地面运动旋转分量观测综述——以中国台湾地区旋转运动观测为例

旋转地震学是一门全面研究由地震、爆破以及周围环境震动引发的地面旋转运动的新兴学科.随着观测水平的提高及旋转运动研究的深入,旋转运动研究的重要性也逐渐突显出来.目前国际上对于旋转地震学研究较多,而中国大陆地区鲜有文章提及旋转运动观测.本文从3个方面对旋转运动观测进行描述.首先基于经典弹性力学,介绍了旋转运动的基本理论,表明可以通过直接、间接的两种方法获得旋转量.其次介绍了旋转运动观测进展,表明观测技术的发展对旋转运动的观测具有重要影响.最后考虑到中国台湾是旋转运动观测研究较早并且较为深入的地区,重点介绍了中国台湾地区的观测实例.本文对旋转运动观测进展进行梳理,期望对国内开展旋转地震学观测及研究提供一定的帮助.     

1999年9月21日台湾集集地震地表运动的二维重建

本文给出了1999年9月21台湾集集地震中全岛地表运动的观测记录与空间的依存关系。首次披露了使用强震记录在近源和近震地区所作遥随时间变化的空间地表运动分析，集集地震的二维地表运动是由400多个经绝对时间校正的自由场强震记录重建的，重建的地震波坡可被看作是一种新的观测数据，称其为“三维地震图”，本研究得出的结晶为基三维数字模型的震源与波传传播研究提供了一些见解，并极大地增强了我们区分地震波是由震源还是由地震构造了产生的能力。     

板块绝对运动模型及其研究方法综述

研究全球板块的运动对于地球动力学、地幔流动等具有非常重要的意义.目前常用来推断板块绝对运动模型的方法主要分为基于地质和地球物理的地学方法和空间大地测量方法.地学方法主要包括热点参考系框架,岩石圈无整体旋转、剪切波分裂法、古地磁及古气候资料推断古纬度变化法、海岭海沟法等;空间大地测量方法主要是包括采用VLBI、SLR、GPS以及DORIS等技术手段得到的观测数据进行计算推到全球板块的运动.随着观测技术的不断提高,数据的来源、数量、精度的到了不断的改善和优化,板块的划分也更加精细,不论是反应时间尺度在百万年量级的板块运动地学方法,还是能够反应现今板块运动的空间大地测量方法,给出的模型都随着数据的改善进行了不断的更新,本文综述了迄今为止这些板块绝对运动研究方法的发展历史以及最新进展,分析不同参考基准的特点,认为结合地学方法和空间测量两种方法对全球岩石圈板块的绝对运动研究具有重要意义.     

基于空间大地测量与地球物理方法的地心运动研究与监测进展

随着空间大地测量精度的提高与需求的发展,地心运动的研究与监测日益重要,它是精确实现地球质心参考框架的关键之一.本文详解了地心运动的原因(地球系统中的质量迁移)及对空间大地测量与地球物理学的影响,总结了常用的四种地心运动监测方法(网移动法,运动学法,动力学法和一阶形变法)及部分成果和应用,讨论了各方法和SLR,DIRIS,GPS和VLBI四种空间大地测量技术在地心运动监测中的特点,并给出了一些削减误差的建议.为满足地球动态环境研究的需要,地心运动监测的精度与可靠性仍需进一步提高,这依赖于观测精度的提高,地球物理模型的完善和数据处理方法的发展.     

依据GPS数据建立中国大陆板内块体现时运动模型的初步研究

中国大陆被认为是研究大陆地壳运动和动力学的最理想地区．过去基于地面观测技术,很难对时间尺度为数年的大空间范围的陆内块体运动作定量研究．本文根据中国国家攀登计划现代地壳运动和地球动力学1994～1996年GPS全国复测数据,提出了一种完全基于实测资料,通过卡尔丹角计算块体间现时运动欧拉矢量的理沦方法．尝试性地初步建立了刻划中国大陆西藏、川滇、甘青、新疆、华南、华北和黑龙江等7个主要块体现时运动模型PBMC-1(present-time blocks movement model on the Chinese continent),首次在数年时间尺度内给出了中国大陆块体相对运动的点位速度场及边界带运动．模型结果表明:各块体的运动速率由南向北、由西向东逐次减少;运动方向由北北东逐步转向东以致东南和东东南．印度板块的碰撞对中国大陆内部诸块体运动起主导作用;而诸块体运动又决定着块体边界带————断裂带的活动方式与速率．模型给出的数年尺度的现时运动,总体上与地质学给出的百万年以来的平均状态相似,与地球物理学和天文学观测结果也较符合．GPS等空间测地结果已初步具备揭示正在进行中的地壳运动的能力．      

基于陆态网络GPS数据的电离层空间天气监测与研究

中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)是以全球卫星导航定位系统(GNSS)为主,辅以多种空间观测技术,实时动态监测大陆构造环境变化,探求其对资源、环境和灾害的影响的地球科学综合观测网络.基于陆态网络约200个基准站的GPS观测数据,本文探讨了其在电离层空间天气监测与研究方面的应用.包括磁暴期间电离层暴扰动形态,大尺度电离层行进式扰动,太阳耀斑引起的电离层骚扰和低纬电离层不规则体结构等.研究结果表明:陆态网络布局合理,观测数据质量良好,完全可用于中国及周边地区电离层空间天气监测与研究,为进一步开展我国电离层空间天气预警和预报奠定了观测基础.     

观测时间对地磁绝对观测值的空间相关性影响研究

应用FHD磁力仪的观测数据。对比了每日不同时间Z分量观测值组成的逐日变化序列的空间相关性,表明夜间观测数据的空间相关性低于白天,并分析了产生这一现象的原因。同时,通过对通化后的磁称Z分量不同观测时间的绝对值震磁相关异常分析,表明夜间观测数据更有利于提取空间相关异常。这对今后应用数字化地磁观测资料研究与地震有关的震磁相关异常有一定的指导意义。     

空间观测技术在地震监测中的应用

当前地面地震监测系统主要观测单点的相对变化,由于观测台站密度低,观测资料覆盖面小,不能满足地震预测所需的信息。空间观测技术的发展提供了新的地震监测技术和方法,卫星空间监测技术具有覆盖面广、信息量大、动态性好以及分辨率高等优势,因而可提供更为丰富的地震前兆信息。岩石实验的结果和一些应用研究的结果显示,空间观测技术在地震监测中具有优越的应用前景。     

高精度GPS测量得到的中国西南地区构造块体运动模型的初步结果s

利用国家攀登计划所属的重大项目现代地壳运动和地球动力学研究课题所布设和施测的GPS网的高精度观测结果，研究了中国西南地区构造块体的运动模型．认为目前高精度GPS观测资料已可以提供有关中国大陆构造块体水平运动的可信信息．得到的运动模型的初步结果为中国大陆地壳运动的动力学机制研究提供了直接的证据，并在此基础上分析了复测区域的运动特征以及这些特征与地震活动、地震危险性的关系．认为初步的观测结果是令人鼓舞的．      

1998年4月日本伊东近海震群期间观测到的旋转运动

在日本伊豆半岛的伊东近海1998年4月震群期间,我们在近场地区观测到了地面旋转和平移运动的6个分量。为了检验我们使用MotionPack传感器观测结果的可靠性,我们安装了8301F传感器,即灵敏度比MotionPack传感器高的惯性角位移传感器。MotionPack的噪声水平远高于8301F的噪声水平,但这些信号分量的波形却相互相当相似,说明MotionPack记录旋转速率正确,但噪声较高。我们的观测使人们知道了垂直轴周围最大旋转位移和最大平移速度之间的线性相关。围绕垂直轴旋转运动的波形与平移水平速度的波形类似,说明最大值之间线性相关。这些旋转运动远大于由圣安德烈斯断层台阵数据计算的旋转运动。这种大差异可由下列一种或一种以上作用来解释:单一回转仪测量和台阵观测所得旋转运动空间尺度的差异;记录伊东近海震群的台站受陡峭地形的影响;圣安德烈斯断层和伊东近海震群区之间成熟度的差异。     

利用震源扫描方法计算2008年大柴旦6．3级地震震源破裂过程

2008年11月10日在青海大柴旦地区发生Ms6．3级地震。运用甘、青区域数字地震台网观测资料,采用震源扫描方法对此次地震进行亮度函数归一化扫描分析研究,得到研究区域内分层归一化亮度函数的空间成像结果,最大亮度空间分布与青海省野外考察结果基本吻合。震源扫描方法不需要计算理论地震图,利用包括相对振幅和到时在内的波形信息,无需事先假定震源的几何参数,最大限度地利用波形数据信息,得到地震的整个空间分布,提高了获取中强地震震源运动空间分布信息的速度为震后快速趋势判定、应急救援提供技术支持。     

洛杉矶随季节上升和下沉，使地震研究复杂化

地下水位的变化使洛杉矶上升和下降超过1 0 cm/a,以致地震学家研究地震危险性的工作复杂化。人类对饮水的抽取和补给使得像海绵一样的地面以有规律的起伏进行呼吸 ,这已被科学家们在地表和空间测量到。使地震科学家懊悔的是 ,这种运动多数是由设计用来测量地球构造板块更细微运动的仪器记录到的。门洛帕克美国地质调查局的地球物理学家鲍登 ( Gerald Bawden)说 ,虽然地下水效应在其他地方也观测到 ,包括加州的拉斯韦加斯和圣何塞 ,但在较大的洛杉矶地区所观测到的运动的量值和范围都是空前的。他说 :“洛杉矶盆地就像一个成人在呼吸。”这…     

强震地壳逸出氡和电离层异常耦合关系的讨论

空间对地观测研究是近年来国内外地震科学研究发展的重要方向。由于新的观测技术和理论的快速发展,地壳逸出氡和电离层异常耦合关系在地震前兆信息分析中有可能发挥重要作用。本文重点介绍了近年来国际上在强震地壳逸出氡和电离层异常耦合关系研究方面的主要进展,包括氡和电离层异常耦合关系的基本理论、观测依据和物理解释等,同时也介绍了在地震前兆研究中氡和电离层异常耦合关系的基本特点。研究认为,由于地面氡观测和卫星电离层观测均存在各自的优势和不足,因此利用空间对地观测技术来研究地壳逸出氡和电离层异常的耦合关系,可以全面提高对强震前兆异常信息的空间分析和可靠性判定能力,对全面发展地震监测预报技术具有重要的意义。     

月尘运动与生物毒性研究进展

月尘易于发生迁移运动,影响月表和近月空间环境及月面物质成分分布.?研究月尘是认识水星、小天体等地外无大气天体表面尘埃形成机制、尘埃发射机理及运动规律的基础.?在航天工程上,月尘是任何月面探测活动都无法避免和必须应对的重要环境问题,是未来载人登月及月球基地建设的重要挑战.?前期探月任务中观测到了大规模的月尘活动,并据此开...     

独山子-安集海断裂单基线双分量斜跨断层监测研究

利用与断层走向斜交的、可以同时观测到垂直和水平距离变化的单基线跨断层观测仪器组对北天山地区的独山子—安集海断裂的现今运动特征进行了监测研究。结合独山子—安集海断裂10多年来的观测数据,求取了该断裂在无震蠕滑状态下10a来的运动特征和滑动速率,得到：独山子—安集海断裂的现今运动性质为逆冲左旋运动,断层垂直运动的速率为0．1056mm／a,水平左旋滑动速率为0．0123mm／a,断层以倾向运动为主,反映出该地区地壳变形以近南北向缩短为主。     

区域网GPS观测得到的汶川大地震前后的地壳垂直运动

中国地壳运动观测网络1000个观测站的GPS非连续观测区域网分别在1999年、 2001年、 2004年、 2007年和2009年作了5次观测。 2008年5月12日汶川8.0 级地震震中(31.0°N, 103.4°E)恰好在区域网GPS观测站密集的地区。 区域网长期、 多期GPS观测可降低年周期变化影响, 有利于获取此次地震前后的垂直位移趋势变化。 简要讨论了GPS垂直位移观测的精度。 分析了垂直位移观测的主要干扰地面沉降, 特别是华北地区因大量抽取地下水产生的严重地面沉降。 为获取汶川地震前垂直运动信息, 首先剔除因大量抽取地下水产生的大幅度沉降干扰结果, 通过趋势面分析中国大陆垂直位移空间分布, 显示了3个垂直位移沉降最显著区域。 对比分析表明, 临近汶川震区的沉降区, 未见大量抽取地下水干扰影响。 汶川地震前1999—2007年区域网GPS观测站得到的垂直位移表明, 汶川地震紧临显著沉降区的西北侧, 龙门山断层北段垂直运动闭锁。 该沉降区与另两个沉降区的时空变化明显不同, 也与区域网水平应变异常区的空间分布不同, 但该沉降区与区域网水平应变异常区同时出现。 大幅度同震垂直位移集中在龙门山断层北段震前垂直位移闭锁区。 这些事实表明, 汶川地震前GPS观测到的紧临震中的沉降区及垂直运动闭锁区与汶川地震的发生存在密切关系。     

GNSS空间大地测量技术在中国大陆活动地块划分中的应用和研究进展

中国科学家提出了"中国大陆的强震受控于活动地块运动与变形"的科学假说,很好地解释了地震活动在空间上的分区、分带现象。活动地块为形成于晚新生代、晚第四纪的强烈活动的地质构造,地块边界带的构造活动性最为强烈。以GNSS为代表的空间大地测量技术以其时空分辨率高、覆盖范围广、观测精度高等特点,被应用于现今的地壳形变监测。基于GNSS建立的中国大陆及周边地区高空间分辨率的地壳运动速度场图像,清晰地揭示了中国大陆内部不同活动地块的不同运动与变形方式,以及地块相互作用的构造边界带的强烈变形。文中回顾了用于监测中国大陆地壳运动的GNSS观测数据来源及处理方法,提出了中国大陆GNSS运动速度场以稳定的华南地块为区域参考框架的优势,介绍了3种划分活动地块的方法以及检验地块是否具有刚性运动的判别方法。结合GNSS速度场的最新研究成果,阐述了具有刚性运动的华南、塔里木、鄂尔多斯、阿拉善和东北地块现今的运动特征,以及青藏高原、天山和华北平原地块的非刚性变形。在利用空间大地测量技术丰富和完善活动地块假说理论方面,不仅需要地块内部和边界带分布密集的GNSS观测网络,同时也要充分利用In SAR等其它空间大地测量技术,并需加强与地震地质、地球物理等多学科的交叉融合。文中的系统总结,对利用GNSS技术研究活动地块的运动变形特征和活动地块边界带强震孕育的动力学机理具有重要的参考价值。     

地幔对流与岩石层板块的相互耦合及影响──（Ⅱ）地幔混合对流理论及其应用

观测到的板块运动包含两种能量分布几乎相等的运动形态：极型场和环型场．纯粹的由热驱动的地幔自由对流不能预期和解释环型运动的产生．本文提出地幔混合对流理论，既考虑了热驱动的自由对流，也考虑了由板块自身激发的强迫对流．根据板块处于动力学平衡状态的观测事实，建立了相应的模型．数值结果表明，根据混合对流模型所预期的板块速度场，既能产生极型场，也能产生环型场，而且在空间分布特征及功率谱分布上与观测资料符合相当好．地幔物质的上升流动基本和洋脊对应，而下降流动和俯冲带对应．     

地幔对流与岩石层板块的相互耦合及影响──（Ⅱ）地幔混合对流理论及其应用

观测到的板块运动包含两种能量分布几乎相等的运动形态：极型场和环型场．纯粹的由热驱动的地幔自由对流不能预期和解释环型运动的产生．本文提出地幔混合对流理论，既考虑了热驱动的自由对流，也考虑了由板块自身激发的强迫对流．根据板块处于动力学平衡状态的观测事实，建立了相应的模型．数值结果表明，根据混合对流模型所预期的板块速度场，既能产生极型场，也能产生环型场，而且在空间分布特征及功率谱分布上与观测资料符合相当好．地幔物质的上升流动基本和洋脊对应，而下降流动和俯冲带对应．     

综述:台湾地区爆破和近震地面旋转运动观测的进展

已成功地测量到由大震引起的远场地面旋转运动,其观测结果与经典弹性理论计算结果基本吻合。然而,最近日本和中国台湾地震的近场旋转测量结果却比经典弹性理论预测值大10～100倍。1999年台湾集集地震(Mw7.6)的近场强地面运动记录显示沿长达100km破裂的地面运动极其复杂,因此,要想从加速度数据的二重积分得到合理的位移值则必须进行随机基线校正。因为旋转运动会对地球重力场产生扰动,进而影响到加速度观测,所以我们在台湾开展了相应的对地面旋转运动的观测研究。有3篇文章描述了台湾地区地面运动旋转的观测结果:(1)HGSD台站的观测结果(Liu et al,2009);(2)台湾综合地球动力学研究(TAIGER)项目的两个爆破在N3台站的观测结果(Liu et al,2009);(3)中正大学(NCCU)校园的观测结果(Wu et al,2009)。此外,Langston等(2009)给出了对台湾综合地球动力学研究爆破数据的分析结果。如前面几位作者指出的那样,我们发现台湾地区近震峰值旋转速率(PRR,单位mrad/s)和峰值地面加速度(PGA,单位m/s2)之间存在线性关系,这个关系式为:PRR=0.002+1.301PGA,其相关系数为0.988。