基于Monte Carlo方法的由GPS观测计算地应变率的误差分析

在利用GPS观测计算地应变率中，应变率的误差分布在地球动力学研究中非常重要. 为解决这一问题，文中提出基于Monte Carlo技术，利用GPS观测的速度计算地应变率进行误差分析的方法；以青藏高原地区为例，利用带有误差的GPS观测数据进行了大量、独立的应变率重复计算，然后运用统计方法给出了应变率分量及其误差的分布. 结果显示青藏高原的喜马拉雅及中东部地区地应变率的东西向、南北向及剪应变率分量的误差相对较大，但整个青藏高原及附近地区应变率结果稳定可靠；研究结果进一步表明，由GPS观测计算应变率的误差主要决定于GPS观测速度的误差， 在变形小的区域（如中国东部地区），目前GPS的观测精度还不能完全满足地应变率计算的要求.     

利用GPS观测结果研究地壳运动分布动态及其与强震关系

本文简要论述了应用最小二乘配置原理、利用GPS观测资料,建立基于不同参考基准和不同运动学与几何变形含义的地壳运动模型及不同空间分辨率应变场的方法。同时,结合中国地壳运动观测网络区域网和有关GPS连续站观测资料的处理与分析,从GPS观测能够直接获取地壳相对运动和反映研究区域几何变形时空分布状态,讨论了关于地壳运动动态与强震关系的问题。     

三维数值流形方法研究及其在地学中的初步应用

伴随地震孕育、发生与震后调整过程的应力、应变问题在地震研究中占有重要地位.以GPS为代表的空间观测技术为大尺度地壳运动监测提供了高效、稳定、精确的测量结果,并为研究上述应力、应变问题提供了有效数据约束.GPS速度场和应变率场结果既可用于变形分析,又可作为数值模拟的有效约束和检验.为了获取研究区域可靠的应变率场结果,有必要开展GPS应变率场计算方法的对比研究.另一方面,由于在整个地震过程中应力、应变存在动态演化现象,因此需要研究适合于动态资料约束、大变形模拟、连续与非连续变形耦合的三维数值流形方法.基于上述分析,本文包括如下3个方面研究内容.     

形变综合观测对地表构造变形的定量分析

文中应用GPS、断层观测速率分析断裂带变形的方法,定量计算断裂带两侧单元的滑动和应变率,同时其点位分布、断层约束、时间尺度归化对计算结果的影响等问题进行了对比研究.利用1999-2001年、2001-2004年、2004-2007年GPS区域网速度场资料以及同期跨断层观测资料对鲜水河断裂带的滑动率、应变率进行试算,结果显示1999-2001年、2004-2007年鲜水河断裂南段出现应变率增大和应变轴转向.     

基于地壳运动与变形对汶川大地震的初步研究

利用中国地壳运动观测网络GPS资料,并结合断层形变及区域水准等观测资料,从不同时空尺度的地壳运动与变形角度对汶川大地震进行了初步研究。主要内容包括发生汶川大地震的龙门山断裂带的应变积累与构造动力背景分析,震前地壳运动、应变场和构造变形的动态过程分析,以及问题讨论与认识。主要研究结果如下：     

汶川地震前兆观测总结研究及观测技术创新基于地壳运动与变形对汶川大地震的初步研究

利用中国地壳运动观测网络GPS资料,并结合断层形变及区域水准等观测资料,从不同时空尺度的地壳运动与变形角度对汶川大地震进行了初步研究.主要内容包括发生汶川大地震的龙门山断裂带的应变积累与构造动力背景分析,震前地壳运动、应变场和构造变形的动态过程分析,以及问题讨论与认识.主要研究结果如下.     

弹性板块运动模型研究进展

传统板块构造理论认为板块是一个刚体，实际上板块是可变形的.板块内部几年到几十年时间尺度的变形主要是弹性变形,因此应当用弹性模型描述板块运动.推导了板块的弹性运动方程，由空间大地测量新的观测成果建立了菲律宾海、太平洋和澳大利亚板块的弹性运动模型.发现三个板块内部都存在明显的水平形变.板内应变场的空间变化有明显的规律：板块边界附近的应变率最大，从边界向内部逐渐减小；在板块扩散边界附近，主张应变率大于主压应变率，主张应变轴基本上与边界的扩张方向一致；在俯冲边界附近，主压应变率大于主张应变率，主压应变轴基本上与板块的俯冲方向一致；在走滑兼有俯冲性质的边界附近，最大剪应变的方向与边界断裂的走向基本一致.由GPS观测得到的主压应变轴与由震源机制解得到的主压应力轴方向具有很好的一致性.板内的应力－应变场基本上遵循广义胡克定律.     

昌平台钻孔应变观测资料的可靠性研究

将钻孔应变观测(BSM)和卫星全球定位系统(GPS)观测结合起来，能基本覆盖地壳形变的时间和空间波段。钻孔应变仪是揭示中短期(从数秒到数月)连续变形的仪器，因而在对地震爆发之时和之前现象的观测中，将扮演主要角色。     

利用GPS研究当前鄂尔多斯地块周缘地壳变形状态

利用陆态网络GPS基准站资料,计算鄂尔多斯地块周缘24条GPS基线时间序列,并基于均匀应变模型获得3个变形显著区域的6类应变参数时间序列,结果表明:1陆态网络基准站观测数据质量较高,能够在一定程度上反映鄂尔多斯周缘的地壳微动态变化特征;2利用GPS连续观测资料获得的区域应变状态与地质研究给出的区域构造应力状态一致性较好;3 2011年以来,鄂尔多斯东北缘的晋冀蒙交界区域呈现一种压应力作用下的右旋剪切状态,鄂尔多斯西北缘处于右旋剪切应变状态,与2015年4月该区域发生的阿拉善M 5.8地震的震源机制较为一致。     

中国大陆活动地块与强震活动关系

研究了中国大陆各Ⅰ级活动地块区强震活动特点, 包括强震活动的总体水平、地震应变能释放速率、震级频度关系、震源破裂特性和地震应力场特征等, 以及由GPS资料给出的各活动地块运动变形特征, 如各地块运动的速度、地块变形的应变速率、最大主压应变方向、地块运动变形中的张、压状态等. 在此基础上, 对中国陆区Ⅰ级活动地块区的强震活动特点和地壳运动变形性状进行对比研究, 给出各活动地块的构造动力环境及其运动变形的性状决定其地震活动的总体状况, 包括: 活动地块现今地壳运动变形的应变速率与地震应变能释放呈线性相关; 由震源机制给出的各活动地块的地震应力场与由GPS观测给出的现今地壳运动应变(应力)场的同一性, 以及震源破裂类型与地壳形变张、压状态的一致性等. 这些结果显示了中国大陆活动地块及其运动性状对强震孕育发生的控制作用.     

北斗导航定位系统（BDS）下地壳运动监测精度分析

为分析北斗导航定位系统（BDS）在地壳运动监测领域的数据精度,选取中国大陆构造环境监测网络（陆态网络）2018—2019年川滇地区GPS、BDS多系统观测站点数据,分别对GPS、BDS记录的数据进行解算,从三维坐标解、位置时间序列及速度场等方面,对比分析二者在地壳运动监测中的不同,综合分析BDS对地壳运动监测精度。结果表明,BDS定位精度达到cm级,但仍低于GPS精度,BDS、GPS速度场模型运动方位和速度值有所不同,垂向差异较为明显。总体来看,北斗系统数据满足高精度定位解算要求,可用于监测形变量较大的区域地壳运动。     

GPS技术监测地壳运动的新进展

回顾了GPS观测技术应用于地壳运动与形变中的相关理论与方法,重点介绍了水平应变的计算方法与描述地壳运动与形变场的各种数学物理方法,讨论了提取地壳运动与形变信息过程中存在的问题.     

Establishment of the GPS Crustal Deformation Monitoring Network in North China

The Global Positioning System (GPS) is a new method to monitor the crustal deformation for earthquake prediction.Now a four-dimensional crustal deformation monitoring network applying GPS techniques has been established in North China,which is an important seismic monitoring area.Results with high precision have been achieved in the first measurement since a series of advanced methods and measures were adopted,and thus a good foundation has been laid for future researches on earthquake prediction and geodynamics.     

滇西地区GPS时间序列中陆地水载荷形变干扰的GRACE分辨与剔除

利用“中国大陆构造环境监测网络”在云南西部地区的13个连续GPS观测站和法国空间大地测量研究组Space Geodesy Research Group）的GRACE时变重力场资料,定量分析了该区域陆地水载荷所产生的非构造形变的量值和变化特点,探讨了利用GRACE分辨和剔除GPS观测中陆地水负荷所引起的非构造形变干扰的依据和模型.结果表明：滇西地区GPS坐标变化时间序列的垂向分量中,普遍包含有明显的年周期非构造形变波动,高值可达12mm,其中约42%源于陆地水迁徙变化所引起的负荷形变;通过主成份分析方法所获取的区域GPS共模误差与GRACE陆地水载荷形变序列的相关性高达0.87,若以GRACE扣除陆地水负荷形变,则滇西地区GPS网共模误差可消除约64%,且物理机制明确.然而,由于目前的GRACE只能有效分辨大约400km范围内陆地水载荷的整体变化,所以对于各GPS站点更加局部化的陆地水负荷非构造形变干扰,尚无法进行有效分辨.     

非构造形变对GPS连续站位置时间序列的影响和修正

GPS观测得到的地壳形变场通常包含有构造形变与非构造形变二类信息, 去除其中的非构造形变信息对于有效运用GPS数据研究构造形变场至关重要. 本文运用国际卫星对地观测资料及各类地球物理模型, 定量计算海潮、大气、积雪和土壤水、海洋非潮汐4项负荷效应造成的地壳非构造形变, 并以此研究和修正这些非构造形变对中国地壳运动观测网络GPS基准站位置时间序列的影响. 研究发现此4项负荷效应, 特别是大气、积雪和土壤水, 对于测站垂向位置的影响显著. 通过模型改正可以使测站垂向位置的RMS降低～1 mm, 占其总量的～11％. 对于垂向时间序列的周年项部分, 这一改正可降低其振幅的37％. 研究还表明经过地球物理模型改正和周年、半周年谐波拟合改正的时间序列比起仅经过周年、半周年谐波拟合改正的时间序列更为平滑, 表明地球物理模型改正对于消除非构造形变场的作用不是周年、半周年谐波拟合改正所能替代的.     

华北GPS地形变监测网的建立

全球定位系统GPS是利用监测地壳运动进行地震预测的新手段。华北是一个重要的地震监视区。应用GPS技术在华北布设了一个四维地形变监测网。由于采取了一系列先进的方法和措施,首次观测获得了高精度的成果,为今后大震预测和地球动力学的研究奠定了基础。     

跨断层的定点地壳形变研究及发展前景

新世纪内,在空间测地技术发展的同时,在现代地壳形变的监测和研究工作中,传统的大地测量方法仍具有不可替代的作用。全自动激光测量方法（ＥＤＭ）将是常规的跨断层定点的壳形变监测技术主要的发展方向。日本学者在２０世纪９０年代前后发展起来的中距离ＥＤＭ观测台获得了良好的成果。台湾花莲跨花东断层的ＥＤＭ观测台揭示了９．２１大地震有明显的中期和短临前兆,实践证明,这种方法不仅在成果质量和观测精度上可以和ＧＰＳ相     

新疆帕米尔东北侧地区现今地壳运动的GPS监测研究

通过加密帕米尔东北侧地区的GPS监测网并进行复测,结合周边地区的IGS站数据,计算得到了该地区40多个GPS点位运动速率,由此得到了该地区的现今地壳形变速率图及GPS基准站的时间序列。结果表明：各GPS站主要运动方向为北北西,基本上与天山褶皱带走向正交,即形成对天山的正向挤压。伽师附近及其西南区的运动形态与周邻测站有所不同,表明伽师地区的构造变形与近几年地震活动有某种关联。环塔里木盆地周边点在各区内的速率变化较小,方向也基本一致,说明塔里木盆地内部变形较小或基本不变形。     

中国大陆壳幔运动耦合作用分析

板块运动是地壳和上地幔变形的主要动力来源之一。因为只有地壳变形能被直接观测到,所以将上地壳变形场与下地壳和上地幔变形场比较是研究壳幔运动耦合作用的主要方法之一。利用中国大陆GPS观测结果,结合第四纪活动断层和由20世纪以来发生的地震资料反演获得的地球表层的水平应变率场,并将相关结果与Pn波各向异性及剪切波分裂的快波方向相比较,探讨中国大陆壳幔运动耦合作用。结果发现,总体来看活动性强的构造单元,其深部上地幔塑性剪切带的展布与上地壳脆性剪切带的方位有较大的差异;反之,活动性弱的构造单元,差异较小。活动构造单元其上地壳与下地壳—上地幔之间构造变形活动差异较大的原因,可能是在这个部位上、下地壳之间构造活动有一定程度的解耦,使下地壳以上部分的活动与其下“大地幔流”的运动趋势发生差异,从而产生构造应变能积累