285 利用全球衛星定位系統資料探討地殼變形與利用全球衛星定位系統資料探討地殼變形與 地震活動的相關性地震活動的相關性( (II) ) 劉啟清劉啟清 中央研究院地球科學研究所中央研究院地球科學研究所 蔡俊雄蔡俊雄陳榮裕陳榮裕吳慶餘吳慶餘 中央氣象局地震測報中心中央氣象局地震測報中心 摘摘要要 本計劃擬利用三年的時間初步探討地殼變動與地震活動的相關性，即利用中 央氣象局所設置的全省全球衛星定位系統固定站網的資料，來分析台灣地區長期 地殼應變累積與地震之時空變化情形，並著手在嘉義地區佈置高密度的半連續式 的GPS固定站，以監測近震源地震前後地殼變形之時空變化情形，以探討其與台灣 地區地震活動間的關係，希望借此研究能增加對地震本質的瞭解，介以提高長期 地震預測之可能性 。 在本計劃第二年期間完成了2000年台灣地區GPS固定站網每 日的資料處理，並利用Kalman Filter 的方法，求得了每站的日座標變化時間序 列，以及各基線長及其南北、東西、上下分量的日變化時間序列，由於921大地 震餘震的影響，無法精確的估計每站的平均速度場，與過去數年的速度場做比 較，其中大部份的固定站已呈現穩定的速度場，可大至肯定為其正常速度場， 但可明顯的看出中部的幾個測站，如日月潭、玉山、花蓮等的變化較為明顯； 而有些站在這段期間有較複雜的地震活動，如2000年7月29日規模6.1的地震， 就造成玉山GPS觀測站往北與往西各跳動了 3公分。 至於嘉南平原地震高危險區的半永久性 GPS 站網的設置，則已設置完畢，配 合重力點、水準點及地震觀測網的設置，選定及埋設共 8 個 GPS 測站，並已有五 個站已完成儀器的安裝，未來將以全省全球衛星定位系統固定站網為框架，建立 起資料處理、分析及判定的模式，來監測觸口斷層及其鄰近地區的地殼變形活動。 We propose to analyze the spatial and temporal variations of the crustal deformations before and after major earthquakes using the GPS data recorded from the Permanent Global Positioning System Network set up by the Central Weather Bureau in the last few years. We expect to investigate the relationship between the stress / strain rate to the seismicities. For the first year of study, we process the daily solutions for the TAINET network, then using Kalman filter to combine the daily solutions into the yearly velocity and precise coordinate for each site. One can identifies a site as in the normal situation if the components of its velocity are steady for a period of time, say at least 2 or 3 years. For the sites in TAINET, 10 of them can be regard as “normal”, and 286 the rest of it are suffered by unstable monumentation, bad environment(GAIS), or complex seismicities (LANY, SUAO). 前前言言 自1991年1月全球GPS使用者聯合在世界各地設置了五十多個GPS觀測 站，觀測了一個月，即所謂的GIG91的實驗，其目的在利用全球性的GPS觀測 網來改善GPS衛星的軌道，以及提供具有精密座標的測站資料。由於這個計畫 的成功，使得其中二十多個測站得以持續維持連續性的觀測，形成IGS (Internation Geodynamics and GPS Services) 永久性的全球觀測網的基本架構。 IGS永久性的全球觀測網在1992年正式成立，並快速的擴張到現在的二百站左 右的觀測網，其對全球GPS觀測活動除了提供精密軌道、電離層全電子含量、 大氣中水氣含量等資料以外，最大的貢獻是在提供了全球的一個座標框 架，使GPS觀測可以精確的得到高精度且穩定的絕對座標，並掌握了每個觀測 站的座標變化（即其速度場），以做為區域性GPS監測網的參考框架，使GPS 在區域性的地殼變動監測方面，能在一個長期穩定的座標系統中，得到正確的 地殼變動結果。 區域性的GPS監測及其資料處理，需要考慮其測站數、目的及所需要的精 度。若以全台灣地區的GPS監測網來說，其目的在考慮全台灣地區的地殼應變 及速度場，需要考慮絕對的變動與相對的變動，因此可架於IGS的框架下去做 資料處理，即其資料必須結合IGS測站（至少三站以上）之資料，一起處理與 分析。而若只要監測一個數百至數千平方公里的地震活動區，相對於地心的絕 對變形量或其速度可能就不是那麼重要了，反而是相對於地震區外的地殼，才 是最主要的考慮因素。一般而言，GPS資料處裡的速度與困難度，使得GPS觀 測網以50個測站以下為一般考量的上限，二十多個測站已是較具規模的測網 了。地震測區的監測，當然也可以直接架於IGS框架下做資料處理，然而為了 在地震區外不遠處亦必須有參考的測站，如此將會使測站數增加，尤其台灣地 區若有二個以上的地震測區，將會使GPS資料處理及其結果的解釋更趨複雜 化。因此最好的解決之道是全台灣架設一個二十多個測站的大型監測網，做為 台灣地區較小區域監測網的框架，就如同本身以IGS為框架一樣，而在地震監 測的重點區域，再架設較密集的GPS監測網，如此在資料處理、分析及解釋上， 才能發揮最高的效益。 在過去五年來中央氣象局所規劃及設置的台灣地區全球GPS衛星觀測網 (TAINET)，共約有十六個站，其目的即在建立各測站的精密坐標及其常態的地 殼移動速度，以便一方面監測大區域的地殼應變累積，一方面做為較小區域較 密集監測網的框架。TAINET測站之分佈大約是每50kmx50km有一測站，如此 的分佈並不足以用來監測單一地震的物理特性之變化。一個地震的有效變動區 域一般在30kmx30km以下，TAINET測站可能只會有一站受到明顯的影響。因 287 此TAINET之主要目的是在做一個參考框架，並利用各測站間地殼應變的時間 變化與同時期或前後時期地震活動頻率的關連性，期望在地震發生的規模與頻 率的時空變化與分佈上，與地殼應變或GPS測站的移動速度變化上，能發現一 些關連性，如此，將有助於我們瞭解地震發生較長期的機制，以及在中長程的 地震前兆研究上，能增加一個新而有效的工具。 在地震活動區域設置密集半永久性GPS固定站的目的，則是希望靠連續的 監測，能在地震發生的有效範圍內，事先發現一些地殼異常變動的徵兆，而能 即時調度所有的GPS接收儀，密集的佈設在最可能發震的區域，以期能有10 20 部儀器能有效的監控在震央四周地震前、地震同時與地震後的各種長、短同期 的地殼細微變動。 GPS 資資 料料 的的 處處 理理 中央氣象局地震測報中心為監測台灣地區的地震活動，自民國82年起，陸 續在全省各地建立起全球衛星定位系統之連續觀測站，並在幾年中，形成了一 個十多個測站的台灣地區全球GPS衛星觀測網(TAINET)，在資料的處理上，乃 依過去所建立起來的GPS資料處理系統，即用MIT所發展出來的GAMIT (GPS Analysis package develop at MIT and Scripps)軟體做每天的資料處理。在處理的 程序上，儘量採用IGS所公佈的GPS精密軌道。其中主要採用的是美國加州大學 聖地牙哥分校(UCSD)的Scripps海洋學院所公佈的精密軌道。另外，資料的分析 中，所需的地球轉動參數如UT1及地球極軸運動的資料，主要採用美國海軍天 文站(USNO)所公佈的資料，其主要的原因是著重於資料來源的穩定性及取得方 便性，而且這些資料也都有長期的聲譽及可靠度。資料的分析，初步的每天資 料處理，以每120秒取一資料，一天24小時的資料全用，而且每一測站都給予適 當的權限(Constraint)。雖然是採用精密軌道，但也容許軌道可以有適當的微調， 以免因某一不正常的軌道而影響到周波脫落的修正以及模式的建立。在GAMIT 的處理過程中，亦採用二階段式，即先執行快速解(Quick Run)，以清除較大的 周波脫落，並求得各測站的大致座標以及初步的模式。然後在利用此初步結果 去做細部的周波脫落修正，以期能完全的清除周波脫落並建立起正確的模式， 求得精確的各測站座標。並同時將各參數的權限放寬，求取其寬鬆設限協變方 矩陣，儲存起來以便未來進一步的進一步的分析使用。 由於此次的資料分析，前後長達一整年，很難期望在如此長的期間內，能 每天給予適當的座標起始值以及各參數的權限。而且這段期間，在921大地震之 後，餘震不斷，日本也有多次的地震活動，使的IGS參考架構略為鬆動，因此 也很難估計每天求得的精密座標，去看這些測站的變動，以及估計其移動速度。 因此，在做長期的分析時，基本上可有二種路徑，一是採用每天算出來的基線 長，再去做平差(Adjustment)處理，因為基線長是不因座標系統而改變的參數。 在平差過程中，要採用具有測站速度的模式，以期求得各測站的速度。另一種 288 路徑是本文所採用的，即在每天的求解中，特別求取寬鬆設限的協變方矩陣， 以便在利用Kalman Filter時再加以設限。如此，雖長達兩年或更長的期限，可 在同一座標/速度場模式下加以計算，以求得統一架構下的座標/速度場。同時 也可以結合同期而不同測網的資料，而得到同一架構下的結果。 大地震前大地震前GPS測站速度場的變化測站速度場的變化 自 1999 年 921 大地震之後，全台灣地殼有了重大的變動，使得各站速度場的 估計變的非常困難，也得非常的小心，台灣自 1991 年開始就陸續設置全球衛星定 位系統(GPS)的連續觀測網，其中有由中央研究院設置的世界地體動力學 GPS 網 (International Geodynamics and GPS Network，IGS) 的 TAIW 站，中央氣象局設置 以監測台灣地區地震活動為目的的 GPS 連續觀測網，總計有十七個 GPS 的長期測 站，自 1994 年以來，就有相當好的觀測資料。利用這些資料做詳細的分析，基線 長度以及各個分量的重複性精度可在 5 ppb 以下，而從各測站的移動速度來看，圖 一表現出 1995-1998 年 TAINET GPS 固定站資料分析之結果所求得的速度場，由 圖中可看出各測站在其設站的第一年，都有較不穩定的現象，如恆春 (1996)、竹 北 (1995)、玉山 (1998)等站，都有較異常的速度，其原因部分來自剛設點位的不 穩定性，部分則是因為資料時間較短，小小的誤差則可造成較大的速度異常，如 玉山站在 1998 年僅有不到 100 天的資料，其速度估計較不可靠。 289 另外在這期間曾經受地震影響的，如蘭嶼在 1996 年 9 月 5 日有個規模 6.5 的 地震，圖中蘭嶼站在 1996 年有二條線，較偏北的一條是地震後的速度，而偏南的 那一條則是地震前的速度，二者的平均與 1995 及 1997 年的速度相近。然而 1998 年的速度又恢復到 1996 年地震前的速度大小與方向，使得這一站的速度較為多變 化。日月潭在 1996 年亦有相當突出的速度場