西南方向水平位移，垂直方向下沉约20 mm；西藏南部及珠峰地区的地壳整体向西南方向运动，运动方向基本指向地震破裂区域，其地震同震位移分布特征也反映了青藏高原内部存在逆冲应变释放现象，符合逆冲断裂破裂的形变特征。
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| 图 11 2005—2015年中国珠峰GNSS监测点的同震水平方向位移 Fig. 11 The horizontal component of co-seismic displacement derived from GNSS stations in the China's Mount Everest from 2005 to 2015 year |
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| 图 12 2005—2015年中国珠峰GNSS监测点的同震垂直方向位移 Fig. 12 The vertical component of co-seismic displacement derived from GNSS stations in the China's Mount Everest from 2005 to 2015 year |
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| 图 13 地震前后中国珠峰GNSS监测点的同震水平方向位移 Fig. 13 The horizontal component of co-seismic displacement derived from GNSS stations in the China's Mount Everest, before and after the Nepal Ms8.1 Earthquake |
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| 图 14 地震前后中国珠峰GNSS监测点的同震垂直方向位移 Fig. 14 The vertical component of co-seismic displacement derived from GNSS stations in the China's Mount Everest, before and after the Nepal Ms8.1 Earthquake |
致谢: 本文所使用的数据由“国家基准一期工程”“中国大陆构造环境监测网络”以及国家测绘地理信息局珠峰测量队所提供；文中数据处理方面同济大学王解先教授、德国GFZ地学研究中心葛茂荣研究员、武汉大学陈华博士均提出了宝贵意见。
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