利用卫星跟踪卫星观测数据确定时变重力场球谐解的发展趋势

时变重力场综合反映了地球内部及表层物质的迁移特性,在地球科学领域应用广泛.21世纪以来,多个重力卫星相继成功发射,为实现全球时变重力场连续监测提供了数据支撑.利用重力卫星观测数据建立高精度时变重力场模型,是开展时变重力场相关科学应用的重要前提.自重力卫星计划提出以来,国内外学者致力于卫星时变重力场建模理论及方法的研究,...     

基于Slepian方法和地面重力观测确定时变重力场模型:以2011-2013年华北地区数据为例

时变重力场是研究地球系统内部物质运动和时空演化过程的有效途径.目前广泛使用的GRACE时变重力场模型受限于其空间分辨率(约400 km),难以探测较小空间尺度的重力变化.本文首次尝试利用Slepian局部谱分析方法和多期地面重力观测确定更高空间分辨率的时变重力场模型.Slepian方法通过构建研究区域内的正交基函数,将信号能量集中在研究区域内部,是构建球面局部重力场模型的理想方法.本文根据Slepian方法的特点给出了区域重力场建模及参数优化的步骤,以我国华北地区为例,基于2011-2013多期地面观测确定了区域时变重力场模型,并与同区域由Slepian方法和GRACE卫星数据确定的重力变化进行了对比分析.结果表明:(1)贝叶斯信息量准则可作为确定Slepian展开最佳截断数的有效手段;(2)基于研究区域内现有重复测点数据,能够恢复120阶时变重力场,空间分辨率(半波长)约150km;(3) 2011-2013年间研究区域内GRACE估计结果与120阶地面结果在时空分布的显著趋势上存在较好的对应,证明了本文利用Slepian方法和地面观测所得时变重力场模型的可靠性.本文研究结果可为区域重力场建模提供新的参考,也可为华北地区水资源变化监测、构造活动分析以及地震风险性评估等研究提供高分辨率的时变重力场模型支撑.     

离散时变重力数据的可视化、指标量定义与解释

针对流动重力观测获得的数据成果特点,提出一种基于流动重力段差变化的时变重力数据可视化方法,并定义了两个指标量G值和C值,用以评价区域性重力场变化的显著性程度.在此基础上,应用该方法处理和分析了首都圈地区的流动重力数据.结果表明:与传统采用等值线方式来刻画时变重力场特征不同,该方法更能突出发生变化的重力测点位置、测量误差及其变化的显著性程度,可为研究与地震孕育、发生过程有关的重力场变化提供更多的定量依据.      

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.     

地球重力场时变性的研究进展

地球重力场是表征地球内部、表面或外部各点所受地球重力作用空间的物理属性.地球重力场不仅存在着空间变化而且存在着时间变化.从空间观测，地球重力场是地球系统质量分布的结果，质量在地球系统内的传输和变化将在地球重力场的变化中反映出来.重力场的时变有长期变化、季节性变化、不规则变化和其他多尺度的变化.本文主要介绍了时变的地球重力场领域近年来的研究进展，归纳和描述了引起地球重力场时变的主要因素.     

陆地高精度重力观测数据的应用研究进展

陆地重力观测相较于航空和卫星重力观测,距离场源更近,观测精度相对较高,其静态异常和时变数据已广泛应用于研究多种地球动力学问题.21世纪以来,绝对重力观测技术发展迅速,陆地观测网络日益完善,高精度陆地重力观测数据产品逐渐丰富,基于这些产品的大地测量和地球物理研究不断取得新进展.本文总结了近十几年来高精度陆地重力观测数据在大地测量和地球物理领域的应用进展情况,包括基于重力异常数据构建重力场和大地水准面模型、建立地壳物性结构模型、反演Moho界面形态和估计岩石圈有效弹性厚度,以及利用时变重力数据构建时变重力场模型、探测微弱动力学信号、估计地壳构造变形速率和分析与火山、地震过程的可能关联,最后探讨分析了陆地重力测量的未来发展趋势,可为中国大陆重力观测系统建设与发展规划提供参考.     

芦山M_S7.0地震震前GRACE卫星时变重力场特征研究

基于GRACE卫星时变重力数据,利用小波多尺度分解方法,分析研究了芦山MS7.0地震前重力场的时空动态演化特征.结果表明,雅安地区震前卫星时变重力场具有明显的重力变化信息.卫星时变重力场在时间域表现为,累积重力场和差分重力场存在较强的规律性动态变化,以2003—2004年均值为基值的2009—2012年的变化特征与2005—2007年的变化特征具有较好的相似性,以2009年均值为基值的2009—2012年即芦山地震前4年,芦山震区的时变重力场呈现上升→减速上升→加速上升以及上升→轻微下降→快速上升的变化特征;卫星重力场在空间域表现为,震中位置由靠近重力场正变化的中心→接近重力场正变化边缘→接近重力正变化四象限分布中心的变化特征.因此,芦山地震的重力场动态变化信息和波场分离结果符合逆冲推覆兼走滑型地震引起的区域变形特征.     

伽师6.4级地震前后震源区视密度变化及其构造意义

2020年1月19日新疆维吾尔自治区伽师县发生6.4级逆冲型地震,发震构造为柯坪断裂,震中位于重力监测网内部。文中首先介绍塔里木盆地西缘的重力观测网络系统的基本情况;其次结合"以场求源、场源结合"的思想,利用地震前后2013—2020年塔里木盆地西缘地区的重力重复测量数据,基于贝叶斯重力平差方法得到的点值序列和时变重力信号的场源反演方法,给出等效源反演方法的基本原理和研究区的场源监测能力,并针对实际重复重力观测数据进行测试,反演得到重力时空场源变化特征,获得了研究区地壳内部区域性重力场源动态变化及该区的地震前后多期场源视密度的结构特征;最后,结合2020年伽师6.4级地震发震构造区的重力场变化过程进行了分析和讨论。研究认为:塔里木盆地西缘的重力测网对于伽师M_S6.4地震震中周边的场源参数具有较好的分辨能力,地震前区域重力测网在2017年开始出现显著的区域性重力场变化,场源视密度呈现出与柯坪构造系一致的NEE条带特征;在地震前后,场源的视密度出现由正转负的变化过程,震后这种视密度变化与构造走向一致的特征更加明显,且扩展至整个柯坪断裂系范围,说明这些由重力监测获得的场源变化信号与此次地震事件及构造控制的场源环境变化密切相关。文中的研究方法和成果可为时变重力场源特征研究和地震重力前兆信号的分析与解释提供有重要价值的震例参考;同时,对于认识孕震区和断裂带周边的地壳构造运动模式具有重要指示意义。     

安庆5.2级地震震前区域重力场动态变化特征

根据安徽省及周边区域地震动态重力监测网2009-2010年期间的3期绝对重力和相对重力观测成果,给出了监测区域重力场动态变化图像,并以此为基础从场变化的角度分析了安庆地震震前区域重力场的动态变化特征.     

利用SWARM卫星高低跟踪探测格陵兰岛时变重力信号

GRACE重力卫星任务即将结束,后续GRACE Follow-On卫星计划于2017年发射,在此期间,迫切需要一个新的卫星计划继续对全球时变重力场进行连续监测,以保证时变重力场信息时间序列的连贯性.SWARM计划包括三颗轨道高为300~500 km的近极轨卫星星座,类似于三颗CHAMP卫星,具有接替时变重力场探测的潜力.本文首先分析SWARM(模拟)、CHAMP、GRACE反演至60阶时变重力场球谐系数的误差特性及不同高斯平滑半径对高频误差的抑制效果,然后分别利用SWARM、CHAMP、GRACE的时变重力场模型恢复全球质量变化,结果表明,SWARM模拟观测数据的高频误差低于CHAMP观测数据,探测时变重力场的整体精度优于CHAMP,略低于GRACE探测精度;其次,对比2003年1月—2009年12月期间CHAMP(hl-SST)和GRACE(ll-SST)时变重力场模型反演格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果显示,CHAMP数据得到格陵兰岛冰盖质量变化趋势为-50.2±2.0 Gt/a,GRACE所得结果为-41.2±1.6 Gt/a,两者相差21.8%;最后,对比2000年1月—2004年12月间SWARM模拟数据和"真实"模型数据反演的格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果表明,两者相差19.2%.本文研究表明,利用SWARM hl-SST数据探测时变重力场可以达到20%相对精度水平,有潜力用于填补GRACE和GRACE Follow-On期间探测地球时变重力场的空白.     

Determination of the degree 120 time-variable gravity field in the Sichuan-Yunnan region using Slepian functions and terrestrial measurements

The terrestrial time-variable gravity measurements are characterized by a high signal-to-noise ratio and sensitivity to the sources of mass change in the Earth's crust. These gravity data have many applications, such as surface deformation, groundwater storage changes, and mass migration before and after earthquakes. Based on repeated terrestrial gravity measurements at 198 gravity stations in the Sichuan-Yunnan region (SYR) from 2015 to 2017, we determine a time series of degree 120 gravity fields using the localized spherical harmonic (Slepian) basis functions. Our results show that adopting the first 6 Slepian basis functions is sufficient for effective localized Slepian modeling in the SYR. The differences between two gravity campaigns at the same time of year show an obvious correlation with tectonic features. The degree 120 timevariable gravity models presented in this paper will benefit the study of the regional mass migration inside the crust of the SYR and supplement the existing geophysical models for the China Seismic Experimental Site.     

COMPREHENSIVE ANALYSIS OF RECENT GRAVITY AND CRUSTAL DEFORMATION IN NORTHWESTERN GUANGXI

Northwest Guangxi is located in the Youjiang fold belt and the Hunan-Guangxi fold belt of secondary structure unit of South China fold system. The South China fold was miogeosyncline in the early Paleozoic, the Caledonian fold returned and transformed into the standard platform, and the Indosinian movement ended the Marine sedimentary history, which laid the basic structural framework of this area. Since the neotectonic period, large areas have been uplifted intermittently in the region and Quaternary denudation and planation planes and some faulted basins have been developed. Affected by the strong uplift of Yunnan-Guizhou plateau, the topography of the region subsides from northwest to southeast, with strong terrain cutting and deep valley incision. Paleozoic carbonate rocks and Mesozoic clastic rocks are mainly exposed on the earth's surface, and its geomorphology is dominated by corrosion and erosion landforms. The dating results show that most of the structures in northwest Guangxi are middle Pleistocene active faults, and the movement mode is mainly stick-slip. According to the seismogeological research results of the eastern part of the Chinese mainland, the active faults of the middle Pleistocene have the structural conditions for generating earthquakes of about magnitude 6. In the northwest Guangxi, the crustal dynamic environment and geological structure are closely related to Sichuan and Yunnan regions. Under the situation that magnitude 6 earthquakes occurred successively in Sichuan and Yunnan region and magnitude 7 earthquakes are poised to happen, the risk of moderately strong earthquakes in the northwest Guangxi region cannot be ignored. Based on the analysis of deep structure and geophysical field characteristics, it is concluded that the Tian'e-Nandan-Huanjiang area in the northwestern Guangxi is not only the area with strong variation of the Moho surface isobath, but also the M_L3.0 seismic gap since September 2015, and the abnormal low b value area along the main fault. Regions with these deep structural features often have the conditions for moderately strong earthquakes. The paper systematically analyzes the spatial and temporal distribution features and mechanism of regional gravitational field and horizontal crust movement and further studies and discusses the changes of regional gravitational field, crustal horizontal deformation and interaction between geologic structure and seismic activity based on 2014-2018 mobile gravity measurements and 2015-2017 GPS observation data in the northwestern Guangxi. The results show that:1)On July 15, 2017, a M_S4.0 earthquake in Nandan happened near the center of four quadrants of changes of gravity difference, and the center of abnormal area is located at the intersection of the Mulun-Donglang-Luolou Fault, the Hechi-Nandan Fault and the Hechi-Yizhou Fault. The dynamic graph of differential scale gravitational field reflects the gravity changes at the epicenter before and after the Nandan earthquake, which is a process of system evolution of "local gravity anomaly to abnormal four-quadrant distribution features → to earthquake occurring at the turning point of gravity gradient zone and the zero line to backward recovery variation after earthquake". Meanwhile, according to the interpretation of focal mechanism of the Nandan earthquake, seismogram and analysis of seismic survey results, the paper thinks that the four-quadrant distribution of positive and negative gravity, which is consistent with the effect of strike-slip type seismogenic fault before Nandan earthquake, demonstrates the existence of dextral strike-slip faulting; 2)The pattern of spatial distribution of gravitational field change in northwestern Guangxi is closely related to active fault. The isoline of cumulative gravity generally distributes along Nandan-Hechi Fault and Hechi-Yizhou Fault. The gravity on both sides of the fault zone is different greatly, and gradient zone has influences on a broad area; the spatial distribution of deformation field is generally featured by horizontal nonuniformity. Tian'e-Nandan-Huanjiang area is located at the high gradient zone of gravity changes and the horizontal deformation surface compressional transition zone, as well as near the intersection of Hechi-Yizhou Fault, Hechi-Nandan Fault and Du'an-Mashan Fault; 3)The geometric shape of gravitational field in northwestern Guangxi corresponds to the spatial distribution of horizontal crustal movement, which proves the exchange and dynamic action of material and energy in the region that cause the change and structural deformation of fault materials and the corresponding gravity change on earth's surface. The recent analysis of abnormal crustal deformation in northwestern Guangxi shows that Tian'e-Nandan-Huanjiang is a gradient zone of abnormal gravity change and also a horizontal deformation surface compressional transition zone. It locates at the section of significant change of Moho isobaths, the seismicity gap formed by M_L3.0 earthquakes and the abnormal low b-value zone. According to comprehensive analysis, the region has the risk of moderately strong earthquake.     

日本MW9.0地震震区及其周缘2002—2015年卫星重力变化时空特征

本文在考虑全球陆面数据同化系统陆地水储量变化影响后,利用2002年4月—2015年4月GRACE卫星RL05月重力场模型获取了2011年日本M_W9.0地震震中及其周边区域的重力场信息;然后给出了日本及其周边2003—2015年的年度累积重力变化和差分重力变化,并且利用经验正态函数方法深入分析了该地震过程中同震重力变化对区域重力场的贡献. 结果显示:日本M_W9.0地震前研究区域出现了幅值高达2×10-8 m/s2的异常重力变化,其同震效应的时间和空间特征均出现在第一模态,且同震重力变化和震后区域重力场变化特征显著,这充分表明该地震对区域重力场的影响显著.      

川滇地区陆地流动重力测网场源分辨能力评估

陆地重力测量是研究地球内部物质运移和质量变化的重要手段, 场源分辨能力是评估流动重力测网监测效能和由场及源应用研究的关键指标。 本文以构造运动和地震活动活跃的川滇地区为例, 在设定场源异常体参数下, 通过Tesseroid网格模型建立不同分辨率的重力异常扰动模型检测板, 并基于川滇地区陆地流动重力测网测点分布, 对比反距离加权法、 Krigng插值法和最小二乘配置法对模型异常检测场的恢复效果。 在此基础上, 基于不同分辨率的模型检测板和模型抗噪分析结果, 研究川滇地区陆地流动重力测网的空间分辨率和场源反演分辨能力, 进而评估该地区重力测网的场源分辨能力, 并对该地区2014至2017年测网实测数据开展应用研究。 结果表明, 最小二乘配置法对川滇地区重力场恢复效果最佳, 川滇地区陆地流动重力测网大部分地区的空间分辨率优于0.75°×0.75°, 部分地区可达0.25°×0.25°; 在Ⅰ级活动地块边界带为0.50°×0.50°, 在Ⅱ级活动地块边界带优于0.75°×0.75°; 进一步根据活动地块边界和重力测点分布, 对川滇地区分区开展陆地流动测网场源分辨能力评估。     

广东地区重力场演化特征及其与地震的关系

通过对广东地区1988－1999年流动重力资料的重新整理计算，对粤东，粤西和珠江三角洲地区重力场演变趋势做了分析研究，探讨其与华南沿海地区地震活动的关系，并提出了广东地区重力场时，空，强变化的地震前兆信息，为该地区提供震前重力场异常判别依据。     

华北地区重力场变化特征与孕震模型研究

本文采用基于贝叶斯原理的重力平差方法对华北地区2009—2017年的16期陆地流动重力观测资料进行了统一处理,结合研究区内2009年以来4次M≥4.5 地震活动,分析区域重力场动态演化特征。基于华北地区均衡重力异常、布格重力异常、沉积层重力异常和莫霍面重力异常,研究华北地区三维密度结构特征,分析区域重力场变化与深部密度结构之间的关系。结果表明:研究区内近年来M≥4.5地震均位于区域差分重力场和累积重力场“零值”等值线附近、异常变化剧烈的梯度带及梯度带转弯部位,以及深部结构中理论均衡厚度与实际地壳厚度存在差异的非均衡区和三维密度结构的高低密度过渡带内。      

中国大陆及其周边地区应力场特征

本文收集了1976—2018年发生在中国大陆及其周边地区(15°~55°N, 65°~125°E)的4303个地震震源机制解, 分析了该区震源机制解和P、 T轴空间分布特征, 并使用这些震源机制解, 反演得到了中国大陆及周边地区二维构造应力场分布。 应力场反演结果表明, 云南大部、 青藏高原大部以及华北华南大部以走滑型应力性质为主, 印度洋板块与欧亚板块的强烈碰撞控制着中国西部地区, 大量的逆断型地震集中分布在青藏高原周缘和西域活动地块的天山地区。 青藏高原内部也存在正断型地震, 且应力场方向在26°N发生了很大的变化。 位于青藏高原东构造线以南的滇缅活动块体, 最大主压应力σ₁方向在大致100°E发生突变, 由以西的NNE方向偏转到NNW方向。 中国东部的东北块体到华北块体再到华南块体, 最大主压应力方向有一个从NE向逐渐转变成EW向再变化到NW向的旋转趋势。 应力场总体结果表明, 中国东部应力场主要受到太平洋板块和菲律宾板块对欧亚大陆俯冲的作用, 中国西部主要受印度板块向北碰撞欧亚大陆的影响, 块体内部相互作用、 块体与断裂带相互作用也对应力场变化产生影响。     

鄂尔多斯南缘地区重力变化场源特征

以鄂尔多斯南缘地区布格重力异常数据及2014—2017年相对重力观测数据为基础,采用欧拉反褶积方法,对引起重力变化的场源深度进行反演,并对空间分布规律予以解释。通过构建理论模型,反演得到最优模型参数,并对实际数据进行计算和分析。为了减弱和消除欧拉解的发散性,利用水平梯度滤波法优化反演结果。结果表明:①构造指数为1时,适合对相对重力数据进行反演,当滑动窗口选择4—8倍测点间距时,可以获得较为可靠的场源参数;②在主要断裂附近,不同时间尺度的场源呈较好的一致性特征;③引起重力变化的场源深度集中在10—30 km,与鄂尔多斯南缘地区的震源深度基本一致;④不同时间尺度的场源位置相对分散,表明引起重力变化的物质流动具有随机性和波动性。     

大震前区域地震活动应变场的时空异常特征

本文基于自然正交函数展开方法, 以地震应变为变量, 计算1980年以来中国大陆7级以上大震前的地震应变, 提取出大震前区域地震活动应变场的时空异常。 结果表明大震前时间因子在平稳背景上会出现突跳上升或突跳下降异常变化。 一般情况下, 前4个应变场中至少有3个出现异常变化, 异常分布具有多分量特点, 出现的最早时间大约在震前3年, 少数出现在震前1~6个月。 对比应变场时间因子异常与研究区域每个网格单元(0.5°×0.5°)内的地震能量时间因子异常形态的相似性、 时间的一致性, 找出地震应变场空间异常位置。 结果表明, 多数大震前的空间异常分布在主震震中周围; 少数大震的空间异常远离主震震中。 产生这种现象的原因是大震前与主震不同距离的单元网格内发生中短期或者临震的震群、 显著地震等地震活动性异常。     

2016年青海门源MS6.4地震前重力变化

利用青藏高原东北缘2011-2015年期间的流动重力观测资料,系统分析了区域重力场变化及其与2016年1月21日青海门源M_S6.4地震发生的关系,结合GNSS、水准观测成果和区域地质构造动力环境,进一步研究了区域重力场变化的时空分布特征及其机理.结果表明：（1）测区内重力场异常变化与祁连山断裂带在空间上关系密切,反映沿祁连山断裂带（段）在2011-2015年期间发生了引起地表重力变化效应的构造活动或变形.（2）门源M_S6.4地震前,测区内先出现了较大空间范围的区域性重力异常,到临近发震前显示出相对闭锁的现象,且围绕震中区周围出现四象限分布特征的局部重力变化,地震发生在重力反向变化过程中,并出现显著的四象限分布特征的重力异常变化,其中,青海门源与甘肃天祝一带重力差异变化达100×10^-8m·s^-2以上.（3）区域重力场动态演化大体反映了青藏高原东北缘物质北东流的动态效应,门源震中附近区域地壳受挤压变形显著、面压缩率和重力剧烈变化的特征最为显著.（4）重力场的空间分布及其随时间变化与地壳垂直与水平运动及地质构造活动等观测结果有一定的对应关系,强震易发生在重力变化四象限分布中心地带或正、负异常区过渡的高梯度带上.