基于实测重力异常和地形数据确定重力梯度的研究

本文利用澳大利亚北领地West Arnhem Land 地区实测重力异常数据并联合DEM(9")和SRTM3(3")地形高程数据,使用移去-恢复技术和Stokes积分方法计算了该地区两条剖面的重力梯度及其功率谱密度,使用FFT方法解算了整个地区的重力梯度值,结果证明了联合重力异常数据和高分辨率地形高程数据能有效地提高重力梯度的解算精度;功率谱密度的计算结果与国外成熟的重力梯度功率谱密度模型相吻合,表明高于0.3 Hz频率范围的功率谱密度可看做噪声,为重力梯度数据处理中噪声的辨别和剔除提供了借鉴,另外对重力梯度辅助导航基准图的构建以及重力梯度测量系统的标定提供了有益的探索.     

龙门山断裂系及邻区地壳重力均衡效应与汶川地震

龙门山断裂系位于松潘-甘孜山地与成都盆地平原之间,地形高差达3500±500 m.根据重力资料给出四川中西部成都盆地、龙门山、邛崃山区、松潘等川西山地(102°E～105°E,30°N～33°N)的地壳厚度(Moho界面深度)分布.为了探究汶川大地震孕育与发生的原因,将其与据艾里(Airy)大陆均衡理论给出的理论均衡地壳厚度进行对比分析,以探讨该地区的地壳均衡状态.研究结果表明:龙门山断裂带系及以西地区深部地壳是处于很不均衡的状态.为了深化认识重力均衡与大地震的相关性,尚需对该地区深部结构与地壳重力均衡效应作精细研究.同时,本文上述研究结果亦有益于震后确定城镇布局和为不同类型建筑物重建选址方面提供深部要素.     

多源布格重力异常数据贝叶斯融合算法及其在川滇地区的应用

布格重力异常数据是研究地壳结构和变形的重要依据,由于观测手段、处理方法等存在差异,不同手段获得的布格重力异常可能存在数据噪声水平及起算基准不一致,从而引起多源布格重力异常数据难以有效融合的难题.为此,本文在传统等效源重力数据融合方法的基础上,通过引入贝叶斯参数优化准则,提出了一种新的多源布格重力异常融合算法.随后对川滇地区两条实测重力剖面布格异常和WGM2012模型计算布格异常开展了融合实验,结果表明:新算法不仅能显著降低不同异常中的非相干噪声,而且能将多源异常的系统偏差有效纠正.与已有布格重力异常相比,融合所得布格重力异常特征与川滇地区主要线性构造分布形态具有更好的一致性.本文给出的川滇地区融合布格重力异常同时兼顾了地表实测重力的高精度和卫星重力场全球模型的高分辨率,可为研究川滇地区地壳结构和构造区划提供更加有价值的地球物理基础资料.     

青藏地区的均衡异常计算

重力均衡归算就是依艾里地壳均衡模式调整地壳，经过均衡归算后，使得地球内部均衡补偿面上的压力处处相等，得到一个密度均勻的地壳模型。重力均衡归算的方法一般分三个步骤进行：(1)按空间归算使观测点归算到大地水准面上；（2）将海平面以上的地形物质移去，即按地形改正归算；（3)按均衡密度或均衡深度加入均衡改正。     

郯庐断裂带中南段地壳厚度与泊松比研究

郯庐断裂带中南段与西太平洋板块俯冲以及华北克拉通破坏密切相关,研究其深部结构对于了解郯庐断裂带构造演化过程、强震的孕震机制具有重要意义.本文利用密集台阵波形资料,采用接收函数H-κ叠加方法获得郯庐断裂带中南段的地壳厚度和泊松比.结果显示,郯庐断裂带中南段的地壳厚度分布以庐江和新沂为分段点呈现出与地质构造相关的南北向分段特征：南段的断裂带西侧的地壳厚度比东侧厚约5 km,中段的断裂带两侧厚度差异减小至约3 km,而北段则表现为断裂带下方隆起特征.郯庐断裂带沿线的地壳泊松比较高,推测是地幔物质的热侵蚀和化学侵蚀所致.根据艾里地壳均衡理论,南段地壳厚度与地表高程相关,基本符合艾里地壳均衡模型;而中段两侧地表高程基本相同,两侧地壳厚度差异表明不符合艾里地壳均衡模型,可能与断裂带西侧的华北克拉通岩石圈比东侧扬子克拉通岩石圈具有更高密度有关,高密度岩石圈产生向下“拖拽力”导致莫霍面相对理论值偏深;北段的莫霍面也偏深,与中段断裂带西侧情况类似,该区域基本位于华北克拉通块体.在郯城地震破裂范围内,存在莫霍面的不平滑过渡、活动块体的边界带以及断裂的分叉与交汇这三类结构特征.在上述结构特征的区域应力更集中...     

应用多种来源重力异常编制中国海陆及邻区空间重力异常图及重力场解读

本文通过分析陆地实测空间重力异常数据、海洋船载测量空间重力异常数据、卫星测高重力异常,布格重力异常数据、EGM2008地球重力模型数据等多种来源数据的性质和精度,并对相关数据进行对比,研究了编制1:500万中国海陆空间重力异常图的数据使用方案和技术方法.在地形较为平坦、实测数据分布均匀的陆区,使用实测数据,在地形复杂,实测数据稀少以及没有实测数据的陆区或岛屿,利用布格重力异常反推空间异常的方法合成平均空间重力数据,西藏地区的数据对比实验证明合成平均空间重力异常数据是一种有效的数据补充.利用三观测列方差分解法在南海地区对船载测量空间重力数据和美国SS系列及丹麦DNSC08GRA卫星重力数据进行了方差分解计算,结果表明不同来源的卫星测高重力数据具有很大的一致性,数据精度较以往有了很大的提高.海区空间重力数据使用原则是在船载重力测量数据校准下,全面使用卫星测高重力数据进行编图.海陆过渡区的异常处理应以EGM2008地球重力模型重力场为基准参考场,实现海陆异常平缓过渡,无缝连接.对中国海陆空间重力异常场进行了小波变换处理,对空间重力异常场进行了解读,勾画出三横四竖的一级重力梯级带及其所围限的8个一级重力异常区,并划分了二级重力异常区和梯级带,为块体构造学体系中大地构造格架的建立提供了地球物理证据.     

均衡重力异常和地壳表、浅层地质结构

从理论和试验角度论证了利用均衡重力异常研究地壳表、浅层地质结构的可行性,从而指出:所有合理的地壳均衡模型产生的均衡效应几乎是一样的;地壳均衡模型类型和模型参数的变化,仅使均衡改正值在长波长上发生很小变化,而对均衡重力异常的局部异常影响不大;均衡重力异常与地壳表、浅层地质结构具有明显的对应关系。因此,利用均衡重力异常研究地表和地壳浅层地质结构,以选择简单的地壳均衡模型为好。本方法的优点是不受地形格架影响,便于进行广泛对比和定量研究     

航线上重力基准构建的单点延拓方法

本文利用联合低阶重力位模型和地形数据的单点延拓方法将地面重力观测数据延拓到空中,构建了航线上重力基准,实现了两套航空重力观测数据的质量评价,实验结果表明:(1)单点延拓方法完全可以应用于航空重力观测数据的外部精度检核,效果良好,性价比高;(2)相比仅采用重力位模型或地形数据进行单点延拓计算,联合重力位模型和地形数据的延拓计算对航空重力观测数据的评估结果更加可靠;(3)联合低阶重力位模型和地形数据的单点延拓方法计算速度快、效率高.本文研究方法,也可适用于新研航空重力仪的标度因数、零偏等参数的在线标定.     

地形/均衡重力场模型构制及其拟稳分析

重力空白区数据填补的一个主要方法是基于地壳均衡理论进行的,该方法亦用于EGM系列模型的构建中.本文研究了地形数据在构制地形/均衡重力场模型中的应用,分析了补偿深度对Airy位模型和面凝聚位模型的影响,给出二者的最佳补偿深度分别为50 km和40 km.以纯卫星重力模型为参考,后者在前120阶的精度要高于前者,但在121~250阶的精度较低,组合模型精度高于单一模型精度.对地形/均衡地球重力场模型进行了EGM2008拟稳分析,研究了不同分辨率基准的拟稳效果,分析表明：30'分辨率的拟稳基准所得拟稳模型对应的阶方差与参考阶方差曲线直到360阶都有较好的一致性,以EGM2008为基准,其相对累计大地水准面高误差在140阶时为6.83cm,相对累计重力异常误差在220阶时为1.10 mGal.     

东北南部地区地壳均衡状态浅析

均衡状态是评价一个地区现今地壳构造活动性的一个重要标志。本文通过对东北南部地区普拉特—海福特均衡重力异常特征的分析,并通过均衡重力异常与深部地壳测深结果、地形趋势面自由空气重力异常以及与艾理均衡重力异常结果的对比分析,以达到:(1)为研究者提供一些基础资料;(2)通过对比分析,进一步了解东北南部地区及海城震区的均衡状态,以期在海城震区深部地球物理特征的研究方面获得进展。     

基于重力梯度张量数据的欧拉反演在梅山铁矿的应用

随着在石油勘查、矿产勘查、构造研究等地质工作中提出的应用位场异常研究规模相对较小的地质体及其细节的要求不断提高,传统重力方法在精度和分辨率方面已不能满足要求.重力梯度张量作为重力位二次导数,较之重力异常,能够更直观地反映地下密度体的赋存状态,基于重力梯度张量数据的反演能够提高地质体的定量模拟质量.但是由于受国内仪器的发展水平限制,直接获取实测的重力张量数据难度较大,目前对于重力张量数据的获取主要是通过数值计算的方法,把重力异常测量值变换成张量信息.本文是在样条理论的基础上,提出新的重力梯度张量计算方法,利用三次样条插值方法拟合重力异常,进一步地通过积分导数关系求取样条函数系数,实现了由重力异常求取重力梯度张量的数据计算.在此基础上,利用张量数据进行欧拉反演计算,对比常规欧拉反演结果,进一步分析张量欧拉反演精度.球体及水平板状体模型试验结果显示,张量欧拉反演更能有效地完成目标体的反演,其结果更加准确.最后,将张量欧拉反演应用到梅山铁矿区重力实测数据解释中,准确地反演出梅山主矿体的水平投影范围及矿体中心埋深.同时,相比常规欧拉反演,张量欧拉反演在刘家村附近、梅山村南部及黄林库—吴家洼地段显示出有更加收敛的欧拉解,这为梅山地区进一步找矿工作提供了重要的理论支撑.     

一种局部海域扰动重力数据反演海底地形的非线性序列相关方法

在不考虑地壳均衡条件下,从重力场基本理论出发推导了重力异常/扰动与海深信息之间的近似解析关系,其中扰动重力反演海底地形的模型较之重力异常更加简洁.通过对反演模型级数展开式的深入分析表明,在重力数据分辨率数值小于海深分辨率时并不明显收敛,因此在用重力数据反演高分辨率海底地形时应顾及展开级数的高阶项并采取相应处理方法.在大量统计分析基础上,构建了局部海域扰动重力数据反演高分辨率海底地形的非线性序列相关方法,该方法利用少量船测重力/水深测线数据获取非线性相关参数,而后利用卫星测高重力数据按非线性相关函数模型反演海底地形.试验分析表明,2次非线性相关函数反演效果表现较优,对于海底地形平缓海域,1°×1°区域内单条船载测线数据获得的相关参数即可达到2%相对精度.对于海底地形复杂海域,论文方法适用范围应该尽量缩小,30′×30′区域范围基于单条船载测线数据反演的相对精度可优于7%.从论文试验结果分析,海底地形与重力数据之间存在2次非线性相关函数特征,且这种特征在高分辨率情况下仍然适用,利用非线性函数模型并结合稀疏船载测量数据、密集卫星测高重力数据可为局部海域高分辨率海底地形反演提供一种可行的解算方...     

金星的重力场与地壳厚度

利用Megellan号探测器确定的重力场和地形模型资料,进一步分析了金星重力场特征,并利用金星地幔对流模型建立了动力学模型的大地水准面地形比,即动力学模型导纳.然后利用该动力学模型导纳,基于2~40阶大地水准面是由与动力学过程相联系的岩石圈下密度异常产生的假定,在扣除重力场和地形的动力学影响的基础上,利用球面Parker公式反演了金星地壳的厚度.结果显示:金星重力场和地形受到金星地幔动力学过程的强烈影响;金星地壳也对地形产生显著影响;金星地壳厚度变化范围主要集中在28~70 km,Ishtar高原以及Aphrodite高原西部的Ovda和Thetis区域是金星地壳最厚的区域(大于50 km),该区的高地形主要与地壳均衡相关,这与其是古老陆地残留的推测一致.在Beta,Themis,Dione,Eistla,Bell和Lada区域地壳厚度较薄,且与地形无明显相关.特别是在Aphrodite高原东部的Atla和Imdr区域,地壳厚度与周围区域地壳厚度基本一致.这种特征与这些区域的高地形主要是由热柱的动力学过程引起的假定相一致.与包含动力学影响得到的金星地壳厚度相比,扣除动力学影响后得到的金星地壳厚度能更好地反映金星地壳的演化和内部动力学过程.     

利用重力和地形观测反演中国及邻区地壳厚度

尝试了直接利用布格重力数据和地形数据反演计算中国及邻区的地壳厚度的方法. 为减小区域不均衡性和重力反演中的不唯一性的影响，本方法利用地表地形起伏修正传统反演方法中的参考深度，并经过多次的迭代使得反演结果逼近真实值. 在此基础上，绘制了中国及邻区1deg;times;1deg;网格的地壳厚度图，对中国及邻区的布格重力异常和莫霍界面的起伏数据进行了相关性分析， 其相关性系数为-0.993. 其地形起伏与莫霍界面的起伏之间也呈现出了海、陆不同的线性相关，其相关系数分别为0.96和0.91. 相关性计算结果显示，重力数据揭示的大陆和海洋的交界大致为水下800 m. 为了探讨地球曲率对该算法可能的影响， 还分别计算了分区反演以及整体区域反演两种模式，研究发现两者得到的地壳厚度偏差在5km以内，并分析了可能产生偏差的原因. 比较本文结果与地震测深及其它研究结果表明，独立使用布格重力异常和地形数据，能较为可靠地反演出中国及邻区地壳厚度.      

华北断块区均衡重力异常、构造特征及地震活动

均衡重力异常是地壳均衡状态的标志,地壳均衡状态与构造特征及地震活动密切相关。文中基于高阶地球重力场模型EGM2008自由空气异常,采用高精度数字地形模型(DEM)ASTER GDEM 2009和ETOPO1分别作为陆地和海底地形数据,通过基于DEM的严密地形-均衡改正方法计算得到华北断块区5'×5'网格分辨率的Airy均衡重力异常。根据计算结果讨论了华北断块区均衡重力异常分布特征,并探讨了区内均衡重力异常与构造特征、地震活动的关系。结果表明,华北断块区均衡重力异常空间分布极不均匀,表现出明显的断块差异性;区内均衡重力异常大小主要受新构造运动控制,是地壳表层物质密度横向变化和深部构造差异共同作用的结果,构造运动对均衡重力异常的显著影响说明华北断块区地壳均衡调整尚未完成;华北断块区地震活动和均衡重力异常之间有一定的联系,地震活动在显著的均衡重力异常高值区或低值区周围及正负均衡重力异常区过渡部位分布较为集中。     

EGM2008地球重力模型数据在中国大陆地区的精度分析

本文介绍了5′×5 ′的EGM2008地球重力模型及其在全球的精度评价.按照地形变化规律,将中国大陆大致分为7个区域,在10 km网度上,将EGM2008地球重力模型数据与中国地面实测空间重力网格数据进行了对比.由于数据源的问题,中国大陆的模型数据精度普遍低于北美和欧洲.二种数据在地形平坦的东部地区差别较小,向西随着地形复杂程度的增加,二种数据之间的标准差从小于10 mGal增大到50多mGal.畸变点分析表明精度极低的网格点均分布在地形起伏大的地区.总体而言,5′×5′的EGM2008地球重力模型数据在中国大陆将近80％的面积上的精度可达10 mGal之内,可用于小比例尺重力编图和构造研究.在地形起伏较大的中国西部以青藏高原为例进一步比较了EGM2008重力模型和重力测点数据,结果表明在重力点分布稀疏不均匀的地区,平面网格数据难以准确表达重力场信息.由于缺少地面重力数据控制,EGM2008重力模型数据在中国西部精度较低,但模型数据依然在很大程度上提高了空间重力异常信息的丰富程度.将中国区域重力调查成果数据应用于地球模型的构建是一项有意义的工作.     

天山及邻区Vening Meinesz均衡重力异常特征及其动力学意义

本文基于Vening Meinesz区域均衡模型,通过试验不同参数计算Vening Meinesz均衡补偿深度,将其与CRUST1.0模型给出的莫霍面深度进行拟合,得到适应于天山及邻区的平均补偿深度、"地区性指标"以及区域补偿半径.结合地球重力场模型EIGEN-6C4与地形数据,利用球冠体积分方法进行地形效应、沉积层效应计算和均衡校正,得到了研究区的Vening Meinesz均衡重力异常.结果显示天山及邻区的均衡重力异常幅值在-110~120 mGal之间,表明了天山及周边盆地岩石圈所处于的均衡状态,同时揭示了研究区的壳幔密度分布特征.天山、塔里木盆地、准噶尔盆地等块体的地壳垂向形变可能部分地由均衡调整引起,且均衡调整趋势与地面形变测量结果相契合.通过对均衡重力异常成因的解释,从地壳均衡角度分析了该地区复杂的构造背景及其新生代以来的演化历程.     

鄂尔多斯地块及邻区重力均衡研究

为更加精细地了解鄂尔多斯及其邻区的地壳均衡状态,本文在考虑地壳密度横向变化的基础上计算了该区域的重力均衡异常。首先,利用研究区内重力异常和真实莫霍面深度进行反演得到壳幔密度差分布,以艾里均衡理论为基础计算了莫霍面的理论深度;其次,通过莫霍深度理论值与真实值对比来获得研究区的重力均衡异常;最后,结合区内地震分布,讨论了重力均衡异常与地震活动的关系。结果表明:研究区内盆地以负均衡异常为主,山地则表现为正均衡异常,鄂尔多斯地块内部基本均衡;研究区内中强地震主要分布在重力均衡异常梯度带上。      

利用卫星重力数据研究中国及邻域地壳厚度

本文以中国大陆及邻域地壳厚度为研究对象,采用GRACE提供的GX-OG-2-GCM模型数据计算自由空气重力异常,通过确定地核与地幔的质量,分离出由地壳部分产生的重力异常并经过布格改正得到布格重力异常,利用Park公式求出了中国大陆地壳厚度的分布,结果与以前地壳厚度资料相符合.     

川滇地区重力场特征及其与区域强震的关系

本文利用最新超高阶重力场模型EIGEN-6C2、全球DEM模型topo_15.1.img和地壳模型CRUST1.0等数据,研究了川滇地区的不同类型的静态重力场(自由空气重力异常、布格重力异常和剩余均衡重力异常)分布特征,探讨了区域强震与静态重力场之间的关系.整体上看,川滇地区自由空气重力异常FA与地形镜像关系明显,说明地形效应对重力场影响较大;由于扣除了地形效应,区域布格重力异常格呈现西北低、东南高的特征,总体反映了川滇地区地壳厚度变化的基本格局,并在此之上,叠加了各种强度不等的局部异常;利用Parker方法正演了Moho起伏引起的地表重力变化,将其从区域布格重力异常中扣除,得到反映地表密度分布的剩余重力异常.通过对比2000年以来发生的区域大震震源机制与不同静态重力场分布特征可知,逆冲/正断型地震(如汶川地震、芦山地震)往往发生在静态重力异常的高梯度带上,而走滑型地震(如玉树地震、鲁甸地震)发生在重力异常变化较为平稳的区域,这可能与断裂的性质及其所处构造环境有关.