胡亞軒　許建東　劉國明　宋尚武　李煜航

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空間大地測量技術(shù)在火山形變監(jiān)測中的應用1

胡亞軒1）許建東2）劉國明3）宋尚武1）李煜航1）

1）中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054 2）中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029 3）吉林省地震局，長春 130022

巖漿活動的不同階段引起地表變化不同。地表形變受壓力源大小、形狀、深度及巖漿運移速率等影響；另外火山類型不同，地形不同，形變特征也不同。地表形變幅度范圍很大，為1×10-7—1米量級?；鹕絽^(qū)形變監(jiān)測可以了解火山活動狀態(tài)，有助于進行噴發(fā)危險性的預測預報。形變監(jiān)測從20世紀60年代的傳統(tǒng)技術(shù)逐漸過渡到20世紀90年代發(fā)展起來的GNSS和InSAR等大地測量新技術(shù)，火山區(qū)形變時空監(jiān)測能力得到提高，同時縮短了預測時間。我國火山形變監(jiān)測開始較晚，現(xiàn)已在長白山天池、騰沖以及海南等主要火山區(qū)開展監(jiān)測。傳統(tǒng)的連續(xù)測量以地傾斜觀測為主；新技術(shù)主要以流動GNSS監(jiān)測為主，連續(xù)觀測站少，InSAR技術(shù)研究時間密度不夠；目前形變監(jiān)測還不能實現(xiàn)很好的時空覆蓋。

GNSS InSAR 形變模型 形變監(jiān)測網(wǎng)

引言

全球陸地上已知活火山超過1500座，火山噴發(fā)給人們的生命財產(chǎn)帶來很大威脅。世界范圍內(nèi)有500萬以上的人口居住在可能受火山噴發(fā)嚴重影響的地區(qū)，而且這些地方的人口還在不斷增長。20世紀90年代至今，仍有許多火山在噴發(fā)。2015年全球因火山噴發(fā)產(chǎn)生的難民人數(shù)近30000人（張傳杰等，2016）?；鹕綖暮︻A測在日本、美國等一些多火山的國家普遍受到高度重視，建立了完善的火山監(jiān)測系統(tǒng)，研究工作也比較深入（許建東，2006）。我國于1988年建立五大連池火山觀測站，這些觀測站觀察火山變化（包括蒸汽噴發(fā)、植物死亡等），記錄火山地震活動，測量火山形態(tài)、地溫、重力的變化，研究活動火山的噴發(fā)過程（洪漢凈，2013）。地震監(jiān)測是觀測站最常用的方法，其次是形變測量（Scarpa等，2001）?；鹕叫巫兛梢苑从硯r漿的累積或后撤、巖墻的侵入、火山側(cè)翼的活動、火山區(qū)斷層活動及地震等。形變測量對火山噴發(fā)活動的預測預報有很大幫助。如1980年5月18日噴發(fā)的美國圣海倫斯火山，噴發(fā)前觀測到大范圍的隆升，一些區(qū)域隆升大于150m；4月10日觀測到50urad/h的傾斜等明顯形變異常。形變技術(shù)應用于監(jiān)測火山活動已經(jīng)非常久遠，如日本櫻島火山于1891年就開始開展水準測量，還進行三邊、三角及地傾斜等傳統(tǒng)方法的測量（Dvorak等，1997）。隨著形變觀測技術(shù)的不斷發(fā)展，火山形變監(jiān)測方法也在發(fā)生變化，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）和合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）等新技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)?，F(xiàn)代新大地測量技術(shù)被廣泛應用于火山監(jiān)測，F(xiàn)ournier等（2010）統(tǒng)計的全球233個活動火山中，93%以上采用了新技術(shù)。

中國現(xiàn)代火山有長白山天池、騰沖、海南和五大連池等，具有噴發(fā)時距長、噴發(fā)頻率低和噴發(fā)類型單一等特點，但現(xiàn)在仍不同程度地存在著噴氣、地熱和火山型地震活動等特點（李玉鎖等，1998）。中國從20世紀后期才開始對火山開展系統(tǒng)監(jiān)測，監(jiān)測歷史短、數(shù)據(jù)積累少。與西方多火山的發(fā)達國家相比，我國開展系統(tǒng)監(jiān)測以來還沒經(jīng)歷過火山噴發(fā)事件，反映火山活動強度異常信號的背景基線尚在探索之中，還需要借鑒國外典型火山的監(jiān)測背景基線進行類比。本文在總結(jié)國外火山形變研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合模型分析形變監(jiān)測技術(shù)在中國主要火山區(qū)的應用現(xiàn)狀及形變新技術(shù)的應用前景。

1 形變監(jiān)測新技術(shù)

巖漿從深部向淺層巖漿房侵入往往引起短暫或永久膨脹；火山噴發(fā)期間，伴隨巖漿從地殼向地表的噴溢同樣引起地表形變的變化。隨著巖漿的噴出或向裂隙等的運移，往往引起地表收縮?；鹕筋愋筒煌匦尾煌?，形變特征也各異。盾狀火山山體通常具有寬闊頂面和緩坡度（小于10°）側(cè)翼，如冒納羅亞火山底徑達150km；冰島火山錐體高度很少超過0.1km。層狀/復合火山經(jīng)過多次噴發(fā)形成，由熔巖流和火山碎屑物交替組成，熔巖粘滯性較高，如圣海倫斯火山長15km，高程3km左右。復合火山由多個錐體組成一個大的火山，其中一個主火山構(gòu)成復合火山的主體。錐形火山（熔巖穹丘）為高粘滯性富硅巖漿緩慢擠出，相對高差0.05—0.75km，坡度15°—30°，如美國亞利桑那州的落日火山長1.5km，高0.3km。Dvorak（1992）研究表明，火山活動在距火山山頂約10km距離范圍內(nèi)，至少會出現(xiàn)幾厘米的地表形變；如果在火山頂一定距離內(nèi)布設(shè)測點，對于盾狀火山，這種較大范圍的形變相對容易被傳統(tǒng)的形變技術(shù)監(jiān)測到，如夏威夷的基拉韋厄和冒納羅亞，冰島的克拉夫拉火山，以及相對高差不很大的層狀火山，如長谷火山和櫻島火山等；而一些火山由于山坡陡峭，大的地面運動僅發(fā)生在距火山頂約lkm的范圍內(nèi)，如圣海倫斯山，埃特納火山等。常規(guī)的形變測量方法通常要求所選測點之間有清楚的視線，故很難觀測到發(fā)生在遠距離或測線崎嶇的局部火山運動。

形變監(jiān)測方法多，技術(shù)發(fā)展快，不同方法觀測重復周期不同，可以用于不同形變幅度的測量（圖1）。20世紀60年代到80年代，火山區(qū)主要采用傳統(tǒng)的形變監(jiān)測技術(shù)，連續(xù)形變測量采用傾斜儀和應變儀，應用水準測量和三角測量分別得到垂直形變及水平形變。20世紀80年代，隨著測距儀精度的提高，三邊測量方法逐漸取代三角測量方法。20世紀90年代以來，隨著美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗等GNSS，日本QZSS、印度IRNSS等區(qū)域系統(tǒng)以及相關(guān)增強系統(tǒng)等定位技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，可同時實現(xiàn)多衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Multi-GNSS）的監(jiān)測。美國夏威夷冒納羅亞火山山頂?shù)?個水準觀測點間距離測量采用了電子激光測距儀（EDM），監(jiān)測時段內(nèi)發(fā)生1975和1984年2次噴發(fā)；2000年后采用GPS連續(xù)測量，觀測數(shù)據(jù)有很好的時間覆蓋，2002年5月基線由縮短轉(zhuǎn)為伸長，后發(fā)生深源地震；2014年中期以后持續(xù)伸長約6cm，推測由于巖漿充填了火山山頂下方及西南裂隙引起的。夏威夷納帕烏火山口附近2個距離最近的GPS觀測站基線長度在1997年1月出現(xiàn)36cm的拉長，巖漿侵入到東側(cè)裂隙并于1月30日噴發(fā)，該變化持續(xù)到31號；一半以上的觀測量出現(xiàn)在噴發(fā)前8小時，也說明巖漿8小時后運到地表。同時，InSAR技術(shù)也迅速崛起，可以提供毫米—厘米級的三維形變。

應用GPS方法，國內(nèi)外學者已取得了大量的火山水平變形監(jiān)測資料。冰島已于1986年在火山區(qū)開展GPS觀測；Sigmundsson等（1992）監(jiān)測到海克拉火山裂隙噴發(fā)引起的地表形變；Marshall等（1997）從1990—1994年，每年重復GPS觀測資料分析得到長谷火山巖墻張裂引起的地表膨脹。GPS監(jiān)測資料在地下巖漿壓力變化過程研究判定方面提供了極大幫助。Owen等（2000a，2000b）分析了夏威夷火山1990—1996年70個GPS觀測站的重復觀測資料，得到了水平速率，結(jié)果表明1999年1月—2002年5月莫納羅亞火山口周圍幾個觀測點位移速率很小，速率差也很小，推測該階段無明顯巖漿活動；而2002年5月—9月火山區(qū)出現(xiàn)明顯膨脹，推測巖漿源發(fā)生了較強的壓力增大過程。

GNSS的不同觀測方法各有優(yōu)缺點，適用于火山不同的活動階段。流動觀測是在一定時間段內(nèi)對同一監(jiān)測點的重復測量，能比較快地監(jiān)測較大區(qū)域，不需要長時間的場地設(shè)備維護，但是時間密度不夠，可用來監(jiān)測火山水平變形階段性變化，評價火山危險性，適用于平靜期或初始擾動期的火山變形監(jiān)測。固定臺站的連續(xù)觀測可實時監(jiān)測火山水平變形的動態(tài)變化過程，但通常點位密度不夠，適用于地下巖漿活動強烈、噴發(fā)危險性大的火山。1988年3月在伊豆半島建設(shè)的GPS連續(xù)觀測網(wǎng)為了監(jiān)測該區(qū)地震，是最早建設(shè)的連續(xù)觀測網(wǎng)之一。觀測資料顯示相距10km的2個觀測點在地震活動期間伸長14.5cm，揭示為巖漿充填裂隙，并在10天后海底火山噴發(fā)（Dzurisin，2003）。隨后長谷、蘇弗里耶爾、基拉韋厄等火山也開展連續(xù)GPS觀測（CGPS）（Battaglia等，2006）。實時動態(tài)測量（The Real-Time Kinematic，RTK）技術(shù)也被應用于火山活動的實時監(jiān)測，其相對費用高，達厘米級精度，監(jiān)測基線長度范圍小于10—20km，在拉包爾和三宅島等火山都有應用和研究。拉包爾火山采用RTK技術(shù)由流動站倒推基本站位置，德國由此發(fā)展了基于GPS的在線控制及預警系統(tǒng)。采用多種觀測方法可更好地監(jiān)測火山活動的不同階段，如夏威夷島布設(shè)有16個CGPS觀測站和100多個流動觀測站，用來監(jiān)測基拉韋厄、莫納羅亞和莫納克亞等火山的活動。

圖1 不同觀測技術(shù)重復周期及測量幅度

InSAR技術(shù)可以監(jiān)測大區(qū)域變形，彌補火山區(qū)沒有形變監(jiān)測或觀測點少的情況，更適合對盾狀火山和大的破火山口進行監(jiān)測。Hooper等人（2004）利用ERS影像生成的21幅干涉圖提取了美國加州長谷火山的形變時間序列，與GPS、水準、EDM的監(jiān)測結(jié)果很好地吻合。Briole等（1997）利用1992—1993年ERS-1 SAR影像資料得到埃特納火山1986—1987及1989年中等大小和強度的巖漿流動。Amelung等（2000）從InSAR獲得的高空間分辨率位移圖提供了厄瓜多爾加拉帕戈斯群島火山群地表下巖漿積聚的最初異常，結(jié)果表明在伊莎貝拉島和費爾南迪納島上，七分之六的火山在1992—1999年發(fā)生了形變。InSAR技術(shù)也會受到一定限制。對于層狀/復合火山，接近山頂處存在大的幾何變形和冰雪覆蓋等不利觀測環(huán)境，會導致失相干，進而影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。早期的InSAR研究成果中，一些火山區(qū)由于可用的衛(wèi)星干涉圖少等原因，結(jié)果并不理想，如像云仙岳火山于1990—1995年噴發(fā)，在1992—1993期間的70天，C波段干涉圖僅在北翼得到小部分的干涉（Zebker等，2000）。另外，短波段信號更容易丟失；長波段更易穿透植被，相干性好，但對電離層延遲更敏感。21世紀以來隨著發(fā)射和運行衛(wèi)星的增多，存在C、L和X等不同波段。長白山火山一年中多數(shù)時間被積雪覆蓋，故常采用長波段衛(wèi)星資料及一些特殊的處理方法來分析地表形變變化。InSAR新技術(shù)方法包括永久散射體（PS）技術(shù)、人工角反射器（CR）輔助技術(shù)、小基線集（SBAS）技術(shù)、干涉點目標分析（IPTA）技術(shù)等。法國學者Peltier等人利用PSInSAR技術(shù)提取了富爾奈斯火山2003—2009年的形變時間序列，與GPS監(jiān)測結(jié)果具有很好的一致性（Peltier等，2010）。Bato等人（2011）利用PSInsAR技術(shù)提取了菲律賓馬榮火山的形變速率，與GPS結(jié)果一致。此外，未來還會發(fā)射Radarsat Constellation、SOACOM-1a/b等升級衛(wèi)星，可克服InSAR技術(shù)應用的缺陷，實現(xiàn)互補，為技術(shù)的推廣應用奠定基礎(chǔ)。

2 形變模型及監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)

火山區(qū)地表形變受壓力源形狀、大小及深度等影響，其變化特征不同，可以用球形、橢球形、巖床和巖墻等模型進行模擬?；鹕絿姲l(fā)時，壓力源處于淺位，會在相對小的區(qū)域引起大的形變（Dvorak等，1997）；噴發(fā)間歇期通常由于壓力變化引起更大區(qū)域每年幾毫米到幾厘米的位移變化，如基拉韋厄和冰島的一些火山在間歇期形變量主要表現(xiàn)為小于1m。另外，火山類型不同，地形不同，可采用不同的形變技術(shù)進行監(jiān)測。

Mogi模型是模擬地表形變最簡單適用的模型（Kiyoo，1958），是McTigue（1987）公式的近似，對有限大小的球型源適應性較好，一般源深度需大于半徑的3倍以上。橢球形模型是針對壓力源的長短軸近似橢球形。當巖漿充填裂隙、斷層時，會形成水平的巖床或垂直的巖墻，需要用不同模型進行模擬。Mogi模型假設(shè)地形為平坦的，當火山坡度超過20°時需要考慮地形的影響。Dvorak等人（1997）統(tǒng)計21座火山巖漿源深度范圍在1.3—13km?；鹕絿姲l(fā)往往是巖漿向淺層侵入結(jié)果，統(tǒng)計結(jié)果表明一般壓力源深度在3—5km，5km也是大多數(shù)火山的脆—韌轉(zhuǎn)換帶深度（Hill，1993）?；鹕絿姲l(fā)規(guī)模不同，造成的災害影響不同，對于強烈噴發(fā)的火山，噴發(fā)體積在0.1—1km3。假定噴發(fā)物體積為壓力源體積的變化，則半徑約為287—620m。取壓力源深度為5km，等效體積變換半徑為500m，得到不同高程（）的高斯型火山地表形變，如圖2所示（圖中為徑向距離（km）；為源深（km）；h為水平形變（km）；v為垂直形變（km）；vmax為垂直形變最大量（km）；V(H)=Hexp(-(-)2/22)，代表不同高程的火山，其中：為觀測點至壓力源中心的距離（km），為位置參數(shù)，為形狀參數(shù)，H分別取0=0、1=500m、2=1500m）。

圖2 Mogi模型引起不同高程高斯型火山的地表形變

由圖2可以看出火山區(qū)的形變變化范圍很大。距離壓力源中心越遠，壓力源體積變化越小，形變量越小，需要更多高精度的測量手段。距離壓力源中心的形變受地形影響也很明顯。火山形變監(jiān)測站布設(shè)需要很好的空間分布，Dzurisin（2003）建議10km范圍內(nèi)至少有1—3個觀測站，10—20km范圍內(nèi)至少1—2個，這樣一般火山區(qū)共需設(shè)8—20個觀測站。從歷史記錄來看（Dvorak等，1997），一些火山翼的裂隙噴發(fā)，形變變化影響的距離最大可達50km。

對于Mogi模型，如果取壓力源深度分別為5km和2km（圖3），當半徑變化150m，垂向位移在距壓力源中心0—5km處最大，為3—6cm；20km處僅0.1cm左右。對于水平位移，10km處形變量在2—3cm；40km遠處仍存在幾毫米的變形。因此，合理的形變監(jiān)測網(wǎng)應當滿足足夠的時長，以確保記錄到事件全過程；足夠的儀器靈敏度記錄微小和緩慢的形變變化，足夠的空間覆蓋記錄整個事件（Dvorak等，1997）?？紤]到三維變形，對于活動強的火山，可以在火山區(qū)不同距離和方向上布設(shè)20個左右的CGPS站進行實時形變監(jiān)測。噴發(fā)間歇期的合理監(jiān)測方法是在近火山區(qū)域開展一年1次或2次觀測，而遠離火山區(qū)的地方觀測頻率可以少一些（Sigurdsson等，2015）。

圖3 不同深度的壓力源引起的地表形變

火山形變監(jiān)測的優(yōu)劣取決于觀測數(shù)據(jù)的時空分布、觀測精度等。地表位移變化范圍非常大，在穹狀或中酸性巖漿的火山中可達數(shù)十米，火山造錐階段形變量可達百米以上。圣海倫斯火山1980年噴發(fā)后進入造錐階段，截至1987年生長的穹丘達910m寬、240m高（Harris等，1988），并且在1989—1991年有幾個月的噴發(fā)活動。當巖漿運動緩慢或在很深位置運移時，位移的年變化量級僅為10-6m，甚至小于10-7m。新技術(shù)的應用可以克服傳統(tǒng)測量不能監(jiān)測到微小地表形變的缺點。

綜合利用多種形變監(jiān)測技術(shù)可以克服各自缺點，更好地監(jiān)測火山活動。合理的GNSS網(wǎng)能夠監(jiān)測到由于深部或分散巖漿源引起的地表形變，GNSS觀測精度高，但需要大量觀測點以確保測量范圍可以覆蓋整個火山。InSAR不需要在地面上配置儀器，可以實現(xiàn)很好的空間覆蓋，但是受植被、冰雪的影響，不易獲得小的地表形變。為了獲得1cm/a的形變（Sentinel-1衛(wèi)星），在卡斯卡特火山區(qū)需要60—130天的觀測時間（Parker等，2015）。另外，所需時間與火山類型有關(guān)，不同類型的火山噴發(fā)前擾動持續(xù)時間不同，所需的連續(xù)衛(wèi)星影像個數(shù)會不同，如盾狀火山異常擾動會持續(xù)40天，需要10個連續(xù)的干涉影像（Sentinel-1衛(wèi)星）。傾斜儀和應變儀可進行連續(xù)觀測，對于小的形變比GPS和InSAR更敏感，但易受溫度、降雨等環(huán)境影響，能更快得到形變變化，但需要去除地球潮汐和小的非火山活動信號。綜合多種監(jiān)測技術(shù)可以獲取更好的形變時空分布，如冰島全國火山監(jiān)測網(wǎng)就是由40臺地震儀、17個GPS固定站和10臺100—400m深的鉆孔應變儀組成。

3 中國主要火山的空間大地測量技術(shù)監(jiān)測

中國主要火山形變監(jiān)測網(wǎng)建站時間短，觀測站少（許建東，2011）。目前中國僅在長白山天池、騰沖、海南3個火山區(qū)建有火山形變監(jiān)測網(wǎng)，開展了水準、GNSS、InSAR及地傾斜等的觀測與研究工作，監(jiān)測情況見表1。另外，主要服務(wù)于地震預測預報的中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)工程（CMONOC I）、中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（CMONOC II）是以GNSS為主的國家級地球科學綜合觀測網(wǎng)絡(luò)，由260多個連續(xù)觀測站（CGPS）及2000多個流動觀測的區(qū)域站組成，其中部分站點覆蓋了火山區(qū)，還有部分用于地震監(jiān)測的臺站距離火山區(qū)較近，布設(shè)有傾斜儀及應變儀等進行定點形變連續(xù)觀測，這些監(jiān)測數(shù)據(jù)均可服務(wù)于火山預測預報。

表1 大地測量新技術(shù)應用于中國活動火山監(jiān)測情況統(tǒng)計

3.1 長白山天池火山

長白山天池火山是一座巨型復合層狀火山錐體，天池西側(cè)中國境內(nèi)的主峰白云峰海拔2691m，錐體半徑20km。天池火山有歷史記錄以來曾發(fā)生過多次噴發(fā)活動，最近一次噴發(fā)活動發(fā)生在1903年，目前已經(jīng)休眠達100余年。洪漢凈等（2007）依據(jù)火山活動的危險性將長白山火山歸為Ⅰ類，認為其是位于深震活動區(qū)上方的弧后板內(nèi)火山，仍然具有產(chǎn)生巖漿活動的構(gòu)造條件。2002—2005年多種監(jiān)測資料表明火山經(jīng)歷了一次擾動過程（Xu等，2012）?；鹕絽^(qū)常規(guī)形變監(jiān)測有水準、GPS和定點形變觀測，見圖4，布設(shè)2條水準路線獲取垂直形變（李克等，2009；劉國明等，2011），北坡水準路線長24km，相對高差901m，從2002年開始觀測，監(jiān)測到2002—2003年最大垂向隆起46.3mm；西坡水準路線全長約30km，相對高差1084m，2006年開始觀測。GPS監(jiān)測網(wǎng)由15個點組成，其中1999年建立8個點，并于2000年開始觀測，每年夏季進行1期流動觀測；2006年后補充建設(shè)7個點，2007年開始每年一次的觀測，全部點位基本圍繞天池火山口周圍。定點連續(xù)形變觀測主要是洞體內(nèi)的傾斜儀和伸縮儀，從1999年12月開始觀測。

從圖4可以看出，在新技術(shù)應用方面，15個GNSS火山流動觀測站中，4個分布在10km范圍內(nèi)、7個分布在10—20km范圍內(nèi)，點位分布在各方向不均勻。距火山口約40km處，分布有CMONOC流動觀測站和CGPS點位各1個。長白山天池火山地區(qū)地形復雜、地勢高峻、積雪期長、植被非常茂密，很容易造成SAR干涉圖像失相干，需要特殊的影像及處理方法。韓宇飛等（2010）選取了L波段的JERS-1 SAR數(shù)據(jù)進行差分干涉處理（D-InSAR），提取了研究區(qū)1994—1998年的地表形變場；Ji等（2013）基于ENVISAT ASAR影像資料，采用永久散射技術(shù)（PSInSAR）獲取了天池火山2004—2010年的形變時間序列?？梢姡姹O(jiān)測火山區(qū)形變的時空演化，目前已有的形變監(jiān)測時空密度還不夠，需要更多的CGPS觀測站進行監(jiān)測，以及長期連續(xù)InSAR資料的應用及分析等。

圖4 長白山火山形變監(jiān)測網(wǎng)（TC-天池）

3.2 云南騰沖火山

騰沖火山最新的一次活動發(fā)生于全新世，形成打鷹山、老龜坡、馬鞍山和黑空山4個截頭圓錐狀火山錐。其中打鷹山最高，海拔2595m，火山錐體長2km、寬1.5km、高0.6km（皇甫崗等，2000），1609年仍有噴發(fā)活動，該火山區(qū)溫泉發(fā)育、地震頻繁，表明火山仍有活動性；馬鞍山海拔1793m，火山錐體長0.8km、寬0.6km、高0.11km；黑空山海拔2072m，火山錐體長0.8km、寬0.8km、高0.15km。

火山主要活動區(qū)域已開展水準、重力及GPS等觀測。1997年建成了由64個測點組成的水準網(wǎng)（圖5），路線總長約150km，基本覆蓋主要火山，2003年增設(shè)了熱海—勐連—騰沖水準測線85km，共30個點，1998—2004年共進行了5期水準測量（胡亞軒等，2003，2007）。在GPS監(jiān)測方面，分別于2002、2003年對原激光測距網(wǎng)（1997年建立）進行了觀測；2003年建成了由20點組成的新GPS觀測網(wǎng)，并于2003、2004年開展了野外觀測。

從圖5可以看出，GNSS火山觀測站基本分布在20km范圍內(nèi)；距離火山口約40km范圍內(nèi)有CMONOC流動觀測站9個和CGPS點位1個（王伶俐等，2015），其中部分點位可用于火山監(jiān)測。騰沖火山區(qū)地貌復雜、所處緯度偏低、植被覆蓋茂密，很容易造成SAR影像失相干。季靈運等（2011）基于JERS-1Ｌ波段SAR影像，利用小基線集—合成孔徑雷達干涉測量（SBAS-DInSAR）技術(shù)提取了騰沖火山地區(qū)1995—1997年間地表形變時間序列?？梢?，騰沖火山區(qū)目前形變監(jiān)測時空密度還不夠，也需要更多的CGPS觀測站和InSAR等資料的長期連續(xù)監(jiān)測分析。

圖5 騰沖火山形變監(jiān)測網(wǎng)（HKS-黑空山；DYS-打鷹山；MAS-馬鞍山）

3.3 海南火山

海南島北部熔巖覆蓋面積達4000余平方千米（胡久常，2002；白志達等，2003）。第四紀火山區(qū)的石山、永興一帶大小30多個火山口明顯呈北西方向排列，形成典型的中心式火山群，是中國第四紀以來火山活動最為強烈和頻繁的地區(qū)之一，其中雷虎嶺和馬鞍嶺為典型的現(xiàn)代火山口。白志達等（2003）研究認為，馬鞍嶺地區(qū)第四紀火山活動具有多期性，不同期次具有不同的火山活動方式、噴發(fā)強度及火山結(jié)構(gòu)類型。海口地區(qū)火山噴發(fā)活動較弱，海拔最高222.8m，火山錐體高度在10—40m，最大底徑不足3km，絕大部分火山底徑在1km以下。

從圖6監(jiān)測網(wǎng)看出，火山區(qū)共有6個GPS觀測站，從2008年開始每年進行一次觀測；另有CMONOC和中國地震局第二監(jiān)測中心建設(shè)的8個GNSS流動觀測站、1個CGPS站可供觀測，但個別觀測站受周圍樹木及（或）建（構(gòu)）筑物影響，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量差（Hu等2016a，2016b）；此外，火山區(qū)西部觀測點位較少。受茂密的植被影響，Ji等（2015）采用C波段的ENVISAT ASAR影像不能得到干涉圖，后采用L波段的ALOS PALSAR衛(wèi)星影像利用干涉圖堆疊技術(shù)（stacking-InSAR）獲取了2007—2011年的形變演化圖。目前火山區(qū)缺乏對微小形變敏感的連續(xù)形變監(jiān)測手段；雷虎嶺和馬鞍嶺等主要活動火山區(qū)，監(jiān)測點位少，形變監(jiān)測時空密度還不夠。

圖6 海南火山形變監(jiān)測網(wǎng)（MAL-馬鞍嶺；LHL-雷虎嶺）

4 結(jié)論

火山區(qū)地表形變很復雜，地表位移的變化和諸多因素有關(guān)，通常由于地下巖漿運動引起，可能與火山地熱系統(tǒng)中的流體壓力與流速變化有關(guān)?；鹕絽^(qū)形變監(jiān)測可幫助人們了解火山的活動動態(tài)，火山的噴發(fā)周期可能經(jīng)歷部分熔化、初始上升、地殼同化、巖漿混合、存儲、部分結(jié)晶和最終上升到地表等全部或部分過程，從而引起的形變特征也不同；形變變化在火山噴發(fā)前存在很大的差異，從零到十多米直至幾百米，影響范圍也不同。為了獲得可靠的形變時空演化特征，可以應用水準、GPS和InSAR獲取高精度大范圍的觀測資料；應用應變儀、傾斜儀以及CGPS獲取理想的形變隨時間演化特征。多種監(jiān)測技術(shù)在火山區(qū)的聯(lián)合應用，可以更好地觀測到由于巖漿侵入引起的大范圍非震形變時空特征，有利于精確綜合判斷火山活動狀況，以及對噴發(fā)前數(shù)天到幾個月的短期預報和災害評估。中國主要火山采用的形變監(jiān)測技術(shù)較少，目前火山區(qū)域的GNSS觀測站密度還不能很好滿足監(jiān)測火山活動的需要，用于小形變的連續(xù)觀測站還不夠，監(jiān)測網(wǎng)還需要進一步優(yōu)化，此外，InSAR技術(shù)在中國火山僅進行了部分時段的研究工作。因此，建議對計劃開展形變監(jiān)測的火山，在規(guī)劃設(shè)計時能夠依據(jù)火山類型、活動性等考慮所采用的監(jiān)測技術(shù)、建站密度及觀測頻次等。

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Application of Geodesy Technology in Deformation Monitoring of Volcanoes

Hu Yaxuan1), Xu Jiandong2), Liu Guoming3), Song Shangwu1)and Li Yuhang1)

1）The Second Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi’an 710054, China 2）Insitute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China 3）Jilin Earthquak Agency, Changchun 130022, China

The surface deformation varies with magmatic activities in different periods. Deformation monitoring can help to understand the activities and to evaluate the potential risk of eruption. Generally, the deformation in volcano area is affected by the magamatic source pressure, size, shape, depth and migration rate and etc. The volcanic types also can cause different deformation on the surface. The range of amplitude is from 1×10-7to 1 meter-scale. The new geodetic technologies developed in the 1990s, such as GNSS and InSAR, gradually replaced the traditional technique of the 1960s. The monitoring capability has been improved in temporal-spatial domain. The deformation monitoring of active volcanoes in China started late in 1990s, which has been used in the volcano monitoring of Tianchi Changbaishan, Tengchong and Hainan volcanoes. However, the continuous deformation measurement is done only with tilting. The application of new geodesy technologies, such as continuous GNSS, is not enough in these volcano regions.

GNSS; InSAR; Deformation model; Deformation monitoring network

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10.11899/zzfy20180216

國家自然科學基金（41372345）

2017-02-16

胡亞軒，女，生于1970年。高級工程師。主要研究方向：地形變機理。E-mail：happy_hu6921@sina.com