gps聯(lián)合水準(zhǔn)測量技術(shù)在ladak地區(qū)的應(yīng)用

gps聯(lián)合水準(zhǔn)測量技術(shù)在ladak地區(qū)的應(yīng)用

1土地和重力測量的研究0.110-6滿足需求的三維相對定位，可以通過使用全球定位衛(wèi)星（gps）來實現(xiàn)。（dang等人，1989；dong等人，1989；diron，1991；symen等人，1994）。然而,由此得到相對于旋轉(zhuǎn)橢球體的(大地)高程幾乎沒有實際用途。大地水準(zhǔn)面非常貼近平均海平面,相對于大地水準(zhǔn)面的高程稱作正高,在大多數(shù)的科學(xué)、工程和測量工作中,正高才是我們所需要的。如果某一地區(qū)的大地水準(zhǔn)面和參考橢球面的差距(N)已知,從GPS得到的大地高(h)就能被轉(zhuǎn)換成為正高(H)。N=h?H+ε(1)Ν=h-Η+ε(1)式中ε是1個微小量,稱垂線偏差(Torge,1980)。如果用大地水準(zhǔn)面差距的變化值或波動值代替絕對的大地水準(zhǔn)面差距(Engelis等,1984,1985):ΔN=(h2?h1)?(H2?H1)(2)ΔΝ=(h2-h1)-(Η2-Η1)(2)那么,垂線偏差就能消除。同樣地,使用GPS和水準(zhǔn)測量技術(shù),可以繪出整個地球連續(xù)表面的大地水準(zhǔn)面差距(Zilkoshi,1990;Milbert,1991,1992);它能提供有用的巖石圈構(gòu)造信息(Crough,1979;Turcotte和Harris,1984;Parmentier和Haxby,1986;Cazenave,1993)。使用衛(wèi)星測高,大地水準(zhǔn)面的起伏圖已經(jīng)擴(kuò)展到整個海面(Rapp,1983;Englis和Knudsen,1989;Zlotnicki,1993)。雖然想盡辦法研究重力測定大地水準(zhǔn)面的方法,但陸地上的工作進(jìn)展仍然有限,主要是因為整個陸地表面缺乏大地高數(shù)據(jù)(Milbert,1992;Sjoberg和Nord,1992;Rapp,1993;Sideris1993;Lemoine等,1997)。美國宇航局戈達(dá)德宇航中心、國家影像測繪局和俄亥俄州立大學(xué)共同開發(fā)的最新重力位模型EGM96(Lemoine等,1997),使用了(a)從TOPEX,GEOSAT和ERS-1得到的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星測高數(shù)據(jù);(b)來自國家影像測繪局30′×30′的陸地重力數(shù)據(jù);(c)來源于GEOSAT衛(wèi)星測高的30′×30′重力異常值。在美國使用了超過1000個GPS和水準(zhǔn)測量的基站數(shù)據(jù)檢驗EGM96模型,實測大地水準(zhǔn)面的起伏與EGM96得到的平均相差-1.12m(Lemoine等,1997)。由于最大的地質(zhì)構(gòu)造擾動和地形變形及地球表面的抬高部分,加上幾乎沒有表面重力數(shù)據(jù),喜瑪拉雅山脈的Ladak地區(qū)重力位誤差非常大。在喜瑪拉雅山脈西部Ladak地區(qū)約20000km2、沿Rumtse-Leh公路為本項研究預(yù)先埋設(shè)的表面重力測量點(diǎn)不超過5個(Das等,1979)。在喜瑪拉雅山脈Ladak地區(qū)的水準(zhǔn)路線上,用GPS方法沿著Rumtse-Leh-Panamik200km長的地段(圖1)測量重力與大地水準(zhǔn)面起伏(Mainville和Veronneau,1990)。在跨越印度—亞洲板塊邊界地區(qū),我們還研究了大地水準(zhǔn)面起伏變化所蘊(yùn)含的深層地殼結(jié)構(gòu),目的是從現(xiàn)有的全球重力位模型如OSU91和EGM96,借助大地水準(zhǔn)面起伏模型的幫助,研究用GPS的“快速靜態(tài)(fast-static)”模式測定(重力位測站的)正高的可行性。不管是在地形學(xué)還是大地構(gòu)造學(xué)上,這里的野外測量條件都是最苛刻的,汽車越過了世界最高的、海拔5400m且地形極度陡峻的道路。然而,為了測量大地水準(zhǔn)面起伏,仍然建立了28個GPS水準(zhǔn)測量站,使用大地水準(zhǔn)面起伏模型,轉(zhuǎn)換了67個重力測站的GPS大地高為正高。這一地區(qū)包含了印度雅努藏布縫和Shyok縫,它一直被認(rèn)為是印度洋板塊與歐亞板塊碰撞造成的,研究該地區(qū)有重要的大地構(gòu)造學(xué)意義(Thakur,1981;Wang和Shi,1982;Lyon-Caen和Molnar,1985)。這條大陸與大陸之間唯一的分界對研究跨越板塊之間的大地水準(zhǔn)面的變化來說是一件非常有趣的事情。結(jié)合布格(Bouguer)重力異常數(shù)據(jù),沿這條路線的橫斷面,大地水準(zhǔn)面模型已經(jīng)揭示出有關(guān)印度和亞洲板塊碰撞構(gòu)造學(xué)說的一些有趣的地殼特點(diǎn)。雖然大地水準(zhǔn)面與重力位異常數(shù)據(jù)同樣能夠表達(dá)相同的信息,但大地水準(zhǔn)面異常還是更適合用來研究更深層處的巖石圈結(jié)構(gòu),即使大量不同類型的更薄地層發(fā)出的短波信號在重力異常中占支配地位(Hayling,1994)。階梯函數(shù)型的大地水準(zhǔn)面異常和布格重力異常的簡單數(shù)學(xué)模型顯示,位于西藏構(gòu)造板塊南部到縫合帶北邊的中層地殼中存在1個低流速層。這個發(fā)現(xiàn)與IN-DEPTH-II在喜瑪拉雅山脈尼伯爾地區(qū)的研究成果相一致,他們從地震的研究中提出了一個相似的低流速層(Nelson等,1996)。沿相同的橫斷面,用OSU91和EGM96計算出大地水準(zhǔn)面差距。由OSU91計算得來的大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)相對于由EGM96得來的數(shù)據(jù)更接近于我們的實測模型,OSU91平均相差-0.382m,而EGM96的平均誤差達(dá)-2.96m,兩個計算模型均缺乏我們希望獲得的更高頻信號。2兩種快速靜態(tài)測量模式1994～1996年,在喜瑪拉雅山脈西北部的Ladak地區(qū),沿著200km的斷面,經(jīng)過Rumtse,Upshi,Leh,KhardungLa,Sumur和Panamik,進(jìn)行了GPS、水準(zhǔn)和重力位測量(圖1)。這個斷面穿越印度西北部的雅努藏布縫合帶、Ladak地區(qū)花崗巖底盤、印度Shyok縫合帶且一直進(jìn)入Nubra峽谷。沿斷面地形從3000m升到5400m。我們使用ScintrexCG3M和Lacoste-Romberg重力儀進(jìn)行了重力測量。由于這個地區(qū)沒有進(jìn)行過重力測量,故在Leh設(shè)置了一個重力基準(zhǔn)站,以便把它與印度測量局的Lamayuru和Kargil重力基準(zhǔn)站聯(lián)測,Leh位于它們西邊分別約150km和300km,重力讀數(shù)的測量誤差小于0.1mGal。重力測站用GPS定位,所有重力測站的正高采用大地水準(zhǔn)面起伏測量數(shù)據(jù),經(jīng)線性內(nèi)插得到。使用兩臺雙頻接收機(jī)(Trimble4000SSE)進(jìn)行GPS快速靜態(tài)測量,1臺接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站連續(xù)靜態(tài)觀測,另1臺接收機(jī)在流動站觀測有效衛(wèi)星信號8～20min。當(dāng)接收機(jī)處于快速靜態(tài)模式時,接收機(jī)收集到足夠的數(shù)據(jù)后會自動提示,快速靜態(tài)測量的基線長度均小于20km。GPS基準(zhǔn)站建在Rumtse,Upsi,Leh,Khardung和Sumur(圖2),在山崗堅硬的巖石上,鉆直徑2mm的小洞作為基準(zhǔn)站的水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)志。Leh基準(zhǔn)站建在一座獨(dú)立的花崗巖小山上,距Leh城約4km,其他基準(zhǔn)站與Leh站同時觀測5～6h。1995年和1996年,Leh站曾與IGS的Kitab(KIT3),Lhasa(LHAS)和Bangalore(IISC)站連續(xù)觀測了5天,處理共同觀測數(shù)據(jù),進(jìn)行聯(lián)系測量。GPS快速靜態(tài)測量重力點(diǎn)67個、水準(zhǔn)測量點(diǎn)31個。用SokkiaSet2C全站儀進(jìn)行水準(zhǔn)測量,SokkiaSet2C是1臺帶有微電腦和光電測距的經(jīng)緯儀。水準(zhǔn)網(wǎng)聯(lián)測到印度測繪局在Rumtse,Upsi,Igu和Leh的水準(zhǔn)點(diǎn)上。由于Leh北部沒有水準(zhǔn)路線,新的水準(zhǔn)點(diǎn)建立在南部Pulu和Khardung,位于Khardung峰的南北兩側(cè)。選擇的Leh-Khardung水準(zhǔn)路線地形急劇升降,在平距15km內(nèi),由海拔3400m的Leh升到海拔5400m的Khardungla。該段水準(zhǔn)路線曾在1995年和1996年觀測過2次,采用閉合環(huán)形式并對光電三角高程測量進(jìn)行了大氣折光改正。按照印度測繪局水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的政策,印度測繪局水準(zhǔn)點(diǎn)的正高數(shù)據(jù)只能到厘米級水平。3測量誤差、高程GPS數(shù)據(jù)處理使用瑞士的Bernese4.0軟件和IGS提供的精確軌道與地極參數(shù)文件。數(shù)據(jù)處理采用超長基線(1200～2000km)、長基線(40～100km)和短基線(2～20km)分別進(jìn)行,使用墨爾本-烏本納模型、無約束準(zhǔn)電離層和搜索模糊度策略(RothacherandMervart1996),進(jìn)行Leh站(圖2,SABU)與Kitab(KIT3)和Lhasa(LHAS)的IGSGPS站的聯(lián)測。IGS站的精確坐標(biāo)取自空間信息協(xié)會(http://lareg.ensg.ign.fr/ITRF),其他的基準(zhǔn)站與Leh站分別構(gòu)成短基線聯(lián)測,采用快速靜態(tài)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。超長基線GPS觀測3～5d,長基線觀測5～8h,短基線觀測8～20min。最后的(浮點(diǎn)解)參數(shù)估計,單差觀測量的標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)定0.001m,測站經(jīng)、緯度坐標(biāo)的均方差設(shè)定0.001/弧秒,橢球高的均方差設(shè)定0.01m。如此小的誤差是很難獲得的,因為觀測窗口很短,觀測的數(shù)據(jù)量非常少。他們實際上低估了真誤差,這些可能是幾個較大誤差的原因。除重測了LehKhardungLa測段1995年和1996年測量的測站外,其他測站僅測量了1次,故不能計算其重復(fù)測量的較差。LehKhardungLa測段的測站重復(fù)測量較差為1～5cm。一條光滑大地水準(zhǔn)面曲線上的斷面點(diǎn)相差數(shù)十厘米(圖4c),這可能就是GPS水準(zhǔn)測量能夠達(dá)到的精度水平。30～50km的超長基線設(shè)定的均方差0.001m。Leh基準(zhǔn)站和所有GPS站的坐標(biāo)都屬于ITRF94系統(tǒng)。水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)處理采用了本文第一個作者所編寫的F77程序。由于測量路線險峻,因此采用多組對的豎角觀測值。光電測距每次照準(zhǔn)觀測3～5次,這樣既有較多的重復(fù)觀測數(shù),又使在極冷條件下節(jié)省電能。每兩個流動的GPS測站(1～3km)組成閉合環(huán),通常要重復(fù)安置儀器2～4次,平均分配閉合差(1～6cm)。測站高程的相對精度在2～5cm之內(nèi),整個網(wǎng)形聯(lián)測到精度為幾毫米的SOI水準(zhǔn)點(diǎn)上;我們得到的高程數(shù)據(jù)被限制在厘米級的精度。因此,測得的正高的絕對精度能限定在10cm以內(nèi),即使實際測量的精度要高得多。每個GPS水準(zhǔn)測站的大地水準(zhǔn)面高程值只需簡單地從WGS84橢球高減去正高并忽略ε誤差項得到,通常ε非常小,且在GPS和水準(zhǔn)測量誤差的數(shù)量級以下。用兩個不同的全球重力模型,即OSU91和EGM96,在同一點(diǎn)上計算出理論上的大地水準(zhǔn)面差距。在OSU91大地水準(zhǔn)面的計算中,我們使用了OSU91A1AF規(guī)定的橢球調(diào)和系數(shù),而對于EGM96(Lemoine等,1997),則選用從NIMA網(wǎng)站(9)下載、并經(jīng)過修改的系數(shù)作為橢球的調(diào)和系數(shù)。由Rapp(1997)開發(fā)的Fortran程序經(jīng)過微小修改后,用來計算測量點(diǎn)的大地水準(zhǔn)面差距。沿Rumtse-Panamik剖面實測和計算的大地水準(zhǔn)面差距如圖3所示。沿Rumtse-Panamik測段,實測大地水準(zhǔn)面起伏與源自大地水準(zhǔn)面模型的EGM96和OSU91計算結(jié)果的比較:與實測大地水準(zhǔn)面比,OSU91基本一致,在北部略顯下傾,EGM96則相反,在北部略顯上翹。由圖3可看出實測的大地水準(zhǔn)面與由OSU91重力模型得到的非常吻合,平均相差-0.4m,而與由EGM96計算的相差接近-3m。這個平均高差是正高的高程基準(zhǔn)、橢球高的偏心和重力位模型誤差等影響所致。沿斷面的重力/GPS測站為正高支撐點(diǎn),用簡單線性內(nèi)插技術(shù)內(nèi)插31個測站的大地水準(zhǔn)面差距,以便減少表面重力測量對布格異常的影響(圖4b)。引入數(shù)字地面模型的地形改正新技術(shù)(Banerjee,1998),數(shù)字高程模型以每個重力測站為中心向外伸展170km,112格的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)覆蓋范圍從0到1.2km,30″×30″的數(shù)字地形數(shù)據(jù)為1.2～20km,5′×5′的全球NGDC地形數(shù)據(jù)覆蓋20到170km的范圍。30″×30″的數(shù)據(jù)由人工數(shù)字化SOI的1∶25000地形圖獲得。1～3mGal之內(nèi)的布格異常值是正常的,誤差主要由(3～5km)厚的布格地層密度的變化和不確定性造成。沿Rumtse-KhardungLa測段的(圖4c)大地水準(zhǔn)面異常幾乎是光滑的,此后在40～50km的一段距離上跌落約4m,之后又趨于平坦。這里像梯級樣變化的大地水準(zhǔn)面異常意義重大,因為該剖面跨越印度—西藏板塊邊界。板塊邊緣處的表面地形信號,也就是印度雅努藏布縫合帶,位于Leh的南部。然而,由于強(qiáng)烈的構(gòu)造作用,淺薄的表層巖石被擠壓到更南邊。重力和地球物理學(xué)的信息對改善有關(guān)地殼抬升的更深層地殼構(gòu)造知識非常重要。大家知道青藏高原南部疊壓在巨大的印度陸殼上(NiandBarazangi1983),一些地球物理研究人員定義位于印度板塊俯沖斷層余部的中深巖石圈為一塊低速低密度地層(Zhao和Morgan,1985;Nelson等,1996;Rodgers和Schwartz,1997)。在這里用一個簡單的數(shù)學(xué)模型從大地構(gòu)造學(xué)上來解釋大地水準(zhǔn)面異常的變化,假定有兩塊不同的、巨大木板來代表印度和西藏板塊,它們呈均衡學(xué)說的平衡,這些觀察到的大地水準(zhǔn)面異常變化就是來自于側(cè)面密度的差異。地球近似扁平時,均衡學(xué)說的平衡條件為(Turcotte和McAdoo,1979)∫h0Δρ(x?z)dz=constant(3)∫0hΔρ(x?z)dz=constant(3)式中h為補(bǔ)償深度。地殼密度不均勻Δρ(x,z)的重力位異常由下式給出(Angevine和Turcotte,1983)Δu=2πG∫h0Δρ(x?z)dz(4)Δu=2πG∫0hΔρ(x?z)dz(4)對應(yīng)的大地水準(zhǔn)面異常為(Haxby和Turcotte,1978)ΔN=2πG/g∫h0Δρ(x?z)dz(5)ΔΝ=2πG/g∫0hΔρ(x?z)dz(5)假設(shè)無限的水平地殼厚h,則(5)式可簡化為ΔN=2πG/gΔρh2(6)ΔΝ=2πG/gΔρh2(6)僅當(dāng)計算點(diǎn)充分遠(yuǎn)離這水平地殼邊緣時,無限水平地殼的假設(shè)才成立。觀測到的大地水準(zhǔn)面異常大概是-4m,可以預(yù)報,1塊厚20～25km,密度-0.2gm/cm3的地殼板塊位于縫合帶北緣(圖4d),一個區(qū)域的重力下降60～80mGal(圖4b和圖4c),與大地水準(zhǔn)面降低是一致的。這與數(shù)學(xué)模型的結(jié)果接近。4將重力異常納入到中心Jin等人(1996)提出西藏板塊地殼厚約70km,Nelson等人(1996)與Rodgers和Schwartz(1997)提出西藏板塊內(nèi)部靠近縫合帶北部有1塊低速低密度地層,McNamara(1995)和Dewey等人(1988)認(rèn)為青藏高原南部在逐漸變厚。這意味著一塊低流速層可能結(jié)合著一個彌漫著從下到上遞減的弱震地帶(Zhao和Morgan,1985;Jin等,1996),