基于GNSS VADASE方法和加速度计数据对不同断错机制（Mw>6）同震位移的评估

《Advances in Space Research》：Assessment on the Co-seismic Displacements (Mw>6) of Different Faulting Mechanisms as Monitored by GNSS VADASE Method and Accelerometer Data

　　

摘要
本研究对五次主要地震（矩震级Mw>6）的同震位移运动进行了对比分析，这些地震涉及走滑、正断层和逆断层机制。位移运动数据由高速加速度计和单接收机GNSS VADASE（位移分析独立差分法引擎）方法获取。为了检验VADASE的性能，GNSS和加速度计位移序列在0.02–0.40 Hz的公共频带内进行了零相位带通滤波处理。波形比较的指标包括最大位移、时间延迟、信噪比以及低频谱能量守恒。研究表明，在水平分量上，VADASE与加速度计解之间的相对波形一致性显著，在公共0.02–0.40 Hz频带内，平均水平均方根误差（RMSE）值范围为0.50至3.75 cm。所观测到的峰值位移（PGD）时间差异被确定是由于台站与震中的几何关系、波的传播以及局部场地条件所致，而非算法延迟。基于贝叶斯信息准则的分步多元线性回归分析，对0–0.5 Hz频带内计算的谱能量比进行了分析，揭示出代表局部地面条件的VS30参数比代表GNSS信号质量的信噪比（SNR）更具主导性。相反，由于大地测量垂直噪声水平的影响，垂直方向的VADASE分量相比水平分量精度较低。总之，本研究证明，在施加适当频率匹配的情况下，单接收机GNSS VADASE方法能够提供可靠的水平同震位移解，不受强地面运动期间基准滑移的影响，并且是一种与加速度计系统相辅相成的强大技术。

引言
对地震地面运动的准确监测不仅对地震分析至关重要，而且对结构工程、土动力学以及预警系统的开发也具有重要意义。在确定此类运动时，基于空间的大地测量系统近年来日益受到重视。与其他测量技术相比，全球导航卫星系统（GNSS）能够实现地壳形变的连续高精度监测，在全球覆盖范围内达到固定于地球坐标系的1–2 cm精度（Zumberge et al., 1997）。

同震位移主要通过加速度计数据确定。在这方面，通过对所选地震震中附近加速度计台站在地震发生时获取的加速度数据进行评估，利用美国地质调查局（USGS）部署的加速度计系统确定了同震运动。USGS使用的加速度计系统基于高精度力平衡（FBA）传感器，能够进行三分量（三轴）测量。如今，能够进行三分量测量的微机电系统（MEMS）加速度计因使用方便且可直接安装在设备上而被广泛使用。与电子和微电子电路大不相同的MEMS器件是电子和机械部件的结合（Working Group on Instrumentation, 2008; Fujita, 1997, Mishra et al., 2019, Hristov et al., 2009, Vajargah and Shamsi, 2023, Peng et al., 2017）。

精密单点定位（PPP）是GNSS绝对定位方法之一，能够独立进行数据处理。然而，在监测地震活动等实时应用中，该方法依赖于精确卫星轨道和钟差产品的可用性，且易受通信延迟的影响，同时解析载波相位模糊度所需收敛时间较长。GNSS实时动态测量（RTK）作为一种相对定位方法，依赖于基准（参考）台站的稳定性，且该台站应位于形变区域之外，这在监测任何地震活动时都无法保证。此外，RTK方法的精度取决于基准站与流动站之间的基线长度，该长度应足够短，以免降低定位精度。针对这些局限性，罗马萨皮恩扎大学大地测量与地理信息系开发了位移分析独立差分法引擎（VADASE，Colosimo et al., 2011）。VADASE方法可以仅利用广播星历数据和载波相位观测值。通过连续测量之间的相位观测值差分，可以直接推导出GNSS接收机在地球固定坐标系中的速度矢量以及接收机钟差随时间的变化；因此，它无需精确轨道和卫星钟差即可运行。在此方面，在对连续相位可观测量进行差分之前，VADASE会生成无电离层线性组合相位观测值（Colosimo et al., 2011, Branzanti et al., 2013）。文献中有大量研究关注VADASE捕获同震位移的能力，而该方法与加速度计数据的对比性能分析则相对有限（Colosimo et al., 2011, Shu et al., 2018a, Bezcioglu et al., 2021, Colosimo, 2012）。通过直接考虑外部自然条件，加速度记录配对得到的速度和时间序列中出现的低频基线偏移，以及加速度计的永久性同震静态位移，均可得到体现；GNSS VADASE速度可与适当的数据方案相结合。

关于VADASE方法验证以及GNSS地震学应用的研究在过去十年间不断发展。以下总结了文献中有关这些方法开发与测试的重要研究（表1）。

VADASE在确定地震期间发生的同震形变方面具有重要潜力。研究者主要研究的不是该方法的固有地震学特性，而是利用各种多GNSS卫星星座、实时轨道和钟差产品以及不同IGS精密数据对变分法解的精度和分辨率的影响（Geng et al., 2016, Tesolin et al., 2019, Zang et al., 2020, Shu et al., 2020）。此外，研究通常集中在受控实验室振动台试验（Bezcio?lu et al., 2022a, 2022b, 2024）或结构健康监测应用，如桥梁振荡和浮标位移，而不是实际地震场景（Moschas and Stiros, 2011, Xue et al., 2024）。评估该方法在实际地震事件中性能的研究主要集中于单频接收机的精度以及新软件包的验证（Ashcroft et al., 2016, Benedetti et al., 2016, Branzanti et al., 2017, Fratini et al., 2024），或者集中于监测电离层总电子含量（TEC）扰动并开发改进的VADASE模型，而非研究地震的物理地震动力学过程（Fratarcangeli et al., 2018b, Ravanelli et al., 2021）。因此，直接将VADASE解与同址加速度计记录进行对比的研究仍然极为有限。尽管现有文献包含了此类对比，但这些研究通常局限于单一地震事件、单一台站对或局部区域数据集（Benedetti et al., 2014, Benedetti et al., 2017, Geng et al., 2016, Hung et al., 2017, Shu et al., 2018b, Nastase et al., 2020）。然而，文献中大多数研究仅关注该方法在单一事件或振动台上的适用性，未与加速度计数据进行全面对比（表1）。此外，现有研究通常仅关注振动台模拟的真实地震区域或单一数据，未在不同的地球动力学环境下对该方法性能进行综合评估。

本研究选取了不同震级和不同地球动力学环境下的Mw>6地震。因为Mw>6级地震在宽频范围内产生大幅度地面运动，它们可以在信号处理过程中（例如带通滤波）进行处理而不会造成显著的数据损失。另一方面，当仅分析加速度计数据时，滤除速度和位移信号中的低频漂移往往会导致真实的低频同震运动同时被消除。因此，位移数据的可靠获取特别是通过加速度计和GNSS数据集成方法来实现（Boore and Bommer, 2005, Blewitt et al., 2006, Colosimo et al., 2011, Benedetti et al., 2014）。在本研究范围内，对全球不同构造板块上发生的Mw>6级地震，对1 Hz采样GNSS数据得到的位移与100 Hz及以上高频采样加速度计记录集成得到的位移进行了全面对比。

比较的重点包括峰值位移（PGD）幅度、发生时间以及最大位移的方向分量（东、北、上）。所得位移时间序列同步到公共参考时间，并使用差值的均方根误差（RMSE）、互相关系数和多元线性回归分析来评估波形相似度。此外，还对位移时间序列进行了标准误差分析，以证明VADASE解的可靠性及其在表征低频同震信号方面的成功；比较了GNSS和加速度计数据在0–0.5 Hz频带内的信噪比（SNR）、功率谱密度（PSD）以及谱能量分布。在此背景下，与现有文献不同，本研究不仅限于单一地震或区域；而是使用统计准则，在五个不同地球动力学环境的台站测试VADASE方法的精度，评估其在表征低频同震运动方面的性能，并探讨其在本研究分析的地球动力学环境中的潜在影响。从本研究所用台站获得的发现将展示VADASE分析作为地震学工具的时间行为特性和幅度一致性，以及在集成到加速度计网络中提供物理一致位移数据方面的潜力。

分段摘选
研究区域
本研究选取了五次发生在不同构造环境下、矩震级Mw>6的地震，以评估VADASE方法在不同地球动力学条件下的性能。这些事件的选取基于以下准则：(i) 震中附近存在高速率GNSS接收机的可用性；(ii) 存在同址或邻近的加速度计台站；(iii) GNSS和加速度计数据的完整性和质量。

GNSS VADASE方法
GNSS VADASE方法基于一种差分算法，通过对原始载波相位测量进行处理来推导GNSS接收机速度，无需进行整周模糊度解算。VADASE方法能够感知GNSS接收机在固定于地球坐标系中的速度，由Colosimo et al. (2011)开发，并可积分得到位移。在该方法中，使用连续历元间无电离层载波相位观测值之差作为…

使用GNSS VADASE方法和加速度计数据确定同震运动
GNSS数据的处理阶段如下：首先，从历元差分无电离层相位观测值中，利用由Bahadur et al. (2023)开发的开源PPPH-VA软件，采用经典高斯-马尔可夫最小二乘法估计同震固定于地球的WGS84大地坐标速度以及接收机钟差随时间的变化（共4个参数）。然后，WGS84固定于地球的全球大地坐标速度被…

信号清晰度与功率谱分析
加速度计本身可以准确测量地面加速度，采样率较高。GNSS观测量受卫星信号畸变（多路径、测量噪声）的影响（Senturk and Aktug, 2019）。尽管VADASE方法大多在测量模型中校正这些误差影响，但无法消除这些信号畸变（Zang et al., 2020）。在考察显示地震同震位移的图4时，噪声的存在…

结论
本研究利用来自五次震级大于Mw 6的地震（涉及走滑、正断层和逆断层机制）的高采样率加速度计观测数据，评估了单接收机GNSS差分法（VADASE）的性能。与仅关注位移对比的研究不同，本研究从位移波形、峰值地面位移（PGD）、时间以及谱等方面检验了VADASE方法与加速度计的一致性…

未引用参考文献
Ates and Uyanik, 2023, Bezcio?lu et al., 2022, Bezcioglu et al., 2022, Choi et al., 2004, Dach et al., 2007, Paolucci et al., 2011, Working Group on Instrumentation, S. I. and S. M., 2008.

利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。

致谢
本研究源自Muhammed Ali AYTEMüR的博士论文，目前正在黑海技术科技大学理工学院进行。

IGS台站的GNSS数据由美国国家航空航天局（NASA）运营的地壳动力学数据信息系统（CDDIS）网络提供（https://cddis.nasa.gov/），CORS-TR台站的GNSS数据由土耳其测绘总局和土地登记与地籍总局提供。

Muhammed Ali Aytemur | Mualla Yalcinkaya | Kamil Teke | Mustafa Ulukavak | Hakan Karsli