區域地質環境穩定性大地測量監測 *** 及應用

黨亞民, 楊強, 王偉     

中國測繪科學研究院, 北京 100830

收稿日期：2017-06-20；修回日期：2017-09-11

基金項目：國家自然科學基金（41474011；41374081）

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之一作者簡介：黨亞民(1965-), 男, 研究員, 博士生導師, 研究方向為大地測量基準和地球動力學。E-mail:dangym@ca *** .ac.cn

通信作者：楊強, E-mail：yangqiang@ca *** .ac.cn

摘要：全球大地測量觀測系統（GGOS）已在地球變化監測中得到了廣泛應用。本文系統介紹了綜合大地測量各類觀測數據，以及地質、地震等資料，開展區域地質環境穩定性大地測量監測和評價的 *** 。以環渤海區域和川滇區域為例，分別針對地面沉降顯著、地震多發等不同地質環境特征，介紹了區域地質環境穩定性監測技術最新進展及應用成果。結果表明，針對不同地質環境背景，基于各類大地測量監測數據，結合地質、地震、水文等資料，可有效實現區域地質環境穩定性監測和評價，拓展了大地測量地球變化監測的應用領域，有重要的科學意義和實用價值。

關鍵詞：地質環境穩定性    大地測量監測    地表變化    因子分析法    定量評價    

Geodetic Method and Application for Monitoring the Stability of Regional Geological Environment

DANG Yamin, YANG Qiang, WANG Wei     

Abstract: Global geodetic observing system (GGOS) has been widely applied to monitoring the global change. This paper systematically introduces the method for monitoring and evaluating the regional geological environment stability by comprehensively utilizing multi-source geodetic observations, geological and sei *** ic data. Circum-Bohai-Sea area and Sichuan-Yunnan area as two typical cases are studied to introduce the latest progresses and applications in monitoring and evaluating the regional geological environment stability, where the geological environment of the former is characterized by the subsidence while that of the latter mainly represents the areas with frequent earthquakes. The typical case studies show that, for different geological environment backgrounds, by combining the multi geodetic monitoring data with geological, sei *** ic, hydrological data, regional geological environment stability can be effectively monitored and evaluated. Monitoring and evaluating the regional geological environment stability has been expanding the geodetic applications in global change monitoring, and this work is of important scientific and practical significance.

Key words: geological environment stability     geodetic monitoring     earth surface change     factor *** ysis method     quantitative evaluation    

全球大地測量觀測系統(GGOS)通過整合各種大地測量觀測和技術 *** ，形成新一代大地測量產品，開展地球科學研究，并在全球變化監測和防災減災等方面為 *** 決策、經濟發展提供支持^[1]。隨著大地測量監測手段的不斷完善，GNSS、水準、重力、InSAR、衛星測高等大地測量技術越來越多地應用于地球變化和災害監測。

過去幾十年，以GNSS為代表的現代大地測量技術在監測全球板塊運動、地殼運動和區域地殼形變及地表應變等方面發揮了重要作用^[2-8]，在聯合地震觀測分析研究地震前兆、孕育和破裂過程，以及震源機制解釋等方面也取得了許多研究成果^[9-16]。此外，大地測量地表觀測在地殼非構造負荷形變監測方面也具有重要應用^[17-19]。

區域地殼穩定性評價概念最早由地質工作者在地震地質研究和重大工程建設實踐中提出，主要以斷裂活動性、地震活動性和斷塊穩定性為依據來評價地殼穩定性^[20-23]。后來逐漸考慮地殼穩定性評價的層次性問題，顧及外動力和地質事件對其穩定性評價的影響，地殼形變、地應力、地震資料等已成為當前地殼穩定性分析的重要依據。針對不同研究對象和區域地質環境特點，利用地球物理、地殼形變、地應力、地應變等資料，開展區域地殼穩定性綜合評價已成為該領域的研究熱點^[24-28]。

國家規模化經濟布局與大型工程建設需要安全穩定的地質環境保障。通常在地殼穩定性評價中，重點考慮地殼構造穩定性，并兼顧地質災害等相關因素。但由于地殼整體地質構造活動和局部地表地質災害產生機理有本質不同，在地殼穩定性評價中，地表監測成果及其產生機理往往無法嚴格區分。為此，有學者從地質遙感角度提出了以區域地質環境遙感調查因子，如地震、地質災害、活動斷裂等作為基礎地質環境要素，進行區域地質環境穩定性定量評價研究^[29]。本文基于調查區域精確的大地測量監測資料，對該區域的地表形變和物質遷移(運動)進行精細分析，結合地震、地質和水文資料，對區域地質環境穩定性大地測量監測評價 *** 開展研究。

地質環境穩定性是綜合反映地表在各種構造力和負荷、均衡等非構造力共同作用下地質環境穩定程度的一項重要指標。地質環境穩定性大地測量監測利用GNSS、水準、重力、衛星測高等大地測量技術，獲取地表幾何物理信息及變化特征，在此基礎上，結合地質、地震和水文等資料，通過多要素綜合統計分析，建立穩定性評價模型與判定準則，定量分析評價一定時域內區域地質環境穩定性空間分布與變化，實現區域地質環境穩定性綜合評價。

1 區域地質環境穩定性監測 ***

地質環境穩定性監測主要考慮由于地球構造力和非構造力引起的地球表面和地球內部各類變化。長期以來，大地測量為地球科學研究提供精確的地表變化和重力場變化信息。地表變化監測主要利用GNSS、水準、InSAR等技術獲取地殼形變、區域地塊運動和地面沉降等信息；重力場變化信息通過地面重力和衛星重力等觀測手段獲取。除此之外，區域地質環境穩定性監測必須充分考慮與地質環境穩定性有關的其他監測信息，如地裂縫分布、斷裂分布、歷史地震時空分布、震級、深度、地震峰值加速度、斷裂活動，以及地下水的分布和變化等水文監測資料。

1.1 區域地表變化監測

區域地表變化監測主要利用GNSS、水準、InSAR等 *** 。其中，GNSS精度高，布測靈活，尤其隨著我國GNSS CORS分布密度的提高，可對監測區域地殼形變和趨勢進行實時連續監測，對地質環境穩定監測提供了可靠的形變數據保障。因此，對于區域地質環境穩定性形變監測，可以通過收集監測區域的CORS站數據及定期復測的GNSS監測網觀測數據，也可以在重點區域通過布測GNSS連續或定期復測監測點，實現高精度的區域地殼形變監測。水準測量一直以來都是地殼垂直形變最可靠的數據源。多年來，我國重大工程和重點建設區域，地震和地質災害多發區域，都布設了密集的水準監測網，積累了豐富的垂直形變觀測數據。

合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)及差分干涉測量(DInSAR)技術是近年發展起來的一種快速準確高精度地形變監測 *** ，它最明顯的優勢是覆蓋范圍大，觀測精度高(達到厘米乃至毫米精度)，可以獲得某一地區連續的地表形變信息，即獲得大空間尺度、大時間跨度的微小形變階段性累積量信息，成為連續空間地殼形變尺度和形變速率等定量化的數據基礎，可廣泛應用于地震地質災害形變、滑坡、地面沉降監測，尤其InSAR聯合高精度的GNSS水平位移觀測，可實現高精度和高可靠性的地表三維形變精確反演。

1.2 重力場變化監測

重力場及其變化反映了地球表層及內部的物質密度分布和運動狀態，根據重力場的時空變化，可推演和監測地球系統物質運移和交換過程。高分辨率的重力場時空動態變化信息可用于監測與其相關的陸地水儲量、水循環、海水質量變遷、地震形變、冰體質量平衡、冰后回彈等地球物理過程。根據測量 *** 的不同，重力測量通常分為地面重力測量和衛星重力測量。地面重力測量包括站點重力測量、海洋和航空重力測量。地面重力測量的優勢在于精度高，可用于解算重力場精細結構，而缺點在于數據覆蓋率低，并且存在測量結果不同區域精度不一致的問題。衛星重力測量則在獲取重力場時變信息方面具有明顯優勢。

對區域地質環境穩定性重力(場)變化監測，一般可以收集陸地重力觀測臺站連續重力監測數據、流動重力監測網觀測數據，包括區域相對重力網、絕對重力網、微重力網和重力垂直梯度測線在內的綜合高精度重復重力測網數據。當然，可以根據監測需要，補充地面重力觀測數據。此外，根據衛星重力數據獲得重力場變化信息可廣泛應用于研究地表河流及地下水儲量變化等。

1.3 地質地震水文變化監測

區域地形分布對于地質災害分布存在高相關性，為分析地質環境穩定性中地質災害的影響，一般需要獲取研究區域的地形分布特征，并計算研究區域邊坡角度。研究區域的區域活動斷裂也是區域地質環境穩定性監測評價的重要地質資料，它們大多經歷了復雜的地質演化過程，表現出繼承性和新生性，常是構造單元的分界線，其分布與地震活動關系密切。在穩定性評價中既要考慮活動斷裂帶，同時需要考慮斷層緩沖區。

區域歷史地震是地質環境穩定性監測評價另外一個重要因素，分析歷史地震特征，有助于了解研究區域內的地震分布、震源等，為地震危險性分析提供基礎信息。此外，研究區域的水文監測資料，尤其地下水變化也是影響區域地質環境評價的一個不可缺少的因素。在區域地質環境穩定性監測評價中，根據不同研究區域的實際情況，還有其他一些相關的地質、水文監測資料，例如研究區域的地殼物理性質、地應力、大地熱流等監測資料，需要根據實際情況予以考慮。

2 區域地質環境穩定性綜合定量評價模型

根據區域地質環境穩定性大地測量監測(包括地震地質和水文資料等)成果類型多、相關性強等特點，本文引入多元統計分析中的因子分析法建立區域地質環境穩定性定量評價模型^[30-31]，對區域地質環境穩定性進行綜合評價。

首先要對多個影響因素進行分類，將相關性較高，即聯系比較緊密的影響因素分在同一類中。不同類因素之間的相關性則相對較低，將每一類因素作為公共因子，求解少數幾個公共因子線性函數與特殊因子之和來定量評價區域地質環境穩定性。

設所有觀測變量表示為X=[X₁ X₂ … X_p]^T，共有p種變量，且有

(1)

式中，μ_i表示X_i均值；f_i表示公共因子，共有m個；e_i表示特殊因子；α_ij表示X_i和f_j相關系數。

(1) 首先對數據標準化。將X_i轉換為均值為0，方差為1的形式。

標準化后數學模型為

(2)

(2) 建立相關系數矩陣。設A=(α_ij)_P×m，這里矩陣A稱為因子荷載矩陣，相關系數矩陣R表示為R=A·A^T

 (3)

(3) 求解相關系數矩陣特征值和特征向量，確定公共因子。

計算相關系數矩陣R的特征值λ=[λ₁ λ₂ … λ_p]，以及其對應的標準正交化特征向量l_i。

(4) 計算觀測值X_i與公共因子f_j之間的相關系數α_ij，建立荷載矩陣。

可以采用主成分分析法計算相關系數α_ij，計算公式為

 (4)

求得α_ij，即可得到荷載矩陣A=(α_ij)_P×m。

(5) 求解因子得分系數。采用回歸法計算因子得分系數。代入荷載矩陣A，求解公共因子得分系數矩陣b_j。

(6) 計算公共因子得分。獲得各公共因子得分系數，計算得分

 (5)

根據公共因子得分，即可開展區域地質環境穩定性評價。

3 區域地質環境穩定性監測評價應用

開展區域地質環境穩定性監測評價研究，一般選取地質環境變化比較明顯的區域。環渤海區域是我國東部工業和經濟發展重點區域，該區域斷裂眾多，歷史上曾發生多次7.0級以上地震，此外該區域屬地質松散沉積物分布區，地下水開采等導致地面沉降嚴重。川滇區域活動斷裂密集，區域內地震活動頻度高、強度大。本文選擇這兩個地質環境背景差異明顯的典型區域，收集了兩個區域大地測量、地震地質、地面沉降、水文等監測資料，開展典型區域的地質環境穩定性監測評價。

3.1 環渤海地質環境穩定性監測評價

3.1.1 區域地質環境穩定性大地測量監測

根據區域主要地質環境特征，本文將地殼構造形變、地面沉降作為地質環境穩定性大地測量主要監測內容，監測數據主要包括：① 1999—2014年GNSS基準站數據，包括陸態網基準站46座，河北、山東等省基準站85座；② 1999—2013年7期陸態網572個GNSS區域站數據；③ 1977—1999年901個國家一等水準點不定期復測數據；④ 地震部門提供的跨斷層不定期復測20條測線水準數據。

本文利用GAMIT/GLOBK軟件對GNSS觀測數據進行處理，獲取了該區域水平和垂直運動監測結果(見圖 1)；并利用非均勻分布的GNSS速度矢量，計算空間連續變化的應變率場(見圖 2)。

圖 1 環渤海區域地殼運動速率Fig. 1 Crustal movement in circum-Bohai-sea region

圖 2 環渤海區域應變率場Fig. 2 Crustal strain rate in circum-Bohai-sea region

利用環渤海區域901個水準點復測成果，監測該區域垂直運動(見圖 3(a))。聯合該區域水準復測和GNSS監測結果，可獲取該區域較詳細地面沉降分布結果(見圖 3(b))。

圖 3 環渤海區域地面沉降Fig. 3 Land subsidence in circum-Bohai-sea region

3.1.2 區域地質環境穩定性評價

根據環渤海區域地質環境特點，收集了相關的地質地震資料，分析確定采用更大剪應變率、面膨脹率、地面沉降、斷層數目、斷層緩沖區面積比率、地震頻次、地震能量、地震帶峰值加速度等8項指標作為區域地質環境穩定性評價指標。利用因子分析法建立該區域地質環境穩定性定量評價模型，進行該區域地質環境穩定性評價。利用8項指標的相關性信息確定公共因子，并確定公共因子得分系數，對8項指標進行定權(見表 1)，計算評價單元得分，實現區域地質環境穩定性定量評價(見圖 4)。

表 1 評價指標定權Tab. 1 Evaluating index and the weights

圖 4 環渤海區域地質環境穩定性定量評價Fig. 4 Quantitative evaluation of regional geological environment stability in circum-Bohai-sea region

通過圖 4穩定性定量評價結果可以看出，計算得到的環渤海區域地質環境穩定性綜合評價結果與大地測量監測結果和地震地質監測資料有很多的一致性。由圖 5(a)區域斷裂及活動性分布和圖 5(b)歷史地震分布可以看出，郯廬斷裂、張家口-蓬萊斷裂等斷裂密集分布區及歷史地震頻發區也是該區域地質環境較不穩定區域。兩者與地質環境穩定性評價結果較為吻合。
 

圖 5 環渤海區域地質與地震資料Fig. 5 Geological and sei *** ic data in circum-Bohai-sea region
 

3.2 川滇區域地質環境穩定性監測評價

3.2.1 區域地質環境穩定性大地測量監測

川滇區域地殼運動主要以構造活動為主，地殼形變大，地震、地質災害頻繁。針對該區域地質環境特點，地質環境穩定性監測評價采用的數據主要包括：① 1999—2015年GNSS基準站數據，包括陸態網基準站65座、四川省基準站47座；② 1999—2015年8期陸態網449個GNSS區域站數據；③ 1999—2015年20期陸態網5′×5′格網值地面重力數據；④ 2002—2015年GRACE衛星重力時變重力場數據。

利用GNSS監測數據獲取了川滇區域水平和垂直運動結果(見圖 6)，并計算得到了該區域的應變率場(見圖 7)。重力場異常變化和該區域地震、地質災害存在一定關聯性，利用川滇區域重力測量數據，可以監測該區域重力變化時空分布。

圖 6 川滇區域地殼運動Fig. 6 Crustal movement in Sichuan-Yunnan region

圖 7 川滇區域地殼應變率Fig. 7 Crustal strain rate in Sichuan-Yunnan region

3.2.2 區域地質環境穩定性評價

根據川滇區域地質環境特點，收集整理地質地震水文資料，分析確定更大主應變、更大剪應變、垂直形變、斷裂數目、地震加速度、地震能量、地質災害點、地面重力變化等指標用于評價川滇區域地質環境穩定性，實現區域地質環境穩定性定量評價(見圖 8)。

圖 8 川滇區域地質環境穩定性評價Fig. 8 Quantitative evaluation of regional geological environment Stability in Sichuan-Yunnan region

不難看出，圖 8穩定性評價結果較準確反映川滇區域地質環境穩定問題。對照圖 9(a)川滇區域斷裂分布和圖 9(b)區域歷史地震分布，可以發現在在龍門山、鮮水河、小江、怒江、紅河等斷裂周邊，斷裂分布密集，同時也是地震多發區，兩者與區域地質環境穩定性評價結果中較不穩定區域分布較為一致。

圖 9 川滇區域地質與地震資料Fig. 9 Geological and sei *** ic data in Sichuan-Yunnan region
 

4 結論與討論

隨著大地測量技術的發展，大地測量觀測的精度、空間分布和現勢性不斷提高，各類連續大地測量觀測數據也以前所未有的速度累積。傳統意義上大地測量主要提供全球和區域高精度的測圖基準、研究地球形狀、測定地面點幾何位置等，綜合利用多種大地測量觀測研究和監測地球變化，已成為大地測量一個新的重要任務。國際全球大地測量觀測系統(GGOS)已在全球地震地質災害、冰后回彈、海嘯、氣象、火山監測等方面取得了一系列重要成果。本文在傳統基于地質力學的地殼穩定性評價理論基礎上，將現代大地測量多源觀測數據引入地質環境穩定性監測評價中，獲取的地表變化監測結果精度和分辨率高、現勢性好，穩定性評價結果更為精細。

本文通過環渤海區域地質環境穩定性監測評價和川滇區域地質環境穩定性監測評價兩個典型應用，驗證了基于多源大地測量資料，結合區域地質構造，地質地震災害，以及水文監測資料等在不同地質環境背景下開展區域地質環境穩定性監測評價的有效性。但開展區域地質環境穩定性監測評價是一個新的不斷發展地球科學問題。實際上，區域地質環境穩定性涉及地球構造、地球內部和外部物理過程，同時與穩定性監測資料的類型、分布和精度有關，也與地質環境穩定性量化評價的理論 *** 和模型密切相關。密集分布的高精度大地測量資料無疑會對區域地質環境穩定監測提供前所未有的高精度約束，提高區域地質環境穩定性評價的可靠性和現勢性。但區域地質環境穩定性監測除了精確的大地測量監測資料、地震地質及水文監測資料，將來必然還會有其他類型的監測資料可以利用，即使是大地測量監測資料，在不同時期資料類型也會變化和不斷豐富，因此，對區域地質環境穩定監測的指標體系、評價 *** 等今后都有待進一步完善。

致謝: 感謝中國地震局地質研究所、四川測繪地理信息局、中國科學院測量與地球物理研究所、中國地震局地震研究所等單位提供的數據支持與幫助。在本文研究過程中，章傳銀研究員、甘衛軍研究員、薛樹強副研究員等提出許多有益的建議，在此表示衷心感謝。
 

【引文格式】黨亞民，楊強，王偉。區域地質環境穩定性大地測量監測 *** 及應用[J]. 測繪學報，2017，46(10)：1336-1345. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170324