学术前沿| 党亚民：区域地质环境稳定性大地测量监测方法及应用

《测绘学报》

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区域地质环境稳定性大地测量监测方法及应用

党亚民, 杨强, 王伟     

中国测绘科学研究院, 北京 100830

收稿日期：2017-06-20；修回日期：2017-09-11

基金项目：国家自然科学基金（41474011；41374081）

第一作者简介：党亚民(1965-), 男, 研究员, 博士生导师, 研究方向为大地测量基准和地球动力学。E-mail:[e-mail]

通信作者：杨强, E-mail：[e-mail]

摘要：全球大地测量观测系统（GGOS）已在地球变化监测中得到了广泛应用。本文系统介绍了综合大地测量各类观测数据，以及地质、地震等资料，开展区域地质环境稳定性大地测量监测和评价的方法。以环渤海区域和川滇区域为例，分别针对地面沉降显著、地震多发等不同地质环境特征，介绍了区域地质环境稳定性监测技术最新进展及应用成果。结果表明，针对不同地质环境背景，基于各类大地测量监测数据，结合地质、地震、水文等资料，可有效实现区域地质环境稳定性监测和评价，拓展了大地测量地球变化监测的应用领域，有重要的科学意义和实用价值。

关键词：地质环境稳定性    大地测量监测    地表变化    因子分析法    定量评价    

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 seismic 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, seismic, 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 analysis method     quantitative evaluation    

全球大地测量观测系统(GGOS)通过整合各种大地测量观测和技术方法，形成新一代大地测量产品，开展地球科学研究，并在全球变化监测和防灾减灾等方面为政府决策、经济发展提供支持^[1]。随着大地测量监测手段的不断完善，GNSS、水准、重力、InSAR、卫星测高等大地测量技术越来越多地应用于地球变化和灾害监测。

过去几十年，以GNSS为代表的现代大地测量技术在监测全球板块运动、地壳运动和区域地壳形变及地表应变等方面发挥了重要作用^[2-8]，在联合地震观测分析研究地震前兆、孕育和破裂过程，以及震源机制解释等方面也取得了许多研究成果^[9-16]。此外，大地测量地表观测在地壳非构造负荷形变监测方面也具有重要应用^[17-19]。

区域地壳稳定性评价概念最早由地质工作者在地震地质研究和重大工程建设实践中提出，主要以断裂活动性、地震活动性和断块稳定性为依据来评价地壳稳定性^[20-23]。后来逐渐考虑地壳稳定性评价的层次性问题，顾及外动力和地质事件对其稳定性评价的影响，地壳形变、地应力、地震资料等已成为当前地壳稳定性分析的重要依据。针对不同研究对象和区域地质环境特点，利用地球物理、地壳形变、地应力、地应变等资料，开展区域地壳稳定性综合评价已成为该领域的研究热点^[24-28]。

国家规模化经济布局与大型工程建设需要安全稳定的地质环境保障。通常在地壳稳定性评价中，重点考虑地壳构造稳定性，并兼顾地质灾害等相关因素。但由于地壳整体地质构造活动和局部地表地质灾害产生机理有本质不同，在地壳稳定性评价中，地表监测成果及其产生机理往往无法严格区分。为此，有学者从地质遥感角度提出了以区域地质环境遥感调查因子，如地震、地质灾害、活动断裂等作为基础地质环境要素，进行区域地质环境稳定性定量评价研究^[29]。本文基于调查区域精确的大地测量监测资料，对该区域的地表形变和物质迁移(运动)进行精细分析，结合地震、地质和水文资料，对区域地质环境稳定性大地测量监测评价方法开展研究。

地质环境稳定性是综合反映地表在各种构造力和负荷、均衡等非构造力共同作用下地质环境稳定程度的一项重要指标。地质环境稳定性大地测量监测利用GNSS、水准、重力、卫星测高等大地测量技术，获取地表几何物理信息及变化特征，在此基础上，结合地质、地震和水文等资料，通过多要素综合统计分析，建立稳定性评价模型与判定准则，定量分析评价一定时域内区域地质环境稳定性空间分布与变化，实现区域地质环境稳定性综合评价。

1 区域地质环境稳定性监测方法

地质环境稳定性监测主要考虑由于地球构造力和非构造力引起的地球表面和地球内部各类变化。长期以来，大地测量为地球科学研究提供精确的地表变化和重力场变化信息。地表变化监测主要利用GNSS、水准、InSAR等技术获取地壳形变、区域地块运动和地面沉降等信息；重力场变化信息通过地面重力和卫星重力等观测手段获取。除此之外，区域地质环境稳定性监测必须充分考虑与地质环境稳定性有关的其他监测信息，如地裂缝分布、断裂分布、历史地震时空分布、震级、深度、地震峰值加速度、断裂活动，以及地下水的分布和变化等水文监测资料。

1.1 区域地表变化监测

区域地表变化监测主要利用GNSS、水准、InSAR等方法。其中，GNSS精度高，布测灵活，尤其随着我国GNSS CORS分布密度的提高，可对监测区域地壳形变和趋势进行实时连续监测，对地质环境稳定监测提供了可靠的形变数据保障。因此，对于区域地质环境稳定性形变监测，可以通过收集监测区域的CORS站数据及定期复测的GNSS监测网观测数据，也可以在重点区域通过布测GNSS连续或定期复测监测点，实现高精度的区域地壳形变监测。水准测量一直以来都是地壳垂直形变最可靠的数据源。多年来，我国重大工程和重点建设区域，地震和地质灾害多发区域，都布设了密集的水准监测网，积累了丰富的垂直形变观测数据。

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)及差分干涉测量(DInSAR)技术是近年发展起来的一种快速准确高精度地形变监测方法，它最明显的优势是覆盖范围大，观测精度高(达到厘米乃至毫米精度)，可以获得某一地区连续的地表形变信息，即获得大空间尺度、大时间跨度的微小形变阶段性累积量信息，成为连续空间地壳形变尺度和形变速率等定量化的数据基础，可广泛应用于地震地质灾害形变、滑坡、地面沉降监测，尤其InSAR联合高精度的GNSS水平位移观测，可实现高精度和高可靠性的地表三维形变精确反演。

1.2 重力场变化监测

重力场及其变化反映了地球表层及内部的物质密度分布和运动状态，根据重力场的时空变化，可推演和监测地球系统物质运移和交换过程。高分辨率的重力场时空动态变化信息可用于监测与其相关的陆地水储量、水循环、海水质量变迁、地震形变、冰体质量平衡、冰后回弹等地球物理过程。根据测量方法的不同，重力测量通常分为地面重力测量和卫星重力测量。地面重力测量包括站点重力测量、海洋和航空重力测量。地面重力测量的优势在于精度高，可用于解算重力场精细结构，而缺点在于数据覆盖率低，并且存在测量结果不同区域精度不一致的问题。卫星重力测量则在获取重力场时变信息方面具有明显优势。

对区域地质环境稳定性重力(场)变化监测，一般可以收集陆地重力观测台站连续重力监测数据、流动重力监测网观测数据，包括区域相对重力网、绝对重力网、微重力网和重力垂直梯度测线在内的综合高精度重复重力测网数据。当然，可以根据监测需要，补充地面重力观测数据。此外，根据卫星重力数据获得重力场变化信息可广泛应用于研究地表河流及地下水储量变化等。

1.3 地质地震水文变化监测

区域地形分布对于地质灾害分布存在高相关性，为分析地质环境稳定性中地质灾害的影响，一般需要获取研究区域的地形分布特征，并计算研究区域边坡角度。研究区域的区域活动断裂也是区域地质环境稳定性监测评价的重要地质资料，它们大多经历了复杂的地质演化过程，表现出继承性和新生性，常是构造单元的分界线，其分布与地震活动关系密切。在稳定性评价中既要考虑活动断裂带，同时需要考虑断层缓冲区。

区域历史地震是地质环境稳定性监测评价另外一个重要因素，分析历史地震特征，有助于了解研究区域内的地震分布、震源等，为地震危险性分析提供基础信息。此外，研究区域的水文监测资料，尤其地下水变化也是影响区域地质环境评价的一个不可缺少的因素。在区域地质环境稳定性监测评价中，根据不同研究区域的实际情况，还有其他一些相关的地质、水文监测资料，例如研究区域的地壳物理性质、地应力、大地热流等监测资料，需要根据实际情况予以考虑。

2 区域地质环境稳定性综合定量评价模型

根据区域地质环境稳定性大地测量监测(包括地震地质和水文资料等)成果类型多、相关性强等特点，本文引入多元统计分析中的因子分析法建立区域地质环境稳定性定量评价模型^[30-31]，对区域地质环境稳定性进行综合评价。

首先要对多个影响因素进行分类，将相关性较高，即联系比较紧密的影响因素分在同一类中。不同类因素之间的相关性则相对较低，将每一类因素作为公共因子，求解少数几个公共因子线性函数与特殊因子之和来定量评价区域地质环境稳定性。

设所有观测变量表示为X=[X₁ X₂ … X_p]^T，共有p种变量，且有

 (1)

式中，μ_i表示X_i均值；f_i表示公共因子，共有m个；e_i表示特殊因子；α_ij表示X_i和f_j相关系数。

(1) 首先对数据标准化。将X_i转换为均值为0，方差为1的形式。

标准化后数学模型为

 (2)

(2) 建立相关系数矩阵。设A=(α_ij)_P×m，这里矩阵A称为因子荷载矩阵，相关系数矩阵R表示为R=A·A^T

 (3)

(3) 求解相关系数矩阵特征值和特征向量，确定公共因子。

计算相关系数矩阵R的特征值λ=[λ₁ λ₂ … λ_p]，以及其对应的标准正交化特征向量l_i。

(4) 计算观测值X_i与公共因子f_j之间的相关系数α_ij，建立荷载矩阵。

可以采用主成分分析法计算相关系数α_ij，计算公式为

 (4)

求得α_ij，即可得到荷载矩阵A=(α_ij)_P×m。

(5) 求解因子得分系数。采用回归法计算因子得分系数。代入荷载矩阵A，求解公共因子得分系数矩阵b_j。

(6) 计算公共因子得分。获得各公共因子得分系数，计算得分

 (5)

根据公共因子得分，即可开展区域地质环境稳定性评价。

3 区域地质环境稳定性监测评价应用

开展区域地质环境稳定性监测评价研究，一般选取地质环境变化比较明显的区域。环渤海区域是我国东部工业和经济发展重点区域，该区域断裂众多，历史上曾发生多次7.0级以上地震，此外该区域属地质松散沉积物分布区，地下水开采等导致地面沉降严重。川滇区域活动断裂密集，区域内地震活动频度高、强度大。本文选择这两个地质环境背景差异明显的典型区域，收集了两个区域大地测量、地震地质、地面沉降、水文等监测资料，开展典型区域的地质环境稳定性监测评价。

3.1 环渤海地质环境稳定性监测评价

3.1.1 区域地质环境稳定性大地测量监测

根据区域主要地质环境特征，本文将地壳构造形变、地面沉降作为地质环境稳定性大地测量主要监测内容，监测数据主要包括：① 1999—2014年GNSS基准站数据，包括陆态网基准站46座，河北、山东等省基准站85座；② 1999—2013年7期陆态网572个GNSS区域站数据；③ 1977—1999年901个国家一等水准点不定期复测数据；④ 地震部门提供的跨断层不定期复测20条测线水准数据。

本文利用GAMIT/GLOBK软件对GNSS观测数据进行处理，获取了该区域水平和垂直运动监测结果(见图 1)；并利用非均匀分布的GNSS速度矢量，计算空间连续变化的应变率场(见图 2)。

图 1 环渤海区域地壳运动速率Fig. 1 Crustal movement in circum-Bohai-sea region

图选项

图 2 环渤海区域应变率场Fig. 2 Crustal strain rate in circum-Bohai-sea region

图选项

利用环渤海区域901个水准点复测成果，监测该区域垂直运动(见图 3(a))。联合该区域水准复测和GNSS监测结果，可获取该区域较详细地面沉降分布结果(见图 3(b))。

图 3 环渤海区域地面沉降Fig. 3 Land subsidence in circum-Bohai-sea region

图选项

3.1.2 区域地质环境稳定性评价

根据环渤海区域地质环境特点，收集了相关的地质地震资料，分析确定采用最大剪应变率、面膨胀率、地面沉降、断层数目、断层缓冲区面积比率、地震频次、地震能量、地震带峰值加速度等8项指标作为区域地质环境稳定性评价指标。利用因子分析法建立该区域地质环境稳定性定量评价模型，进行该区域地质环境稳定性评价。利用8项指标的相关性信息确定公共因子，并确定公共因子得分系数，对8项指标进行定权(见表 1)，计算评价单元得分，实现区域地质环境稳定性定量评价(见图 4)。

表 1 评价指标定权Tab. 1 Evaluating index and the weights

评价指标	F1	F2	F3	F4	共同度	指标权重
地震频次	0.75	0.40	0.14	0.12	0.87	0.142
地震能量	0.72	0.01	0.17	0.15	0.76	0.113
断层数目	0.80	0.03	0.02	0.13	0.71	0.136
断层缓冲区面积比率	0.60	0.33	0.09	0.03	0.69	0.108
地面沉降	0.83	0.53	0.10	0.07	0.99	0.161
地震带峰值加速度	0.02	0.19	0.82	0.32	0.90	0.100
面膨胀率	0.38	0.47	0.47	0.23	0.80	0.131
最大剪应变率	0.27	0.42	0.01	0.77	0.91	0.116

表选项

图 4 环渤海区域地质环境稳定性定量评价Fig. 4 Quantitative evaluation of regional geological environment stability in circum-Bohai-sea region

图选项

通过图 4稳定性定量评价结果可以看出，计算得到的环渤海区域地质环境稳定性综合评价结果与大地测量监测结果和地震地质监测资料有很多的一致性。由图 5(a)区域断裂及活动性分布和图 5(b)历史地震分布可以看出，郯庐断裂、张家口-蓬莱断裂等断裂密集分布区及历史地震频发区也是该区域地质环境较不稳定区域。两者与地质环境稳定性评价结果较为吻合。

图 5 环渤海区域地质与地震资料Fig. 5 Geological and seismic data in circum-Bohai-sea region

图选项

3.2 川滇区域地质环境稳定性监测评价

3.2.1 区域地质环境稳定性大地测量监测

川滇区域地壳运动主要以构造活动为主，地壳形变大，地震、地质灾害频繁。针对该区域地质环境特点，地质环境稳定性监测评价采用的数据主要包括：① 1999—2015年GNSS基准站数据，包括陆态网基准站65座、四川省基准站47座；② 1999—2015年8期陆态网449个GNSS区域站数据；③ 1999—2015年20期陆态网5′×5′格网值地面重力数据；④ 2002—2015年GRACE卫星重力时变重力场数据。

利用GNSS监测数据获取了川滇区域水平和垂直运动结果(见图 6)，并计算得到了该区域的应变率场(见图 7)。重力场异常变化和该区域地震、地质灾害存在一定关联性，利用川滇区域重力测量数据，可以监测该区域重力变化时空分布。

图 6 川滇区域地壳运动Fig. 6 Crustal movement in Sichuan-Yunnan region

图选项

图 7 川滇区域地壳应变率Fig. 7 Crustal strain rate in Sichuan-Yunnan region

图选项

3.2.2 区域地质环境稳定性评价

根据川滇区域地质环境特点，收集整理地质地震水文资料，分析确定最大主应变、最大剪应变、垂直形变、断裂数目、地震加速度、地震能量、地质灾害点、地面重力变化等指标用于评价川滇区域地质环境稳定性，实现区域地质环境稳定性定量评价(见图 8)。

图 8 川滇区域地质环境稳定性评价Fig. 8 Quantitative evaluation of regional geological environment Stability in Sichuan-Yunnan region

图选项

不难看出，图 8稳定性评价结果较准确反映川滇区域地质环境稳定问题。对照图 9(a)川滇区域断裂分布和图 9(b)区域历史地震分布，可以发现在在龙门山、鲜水河、小江、怒江、红河等断裂周边，断裂分布密集，同时也是地震多发区，两者与区域地质环境稳定性评价结果中较不稳定区域分布较为一致。

图 9 川滇区域地质与地震资料Fig. 9 Geological and seismic data in Sichuan-Yunnan region

图选项

4 结论与讨论

随着大地测量技术的发展，大地测量观测的精度、空间分布和现势性不断提高，各类连续大地测量观测数据也以前所未有的速度累积。传统意义上大地测量主要提供全球和区域高精度的测图基准、研究地球形状、测定地面点几何位置等，综合利用多种大地测量观测研究和监测地球变化，已成为大地测量一个新的重要任务。国际全球大地测量观测系统(GGOS)已在全球地震地质灾害、冰后回弹、海啸、气象、火山监测等方面取得了一系列重要成果。本文在传统基于地质力学的地壳稳定性评价理论基础上，将现代大地测量多源观测数据引入地质环境稳定性监测评价中，获取的地表变化监测结果精度和分辨率高、现势性好，稳定性评价结果更为精细。

本文通过环渤海区域地质环境稳定性监测评价和川滇区域地质环境稳定性监测评价两个典型应用，验证了基于多源大地测量资料，结合区域地质构造，地质地震灾害，以及水文监测资料等在不同地质环境背景下开展区域地质环境稳定性监测评价的有效性。但开展区域地质环境稳定性监测评价是一个新的不断发展地球科学问题。实际上，区域地质环境稳定性涉及地球构造、地球内部和外部物理过程，同时与稳定性监测资料的类型、分布和精度有关，也与地质环境稳定性量化评价的理论方法和模型密切相关。密集分布的高精度大地测量资料无疑会对区域地质环境稳定监测提供前所未有的高精度约束，提高区域地质环境稳定性评价的可靠性和现势性。但区域地质环境稳定性监测除了精确的大地测量监测资料、地震地质及水文监测资料，将来必然还会有其他类型的监测资料可以利用，即使是大地测量监测资料，在不同时期资料类型也会变化和不断丰富，因此，对区域地质环境稳定监测的指标体系、评价方法等今后都有待进一步完善。

致谢: 感谢中国地震局地质研究所、四川测绘地理信息局、中国科学院测量与地球物理研究所、中国地震局地震研究所等单位提供的数据支持与帮助。在本文研究过程中，章传银研究员、甘卫军研究员、薛树强副研究员等提出许多有益的建议，在此表示衷心感谢。

【引文格式】党亚民，杨强，王伟。区域地质环境稳定性大地测量监测方法及应用[J]. 测绘学报，2017，46(10)：1336-1345. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170324

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