GPS基准站连续观测数据的地壳运动微动态信息提取
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摘要
近年来，利用GPS观测技术研究全球及区域地壳运动和构造变形，探索地球动力学现象在全世界得到迅猛发展。世界各国地学研究机构在不同的国家建立了GPS连续观测站，中国于1998年由国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”在全国建立了25个GPS连续运行基准站和1000多个定期与不定期观测的基本和区域站。这些观测数据为地学研究提供了基础资料。
本文对“中国地壳运动观测网络”25个GPS基准站1999年观测以来的资料进行了处理与分析，通过对GPS基准站时间序列区域性参考架选取、基线和区域变形参数计算、小波分析、经验模态分解等信息分离与提取方法的研究工作，探索了从GPS连续观测数据中提取地壳运动微动态信息及其与强震关系方面的问题。研究内容和结果具体包括：
1) 在GPS站位移时间序列分析中，通过合理选取区域性参考架，能够起到扣除研究区内的整体刚性运动和可能存在的以年周期为主的周期扰动影响，因而有利于进行地壳运动微动态异常信息的提取。
①由于在全球参考架中研究区可能存在整体的刚性运动，GPS基准站位置时间序列分析中，通过在研究区选择相对稳定的一组参考点确定区域参考架来作为时间序列的基准，可在时间序列中扣除研究区的刚性运动(并非完全稳定的线性运动)成份，有利于更清晰地反映区域内变形引起的GPS站位置时间序列的动态变化。
②通过选取中国东部和中国大陆区域性参考架的分析计算表明，在中国大陆这样较大的研究区，在全球参考架中存在以年周期为主的整体性周期性扰动影响，其主要表现在垂直向周期性变化，采用区域参考系的新序列可能起到部分扣除垂直位置时间序列中的周期性扰动影响的作用。
③通过实际计算发现，区域参考框架的选择是一个动态的过程，参考基准并不是固定不变的，应该根据最新的观测数据选取动态的参考基准。
2) 由于两GPS站点的基线不受参考基准的影响，且能够削弱部分干扰影响，突出基线变化的空间信息。通过基线向量分析两个GPS站之间的相对运动随时间变化，在地壳运动微动态信息提取及异常识别中是一个较直接的途径，对昆仑山口西Ms8.1级地震、新疆巴楚—伽师6.8级地震有较好反映的基线时间序列，表现出共有的波动
Recently, the employing of GPS observing technique has gained rapid development in the area of studying the global and regional crustal movement and tectonic deformation, and in the exploring of the Geodynamic phenomena. Many GPS continuous observation networks were carried out by various organizations. In China, 25 continuous GPS fiducial sites, 1000 regular observation basic network and irregular observation regional network stations were established in 1998 by the main scientific project named "Crustal Movement Observation Network of China". The data collected by these networks become a foundation for geodynamics.
The author has processed and analyzed the observation data obtained from the 25 fiducial stations in CMONC. This paper embodied the selection of regional reference frame for those stations' time series, the calculation of the variations of baseline between two fiducial sites and strain parameters of deformation units, the application of the wavelet analysis and empirical model decomposition to extract the micro-dynamic information of crustal movement, and the issue of the relationship between these behaviors and the stage of major earthquake. Main conclusion and content of this paper is as follows:
1) In the analysis of displacement time series, the selection of a suitable regional reference frame is of a possibility to deduct the rigid movement of the research area and the existence of the mainly annual effects of seasonal disturbances. Thus the deducted time series make for easier to extract the micro-dynamic abnormity of the crustal movement.
a) As the global reference frame may include holistic rigidity movement (not entirely stable linear movement), we can select a comparatively stable group sites among the 25 fiducial stations as datum of regional reference frame, thus deduct the rigidity movement. Through this way, we got clearer time series include micro-dynamic varieties that may be the reflection of regional deformation.
b) Through the reference frame calculations, we found that in such a big research area
本文对“中国地壳运动观测网络”25个GPS基准站1999年观测以来的资料进行了处理与分析，通过对GPS基准站时间序列区域性参考架选取、基线和区域变形参数计算、小波分析、经验模态分解等信息分离与提取方法的研究工作，探索了从GPS连续观测数据中提取地壳运动微动态信息及其与强震关系方面的问题。研究内容和结果具体包括：
1) 在GPS站位移时间序列分析中，通过合理选取区域性参考架，能够起到扣除研究区内的整体刚性运动和可能存在的以年周期为主的周期扰动影响，因而有利于进行地壳运动微动态异常信息的提取。
①由于在全球参考架中研究区可能存在整体的刚性运动，GPS基准站位置时间序列分析中，通过在研究区选择相对稳定的一组参考点确定区域参考架来作为时间序列的基准，可在时间序列中扣除研究区的刚性运动(并非完全稳定的线性运动)成份，有利于更清晰地反映区域内变形引起的GPS站位置时间序列的动态变化。
②通过选取中国东部和中国大陆区域性参考架的分析计算表明，在中国大陆这样较大的研究区，在全球参考架中存在以年周期为主的整体性周期性扰动影响，其主要表现在垂直向周期性变化，采用区域参考系的新序列可能起到部分扣除垂直位置时间序列中的周期性扰动影响的作用。
③通过实际计算发现，区域参考框架的选择是一个动态的过程，参考基准并不是固定不变的，应该根据最新的观测数据选取动态的参考基准。
2) 由于两GPS站点的基线不受参考基准的影响，且能够削弱部分干扰影响，突出基线变化的空间信息。通过基线向量分析两个GPS站之间的相对运动随时间变化，在地壳运动微动态信息提取及异常识别中是一个较直接的途径，对昆仑山口西Ms8.1级地震、新疆巴楚—伽师6.8级地震有较好反映的基线时间序列，表现出共有的波动
Recently, the employing of GPS observing technique has gained rapid development in the area of studying the global and regional crustal movement and tectonic deformation, and in the exploring of the Geodynamic phenomena. Many GPS continuous observation networks were carried out by various organizations. In China, 25 continuous GPS fiducial sites, 1000 regular observation basic network and irregular observation regional network stations were established in 1998 by the main scientific project named "Crustal Movement Observation Network of China". The data collected by these networks become a foundation for geodynamics.
The author has processed and analyzed the observation data obtained from the 25 fiducial stations in CMONC. This paper embodied the selection of regional reference frame for those stations' time series, the calculation of the variations of baseline between two fiducial sites and strain parameters of deformation units, the application of the wavelet analysis and empirical model decomposition to extract the micro-dynamic information of crustal movement, and the issue of the relationship between these behaviors and the stage of major earthquake. Main conclusion and content of this paper is as follows:
1) In the analysis of displacement time series, the selection of a suitable regional reference frame is of a possibility to deduct the rigid movement of the research area and the existence of the mainly annual effects of seasonal disturbances. Thus the deducted time series make for easier to extract the micro-dynamic abnormity of the crustal movement.
a) As the global reference frame may include holistic rigidity movement (not entirely stable linear movement), we can select a comparatively stable group sites among the 25 fiducial stations as datum of regional reference frame, thus deduct the rigidity movement. Through this way, we got clearer time series include micro-dynamic varieties that may be the reflection of regional deformation.
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引文
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