GRACE和地面重力测量监测到的中国大陆长期重力变化

自2002年以来,GRACE卫星探测计划可提供高精度的时变地球重力场,用以探测地球系统的物质分布.自1998年中国大陆重力监测网建立以来,利用FG5绝对重力仪和LCR-G型相对重力仪每2年对该网进行重复测量获取重力场时变信息.基于此,本文利用GRACE和地面重力测量获得了中国大陆重力场的长期年变率,利用位错理论根据USGS发布的断层模型计算了2008年汶川M_s8.0级地震的同震重力变化并进行了300 km高斯滤波.GRACE卫星重力和地面重力结果均表明华北地区地下水流失严重,在绝对重力基准站上,GRACE卫星重力与绝对重力变化率较为一致,汶川区域的地面重力变化结果可视为大地震前兆信息.     

中国大陆西部重力场变化与强震危险性关系

本文基于中国大陆西部流动重力测量获得的区域重力场变化数据, 尝试对其进行多种位场变换, 在一定空间尺度约束下定义了6种区域重力场变化指标量. 在此基础上, 以中国大陆2002年、 2005年和2008年等3期数据为研究对象, 计算并统计了中国大陆西部M_S≥6.0地震震中位置处震前重力场变化及各种导出参数值, 尝试初步构建以地震预报为目的的地震重力学科指标体系参数. 研究结果表明, 震前区域重力场变化与地震发生位置没有显著的统计关系, 但是重力场变化的垂直梯度和解析信号模量具有一定的地震预报意义, 适合作为地震前兆异常使用.      

玉树地震前后不同时空尺度的重力变化研究

收集、整理中国地壳运动观测网络及中国大陆构造环境监测网络重力资料,给出玉树地震前后不同时空尺度的重力场时空变化结果和具有构造活动意义的重力场动态图像.     

GOCE卫星监测的中国区域重力异常

介绍了利用最新一代重力卫星GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)重力场模型数据计算重力异常的原理和方法,采用最新发布的GOCE重力场模型数据(2009年10月-2010年7月)计算了中国区域(70°～130°E,15°～55°N)的重力异常,为了进一步分析重力异常与区域地质构造及地震活动性的对应关系,将计算结果与中国区域地形、地震活动区域等资料进行了对比分析,结果表明利用GOCE重力场模型数据计算的重力异常能够较好的反映区域地质构造分布特征,而且强震震中通常位于重力异常变化剧烈的高梯度带上.     

从GRACE卫星4.6年观测资料分离2004年苏门答腊—安达曼地震的同震和震后重力变化及利用简正振型叠加模拟同震变化

主要研究利用GRACE(重力恢复和气候试验)卫星恢复的时变全球重力场计算2004年12月26日苏门答腊大地震引起的同震和震后重力的变化。进而对于一个自重、弹性、球状分层的地球模型,利用简正振型叠加法比较观测到的同震重力变化制作它的完全弹性引力响应模型。需要特别关注海洋质量重新分布的影响。在对数据进行反演时要注意,海洋潮汐模型的误差及陆地水文和大洋环流产生的季节性和周年性信号会导致构造重力的变化,也就是要消除同震重力变化受到震后松弛的影响。我们使用了由测地空间研究组(GRGS)提供的4.6年时间尺度的全球重力解数据,其中包括震后26个月的数据。为了相互比较,也研究了空间研究中心(CSR)提供的用频谱窗或高斯空间平滑处理后的Release-04解。结果均以大地水准面高变化和重力变化给出。从两种不同的重力解计算的同震和震后重力变化在全球范围上是相似的,但它们的空间幅度和振幅与对GRACE重力场滤波处理时使用的滤波器种类相关。使用测地空间研究组解数据的信噪比最大。相比同震信号,震后信号的频谱含量更接近GRACE的带宽,因此能被GRACE卫星更好地观测到。在安达曼海巽他海沟以东,同震信号表现为重力明显减少的趋势。在该海沟以西,重力有小幅的增加。同震重力变化的模型与GRACE卫星数据计算出的重力信号相比,在总体形状和取向、相对于海沟的位置和量级上都非常吻合。同震重力变化后会出现震后松弛,该松弛可以用一个平均松弛时间为0.7年的指数增函数描述。总的震后重力变化的特征呈现出大范围的正异常,且主要分布在海沟正上方和沿着俯冲带扩展15个纬度。26个月后,同震重力的减小被震后松弛部分补偿,但在普吉岛南部依然有负异常出现。海沟西部15个纬度范围内的重力都是增加的,最大值出现在震中南部地区。通过研究分析两种全球水文模型和一种大洋环流模型,显示我们利用GRACE卫星对同震和震后重力变化做出的估计几乎没有因俯冲带和安达曼海中部地区的陆地水和大洋环流年度变化而产生偏差,而在马来半岛则产生了几微伽的偏差。     

基于主成分分析的GRACE重力场模型等效水高

本文使用主成分分析在空间域提取GRACE重力场模型的等效水高,假设信号与噪声之间统计不相关,把由CSR、GFZ和JPL的GRACE重力场模型计算得到的等效水高值作为统计量,通过线性变换来分离信号和噪声.选择2007年3月份GRACE重力场模型作为实验,在直接分离没有取得预期结果后,对GRACE作半径为300km、400km和500km的高斯平滑,然后利用主成分分析得到了3个模式.结果显示,3种平滑半径下,主成分的第1模式的贡献率分别为79%、90%和93%.从主成分3个模式的统计结果以及等效水高图判断,第1模式对应于水文变化信号,其他2个模式为南北条带状噪声.由主成分的第1模式估算了CSR、GFZ和JPL的等效水高,与经验去相关方法进行了对比,结果较为一致.2010年12个月的结果显示,第1模式的贡献率不仅与平滑半径有关,而且与时间有关.     

CG-5重力仪格值系数修正与应用研究

在地表重力观测过程中,CG-5重力仪的格值系数会随着时间推移而发生变化.选用河北测区内2015—2017年相对重力观测数据,基于重力差法对两台编号为C859、C873的CG-5相对重力仪进行格值系数的误差计算及修正,研究其变化特征,并对修正前后不同时间尺度的重力场变化进行对比分析.结果表明:两台CG-5相对重力仪的格值系数在3年内存在不同程度的变化,均呈现整体上升的趋势,累计变化量分别为0.028％,0.034％;采用修正后的格值系数可得到点值精度更高的平差结果;不同时间尺度上的重力场变化相比修正前也出现明显差异,2017年河北大城ML3.6级地震发生在格值系数修正后0.5 a期重力变化零值线附近,这些结果表明了对CG-5重力仪进行格值系数修正的正确性和必要性.     

基于重力卫星数据监测地表质量变化的三维点质量模型法

利用卫星重力测量手段监测全球质量变化取得了巨大成功,本文基于牛顿万有引力定律在三维空间直角坐标系中导出利用重力卫星观测数据监测全球质量变化的三维点质量模型法,该方法可直接利用重力卫星的轨道和星间观测数据或时变重力场模型计算全球质量变化,由于利用卫星观测数据计算地表质量变化的向下延拓过程以及观测数据噪声的影响,需要采用合适的空间约束方程或正则化技术对解算结果进行约束或平滑处理.利用合成全球质量变化模型模拟一个月的GRACE双星轨道和星间距离变率数据计算全球质量变化,对三维点质量模型法进行分析验证,采用零阶Tikhonov正则化技术处理病态问题.结果表明,三维点质量模型法可有效用于重力卫星观测数据监测全球质量变化,为利用重力卫星观测数据监测全球质量变化提供一种可选的途径.     

中国大陆重力场动态变化研究

利用国家重大科学工程"中国地壳运动观测网络"1998-2008年间绝对重力和相对重力的观测资料,初步获得了中国大陆起算基准统一的重力场及其动态变化.重力场变化既具有时空分布的不均匀性和重力变化分区现象,同时又具有与活动断裂构造密切相关和与地震孕育发展有着内在联系.中国大陆6.8级以上大震主要发生在重力场变化分布差异较为剧烈的地区(重力变化≥90×10^-8m·s^-2)和重力变化发生转折的时段.     

全球水储量变化的GRACE卫星检测

利用GRACE月尺度变化的地球重力场反演了全球水储量变化,并与陆地水文资料、卫星测高资料及海洋模式得到的结果进行了比对.通过对SOURE台站重力变化的陆地水储量变化计算结果和GRACE重力场系数截断为15阶得到的结果比较,发现两者比较接近,且年周期变化特征明显.对于亚马逊流域,当重力场系数截断为15阶且平滑半径使用106 m时,GRACE反演的区域平均水储量厚度的周年变化振幅为15.6×10-2m,小于使用平滑半径为4×105m的23.7×10-2m.在研究长江流域时,本文对水文资料做球谐系数展开,并与GRACE数据做同样的截断和平滑处理,结果发现GRACE反演的水厚度变化与水文资料结果基本上符合.对于纬度±66°之间的海洋区域,GRACE反演的海水质量变化接近于结合卫星测高和海洋模式得到的结果,但对于2°×2°网格,则在一些区域差异明显,最大超过了0.2 m,中误差为3.8×10-2m.可见,当前GRACE卫星时变重力场只能确定出上千公里及以上尺度区域的水储量变化.     

震前重力场变化质源体边界和危险区划定方法研究

在我国大陆开展的流动重力重复观测是监测地震前兆异常的主要技术手段之一。 对大地震前流动重力场观测资料研究结果表明, 区域性持续的重力场增加和减少与大地震发生有显著关系。 目前, 区域重力场变化监测已经成为一种常规前兆观测技术手段。 本文首先从三维倾斜台阶模型入手, 计算了理论重力异常, 并对异常进行变换, 找到了一种可以更好刻画其场源边界的方法, 并进一步应用空间相关系数法进行异常特征分析, 得到了从概率意义上估计危险区的方法。 最后, 本文尝试运用此方法对青藏高原东缘地区1998—2005年的四期流动重力测网资料进行处理和分析。 应用本文提出的异常处理技术, 可有效地圈定异常梯级带位置, 确定质源体边界形态, 并可以联合背景重力异常场等其他资料, 给出危险区发震概率的空间估计, 分析结果在年度震情会商中可以有效地对地震危险区的划定提供技术支持。     

华北地区重力场变化特征研究

通过对1992~2008年间各期观测资料进行全时空扫描,分析华北地区网区重力场的演化特征,总结震前异常的形态、持续时间和变化幅度,指出重力场空间变化易于发生地震的部位,并对一些问题进行讨论。结果显示:华北地区重力场总体变化不具明确规律性;大量测点存在明显的背景性趋势性异常变化;重力场变化与网区及周边地区中强地震的活动联系密切,较明显的重力场异常反应多发生在震前2年左右时间,且常伴有大面积高值异常区出现。重力变化"0"线、高梯度带、异常中心(含极值)附近是重力场空间变化易于发震的部位。     

宁夏地区重力场变化与2012年永宁MS4.6地震

利用宁夏地区2011—2013年期间多期重力观测资料,采用中国地震局推广的LG-ADJ程序对观测资料进行平差处理,给出地震前后3年的区域重力场变化和点值变化图像。结合构造活动分析,对2012永宁4.6级地震前后宁夏地区重力异常变化进行研究。认为：2012年永宁地震前,测区重力场出现较好的中期前兆性变化图像,临震前短期异常突增,重力场在空间和量值上均出现大幅的上升变化,重力点值震前趋势下降-转折上升-加速上升-发震的变化,是非常值得关注的前兆异常。     

2003年民乐MS6.1级地震前的重力变化研究

以河西地区的流动重力监测资料为基础,分析了2003年10月25日民乐Ms6．1级地震前的重力场变化,认为在空间分布上,地震发生前观测区出现了区域性的重力异常变化及与构造活动断裂走向基本一致的重力变化高梯度带,并在震中或邻区产生局部重力变化异常区。在时间序列上,地震发生前,重力段差和重力测点先是增强,然后反向减弱,并在反向过程中发震。     

山西地区重力场变化与洪洞ML5.0地震

选取山西测网内2002年至2004年的重力复测资料,研究了2003年11月25日山西洪洞ML5.0地震前后该区重力场的变化特征,认为重力场变化与洪洞ML5.0地震有较好的对应关系,山西地震带上断陷盆地内的活动断裂蠕动和地壳内部质量迁移等因素的共同作用导致该区重力场发生变化,进而引起了该次地震的发生.     

Gravity variation before Kunlun mountain pass western M_s=8.1 earthquake

AbstractThe relation between the gravity variation features and M_S=8.1 earthquake in Qinghai-Xizang monitoring area isanalyzed preliminarily,by using spatial dynamic variation results of regional gravity field from absolute gravityand relative gravity observation in 1998 and 2000.The results show that:1)M_S=8.1 earthquake in Kulun mountainpass western occurred in the gravity variation high gradient near gravity's high negative variation; 2)The maintectonic deformation and energy accumulation before M_S=8.1 earthquake are distributed at south side of theepicenter;3)The range of gravity’s high negative variation at east of the M_s=8.1 earthquake epicenter relativelycoincides with that rupture region according to field geology investigation; 4)Gravity variation distribution in highnegative value region is just consistent with the second shear strain’s high value region of strain field obtainedfrom GPS observation.     

冀鲁豫交界地区重力场变化与区内小震关系探讨

冀鲁豫交界地区历史上曾发生过多次中强地震,是一直受关注的地震危险区。利用该区1995—2010年共20期的流动重力观测资料,在统一起算基准、消除系统误差的基础上进行拟稳平差,计算重力场累积变化量;通过对重力场变化的分析,研究测区内重力场动态变化与测区内发生的一系列4级左右地震的关系。研究结果认为:冀鲁豫地区发生M_L4.0以上地震前后震区的重力场变化具有明显的"震前持续上升-震后反向恢复"的特征。     

陕西重力测网起算基准稳定性分析

采用经典平差方法处理重力网数据时,判断起算基准是否稳定是一个关键性问题。本文在精细化处理陕西重力测网观测资料基础上,采用线性回归法,对1992—2011年陕西重力测网起算基准进行了稳定性分析。并以泾阳M_S 4.8地震为例,分析了重力起算基准稳定性对重力网计算的影响及线性回归方法的有效性,结果表明:(1)起算基准重力值随时间变化明显;(2)起算基准扰动影响改正后,地震前后重力场及跨断裂重力段差变化特征更加符合实际情况;(3)处理重力数据及分析重力场变化特征时,必须考虑起算基准稳定性的影响。     

台风引起的重力扰动现象

山东省泰安台LaCoste-PET型重力仪安装以来,出现了几次固体潮“脉动加粗”的情况．用高通滤波进行信息分离后发现,“脉动加粗”与2008年登陆我国最强的３次台风发生时间有很好的对应．烟台SSQ-2型倾斜仪表现出与重力仪同步“脉动加粗”的特征,泰安台JCZ-1型地震仪在台风发生期间也观测到了“纺锤形”振幅加大的情况,台风信号卓越周期为3—7s．分析结果表明,重力仪及倾斜仪的这些异常变化均是台风引起的扰动,“扰动”信号的频率、幅度在重力仪的监测能力内．“扰动”的出现与台风发展强度、移动速度及地理位置有关．