区别于短期的(几个小时到几天)、实时的、动态的GNSS观测和定位技术，长期的(几年到数十年)、静态的GNSS观测需要一个在时间和空间上连续的、稳定的基准，即稳定参考框架。由GNSS解算的观测点初始位置通常与定义卫星位置的全球参考框架对齐。在全球参考框架下，观测点的速度由该站点所在地壳块体(板块)的长期运动主导。大范围的、长期的、每年cm级的板块运动常常会掩盖局部的、短期的、每年mm级的地面形变。当研究人员对局部尺度的地面形变或结构稳定性感兴趣时，就需要一个稳定的参考系统，即区域稳定参考框架。干涉合成孔径雷达(InSAR)、激光探测与测距(LiDAR)、各类基于无人机(UAV)的测量和监测技术在我国自然灾害监测领域得到了广泛的应用，这些“遥感”技术一般都装备高精度的GNSS，观测结果往往与GNSS测得的坐标位置对齐。选用区域稳定参考框架，工程技术人员能够将不同时期和不同地区收集到的基于不同遥感平台的观测结果转换到一个统一的参考系统，便于开展长期的、跨地区的(比如城市间的)、综合的地质灾害观测和研究。

本文基于中国地壳运动观测网络(CMONOC)近8 a(2012~2019年)的连续观测数据(图 1)，尝试在东北地区建立一个“稳定参考框架”，为该地区地质灾害长期观测和大型工程结构健康监测提供一个统一的、精确的、稳定的参考系统。

随着空间技术的发展和完善，全球导航卫星已从单一的GPS卫星定位系统发展到GPS、Galileo、GLONASS、BDS四个系统并存，GNSS已成为卫星导航和全球定位系统的通用术语。每个GNSS系统在定义卫星轨道时都有自己独立的参考系统，GNSS接收机记录到的原始数据(卫星轨道、卫星与地面站之间的距离等)都与各GNSS系统的参考框架对齐。但是后期处理软件在解算单日解时，通常选用由国际GNSS组织(IGS)发布的、与最新IGS参考框架(当前为IGS14)对齐的“最终”卫星轨道产品。近年来，部分CMONOC台站通过硬件和软件升级，开始记录BDS、GLONASS和Galileo卫星的信号，这些数据的积累时间较短，目前还不足以精确估算场地速度。本研究仅选用美国GPS卫星的信号用于解算静态位置，但本项研究的结果，即将地心地固三维笛卡尔坐标(ECEF-XYZ)从全球参考框架IGS14转换到区域参考框架的7个参数和季节性地面变形预测模型适用于从所有GNSS系统解算得到的单日位置，因此，全文使用GNSS。

1 东北地块

张培震等^[1]将中国大陆及邻区划分为青藏、西域、南华、滇缅、华北和东北亚6个一级活动地块区，本文将这6个活动地块在中国境内的部分分别称为青藏地块、西北地块、大华南地块(华南地块+南海地块)、滇西地块、华北地块和东北地块(图 1)。该地块划分方案中，东北地块和华北地块之间预留了宽约100 km的“过渡带”，即河套断陷带和张家口-渤海断裂带(图 2)。

要准确评价观测点所在场地或工程结构的稳定性，在实践上需要一个稳定的参照系统。在大地测量研究和应用领域，稳定参照系通常由一组固定在地球表面的“基准站”来实现。基准站(也称参考站)的位置由一组笛卡尔坐标位置(XYZ)和相应的速度矢量来定义。区域参考框架提供了一个在特定时空域内“不动”的参照系统, 一般由在研究区域内选取的一组在时间和空间上稳定的参考点来描述。当然“动”与“不动”是一个相对的概念，也是一个很抽象的概念，地球表面没有绝对“不动”或“固定”的参照物。

活动地块强调块体的整体运动特征，区域参考框架则强调地块的整体刚度。从本质上讲，区域参考框架的稳定性由基准站所覆盖地块的整体刚度来决定。通常认为，东北地块隶属于稳定的中朝准地台，地块内部活动构造和地震的活动水平比较低，仅在少数活动断层附近有中等强度地震发生，可视为一个整体性很好的刚性地块。根据Zheng等^[3]和Wang等^[4]基于长期GNSS观测的研究结果，当前东北地块内部的最大剪应变和面膨胀应变都在数个10^-9/a的量级，小于华北地块内部的应变水平，与华南地块的平均应变水平相当。

2 GNSS位移时间序列分析 2.1 GNSS数据处理方法和位移精度

本研究选用由作者所在的研究小组和内华达大学提供的单日GNSS精密单点定位(PPP)结果，即相对于IGS14的ECEF-XYZ时间序列。详细的GNSS数据处理方法和策略见参考文献[5]。本文仔细校正了由GNSS天线更换、地震同震位移等事件引起的位移台阶，用Wang^[6]介绍的方法剔除位移时间序列中的异常值(离群值)，该方法剔除了大约5%~10%的观测值。本研究所选用的台站都有5 a以上观测历史，观测天数大于1000d，位移精度均能达到水平方向优于4 mm、垂直方向优于7 mm。

2.2 观测点场地速度的精度

在地质灾害观测和大型工程结构长期变形监测和稳定性评估领域，稳定性的评价主要依赖于观测点的位移速度而不是单个测量位置的精度或准度。精确定位并不能保证得到可靠的场地速度，其在很大程度上取决于所选用参考框架的稳定性和观测历史的长度。本研究采用Blewitt等^[7]介绍的MIDAS方法估算位移时间序列的线性速度，即观测点的场地速度。MIDAS法首先计算每相隔1 a(365 d)的2个观测位置的位移速度(斜率)，剔除一定的离群值之后，从大量的1 a速度样本中选取中位数来代表该位移时程的线性速度。对于符合正态分布的数据(速度样本)，该中位数和用线性拟合整个时间序列得到的速度值在统计上是相同的。MIDAS法的结果往往代表了位移时间序列的主导“线性趋势”，能够避免或减小离群值、位移突变(台阶)、数据中断、季节性地面运动、震后位移等对场地速度估算值的影响。比较采用MIDAS方法和传统的最小二乘法得到的场地速度值发现，对于没有受到短期或局部场地变形(滑坡、地面沉降、地震同震位移、震后位移)影响的位移时间序列(大于5 a)，两种方法得到的场地速度的差异一般小于0.3 mm/a。由于MIDAS法是从大量的1 a速度值中选择场地速度(部分异常值已被剔除)，样本的标准偏差(σ)经适当调整后能够比较客观地反映所选速度值的不确定性或可靠性。本文在估计场地速度时，选用2012~2019年的GNSS记录，由MIDAS法得到场地速度的不确定性在水平方向上约为±(0.2~0.3) mm/a，在垂直方向上约为±(0.5~0.8) mm/a。

2.3 大地震同震和震后位移对场地速度估计值的影响

2011-03-11日本大地震在我国东北产生了显著的震前、同震和长期的震后位移，对当前场地运动速度的影响比较复杂^[8]。采用MIDAS法估算观测点的场地速度能够很好地消除地震同震位移(位移台阶)对场地线性速度的影响。震后位移主要由发震断层的震后滑动和地壳的粘弹性松弛引起，在时间和空间上一般遵循非线性的衰减模式。长期的震前观测数据积累对精确估算震后位移至关重要，没有数年的震前连续观测，一般很难精确剔除叠加到长期线性地面运动中的震后位移。

东北地块位于2011年日本大地震震中西北方向，距震中最近的台站为JLYJ(吉林延吉)和SUIY(黑龙江绥阳)，约1200km；距震中最远的台站为NMEL(内蒙古二连浩特)，约2600km(图 2)。图 3比较了东北地区6组有近20 a(1999~2019年)观测历史的GNSS台站在2011年日本大地震前后的位移时间序列，参考框架为NEChina20。图 3(a)为3组位于东北地块中西部的长期观测台站CHAN(吉林长春)、HRBN(黑龙江哈尔滨)和HLAR(内蒙古呼伦贝尔)的观测结果。可以看出，与震前(1999~2010年)的场地速度矢量相比，震后(2012~2019年)3个台站均显示向东南方向的运动，即朝2011年日本大地震的震中方向运动。HRBN台和CHAN台距震中约1550km，地震前和地震后的场地速度差在水平方向为1.5 mm/a；HLAR台距震中约2200km，地震前后的场地速度差在水平方向小于1.0 mm/a。在垂直方向，3个台站震前和震后的场地速度差都小于1.0 mm/a。图 3(b)为3组位于东北地块东部的台站(VLAD+VLDV、SUIY、HLFY+KHAJ)的观测结果。其中，VLAD和VLDV台位于俄罗斯的海參崴，二者相距约30 km，距震中约1000km。VLAD台记录到1996~2000年约5 a的地面运动，VLDV台记录到2008~2018年约10 a的地面运动。VLAD台在震前向西运动，震后改变为向东南方向运动，即朝震中方向运动，震前(1996~2000年)和震后(2012~2018年)的场地速度在水平方向相差约为10 mm/a，在垂直方向差别甚微(小于1 mm/a)。SUIY台位于黑龙江省牡丹江市绥阳镇，距震中约1180km，是我国距2011年日本大地震最近的GNSS台站，完整地记录到震前、同震和震后位移。在该观测点，水平方向的同震位移为3.2 cm (向东)和1.8 cm(向南)，震后位移很明显，朝东南方向运动。该台站在垂直方向的同震位移小于5 mm，但震后位移比较显著，到2012年底，记录到约2 cm的累积震后位移(下沉)，垂直方向的震后位移在2012年底基本消失。SUIY台在震前(1999~2010年)相对于NEChina20保持稳定(小于1 mm/a)，震后朝震中方向移动，当前的水平方向平均位移速度约为4 mm/a (2015~2019年)，由震前(2000~2010年)和震后(2015~2019年)观测数据估算得到的水平方向的场地速度差约为3 mm/a，垂直方向约为0.5 mm/a。HLFY台位于黑龙江抚远，距震中约1300km，该台站在2010年后期开始运行，震前记录历史不足1 a，但是其附近的KHAJ台(位于俄罗斯哈巴罗夫斯克, 中文名伯力)有很长的(2001~2012年)震前观测数据和1 a的震后数据。HLFY和KHAJ台相距约60 km。KHAJ和HLFY台的位移时间序列相互补充，完整地记录了HLFY台的震前、同震和震后位移(图 3(b))，震前(2001~2010年)和震后(2012~2019年)的场地速度在水平和垂直方向的差都小于1 mm/a，表明在该观测点日本大地震引起的震后位移很小。

上述6个观测点的震前和震后场地速度表明，日本3·11大地震在我国东北地区产生向震中方向运动的震后位移。震后位移对我国东北地区当前(2012~2019年)的场地水平方向速度的贡献在西部约为1 mm/a，在中部约为2 mm/a，在东部约为3 mm/a，在垂直方向几乎没有(小于1 mm/a)。图 3所列举的位移时间序列表明，震后位移的贡献随时间的推移和震中距离的增加而减小。HLFY(黑龙江抚远)台没有观测到明显的震后位移，表明震后位移的空间分布很复杂。大地震之后，震中及邻近区域断层的活动和震后地壳物质的粘弹性松弛会以不同的方式对地壳和上地幔施加应力，从而在地表产生复杂的震后位移，一般很难用一个统一的模型在1 mm/a的精度范围内描述。显著的非线性震后位移主要发生在震后0.5 a，多数台站的位移时程自2012年以来保持了很好的线性特征。因此建立东北区域参考框架时，只选用2012年以来的观测数据估算当前的场地速度。该区域参考框架与IGS14在历元2020.0对齐，即任一观测点在该区域参考框架下的XYZ坐标和IGS14参考框架下的XYZ坐标在2020.0保持一致，因此，该参考框架命名为东北稳定参考框架2020，简写为NEChina20。

3 建立局域稳定参考框架的方法 3.1 坐标转换

坐标系是参考框架的具体实现，因此，参考框架的转换也称坐标转换。全球参考框架采用地心地固笛卡尔三维坐标系(ECEF-XYZ)，坐标原点(0, 0, 0)为整个地球的质量中心。区域参考框架通常由IGS全球参考框架的转换来实现，并随全球参考框架的更新而更新。建立区域参考框架，就是建立在全球参考框架下的XYZ坐标位置与在区域参考框架下的XYZ坐标位置之间的联系，即确定转换参数。在工程应用中，为方便研究地表位移，区域参考框架下的XYZ坐标位置通常换算到站心地平直角坐标系。

实现区域参考框架通常用Helmert方法，也称为7参数相似坐标变换，即将IGS14参考框架下的XYZ坐标通过整体平移(T_x，T_y，T_z)、旋转(R_x，R_y，R_z)和缩放(s)转换到区域参考框架。基于3个或更多参考站在2个参考框架下的XYZ坐标，就可以通过最小二乘法估计在该历元的7个坐标转换参数。实践中用于实现区域参考框架的方法通常可以归纳为：每日7参数转换和一次性14参数转换2类。转换连续观测得到的位置时间序列，则需要计算每天的7个转换参数，即转换参数的时间序列。对从事大型工程结构变形监测的工程技术人员而言，解算每日的7个转换参数还是很繁杂的，需要收集和处理大量的参考站数据，因此单日7参数坐标转换方法目前主要在研究领域使用，很少在大型工程健康监测实践中使用。

Helmert转换方法在本质上是线性转换，线性的位置时间序列经Helmert坐标转换后仍然保持线性，并且每个转换参数的时间序列也保持线性。根据这个结论，美国大地测量局(NGS)采用14个转换参数来实现XYZ时间序列从全球参考框架(ITRF)到北美参考框架(NAD83)的坐标转换。这14个转换参数包括7个在设定历元(t₀)的单日转换参数(T_x(t₀)，T_y(t₀)，T_z(t₀)，R_x(t₀)，R_y(t₀)，R_z(t₀)，s(t₀))和7个转换参数在时间上的变化率(一次微分)(T′_x, T′_y, T′_z, R′_x, R′_y, R′_z，s′)。本文将该14参数方法进一步简化，用7个转换参数实现位置时间序列从全球参考框架到区域参考框架的转换^[9-10]。

在坐标转换中选用缩放比例s, 可能会使垂直方向的场地速度产生一定的系统偏差，通常会放大转换后的垂直方向速度。当前的全球参考框架(IGS14)主要是基于长期的GPS观测数据建立的，区域参考框架也是基于GPS观测数据建立的，二者所使用的“测量工具”相同，因此，设定区域参考框架和IGS14之间保持缩放比例一致，即缩放系数为s=1、s′=0。美国大地测量局在实现从IGS参考框架到NAD83的转换时，也将缩放参数固定为1^[11]。本文将IGS14和区域参考框架在历元t₀(2020.0)对齐，即2个坐标系统在该历元无相对平动和转动。因此，T_x(t₀)、T_y(t₀)、T_z(t₀)、R_x(t₀)、R_y(t₀)和R_z(t₀)为0，实现区域稳定参考框架只需7个参数：t₀、T′_x、T′_y、T′_z、R′_x、R′_y和R′_z。

基于稳定参考框架的定义，本文设定各参考站在区域参考框架下的场地速度为零，即各历元与t₀保持相同的XYZ坐标位置。根据各参考点在IGS14和区域参考框架下在历元t₁(例如2015.0)的XYZ坐标，可用最小二乘法估算在该历元的3个平动参数(T_x，T_y，T_z)和3个旋转参数(R_x，R_y，R_z)。最小二乘法通过同时调整平动参数和旋转参数实现各参考点的坐标残差最小化，也就是尽可能避免坐标转换过程中产生地面扭曲。根据在历元t₀和t₁的6个转换参数，可计算各参数的变化率，即T′_x、T′_y、T′_z、R′_x、R′_y和R′_z。观测点在区域参考框架下的XYZ坐标可通过在全球参考框架(IGS14)下的XYZ坐标转换得到：

$ \begin{gathered} X(t)_{\rm {NEChina20 }}=X(t)_{\rm {IGS} 14}+{T^{\prime}}_{x} \cdot\left(t-t_{0}\right)+{R^{\prime}}_{z}\cdot \\ \left(t-t_{0}\right) \cdot Y(t)_{\rm {IGS} 14}-{R^{\prime}}_{y} \cdot\left(t-t_{0}\right) \cdot Z(t)_{\rm {IGS} 14} \\ Y(t)_{\rm {NEChina20 }}=Y(t)_{\rm {IGS} 14}+{T^{\prime}}_{y} \cdot\left(t-t_{0}\right)-{R^{\prime}}_{z}\cdot \\ \left(t-t_{0}\right) \cdot X(t)_{\rm {IGS} 14}+{R^{\prime}}_{x} \cdot\left(t-t_{0}\right) \cdot Z(t)_{\rm {IGS} 14} \\ Z(t)_{\rm {NEChina20 }}=Z(t)_{\rm {IGS} 14}+{T^{\prime}}_{z} \cdot\left(t-t_{0}\right)+{R^{\prime}}_{y}\cdot \\ \left(t-t_{0}\right) \cdot X(t)_{\rm {IGS} 14}-{R^{\prime}}_{x} \cdot\left(t-t_{0}\right) \cdot Y(t)_{\rm {IGS} 14} \end{gathered} $

(1)

式中，X(t)_NEChina20、Y(t)_NEChina20和Z(t)_NEChina20是该观测点在历元t(单位a)相对于区域参考框架的XYZ坐标(单位m)；X(t)_IGS14、Y(t)_IGS14和Z(t)_IGS14是观测点在历元t相对于IGS14参考框架的XYZ坐标, 由GNSS后处理软件解算得到；t₀为2020.0，在该历元点观测点在两参考框架中的XYZ坐标位置一致。表 1列出从IGS14到NEChina20的7个坐标转换参数，T′_x、T′_y、T′_z、R′_x、R′_y和R′_z代表 3个平动和3个旋转参数的一次时间微分，把这7个参数代入式(1)，即可实现从IGS14到NEChina20的XYZ坐标转换。

3.2 参考站的选择

建立参考框架的任务就是选择参考站并定义这些参考站在设定历元的坐标位置和长期的场地速度。区域参考框架是静态的长期参考系，用线性模型预测感兴趣的时间窗口内的测站位置。因此，位移时间序列的线性度是选择参考站的主要标准之一。CMONOC站点旨在为大地测量和地壳运动监控提供长期稳定的参考系统，各台站的位置都经过精心选择，尽可能避开局部不稳定的场地，绝大多数CMONOC站点是实现区域参考框架的良好基准站^[12]。

基准站的选择是一个反复尝试和迭代排除的过程。本文初步选取我国东北及邻区30个在2012年之后有5 a以上观测历史的台站，用前文介绍的7参数转换方法建立一个初始参考框架。建立初始参考系后，计算每个参考站在3个方向(EW、NS、UD)的位移速度，剔除水平方向速度大于4 mm/a的台站，重新实现区域参考框架。第1步迭代剔除VLDV(俄罗斯海参崴)、JLYJ(黑龙江延吉)和SUIY(黑龙江绥阳)3个台站。重新计算转换参数，逐步缩小速度阈值，每次循环迭代删除速度大于阈值的参考站。经过多次迭代和淘汰之后，水平和垂直方向的速度阈值设定为1 mm/a，最后综合台站的空间分布，选定15个台站实现东北稳定参考框架(图 2)。在该参考框架下，这15个参考站在3个方向的平均速度约为零(表 2)，表明NEChina20是一个“无平动、无旋转”的稳定参考系统。

3.3 NEChina20的稳定性和适用范围

从本质上讲，区域参考框架的稳定性由基准站所覆盖地壳块体的刚度来决定。地块的总体刚度随地块面积和时间跨度的增加而降低，因此区域参考框架在时间上有其寿命，在空间上有其适用范围。在实践中，通常使用所有基准站相对于区域参考框架的场地速度的均方根(RMS)来评估区域参考框架的稳定性，也称参考框架的精度。参考框架的稳定性也指可预测性，决定了其将坐标准确外推到参考系的过去和将来的能力。表 2中列出的统计参数表明，这15个参考站的RMS精度在水平方向约为0.5 mm/a，在垂直方向约为0.6 mm/a，这也表明东北地块内部当前地壳平均变形水平在1 mm/a以内。

NEChina20基于2012~2019年的连续观测窗口，将该参考框架的窗口向前扩展(用于将来的数据)或向后扩展(用于历史数据)8 a，通过扩展累积的位置误差在垂直和水平方向均小于5 mm, 仍然在GNSS单日解的位移精度范围之内。图 3(a)所列举的位移时间序列表明，相对于该区域参考框架，依兰-伊通断裂带以西的HLAR(呼伦贝尔)和HRBN(哈尔滨)台，震前(2000~2010年)的3个方向场地速度均小于1 mm/a；靠近该断裂带的CHAN(长春)台和位于依兰-伊通断裂带东侧的SUIY(黑龙江绥阳)台震前的3个方向场地速度也都在1 mm/a以内。据此推论，NEChina20为评价东北地区震前的场地活动性提供了一个可靠的稳定参照系统。考虑到该区域参考框架将在近期更新并与IGS参考框架的更新保持一致，建议NEChina20的适用范围在时间上限于2005~2025年约20 a的时间窗口。

4 季节性地面升降预测模型

由GNSS观测数据解算得到的位移时间序列主要包含线性的地壳运动、季节性的地面变形、冰川均衡调整(glacial isostatic adjustment，GIA)引起的地面变形、地震和其他构造活动引起的地面运动。稳定参考框架能够剔除或弱化参考框架覆盖范围内区域性的地面变形。中国大陆位于GIA过程的远场，GIA在我国东北地区的影响表现为地面下沉，相对于全球参考框架的下沉速度小于0.5 mm/a^[13]，在东北地块内部引起的差异沉降则更小，因此，GIA的影响在区域参考框架下甚微。在实践中，季节性地面运动往往是影响场地形变和工程稳定性评价的主要因素，尤其是对观测周期小于2.5 a的流动观测。图 3所示的GNSS时间序列在3个方向记录到明显的季节性位移，在垂直方向尤其显著，从谷值到峰值的位移约为3 cm。水平方向上季节性运动的峰值通常小于5 mm，与PPP单日解的精度(重复性)相当，对场地或工程稳定性评价的影响甚微，因此，本文未尝试建立水平方向的季节性地面形变模型。

在东北地区，季节性地面升降主要由前半年的地面抬升和后半年的地面下沉主导，地面一般在11月初达到周期性升降的谷值(最低点)，并保持到12月；在下一年1月开始缓慢回升，在6月达到峰值(最高点)；从7月开始下沉，到10月底达到谷底。上升段约7个月，下降段约5个月。季节性地面升降主要由地下水位、地表水负荷、地表温度、土壤湿度、大气压力等的季节性变化引起，可通过对位移时间序列进行傅里叶分析模拟其变化趋势：

$ \begin{gathered} D_{\mathrm{UD}}(t) \approx c_{1} \sin (2 {\rm{ \mathsf{ π} }} t)+d_{1} \cos (2 {\rm{ \mathsf{ π} }} t)+ \\ c_{2} \sin (4 {\rm{ \mathsf{ π} }} t)+d_{2} \cos (4 {\rm{ \mathsf{ π} }} t) \end{gathered} $

(2)

式中，t为历元，以十进制年份单位表示；c₁和d₁为年度季节性运动的幅度；c₂和d₂为半年度季节性运动的幅度。图 4列出了东北地区SUIY(黑龙江绥阳)、CHAN(吉林长春)、HRBN(黑龙江长春)和HLAR(内蒙古呼伦贝尔)4个基岩台站长达20 a(1999~2019年)的垂直方向时间序列。对每条位移时间序列经傅里叶分析得到季节性地面变形的4个参数c₁、d₁、c₂和d₂ (图 4)，选用这4个台站每个参数的平均值构建东北地区基岩场地季节性地面升降预测模型：

$ \begin{gathered} D_{\mathrm{UD}}(t)=0.28 \sin (2 {\rm{ \mathsf{ π} }} t)-0.66 \cos (2 {\rm{ \mathsf{ π} }} t)- \\ 0.02 \sin (4 {\rm{ \mathsf{ π} }} t)+0.03 \cos (4 {\rm{ \mathsf{ π} }} t) \end{gathered} $

(3)

从图 4看出，该模型(红色线)很好地模拟了垂直方向地面运动(升降)的趋势，这4个台站记录到的垂直方向位移时序的均方根(RMS)平均为0.45 mm，剔除该模型模拟得到的季节性位移之后，均方根误差降为0.32 mm，该季节性模型能够将GNSS垂直方向的位移精度(RMS)提高约30%。根据研究，季节性地面运动的幅值在不同场地有一定差别，土层场地的季节性地面升降幅度往往大于基岩场地的季节性升降幅度，但两者的总体升降趋势基本一致^[14]。该季节性模型能够准确预测未来的地面运动趋势，从而有助于从GNSS解算得到的位移时间序列中提取真实的工程结构变形信息，在工程结构稳定性监测和预警项目中有其应用价值。相对于长期的地壳运动观测，地质灾害(火山活动、滑坡、地面沉降)和工程结构变形监测项目的观测周期一般都比较短，从几个月到一两年，很多采用流动观测，场地速度估计值的精度(不确定性)通常会受到季节性地面运动的显著影响，而该模型能够相当准确地剔除季节性的地面形变趋势，提高场地稳定性和结构安全性评价的可靠性。

5 NEChina20的应用

本文所推荐的NEChina20的适用范围包括东北地块和东北地块与华北地块之间的过渡带，覆盖我国东北三省、内蒙古(包头-呼和浩特以北)、河北省(张家口以北)、渤海湾，以及北京市和天津市的北部，是我国火山和地震灾害风险很高的地区，也是我国交通基础设施和大型工程建设活跃的地区，其中渤海湾是我国近海海洋平台最多的海域。下文将分析NEChina20在该地区活动断层、地面沉降、火山活动等观测和监测领域中的应用。

5.1 东北地块内部断层活动观测

郯庐断裂带是中国东部最大的活动断裂带，在东北地区的部分为其北段，自沈阳开始分成2个分支, 西支为依兰-伊通断裂带，东支为敦化-密山断裂带(图 2)。依兰-伊通断裂带走向北东-南西, 南端起始于沈阳, 向北经过铁岭、伊通、舒兰、尚志、方正、依兰、鹤岗等地, 于萝北一带进入俄罗斯, 中国境内全长约850 km。国内学者对该断层的地质构造和活动性有很系统的研究，一般认为是第四纪早期的活动断裂，部分断裂段的最近活动可追溯到全新世晚期，并且发生过7级以上强震^[15]。沿依兰-伊通断裂带，从南到北有5个GNSS台站：LNHL(辽宁葫芦岛)、LNYK(辽宁营口)、LNSY(辽宁沈阳)、CHAN (吉林长春)和HLHG(黑龙江鹤岗)。图 5列举了位于依兰-伊通断裂带南端(LNYK)和北端(HLHG)的2个台站的位移时程，参考框架为NEChina20。2个台站都位于基岩场地，在东西方向的位移时间序列吻合很好，记录到约1.5 cm向东的同震位移。LNYK台在南北方向保持稳定(小于1 mm/a)，没有记录到同震位移；HLHG台则保持向南3 mm/a的运动，并记录到向南约1 cm的同震位移。LNYK台自2013年以来以3 mm/a的速度抬升，HLHG台则在垂直方向保持稳定(小于1 mm/a)。2个台站的位移时间序列的线性度较好，LNYK台的持续抬升和HLHG台的持续向南运动很可能与场地附近的断层活动有关。LNHL台和LNSY台位于依兰-伊通断裂带南端，CHAN台位于该断裂带中部，这3个台站在NEChina20参考框架下保持稳定(3个方向速度都小于1mm/a)，未受到断裂活动的影响。上述观测结果表明，当前该断裂带各段的活动性有显著差别。

位于抚远的HLFY(黑龙江抚远)台和其邻近的KHAJ(俄罗斯伯力)台记录到向西南方向4 mm/a的运动(图 3)，在该站址周围50 km范围内未发现第四纪活动断裂(图 2), 导致该观测点向西南方向运动的原因还需要进一步调查。位于吉林长岭县的JLCL台记录到2 mm/a的持续地面沉降。长岭县为典型的农业县，JLCL台位于该县农业灌溉区，其沉降很可能由农业灌溉抽取地下水造成。位于敦化-密山断裂带东侧的JLYJ(吉林延吉)台、JLCB(吉林长白山)台和SUIY(黑龙江绥阳)台, 明显受到2011年日本大地震震后位移的影响，当前以约4~5 mm/a的速度向震中方向运动。

5.2 地块过渡带的断层活动观测

在东北地块与华北地块之间存在一条宽约100 km的过渡带，总体呈近东西向, 长达1300km。该过渡带可分为东西2段，西段为河套断陷带(河套平原)，东段为张家口-渤海断裂带(图 2)。该过渡带地势平坦，交通便利，人口稠密，从西向东有包头、呼和浩特、大同、张家口、怀安、宣化、延庆、昌平、平谷、三河、蓟县、宝坻、唐山等城市。

河套活动断陷带的北界为阴山南侧山前断裂，南界为鄂尔多斯北缘断裂，西界为狼山山前断裂, 东界为和林格尔断裂^[2]。NMWT(内蒙古乌拉特后旗)台位于河套断陷带西北边缘，其西侧约2 km为北东向的狼山山前断裂(图 2)。图 6列举了该台站记录到的3个方向位移时间序列(2010~2019年)和水平方向的运动轨迹。该观测点明显受到2011年日本大地震的影响，记录到向东0.5 cm的同震位移，震后向西北方向运动并持续下沉，下沉速度稳定，约为8 mm/a (图 6(a))；水平方向的运动速度和方向随时间而变化，在2013年和2014年保持较快的位移速度，约13 mm/a；自2015年来有变缓的趋势，当前的平均速度约为6 mm/a(2017~2018年)(图 6(b))。该台站经历的非线性位移时间序列很可能由小范围的断层活动或局部场地失稳所致。位于河套断陷带的NMWJ(内蒙古乌加河)、NMTK(内蒙古托克托)和NMBT(内蒙古包头)，分别以2.5 mm/a、1.5 mm/a和0.5 mm/a的稳定速度沉降，在水平方向与东北地块保持相对稳定。这4个台站的观测结果显示，相对于东北地块，河套断陷带当前还在持续下沉。SXDT(山西大同)台和HEYY(河北阳原)台位于汾渭地堑的北端，2个台站显示相对于东北地块向东的运动，当前的平均速度(2012~2019年)约为2mm/a，与华北地块保持一致。

张家口-渤海断裂带西起张家口附近，向东南经北京、天津、渤海、山东半岛北缘，过威海到达黄海海域，总长度达800 km，宽度达100 km，总体走向呈NWW向，与汾渭地堑盆地群、太行山东麓断裂、黄庄-高丽营和夏垫断裂、沧东断裂、郯庐断裂带相交，呈现明显的分段性(图 7)。该断裂带历史上曾发生多次震级大于5.0的地震，如1679年三河-平谷8.0级地震、1976年唐山7.8级地震、1998年张北6.2级地震、2006年文安5.1级地震和2020年唐山古冶5.1级地震。唐山地区是该地块过渡带内地震最活跃的地区。基于GNSS观测和地质构造资料，国内学者对张家口-渤海断裂带的活动性进行了系统研究^[16]。图 7所示的速度矢量表明，该过渡带华北地块的一侧相对东北地块的一侧向东运动，平均速度约为2 mm/a，即该断裂带的总体运动特征为左旋走滑。

图 8列举了位于张家口-渤海断裂带内BJYQ(北京延庆)、BJSH(北京十三陵)、JXIN(天津蓟县)、TJBD(天津宝坻)、HETS(河北唐山)5个台站和位于华北地块的BJFS(北京房山)台在NEChina20参考框架下的位移时间序列。这些台站距震中2 000~2300km，记录到的同震位移(向东)约1 cm，震后位移时间序列差别显著。BJFS、BJSH和JIXN台有超过20 a(1999~2019年)的连续观测历史(图 8(a))，完整记录到2011年日本大地震前后的场地变形。JIXN台从2009年初开始向西运动，一致持续到2011-03-11日本大地震发生，震前2 a累积的向西位移约为1 cm；地震发生时向东运动，同震位移约为1 cm，即地震之后，该观测点回到2 a前的位置。该观测点在震后1 a内持续向东运动，累积了约1 cm的震后位移。其他台站没有记录到明显的震前位移。BJFS和BJSH台的水平方向场地速度在地震前后有约1 mm/a的差别，垂直方向的场地速度在地震前后没有差别。TJBD台位于宝坻断裂带上，位移时间序列显示明显向南运动的分量，约1 mm/a，表明该断层也兼具正断层的运动特征。BJSH和BJYQ台地震之后的位移时间序列保持很好的线性，震后位移不显著，当前的场地速度小于1 mm/a(2012~2019年)，与东北地块保持一致(图 8(b))。BJFS台显示向东运动的趋势，约2 mm/a，与华北地块保持一致。

HETS台位于唐山断裂带上(北东向)，靠近唐山陡河水库，距1976-07-28唐山大地震(M_S7.8) 震中约20 km，距2020-07-12的唐山古冶地震(M_S5.1)震中约15 km，位于这2次地震之间(图 7)。HETS台在日本地震后约3 a(2011-02~2014)的时间窗口内，显示向西北方向的运动，平均速度约1 cm/a，背离震中方向；其他台站则显示震后朝震中方向运动的趋势。与其他台站相比，HETS台观测点的震后位移持续时间明显延长。

图 8列举的位移时间序列表明，各台站的场地位移在时间和空间上都有显著差别。日本大地震的震前、同震和震后位移对该地区的构造应力场产生了复杂的影响，震后位移的影响当前还在持续。

5.3 火山活动监测

东北地区是我国新生代火山最多的地区，也是我国当前火山灾害风险最高的地区。由中国地震局火山研究中心运行的中国火山监测台网覆盖我国境内6个火山活动区，其中4个位于东北，包括吉林长白山天池火山、吉林(抚松县)龙岗火山、黑龙江五大连池火山、黑龙江牡丹江镜泊湖火山(图 2)。长白山火山是中国大陆规模最大的活动火山，是目前我国具潜在喷发危险的火山之一。火山活动区地下气体、岩浆或其他流体的移动，往往导致地表变形。因此，通过长期的地表形变观测，可以推测地下岩浆活动，为火山活动的预测和危险性评价提供重要信息。

图 9列举了3个靠近火山区的GNSS台站记录到的位移时间序列(2010~2019年)，参考框架为NEChina20。JLCB台位于吉林长白山，距长白山火山口约45 km，距龙岗火山中心区约70 km；HLWD台位于黑龙江五大连池，距五大连池火山群内近期活动的老黑山和火烧山(火山锥)约10 km；JLYJ台位于吉林延吉，距黑龙江省牡丹江镜泊湖火山约120 km，距天池火山口约150 km(图 2)。HLWD台在水平方向的运动速度约为0.5 mm/a，在垂直方向约为0.2 mm/a，表明该火山及邻区相对东北地块稳定。JLCB和JLYJ台受到2001年日本大地震震后位移的显著影响，分别以3 mm/a和5 mm/a的速度朝震中方向运动，因此，在分析当前火山活动时，除了要考虑长期的地壳运动和季节性地面变形，也要考虑由震后位移引起的区域性场地变形。

中国火山监测台网和国内多家研究机构在长白山和五大连池区域已开展了多年的、多期次的GNSS流动观测，地方观测机构也在火山活动区内开展了多年的GNSS连续观测^[17-18]。这些观测数据目前分散在各研究机构，发表的观测结果也是相对于不同的参考站，很难综合比较不同区域和不同时期的观测结果。NEChina20和季节性地面运动预测模型相结合，为整合东北地区多年的火山观测数据提供了一个统一的、精确的、稳定的参考平台，也为将来开展综合的、长期的火山监测和预警构建了基础设施。

6 结语

本文主要的研究成果包括实现东北稳定参考框架(NEChina20)的7个转换参数(式(1)、表 1)和东北地区季节性地面升降模型(式(3))。NEChina20的稳定性(精度)在水平方向约为0.5 mm/a、在垂直方向约为0.6 mm/a，推荐在空间上的适用范围限于东北地块及其邻区，在时间上的适用范围限于2005~2025年约20 a的时间窗口。NEChina20和季节性地面运动预测模型相结合，为东北地区地质灾害(火山、断层、滑坡、地面沉降)的长期观测提供了稳定的参考框架，也为高铁路基、大坝、海堤、跨海大桥、近海海洋平台等大型工程结构的长期稳定性和变形监测提供了一致的、精确的参照系统。用户在解释东北地区2011年前后的位移时间序列时，应当考虑到2011年日本大地震产生的震前、同震和震后位移对东北地区地壳运动的影响；在解释参考框架窗口(2012~2019年)之外的观测结果时，应当考虑到参考框架的稳定性随时间的退化；在解释低于1mm/a的场地速度时，应当考虑到该参考框架的稳定性。

本文所选用的7参数坐标时间序列转换方法和常用的单日7参数转换方法、14参数转换方法在原理上是一致的，对坐标转换的整体精度没有影响。坐标转换的整体精度，即区域参考框架的稳定性，主要基于地壳块体的刚度、基准站的数量和空间分布、基准站场地速度的准度和精度。东北稳定参考框架将与IGS参考框架同步更新，持续增长的观测历史和更多的基准站将提高该区域参考框架的稳定性。