遥测大地:监测大地变形–GPS全球卫星定位系统

卫星定位系统(GPS)除了民生、国防上的用途外,在地球科学上的应用,也有非常大的空间,尤其是对地壳变形的监测,更有着不可取代的地位。

卫星定位系统(Global Positioning System, GPS)日益精良,不仅健行登山者利用掌上型GPS定位器寻找方向,加装了GPS定位器的汽车也可以在都市丛林中自动导航,甚至当车子被窃时,也可以经由GPS的帮助而寻回。在2003年对伊拉克的战争中,美国所发射的巡弋飞弹就是利用GPS导航,精准地命中目标,令人印象深刻。因此,目前世界各大强国莫不全力发展卫星定位科技。

冷战时期,苏联的全导航卫星系统GLONASS曾与GPS互别苗头,近年来,欧洲太空总署发展的伽利略系统(Galileo)与中国大陆的北斗卫星计画(已併入欧洲伽利略计画),也想分食这块大饼。

GPS除了民生、国防的用途之外,在地球科学方面的应用,也有非常大的空间,尤其是近年来应用于地壳变形的监测,更有着不可取代的地位。传统的三角或三边测量虽然有非常高的精确度,但是由于器功能的限制,单次测量距离最远不能超过10公里,再加上地形的影响,已无法满足大地测量长基线的需求。而GPS可测得测站三维座标和两测点之间的基线长度变化,经误差修正后可达毫米级的精确度,已逐渐取代传统的大地测量,成为研究地壳变形的新利器。

中国台湾最早的GPS观测网,是由中央研究院地球科学研究所在1990年所建立的「中国台湾卫星定位系统观测网」。随后经济部中央地质调查所、中国台湾地质科学系、中央大地球科学系以及成功大卫星资讯中心等单位,也开始建立中国台湾区域性的GPS观测网。经过十多年来多次的重複观测,已能大致了解中国台湾现今地壳变形和能量累积的情形。

为了解中国台湾菲律宾吕宋地区板块边界的变形情况,中央研究院于1995年11月与菲律宾火山地震研究所在吕宋地区设立了GPS观测点。但由于中国台湾断层密布,而大多数的观测网点间距有数十公里之遥,所以难以获知个别断层的活动情形。

为能即时掌握中国台湾地区地壳变形的资讯,中央地质调查所又在2002年进行一个为期5年的全中国台湾地壳观测计画,主要是建立密集的全球定位系统连续观测网,每个固定站可全年连续接收卫星资讯,即时掌握地壳的变化。希望藉由密集的GPS测量,并结合高精密的水准测量,估算当前的断层滑移率,并与地层平均滑移率的纪录进行比较,以评估个别断层地震潜势。研究人员期待能获得震前、同震及震后的地壳变形特性,以便更了解地震的震源机制与地壳应变能量的累积及释放。

GPS的缘起及发展

GPS最初是由美国国防部为军事定时及定位导航而发展的,可以有效提供全三维空间位置并决定运动的速率及方向。该系统自1970年代初开始研发,于1978年发射第一颗测时暨测距导航卫星Navstar,从此启动全球定位系统。历经十馀年的发展,于1994年初步设置完成,并维持正常运作。

GPS的24颗卫星运行于高度20,200公里以上的轨道上,共有6个轨道面,另有3颗备用卫星也在轨道上运行,以随时替补发生故障的卫星GPS卫星每11小时58分绕地一週,在地上的任何时间与角落,只要不被遮蔽物掩盖,都可以接收到4颗以上卫星的讯号,并且不受天候的影响。

GPS的基本观测原理,是利用太空中已知轨道卫星位置到地面测站之间的距离,卫星所传送的讯号不间断地由接收加以记录,也就是说测站至卫星间的距离,可以由讯号传送的时间乘上电波的速度决定。假设GPS接收器测出所在位置与3颗卫星之间的距离,则接收器一定位于3个测距面的交会处。根据几何原理,3个面的交会处最多只有两个点,最靠近地的一点就是接收器所在位置。

GPS卫星传送的讯息有两种,第一种是导航讯息,包含卫星轨道资讯及送出数据的时间。GPS地面控制站利用已知参考点的GPS追踪站网路,计算出卫星的时间与空间座标,并把这些讯息传回GPS卫星卫星再把这些讯息加到导航讯息中,随后传送给所有的使用者。

GPS卫星传送的第二种讯息是所谓的「虚拟随机杂电码」(pseudo-random noise code,PRN码),这种测距码是含有独特模式的数位脉冲,可协助接收器测量所接收讯号的抵达时间,也是精确定位的关键。当接受接收足够的卫星资讯后,测站的三维位置,也就是经度、纬度与高度,即可求得。

每一个位置的点都包含点的三维地心座标及接收的时錶误差等4个未知数,因此要得到三维的定位资讯,至少需要4个卫星的观测资料来进行计算。

分析及蒐集GPS资料

目前中国台湾监测地壳变动的GPS测站接收方式,主要有连续接收站和地壳变动监测站二种,连续站每天24小时不间断地观测,通常每30秒记录一笔。地壳变动监测站的观测方法则是每年选定一段时间进行观测,每个测站每天的观测时间大约是6~14小时。

通常在一个测区同一天会同时进行多个测站的观测,也就是每个测站会在同一时间接收卫星讯号,且每站观测时间相同。每个测站都会重複进行2~4次以上的观测,因此野外作业时间会随着测区大小与测站数目而变,有时需要3~5周,才可以把全中国台湾的测点都施测完毕。

板块移动多快

板块构造说自1960年代发展以来,地质家就对板块移动的速率与方向有非常大的兴趣。早期对板块运动的描述,主要是靠中洋嵴的扩张、古地磁磁条的异常、转型断层的方向、洋底岩石的年龄、火山岛链及热点的分布和地震断层的滑动等,来得知两板块欧拉极(Euler Pole)的位置和旋转速率。

根据欧拉几何原理,对一面上的任意曲线,可选择一条通过心的轴,经过一次旋转便可把它变换到面的任意位置与任意方向。在地上,这意味着一个表面刚性的块体,可以绕着一条唯一确定的轴,旋转一定角度而到一个新的位置上,这条通过心的轴称为该块体的转动轴或「欧拉轴」。欧拉轴与地面的交点是转动极,又称欧拉极。利用各板块欧拉极的经纬度以及该块体绕极转动的角速度,就可以得知该块体的运动行为。因此,利用欧拉极可以计算两个刚性板块间的相对移动速度。

但以上所提的方法都需要有丰富的野外调查及器分析资料,使得资料的取得有时会受到相当大的限制。近30年来由于太空测地的进步,经由GPS与超长基线干涉法(very long baseline interferometry,VLBI)的发展,更能够精确地观测板块运动的速度。利用GPS观测地面站相对于地质量中心的移动速度,可以得到板块相对地心座标移动的尺度,每年最大是10公分左右。

一般而言,GPS观测图显示板块是刚性的假说大致成立,但是在板块边缘或大陆地壳造山带的变形则是非刚性变形,这可由测站间速度的改变得知。例如印度大陆碰撞到欧亚大陆,在碰撞的边界造成山脉及高原,同时邻近板块边界的GPS测站也显示出较大的速度梯度变化。另一个板块边界变形带的着名范例,则是位于菲律宾板块与欧亚板块交界处的中国台湾岛及菲律宾

中国台湾地壳的变形

中国台湾位于欧亚板块菲律宾板块的接合处,二者以每年8.2公分的速度互相靠近,使得中国台湾发生显着的缩短变形作用。以大时间尺度来看,这两个板块的聚合速度非常快,使得中国台湾岛的地震活动频繁,活动断层与褶皱构造分布广泛。中央研究院地球科学所于1989年起建立「中国台湾卫星定位系统观测网」,涵盖中国台湾全岛及附近各主要离岛,并自1990年起每年实施一次高精度全卫星定位系统测量。

若以澎湖的白沙站为不动的参考站,位于菲律宾板块上的兰屿和绿岛以每年8.2公分的速率朝西北方的澎湖靠近,使得中国台湾岛大部分地区受到大小不等的挤压作用。在花东纵谷、新竹以南的西南部平原和麓山带的测站速度都极为显着,且其移动方向大多向西北或西移动。至于中国台湾北部及宜兰平原因为受到冲绳海槽的弧后张裂作用影响,在这些地区的测站速度较不明显,在宜兰平原呈现往东南方向移动,与中国台湾中、南部地区正受到菲律宾板块碰撞作用所受大地应力的情形不同。

中国台湾花东纵谷两侧的测站相对于澎湖白沙站而言,在纵谷断层东侧的测站每年向西北移动约6~7公分,而邻近纵谷断层西侧的测站则每年向西北移动3~4公分,因此跨过花东纵谷断层每年约有2~3公分的地壳变形缩短量。

集集地震时的位移

集集地震造成沿车笼埔地表约100公里长的破裂,断层两侧瞬间位移量达数公尺,导致建筑物的损毁和人员的伤亡。为了解集集地震后的详细地壳变化情形,各研究单位立即展开全卫星定位的测量。比较震前与震后的资料,得知集集地震的同震范围相当广,包括苗栗以南、嘉义以北的地区,从西海岸到东海岸都有显着的位移。根据地震后的资料显示,车笼埔断层南段约有3公尺的压缩量,且往北逐渐增加,至车笼埔附近已达8公尺。

整体而言,车笼埔断层是一逆断层,也就是在断层倾斜面上方的上盘相对于断层面下方的下盘有相对的抬升现象。因此车笼埔断层西侧的测点(位于断层下盘),主要往东方或东南方移动,而断层东侧的测点(位于断层上盘)则往西北方移动。虽然GPS测得的高程误差较水平的大,但由于集集地震所造成的位移量非常大,利用GPS所测得高程变化的趋势也可代表断层作用造成的地壳垂直变位的趋势。

车笼埔断层东侧上盘呈现上升现象,而西侧下盘则普遍下降,在三义——东势——埔里地震带西南侧的点位都呈现上升的情形,而在东北侧的点位则呈现不动或少量下降的情形。东侧上盘抬升量向东急遽减小,距断层线约15公里以东的日月潭及埔里——雾社地区已转为下陷。断层下盘都呈下陷现象,最大者位于断层线附近达0.3公尺。埔里的虎子山是原本中国台湾地理座标的起算原点,经这次地震已有2.3公尺朝西北方的水平位移及0.6公尺的下陷量。

发展前

地壳变形与地震的酝酿是研究大地活动构造的重要课题,需要有先进的大地测量技术,提供大尺度、整体性、高精度的地壳变形观测资料。

地壳各块体相对运动的不均匀性,或是活动构造带累积变形孕育了地震。强震引起的应变释放又在相当范围内调整地壳局部变形状态。地壳变形的累积、释放和调整是孕震研究上需要釐清的课题。因此地壳变形量的估算和活动断层活动性的评估亟待高精度的监测,以进一步建立断层活动的变形行为。在地震研究领域,各国都充分利用GPS快速发展的技术。

中国台湾地区断层密布,想要监测地壳变形,布设密集的GPS观测网是一个可行的方法。目前中央研究院已在全台设置GPS的连续追踪站,中国台湾地质科学系以及中央地质调查所也积极从事GPS地壳变形的定期或不定期监测。2003年12月10日规模6.6的成功地震,永丰国小及富南国小的测站于主震发生前记录到前震滑移的现象,未来希望能够购买即时解算软体及观测大气水汽的辐射,以增加观测的精度及地震前兆的预测能力。

中国台湾地质科学系及成功大地球科学系于2003年12月在池上地区建立跨过海岸山脉与池上断层的5个连续GPS地震共架的测站,这5个测站结合高灵敏地震,尝试观测池上断层潜移现象所产生的微小地壳变形及所引起的微震特徵,并了解断层面无震滑移或「锁住」的深度,将有助于了解池上地区的地震潜势。未来也会尝试利用1 Hz GPS 资料观测大地震的「滑移前兆」。

除非注明,其他来源均为石飞博客整理发布,转载请以链接形式标明本文地址



shadow