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摘 要 鉴于地形变测量在监测地震和火山等防灾减灾的中重要性,系统分析探讨地形变测量的相关测量方法,从大地形变测量和重力测量两个方面予以介绍。
关键词 地形变;大地形变测量;重力测量
中图分类号 P223 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)091-0128-01
地球表层是人类的生活之乡,但它总是在变化着。地震、火山、滑坡等自然灾害使我们居住的行星称为不安宁之家。经济越发达,现代化、城市化程度越高,灾害后果往往越严重。鉴于大地测量学是揭示地球表层现今运动、变形过程及其动力学最直接、最精确和最有效的科学技术途径,20世纪中期,世界一些国家如美国、日本和我国等大致同时起步,不約而同地将现代大地测量学应用于地震监测、预测和减轻灾害研究。经过40对年的努力,初步实现了大地测量学与地球物理学和地质学的相互渗透,从而形成了一门服务于防灾减灾的前沿交叉新兴子学科。地形变大地测量学或地形变测量已成为推进现今地壳运动和地球动力学的重要动力,是地震科学和地震预报比不可少的基石与支柱。
地形变测量的任务是精确测定和提供现今地壳运动、变形、重力和深部介质物理性空间分布及其随时间变化的信息;监测地震和火山等灾害的孕育、发生过程,揭示灾前、灾时和灾后异常时空变化信息;直接服务于地震等灾害的预测预报并为地球科学、工程建设提供不可或缺的基础信息和知识。
1 地形变测量方法
1.1 大地形变测量
传统大地测量是把观测对象视为静止的目标,以静止的观点进行测量和处理成果,确定地面上各点之间的相对位置。而大地形变观测时采用大地测量方法,以动态的观点进行测量和处理成果,确定地面上各点之间的相对位置及变化;根据点位的变化,分析地壳运动变化的原因,预测其发展趋势。它不仅研究地面点之间的几何关系,而且还要研究其物理意义,以及 与地震之间的关系。下面主要介绍水平形变测量。
水平形变测量的目的是通过定期测量,测定地面上一些形变观测点平面点平面位置的变化。测定的方法有传统的大地测量和空间大地测量。
1)角度和边长测量。传统的大地测量的水平形变测量方法是角度测量和边长测量。相应的有测角网、测边网和边角同测网等布网形式。角度测量是应用经纬仪在控制点上测定地面两条边之间夹角的大小。如果观测了三角网中所有三角形的角度,又有已知的起算点位坐标、起算边长和起算方位角,那么根据观测的角度就能推算全网所有点的坐标。边长测量是应用光电测距仪在控制点上测定地面两控制点之间边的长度。如果观测了三角网中所有的边长,又有已知的起算点为坐标和起算边方位,那么根据观测的长度就能推算全网所有点的坐标。
角度测量和边长测量能达到的精度大约是±0.5"和±10-6,相对来说较低。传统大地测量要求相邻控制点之间通视,野外作业受观测环境限制影响较大,速度慢,成本高,已逐步被新兴的空间大地测量所代替。
2)GPS测量。GPS定位的基本原理是:任一时刻t,在地面上的某个观测站同时观测到4颗GPS卫星,这些卫星在t时刻的空间位置为已知,观测站的GPS接收机接收卫星发出的信号,根据电磁波信号在空间传播的时间得到GPS接收机至这4颗卫星的距离,就可以确定GPS接收机的位置和钟差。
GPS测量误差,主要来源于与空间卫星有关的误差、信号传播的误差和接收机的误差三个方面。与GPS空间卫星有关的误差,主要有卫星钟差和卫星星历的误差;与信号传播途径有关的误差,主要有电离层折射的影响、对流层折射的影响和多路径效应的影响;与接收机性能有关的误差,主要有接收机钟差、天线相位中心偏离误差、接收机内部噪声的影响和载波相位整周未知数的影响等。
3)边测量。短边测量是在相距不远的两个测站上进行边长测量。目前主要应用于断层场地测量观测项目称为跨断层激光测距。主要手段是激光测距。
激光相位式测距仪可精密重复观测两点间的距离,从而可得点位间相对水平位移。其原理为:在观测站架设仪器,在目标点架设反射镜,自仪器站发射一束电磁波射向镜站,经反射镜反射回仪器站并被仪器接收。只要知道波的传播速度,电磁波自发射站至接收站所需要的时间,即可求出两点间的距离:
ct,式中:D为两点间的距离,c为电磁波在大气中的传播速度,t
为电磁波在待测距离D上往返传播所用的时间。
设电磁波速度c为已知量,只要测定出观测时间t就可以算得D,由于电磁波波速很快,要精确地测定时间t是很难的。所以一般不采用直接测量的方法,而是通过测定发射波与反射波相位差推求距离。
1.2 重力测量
重力测量所测定的是地球表面的重力加速度,它包含测量位置信息、地球内部物质信息以及固体地球随时间变化的信息,提够了地球重力场空间、时间和强度的变化,这些信息是地震前兆监测和地震预报所需求的动态重力场变化信息。
重力观测主要方法有丁点观测、流动观测、绝对重力观测和梯度观测。定点观测是在重力站仪器室内仪器墩上安置固定型相对重力仪进行长期连续观测,获取固定点相对重力加速度随时间连续变化的重力测量;由各地面重力点按一定的交通路线串联构成的观测路线称为重力测量路线,利用移动型相对重力仪沿重力测量路线在两个以上的重力点进行串联式、往返式闭合测量,获取各相邻重力点间重力加速度之差的重力联测称为重力流动观测;绝对重力测定时利用绝对重力仪测定重力点重力加速度的绝对值;重力梯度测量是直接测定重力点上重力垂直梯度和水平梯度的重力观测方法和技术。
1)台站重力观测。台站重力观测是一种定点观测,通过对重力加速度的连续观测得到重力潮汐资料,通过分析获取潮汐和非潮汐结果。弹簧重力仪是主要重力潮汐观测仪器,其基本原理是利用弹性来平衡重力。加入重力场发生变化,弹簧的长度也相对应发生变化。由于重力加速度的变化很小,弹簧的相对伸长量也很小,因此需要一个高精度的测微系统,测量摆的位置变化。弹簧重力仪测定重力变化的前提是弹簧的弹性必须稳定。由于弹簧的长度随温度而变化,温度效应常常影响重力仪读数,因此需要一个高精度的恒温系统来保证弹性系统的稳定性。弹性系统、测量和恒温控制构成了重力仪的三个主要部分,这三部分的性能决定着重力仪的性能。
2)流动重力测量。流动重力观测是一种区域范围的测量,在选定的固定重力点上,利用流动重力仪沿观测路线进行重复观测,以求取区域重力场随时间的重力变化,提取地震前兆信息。流动重力测量的观测路线以公路为主,水运、航运和铁路为辅。
测网应根据地震监测预报和科研任务的要求进行布设。点距和复测周期要考虑到监测中、强地震,进行长、中、短临预报的不同需要,并根据地震活动趋势的变化和新的科研成果适当进行调整。调整时应注意资料的延续性,同时应尽可能保留原测网的测点。
3)绝对重力观测。绝对重力观测直接观测重力点绝对值,主要目的是提供重力观测的基准和一起标定基准等。例如为流动重力观测网、固定重力观测网、重力基准绝对重力值。由于重力场存在随时间的变化,作为高精度的绝对重力测量也需要重复的在重力基准点按一定周期进行观测,以提供随时间变化的重力基准值。
2 结束语
地形变测量可以测量由定点至全球的现今地壳运动与深部介质物性以及它们的时空动态场。地形变测量服务于地震等灾害预测并为地球科学及工程提供地球运动、变形、内部介质物性及其随时间变化的定量基础信息。
参考文献
[1]陈俊勇.我国大地测量学的进展和展望[J].测绘科学,2000,02.
[2]张祖胜.大地形变测量在地震预报中的新进展[J].地震,1991,01.
[3]张国安,陈德福,陈耿琦,等.中国地壳形变连续观测的发展与展望[J].地震研究,2002,04.
[4]傅承义.地壳形变与地震[J].地壳形变与地震,1981,01.
关键词 地形变;大地形变测量;重力测量
中图分类号 P223 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)091-0128-01
地球表层是人类的生活之乡,但它总是在变化着。地震、火山、滑坡等自然灾害使我们居住的行星称为不安宁之家。经济越发达,现代化、城市化程度越高,灾害后果往往越严重。鉴于大地测量学是揭示地球表层现今运动、变形过程及其动力学最直接、最精确和最有效的科学技术途径,20世纪中期,世界一些国家如美国、日本和我国等大致同时起步,不約而同地将现代大地测量学应用于地震监测、预测和减轻灾害研究。经过40对年的努力,初步实现了大地测量学与地球物理学和地质学的相互渗透,从而形成了一门服务于防灾减灾的前沿交叉新兴子学科。地形变大地测量学或地形变测量已成为推进现今地壳运动和地球动力学的重要动力,是地震科学和地震预报比不可少的基石与支柱。
地形变测量的任务是精确测定和提供现今地壳运动、变形、重力和深部介质物理性空间分布及其随时间变化的信息;监测地震和火山等灾害的孕育、发生过程,揭示灾前、灾时和灾后异常时空变化信息;直接服务于地震等灾害的预测预报并为地球科学、工程建设提供不可或缺的基础信息和知识。
1 地形变测量方法
1.1 大地形变测量
传统大地测量是把观测对象视为静止的目标,以静止的观点进行测量和处理成果,确定地面上各点之间的相对位置。而大地形变观测时采用大地测量方法,以动态的观点进行测量和处理成果,确定地面上各点之间的相对位置及变化;根据点位的变化,分析地壳运动变化的原因,预测其发展趋势。它不仅研究地面点之间的几何关系,而且还要研究其物理意义,以及 与地震之间的关系。下面主要介绍水平形变测量。
水平形变测量的目的是通过定期测量,测定地面上一些形变观测点平面点平面位置的变化。测定的方法有传统的大地测量和空间大地测量。
1)角度和边长测量。传统的大地测量的水平形变测量方法是角度测量和边长测量。相应的有测角网、测边网和边角同测网等布网形式。角度测量是应用经纬仪在控制点上测定地面两条边之间夹角的大小。如果观测了三角网中所有三角形的角度,又有已知的起算点位坐标、起算边长和起算方位角,那么根据观测的角度就能推算全网所有点的坐标。边长测量是应用光电测距仪在控制点上测定地面两控制点之间边的长度。如果观测了三角网中所有的边长,又有已知的起算点为坐标和起算边方位,那么根据观测的长度就能推算全网所有点的坐标。
角度测量和边长测量能达到的精度大约是±0.5"和±10-6,相对来说较低。传统大地测量要求相邻控制点之间通视,野外作业受观测环境限制影响较大,速度慢,成本高,已逐步被新兴的空间大地测量所代替。
2)GPS测量。GPS定位的基本原理是:任一时刻t,在地面上的某个观测站同时观测到4颗GPS卫星,这些卫星在t时刻的空间位置为已知,观测站的GPS接收机接收卫星发出的信号,根据电磁波信号在空间传播的时间得到GPS接收机至这4颗卫星的距离,就可以确定GPS接收机的位置和钟差。
GPS测量误差,主要来源于与空间卫星有关的误差、信号传播的误差和接收机的误差三个方面。与GPS空间卫星有关的误差,主要有卫星钟差和卫星星历的误差;与信号传播途径有关的误差,主要有电离层折射的影响、对流层折射的影响和多路径效应的影响;与接收机性能有关的误差,主要有接收机钟差、天线相位中心偏离误差、接收机内部噪声的影响和载波相位整周未知数的影响等。
3)边测量。短边测量是在相距不远的两个测站上进行边长测量。目前主要应用于断层场地测量观测项目称为跨断层激光测距。主要手段是激光测距。
激光相位式测距仪可精密重复观测两点间的距离,从而可得点位间相对水平位移。其原理为:在观测站架设仪器,在目标点架设反射镜,自仪器站发射一束电磁波射向镜站,经反射镜反射回仪器站并被仪器接收。只要知道波的传播速度,电磁波自发射站至接收站所需要的时间,即可求出两点间的距离:
ct,式中:D为两点间的距离,c为电磁波在大气中的传播速度,t
为电磁波在待测距离D上往返传播所用的时间。
设电磁波速度c为已知量,只要测定出观测时间t就可以算得D,由于电磁波波速很快,要精确地测定时间t是很难的。所以一般不采用直接测量的方法,而是通过测定发射波与反射波相位差推求距离。
1.2 重力测量
重力测量所测定的是地球表面的重力加速度,它包含测量位置信息、地球内部物质信息以及固体地球随时间变化的信息,提够了地球重力场空间、时间和强度的变化,这些信息是地震前兆监测和地震预报所需求的动态重力场变化信息。
重力观测主要方法有丁点观测、流动观测、绝对重力观测和梯度观测。定点观测是在重力站仪器室内仪器墩上安置固定型相对重力仪进行长期连续观测,获取固定点相对重力加速度随时间连续变化的重力测量;由各地面重力点按一定的交通路线串联构成的观测路线称为重力测量路线,利用移动型相对重力仪沿重力测量路线在两个以上的重力点进行串联式、往返式闭合测量,获取各相邻重力点间重力加速度之差的重力联测称为重力流动观测;绝对重力测定时利用绝对重力仪测定重力点重力加速度的绝对值;重力梯度测量是直接测定重力点上重力垂直梯度和水平梯度的重力观测方法和技术。
1)台站重力观测。台站重力观测是一种定点观测,通过对重力加速度的连续观测得到重力潮汐资料,通过分析获取潮汐和非潮汐结果。弹簧重力仪是主要重力潮汐观测仪器,其基本原理是利用弹性来平衡重力。加入重力场发生变化,弹簧的长度也相对应发生变化。由于重力加速度的变化很小,弹簧的相对伸长量也很小,因此需要一个高精度的测微系统,测量摆的位置变化。弹簧重力仪测定重力变化的前提是弹簧的弹性必须稳定。由于弹簧的长度随温度而变化,温度效应常常影响重力仪读数,因此需要一个高精度的恒温系统来保证弹性系统的稳定性。弹性系统、测量和恒温控制构成了重力仪的三个主要部分,这三部分的性能决定着重力仪的性能。
2)流动重力测量。流动重力观测是一种区域范围的测量,在选定的固定重力点上,利用流动重力仪沿观测路线进行重复观测,以求取区域重力场随时间的重力变化,提取地震前兆信息。流动重力测量的观测路线以公路为主,水运、航运和铁路为辅。
测网应根据地震监测预报和科研任务的要求进行布设。点距和复测周期要考虑到监测中、强地震,进行长、中、短临预报的不同需要,并根据地震活动趋势的变化和新的科研成果适当进行调整。调整时应注意资料的延续性,同时应尽可能保留原测网的测点。
3)绝对重力观测。绝对重力观测直接观测重力点绝对值,主要目的是提供重力观测的基准和一起标定基准等。例如为流动重力观测网、固定重力观测网、重力基准绝对重力值。由于重力场存在随时间的变化,作为高精度的绝对重力测量也需要重复的在重力基准点按一定周期进行观测,以提供随时间变化的重力基准值。
2 结束语
地形变测量可以测量由定点至全球的现今地壳运动与深部介质物性以及它们的时空动态场。地形变测量服务于地震等灾害预测并为地球科学及工程提供地球运动、变形、内部介质物性及其随时间变化的定量基础信息。
参考文献
[1]陈俊勇.我国大地测量学的进展和展望[J].测绘科学,2000,02.
[2]张祖胜.大地形变测量在地震预报中的新进展[J].地震,1991,01.
[3]张国安,陈德福,陈耿琦,等.中国地壳形变连续观测的发展与展望[J].地震研究,2002,04.
[4]傅承义.地壳形变与地震[J].地壳形变与地震,1981,01.