用VLBI和SLR实测数据解算现时板块运动参数的方法
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中国科学院上海天文台年刊
CANo.16,1995
1995年第16期ANNALSOFSHANGHAIOBSERVATORYACADEMIASINI
用VLBI和SLR实测数据解算现时
板块运动参数的方法
孙付平赵铭
主题词:甚长基线干涉测量(VLBI)—人卫激光测距(SLR)—板块运动
提要
本文着重讨论了用空间大地测量(VLBI和SLR)实测数据解算现时板块运动参数的方法,推导了有关公式。
根据作者的实践,阐述了应用中应注意的问题。
一、引言
板块构造学认为,地球表面岩石圈是由大小不等的20多个板块构成。
由于地幔对流及其它因素的作用,这些板块之间存在着1 10cm燉yr的相对运动。
利用海底扩张速率、转换断层方位角、地震滑动矢量等地质和地球物理观测资料,人们已建立了能定量反映板块间相对运动的地学板块运动模型,例如RM2[1]和NUVEL 1[2]。
根据板块运动模型可以估计出地球表面任意两点之间的相对运动。
但是,海底扩张速率是由海岭两侧年龄相同的磁异常条带的间距除以该磁异常条带的年龄而得到的,它反映的是最近几百万年里板块扩张的平均效果,而转换断层的演化则有更长的地质历史。
所以,地学板块运动模型估计的是最近几百万年内板块的平均运动。
甚长基线干涉测量(VLBI)、人卫激光测距(SLR)等空间大地测量技术,目前已能以几个mm燉yr的精度测定板块间的运动。
这种实测的板块运动是由最近10多年的观测资料解算的,与漫长的百万年时间尺度相比,完全可以认为是现时的板块运动。
现时的板块运动与地质历史上平均的板块运动相比较,将为我们研究板块运动的稳定性、板块的刚性等重大问题提供证据。
并且,要为地震等灾害预测工作服务,要维持一个高精度地球参考架,建立一个精确的现时板块运动模型也是很必要的。
地球物理研究表明,地面点的长期运动主要有三种:(1)大尺度板块运动:主要沿水平方向,量级是1-10cm燉yr,是全球性的。
(2)局部构造形变:主要沿水平方向,量级是1-20mm燉yr,是局部性的。
(3)冰期后地壳回弹:主要沿垂直方向,量级是1-10mm燉yr,是区域性的。
实测的台站运动主要是以上三种运动的叠加。
因此,用实测数据求解现时板块运动参数时,必须尽可能地消除局部形变和冰期后地壳回弹的影响,这是应用中应注意的问题。
1994年4月15日收到。
二、实测的板块运动观测量
1.VLBI
观测量[3]
测地VLBI是通过观测射电信号至两个VLBI接收机的时间延迟和延迟率来解算站间基线矢量的。
不同时段得到的同一VLBI
基线的各观测值投影到同一个初始参考架中,对这些观测量进行时间拟合即可得到该基线沿其长度、横向和垂向的三个时间变化率:爜 牏牐
、爴
牏牐
和爣 牏牐。
由定义可知[3]
,基线横向变化率爴 牏牐与初始参考架定向有关;而基线长度变化率爜 牏牐
只与尺度有关;基线垂向变化率爣 牏牐
是VLBI确定最差的一个分量,它主要受大气因素的影响。
所以用基线变化率求解板块运动参数时一般只采用基线的长度和横向变化率。
图1显示了VLBI基线变化的三个分量方向。
图1VLBI基线变化的三个分量Fig.1ThreecomponentsofVLBI
baselinevariation
其中,
牄
牏牐=(牜 牐-牜 牏
)燉牜 牐-牜
牏,(1)牠
牏牐=(牜
牐×牜
牏
)燉牜
牐×牜
牏,(2)
牎
牏牐=牄
牏牐×牠
牏牐
(3)分别是基线沿长度、横向和垂向的单位矢量。
牠
牏牐的方向是从正面看由里向外。
为了更直观地分析各台站的运动,VLBI
数据处理中心还解算了各台站在地心参考架中的站
速度爼牨牏、爼牪牏和爼牫
牏,以及在站心参考架中的站速度爼牉牏、爼牕牏和爼牣
牏。
因站速度是绝对量,
解算时必须附加相应的约束条件。
例如把某一VLBI站(
如Westford
)的站速度及到另一站的方位变化固定为板块绝对运动模型(如NNR-NUVEL
1[4]
)的估计值,而其它站的站速度相对于它来确定。
实际上,VLBI
基线的长度、横向和垂向变化率与站心坐标速度之间还有如下关系:[5]
爜 牏牐爴 牏牐爣 熿燀燄燅牏牐= 牄 牏牐燈牕 牏 牄 牏牐燈牉 牏 牄 牏牐燈牣 牏牄 牏牐燈牕 牐牄 牏牐燈牉 牐牄 牏牐燈牣 牐 牠 牏牐燈牕 牏 牠 牏牐燈牉 牏 牠 牏牐燈牣 牏牠 牏牐燈牕 牐牠 牏牐燈牉 牐牠 牏牐燈牣 牐 牎 牏牐燈牕 牏 牎 牏牐燈牉 牏 牎 牏牐燈牣 牏牎 牏牐燈牕 牐牎 牏牐燈牉 牐牎 牏牐燈牣 熿燀燄燅牐爼牕
牏
爼牉牏爼牣牏爼牕
牐
爼牉牐
爼熿燀燄燅牣牐
(4)其中牕 、牉 和牣
分别为站心参考架中的当地北向、东向和天顶方向的单位矢量。
由(4)
式也可求解VLBI
站速度,因基线变化率是相对量,求解时同样需要上述约束条件。
测站地心坐标速度爼牨牏、爼牪牏和爼牫牏与站心坐标速度爼牕牏、爼牉牏和爼牣
牏之间也有如下关系:
爼牨牏爼牪牏爼熿燀燄燅牫牏= sin犧牏 cos犧牏sin 牏cos犧牏cos 牏cos犧牏 sin犧牏sin 牏sin犧牏cos 牏0cos 牏sin 熿燀燄
燅牏爼牉
牏爼牕
牏
爼熿燀燄燅牣
牏
(5)
其中 牏和犧牏是测站牏
的地心纬度和地心经度。
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中国科学院上海天文台年刊
1995年
可见,VLBI提供三种板块运动观测量:(1)基线沿其长度和横向的变化率爜 牏牐和爴 牏牐。
它们都可能受到局部形变的影响,并且当基线较长时爜 牏牐
还可能受到冰期后地壳回弹的影响;(2)地心坐标速度爼牨牏、爼牪牏、爼牫牏。
可能受到局部形变和冰期后地壳回弹的影响;(3)站心坐标速度爼牕
牏
、爼牉牏、爼牣
牏。
其中水平分量可能受局部形变影响,
垂直分量则主要反映冰期后地壳回弹引起的变化。
2.SLR观测量[6]
SLR技术通过测量地面站至人造卫星的距离来解算地面站地心位置。
不同时段的观测会
得到不同的地心坐标。
由同一时段所得到的两点的站坐标可解算站间大地线距离,不同时段里所得距离的时间拟合即可得到站间大地线变化率爳 牏牐。
爳
牏牐
与参考架定向无关,只与尺度有关。
同样,提供某种约束条件(例如NNR-NUVEL
1),也可由不同时段的测站地心坐标求解测站的地心坐标速度爼牨牏、爼牪牏、爼牫牏和站心坐标速度爼牕牏、爼牉牏、爼牣
牏。
可见,SLR也提供三种板块运动观测量:(1)站间大地线变化率爳 牏牐,因大地线与当地垂线
基本垂直,所以爳 牏牐对冰期后地壳回弹的垂直分量不敏感;(2)地心坐标速度;(3)站心坐标速度。
3.基线长度变化率爜 牏牐与大地线(弧长)变化率爳 牏牐
的关系因地球常作为球体来处理,大地线变化率近似为弧长变化率。
如图1所示,爜牏牐、爳牏牐为第牏站到第牐站的基线长和弧长,犜牏牐为两站间的地心角,
设爲是地球平均半经,则有爳牏牐=爲燈犜牏牐(6)爜牏牐=2
爲燈sin(犜牏牐2
)(7)
把上面两式对时间牠求导并进行代换,可得
爜 牏牐=爳 牏牐燈c
os犜牏牐2
(8)因爜 牏牐和爳 牏牐
对板块间沿基线横切方向的运动不敏感,这种不足需要较多分布合理的基线长度或弧长变化率来弥补,所以实用中常需组合应用VLBI和SLR两种数据。
如果两者尺度
一致,则可用(8)式进行两种观测量之间的变换。
值得注意的是,当站间地心角犜牏牐接近1
80°时,数据中的误差会被显著地放大或缩小。
所以(8)式的应用应限定在一定的范围,如犜牏牐≤1
20°。
三、用实测数据求解板块运动参数的数学模型
地球近似为椭球体,但在研究板块运动时,为方便起见常把地球近似为球体。
这种近似引起的误差是可以忽略的。
例如对于3毫秒的地心角(对应地面距离约10cm)
来说,地球半经10km的变化引起的地面距离变化仅为0.15mm。
对于几个cm燉yr的板块运动来说,地面点地心距变化的影响是很小的,应用中常取地球平均半径爲(爲=6378140m)
来计算。
板块的运动常采用旋转角速度矢量(也叫欧拉矢量)犓
来描述。
犓
的球坐标分量为牼、犎、犽,牼和犎是板块旋转极的经纬度,犽是旋转角速度。
犓
的直角坐标分量是犓牨、犓牪、犓牫,它们分别是犓
在牀、牁、牂轴上的投影。
板块运动有绝对和相对运动之分,
绝对运动是板块相对于某一参考架(
例如热点参考架)的运动,相对运动则是一个板块相对于另一板块的运动。
通常是求解板块之间的相对运动参数。
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第16期用VLBI和SLR实测数据解算现时板块运动参数的方法
1.由基线变化率爜 牏牐和爴 牏牐
求解板块运动参数如图1所示,设牏站位于牑板块,牐站位于牓板块,两板块的欧拉矢量分别为犓
牑和犓
牓,
则有爜 牏牐
=(犓 牓×牜 牐-犓 牑×牜 牏)燈牄 牏牐(9)
爴
牏牐=(犓 牓×牜 牐-犓 牑×牜 牏)燈牠 牏牐
(10)
设犓 牑牓=犓 牓-犓
牑为牓
板块相对牑板块的欧拉矢量,则代入(9)和(10)式变换后可得爜
牏牐=(牜
牏×牜
牐)牜 牐-牜
牏
燈犓 牑牓(11)
爴 牏牐=犓 牑牓×牜 牐+犓 牑×(牜 牐-牜 牏
)燈牠 牏牐(12)可见爜 牏牐只与板块间相对运动有关,而爴 牏牐
与参考架有关。
由(11)和(12)式可以求解板块间的相对运动欧拉矢量和至少一个板块的绝对欧拉矢量。
2.由站间大地线变化率爳 牏牐
求解板块运动参数
把(11)式代入(8)式即可得到爳 牏牐
与犓
牑牓的关系式:爳 牏牐=爜 牏牐cos犜牏牐2=(牜 牏×牜 牐)cos犜牏牐
2
燈牜 牐-牜
牏燈犓 牑牓
(13)如果用球坐标表示,则有比较复杂的形式。
如图2所示,爮牏(犺牏、犧牏
)为牑板块上的测站,爮牐(犺牐、犧牐)为牓板块上的测站,两板块的相对欧拉矢量犓
牑牓
用球坐标表示为犎、牼、犽。
CTP为协议地极,取爲为地球平均半径,则由图2可找出犓
牑牓与在△牠内弧长变化△爳牏牐的关系式为
[7]
△爳牏牐=爲燈犽燈△牠燈sin犲燈sin犜(14)
根据球面几何关系,(14)
式又可变换为:爳 牏牐
=犽燈爲sin爳牏牐
sin犎cos犺牏cos犺牐sin(犧牏 犧牐)+cos犎cos犺牏sin犺牐sin(犧牐 牼) cos犎sin犺牏cos犺牐sin(犧牐[] 牼)(15)
图2Ω
kl与弧长变化△Sij
的关系Fig.2Relationshipofarclengthvariation△SijandΩ
kl3.由站心坐标速度爼牕牏和爼牉
牏求解板块运动参数
设爼牕牏、爼牉牏、爼牣牏为牑板块上第牏站的站心坐标速度,因板块运动主要沿水平方向,理论上爼牣
牏
与板块运动无关则站速度水平分量牕牏和牉与板块绝对欧拉矢量
牑
牨牑牪牑牫
牑的关系式为0
1中国科学院上海天文台年刊
1995年
爼牕
牏
爼[]牉
牏=爲sin犧牏爲cos犧牏
0 爲sin犺牏cos犧牏 爲sin犺牏sin犧牏爲cos犺[
]
牏犓牨
牑犓牪牑
犓熿燀燄
燅牫
牑
(16)
式中,爲为地球平均半径,犧牏、犺牏为第牏
站地心经纬度。
如图3所示,如果犓
牑用球坐标犎牑、牼牑、犽牑表示,则k板块上爮牏站在时间△牠
内因板块运动产生的坐标变化△犺牏、△犧牏与犎牑、牼牑、犽牑的关系为[7]
sin(犺牏+△犺牏)=sin犎牑cos犲+cos犎牑sin犲cos(犜-犽牑燈
△牠)cos(犧牏-牼牑+△犧牏
)=cos犎牑cos犲-sin犎牑cos(犜-犽牑燈△牠)sin(犜-犽牑烅烄烆燈
△牠)(17)
式中犜是方位角,犲是旋转极到爮牏点的弧距。
对(17)式线性化即可得到坐标变化△犺牏和△犧牏与板块运动参数犎牑、牼牑、犽牑的关系式:
△犺牏=cos犎牑sin(犧牏-牼牑)燈犽牑
△牠△犧牏=(sin犎牑-cos(犧牏-牼牑)tg犺牏cos犎牑)燈犽牑
烅
烄烆△牠(18)
或者把(18)
式变换为爼牕牏=
爲燈△犺
牏△牠
=爲燈犽牑cos犎牑sin(犧牏-牼牑)爼牉
牏=爲燈△犧牏cos犺牏△牠=爲燈犽牑(sin犎牑cos犺牏-cos(犧牏-牼牑)sin犺牏cos犎牑
烅烄烆)(19)
若取犓牨牑=犽牑cos犎牑cos犧牑、犓牪牑=犽牑cos犎牑sin犧牑、犓牫
牑=犽牑sin犎牑代入(
16)式,则可证明(16)式与图3△犺牏、△犧牏与犎牑、牼牑、犽牑的关系Fig.3Relationshipof犎牑、牼牑、犽牑
and△犺牏、△犧牏
(19)式是等价的。
由(16)或(19)式解出的是板块的绝对欧拉矢量,它与定义站速度的参考架有关。
我们需要的是板块间的相对运动参数,因此还须把解得的绝对欧拉矢量换算为相对欧拉矢量(犓
牑牓=犓
牓-犓
牑
)。
也可用所有板块上的站速度由(16)式联合解算所有板块对的相对欧拉矢量和一个绝对欧拉矢量。
4.由地心坐标速度爼牨牏、爼牪牏、爼牫
牏求解板块运动参数设欧拉矢量为犓
牑的牑
板块上有牕个测站,则第牏站的站速度爼
牏(爼牨牏、爼牪牏、爼牫牏)与犓
牑(犓牨牑、犓牪牑、犓牫
牑)的关系为:爼牨牏爼牪牏爼熿燀燄燅牫牏=0爲sin犺牏 爲cos犺牏sin犧牏 爲sin犺牏0爲cos犺牏cos犧牏爲cos犺牏sin犧牏 爲cos犺牏cos犧牏熿燀燄
燅0犓牨
牑犓牪
牑
犓熿燀燄燅牫牑
(20)
根据前面导出的VLBI和SLR实测数据与板块运动参数的关系式,
当观测量大于待解参数个数时,就可用最小二乘平差方法解算出板块运动参数。
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1第16期用VLBI和SLR实测数据解算现时板块运动参数的方法
四、应用中需注意的问题
1.稳定台站的选择
在引言中我们提到,
实测的台站运动除观测误差外,主要是大尺度板块运动、局部构造形变和冰期后地壳回弹这三种长期运动的叠加。
我们感兴趣的是板块运动信息,但它却受到局部形变和冰期后地壳回弹的干扰。
特别是局部形变,它的影响有时很大。
对于局部形变的影响,可通过选择稳定的测站来消除。
板块的边界和内部一些地区虽然存在着形变,但板块的主体是稳定的。
位于板块稳定主体内的台站,其实测运动主要反映了板块的整体运动。
稳定的测站可由如下两种方法判断:(1)台站是否位于板块边界区或板块内明显的构造形变区;(2)同一板块内各台站间的基线长度(弧长)变化率是否接近于零,如采用站速度则要看各台站的站速度是否一致。
综合应用这两种方法,完全可以判定台站是否位于稳定区,选择位于稳定区的台站的观测量来求解板块运动参数,一般可以基本上消除局部形变的影响。
对于冰期后地壳回弹,因其主要沿垂直方向,对站间距离较长的基线长度变化率和地心坐标速度会有一定影响,而对弧长变化率和站心坐标速度的水平分量影响较小。
消除这种影响
也有两种方法:(1)用冰期后地壳回弹模型(如ICE-3G)估计各站的运动,然后从实测数据中消除其影响。
但因目前的冰期后地壳回弹模型精度和分辨率还不太高,冰期后地壳回弹量级又比较小,所以这种方法不一定可行。
(2)采用对地壳垂直运动不敏感的观测量,如弧长变化率和站心坐标速度的水平分量,即采用(13)或(15)式、(16)或(19)式来求解板块运动参数,这在目前来说是可行的。
用基线变化率或弧长变化率求解板块运动参数时,要求基线两端测站都位于板块内稳定地区。
如果一端测站位于形变区,
观测的基线(或弧长)变化率就会受到形变的干扰,这个观测量就不能采用。
在目前观测的基线尚少,而位于形变区的台站又较多的情况下,完全满足要求的基线(或弧长)变化率观测量还比较少,所以用(11)和(12)式及(13)或(15)式求解板块运动参数的可靠性和精度都不太高。
与此相比,若用站心坐标速度(16)或(19)
式求解板块运动参数则有如下优点[5]:(1)因站速度是根据所有观测量导出的,它包含有更多的观测信息;(2)
站速度能更直观地反映出板块的整体运动及测站之间的相对形变,便于判定稳定台站;(3)站速度个数远小于基线(
或弧长)变化率个数,便于进行残差分析。
总之,无论是着眼于消除局部形变和冰期后地壳回弹的影响,或者是着眼于利用更多的观测信息,用站心坐标速度水平分量求解板块运动参数都具有优越性。
根据我们的实践,用(16)
和(19)式求解的结果基本一致,但因(19)式是非线性形式,列误差方程时要进行近似处理,也比较繁琐,建议采用(16)
式。
2.台站分布对解算结果的影响
就最小二乘估计方法而言,要精确估计板块运动参数,不仅要求观测量精度要高,还要求观测台站要尽可能多,并且尽可能均匀分布于整个板块稳定地区。
在实际应用中,观测台站的几何分布对估计结果的精度影响很大。
例如在太平洋和北美板块上,目前的台站分布比较均匀合理,所以求解的太平洋-北美板块相对运动欧拉矢量精度就比较高。
而欧亚板块上稳定的台站虽不算太少,但它们都位于西欧一小块地区,并且与北美几个台站的连接基线大体沿纬线方
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1995年
向,所以观测量对估计参数的约束不够强,致使估计结果误差较大。
3.VLBI和SLR实测数据的联合应用
对于基线长度(弧长)变化率而言,VLBI与SLR观测量之间主要表现为尺度差;
而对于站速度而言,VLBI与SLR观测量之间却存在着尺度差和参考架定向之差。
因为目前各数据处理中心对VLBI和SLR数据的处理都采用一致的光速牅和地球引力常数爢爩,并采用一致的相对论改正模型,所以两种观测量之间的尺度差完全可以忽略,主要区别是参考架定向之差(对站速度而言)。
因板块相对运动观测量爜 牏牐(VLBI)和爳 牏牐(SLR)对板块间沿基线横切方向(牠 牏牐)
的相对运动不敏感,用它们求解板块运动参数时,要求基线在两板块上的几何分布尽可能覆盖所有板块
稳定区域,这样才能弥补爜 牏牐和爳 牏牐
包含板块运动信息量的不足。
在目前VLBI和SLR观测站都不太多的情况下,
组合应用这两种观测量可加强对板块运动参数的约束。
当测站间地心角较小(犜牏牐≤1
20°)时,VLBI和SLR观测量可用(8)式相互换算,并用(11)或(13)式求解板块运动参数。
对于VLBI和SLR站速度观测量,
必须统一在同一个参考架中才能组合应用。
统一的方法是:(1)由一些VLBI与SLR并置站上的观测量解算两组站速度之间的平移和旋转参数,然后变换至同一参考架;(2)当并置站较少或不够时,可选用某个板块不动作为固定参考架,在这个板块的稳定地区应分布有较多的VLBI和SLR站。
分别从所有VLBI(或SLR
)台站的站速度中剔除位于板块内稳定地区的VLBI(或SLR)站的整体运动部分,然后才能将两组站速度组合在一起使用。
这样做对估计板块相对运动参数没有影响。
参
考
文
献
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SunFuping
ZhaoMing
(ShanghaiObservatory,ChineseAcademyofSciences
) ┎┌┄┇ ┈VeryLangBaselineInterferometry-SatelliteLaserRanging-Platemotion
﹢ ┈┉┇ ┉
Inthispaper,themethodsforthedeterminationoftheplatemotionparametersfrom
VLBIandSLRdatahavebeendiscussed,andsomerelavantformulashavebeenderivedtoo
.Accordingtoourcomputation,someproblemtowhichshouldbepaidattentionintheirap plicationhavebeendescribed
.3
1第16期用VLBI和SLR实测数据解算现时板块运动参数的方法。