时变重力场球面模型反演算法和模拟实验

时变重力场是研究地球内部介质物性变化的重要手段。本文提出了一种适用于地面流动重力测量获得的时变重力信号的场源反演方法,该方法采用球坐标系下的六面体单元来模拟场源介质,适合大尺度地震流动重力测量数据的等效源模型构建。通过引入重力时变信号的一阶光滑先验条件,压制了时变重力信号中的短周期高频分量,可用于提取与地震孕育相关的长周期信号。通过理论和模型实验证明了本文算法的可靠性和稳定性,并使用南北地震带南段2014—2017年的流动重力实测数据进行了反演解释,获得了地壳内部等效场源的视密度时变信号,变化量级在正常地壳密度的±0.7‰之间,其空间形态受川滇菱形块体边界控制。研究成果可用于时变重力场模型解释和深部场源特征提取,可为地震重力前兆信号分析和相关研究提供完备的方法保障。     

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.     

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,...     

新疆南天山地区重力场动态变化特征研究

利用南天山地区2010~2013年间的10期流动重力观测资料,以相邻两期流动重力值作为单元,计算出监测区重力场变化量,分析了该地区重力场时空变化特征,探讨了地震孕育和发生与重力场变化的关系。结果表明:区域重力场总的变化趋势具有以巴楚、麦盖提为界西边重力场增强,东边重力场减弱的特征,区域内重力变化极值区多出现在南天山与西昆仑交汇区,重力场变化梯度也较大,塔里木盆地重力场变化梯度较小,比较稳定。     

河北省张北6.2级地震前的重力异常

绘制了重力测值的时变曲线和空间等值线,从动态的角度分析了1998年1月张北6．2级地震前的流动重力异常的演化及特征。结果显示,地震前的重力场呈下降变化,震中位于异常中心附近的重力变化高梯度区。     

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.     

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.     

福建重力场演变特征与仙游M_L 5.2级地震研究

对福建地区2008—2017年的流动重力复测资料进行系统整理和分析,从重力场时空变化角度分析了福建地区重力场演变特征,并重点研究了2013年仙游M_L 5.2级地震前区域重力场累积变化和震中附近测点重力点值时序变化,探讨了重力场变化与地震的关系。研究发现:福建地区重力场变化显著,且呈现逐渐增强态势;仙游地震发生前,沙县—南日岛断裂两侧重力正、负高值异常变化,震中附近测点重力值存在转折异常。     

2013年四川芦山Ms7.0地震前的重力变化

利用川西地区2010-2012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2013年4月20日四川芦山7.0级地震发生的关系.结果主要表明:①区域重力场异常变化与北东向龙门山断裂带南段和北北西向马尔康断裂带在空间上关系密切,反映沿该两断裂带(段)在2010-2012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芦山7.0级地震前,测区内出现了较大空间范围的区域性重力异常,而震源区附近产生了局部重力异常,沿龙门山断裂带南段形成了重力变化高梯度带,其中,宝兴、天全、康定、泸定、石棉一带重力差异变化达100×10^-8m·s^-2以上;这些可能反映芦山地震前,区域及震源区附近均产生与该地震孕育、发生有关的构造运动或应力增强作用.③重力场差分动态演化图像和重力场累积变化动态图像均反映芦山7.0级地震孕育过程的最后2~3年出现较显著的流动重力异常变化,可视为该地震的中期前兆信息;本文第一作者等也曾基于该流动重力异常变化在芦山7.0级地震前做过一定程度的中期预测,尤其是地点预测.本文的例子再次证明流动重力观测能较好地捕捉到强震孕育发生过程中,特别是该过程最后阶段的重力异常变化信息.因此,区域流动重力场观测对未来强震的中-长期预测,尤其是在发震地点的判定上具有优势.     

2013年甘肃岷县漳县6.6级地震前后重力场动态变化

利用青藏高原东北缘2011-2013年期间的流动重力观测资料,系统分析了区域重力场动态变化及其与2013年7月22 H岷县漳县6.6级地震发生的关系.结果表明:1)测区内重力场异常变化与主要断裂带在空间上关系密切,反映沿主要断裂带(段)在2011-2013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)岷县漳县6.6级地震前,测区内先出现了较大空间范围的区域性重力异常,后在震源区附近产生了局部重力异常及重力变化高梯度带,其中,甘肃临夏与岷县一带重力差异变化达150×10 8ms-2以上;这些可能反映岷县漳县地震前,区域及震源区附近均产生与该地震孕育、发生有关的构造运动或应力增强作用.3)重力场1a尺度动态变化图像和差分动态演化图像均反映岷县漳县6.6级地震孕育过程的最后2a出现较显著的流动重力异常变化,地震发生在NE向重力变化高梯度带上、重力变化零值线附近和等值线的拐弯部位.4)基于流动重力异常变化在岷县漳县6.6级地震前做过一定程度的中期预测,尤其是地点判定.     

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.     

一种基于地震噪声等级的陆地重力观测资料评价方法

本文选取GS-15型、gPhone型、PET型和CG-5型等4种陆地重力观测常用的相对重力仪,对比这几种仪器在不同背景观测环境下和不同测评时长的地震噪声等级计算结果。综合分析结果显示:金属弹簧（gPhone型、GS-15型、PET型）与石英弹簧型（CG-5型）重力仪对环境噪声的敏感性存在一定差异,但取测评时长中最平静5天和最平静1天数据所计算的地震噪声等级结果相近。因此,对于流动重力观测点,可以取最平静1天的数据来评价观测点的环境噪声水平和观测精度,可为流动重力测点选址提供方法支撑。      

Groundwater Storage Changes: Present Status from GRACE Observations

Satellite gravity measurements from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) provide quantitative measurement of terrestrial water storage (TWS) changes with unprecedented accuracy. Combining GRACE-observed TWS changes and independent estimates of water change in soil and snow and surface reservoirs offers a means for estimating groundwater storage change. Since its launch in March 2002, GRACE time-variable gravity data have been successfully used to quantify long-term groundwater storage changes in different regions over the world, including northwest India, the High Plains Aquifer and the Central Valley in the USA, the North China Plain, Middle East, and southern Murray–Darling Basin in Australia, where groundwater storage has been significantly depleted in recent years (or decades). It is difficult to rely on in situ groundwater measurements for accurate quantification of large, regional-scale groundwater storage changes, especially at long timescales due to inadequate spatial and temporal coverage of in situ data and uncertainties in storage coefficients. The now nearly 13 years of GRACE gravity data provide a successful and unique complementary tool for monitoring and measuring groundwater changes on a global and regional basis. Despite the successful applications of GRACE in studying global groundwater storage change, there are still some major challenges limiting the application and interpretation of GRACE data. In this paper, we present an overview of GRACE applications in groundwater studies and discuss if and how the main challenges to using GRACE data can be addressed.     

Adaptation of the torus and Rosborough approach to radial base functions

The most common approach for the processing of data of gravity field satellite missions is the so-called time-wise approach. In this approach satellite data are considered as a time series and processed by a standard least-squares approach. This approach has a very strong flexibility but it is computationally very demanding. To improve the computational efficiency and numerical stability, the so-called torus and Rosborough approaches have been developed. So far, these approaches have been applied only for global gravity field determinations, based on spherical harmonics as basis functions. For regional applications basis functions with a local support are superior to spherical harmonics, because they provide the same approximation quality with much less parameters. So far, torus and Rosborough approach have been developed for spherical harmonics only. Therefore, the paper aims at the development and testing of the torus and Rosborough approach for regional gravity field improvements, based on radial basis functions as basis functions. The developed regional Rosborough approach is tested against a changing gravity field produced by simulated ice-mass changes over Greenland. With only 350 parameters a recovery of the simulated mass changes with a relative accuracy of 5% is possible.     

大同地区几次中强震前后的重力变化

本文对华北北环重力重复测量资料进行了分析研究，探讨了排除浅层干扰因素，提取与地震相关的重力变化的途径。以大同地震为例，详细分析了地震前后重力场变化，结果表明，其变化是明显的，远远超过了各项误差。     

反演地表质量变化的附有空间约束的三维加速度点质量模型法

重力卫星可以在相同误差尺度下对全球质量变化进行连续重复观测,并在近十余年来取得了巨大成功,探索重力卫星数据精化处理方法和相关应用研究具有重要意义.本文基于三维加速度点质量模型法的基本原理,进一步发展建立了时变重力场模型球谐位系数的变化和地面点质量变化的关系,可有效考虑地表质量变化导致的负荷形变的影响;引入等权形式、线性形式、指数形式和高斯形式的空间约束方法处理南北条带噪声和向下延拓导致的病态问题,并与零阶Tikhonov正则化方法进行对比分析.采用模拟数据和一个月的实测GRACE时变重力场模型计算全球质量变化,对三维加速度点质量模型法和几种空间约束方法进行对比分析验证.计算结果表明,对于3°等面积的全球格网质量点,高斯和指数形式空间约束方法的最优相关距离约为500km,等权和线性形式空间约束方法的最优相关距离约为600km,各方法均可有效处理条带噪声的影响,四种空间约束方法的计算效果优于零阶Tikhonov正则化方法,本文的相关方法为进一步利用三维加速度点质量模型法监测全球质量变化提供了借鉴.     

基于GRACE RL05数据研究智利地震长期震后重力变化特征

利用GRACE卫星重力可对地震引起的大范围重力变化进行观测,并从重力数据中发现主要的变化特征.发生于2010年的MW8.8智利地震震级较高,可观测到震中附近广泛的同震和震后长期重力变化.本文基于GRACERL05Level-2时变重力场数据,对2010年智利地震的同震和震后长期变化进行了计算.对同震变化的计算发现,智利地震引起的同震变化极值达-5μGal,而本文为减小水文信号的干扰而采用的3年平均的方法可以获得良好的效果.在对震后重力变化的计算中发现,智利地震震后在2011-2016年间的重力变化存在先增大后逐渐衰减的过程.对震后变化的拟合表明,智利地震震中附近有约1μGal的震后重力变化,震后变化的特征时间约1.1年.同时,在智利地震中未出现较明显的两个震后变化阶段(短期、长期).     

川滇地区重力场动态变化及其强震危险含义

基于川滇地区2011—2014年的重力复测资料,系统分析了区域重力场时-空动态变化及其与2012年云南彝良MS5.7、2013年四川芦山MS7.0、2014年云南鲁甸MS6.5和四川康定MS6.3地震发生的关系.结合GPS、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,讨论了近期区域重力场动态变化的强震危险含义.结果表明:1重力变化与川滇地区断裂构造活动存在密切空间联系,重力变化较好地反映了伴随活动断层的物质迁移和构造变形引起的地表重力变化效应.2重力资料对测区内2012年以来发生的4次MS5.7以上强震均有较好反映,地震前震中区及其附近观测到明显的区域性重力异常及重力变化高梯度带,可能是地震孕育过程中观测到的重力前兆信息.3区域重力场动态演化大体反映了青藏高原物质东流的动态效应,龙门山断裂带地壳受挤压隆起、面压缩率和重力上升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,研究区的一些重力异常部位仍存在中-长期大震危险背景.     

Long-term and seasonal gravity changes at the Strasbourg station and their relation to crustal deformation and hydrology

The time-varying gravity is observed at the Strasbourg station with super-conducting gravimeters (SG) since 1987, with a first record from 1987 to 1996 (GWR T005) and a second one in continuity from 1996 till now (GWR C026). The long-term behaviour of the SG is constrained by regular absolute gravity (AG) measurements, which are performed in parallel since 1989, first with the JILAg-5 instrument and later on with the FG5#206. Moreover, a permanent GPS station, which belongs to the French geodetic network, has been installed at the end of 1999. We will show that the AG measurements suggest that the gravity is slowly increasing in time at a rate of about 1.6 μGal/year, and besides, exhibits a quasi-annual component of several μGal variable amplitude. We present an analysis of the GPS data obtained at the SG station in the Rhine graben as well as at another regional station in the Vosges mountains distant by about 40 km in order to constrain the gravity contribution due to the vertical displacement of the station in the earth's gravity field (geometrical part). The tectonic context of the region is described and our first results from our two data sets of limited duration suggest a small subsidence of our station in the graben; however, this fact needs further confirmation when more geodetic data will be available. We also analyze the water table changes beneath the station (local scale) and in the Alsatian Plain (regional scale) to estimate the hydrological contributions from ground water to the gravity residual signal, and we show that some similarities exist between the gravity residuals and the hydrological contributions, especially for the seasonal terms. Other missing contributions of annual period (air mass motion in the atmosphere, ocean circulation, continental hydrology) have to be considered.     

应用平滑先验信息方法移除GRACE数据中相关误差

由于GRACE卫星数据解算的时变重力场模型中高阶位系数存在误差,这些误差在重力异常图中表现为南北向的条带噪声,在应用GRACE时变重力场数据时必须进行滤波.本文在空间域引入了一种有效消除GRACE时变重力场条带噪声的平滑先验信息方法,并将其与目前常用的高斯滤波和去相关误差等滤波方法分别应用于合成的质量变化趋势数字模型,检测不同滤波方法消除条带噪声的能力及其对真实信号的影响.滤波结果显示,与目前常用的高斯滤波和去相关误差滤波器相比,本文滤波方法在有效移除条带噪声的同时,具有有效信号幅度衰减小、有效信号形变小以及保存了更多的短波长细节信息等优势;此外,统计结果显示,本文滤波结果在信号最大值、最小值以及残差均方根等方面均与模拟真实信号最为接近.相比300km高斯平滑和组合滤波结果,有效信号振幅的极小值和极大值分别提高了约18%和6%,残差均方根分别降低了25%和33%.说明本文滤波方法移除GRACE相关误差的同时,在保留有效信号方面具有明显的优势.