利用Moho面起伏及地表地形数据反演岩石圈有效弹性厚度的莫霍地形导纳法(MDDF)

区域岩石圈有效弹性厚度T_e的确定对认识其力学性质及演化等动力学问题具有重要意义.长期以来,大陆地区有效弹性厚度的确定一直存在着争议.尽管Pérez-Gussinyé等2004年的研究消除了不同方法(自由空气导纳法和布格相关法)之间的分歧,但其确定有效弹性厚度的误差仍然非常大.本文提出了利用Moho面起伏及地表地形反演岩石圈有效弹性厚度的Moho地形导纳法(MDDF),并利用合成的地表地形和Moho面起伏模型验证了该方法的可行性.结果表明,与传统的重力地形导纳法相比,使用Moho地形导纳法(MDDF)反演岩石圈有效弹性厚度,能较好地提高反演精度.     

利用Moho地形导纳法(MDDF)反演中国大陆岩石圈有效弹性厚度

本文用数值实验方法验证了,在Moho地形导纳法(MDDF)中使用先由重力数据反演的Moho面相对起伏数据,能较传统的重力地形导纳法获得更高的反演精度.之后作者应用Moho地形导纳法(MDDF)反演获得了精度较高的中国大陆区域岩石圈有效弹性厚度.结果显示:(1)中国地区岩石圈有效弹性厚度T_e从东向西大体上呈阶梯状上升;(2)T_e与岩石圈地震-热厚度、地表热流、上地幔顶部的地震波速度等数据密切相关;(3)在中国中东部, T_e较低的区域以及T_e的高低值转换带对应较强的地震活动性.但在西部,T_e与地震活动性的相关性并不明显.     

中国大陆岩石圈有效弹性厚度与强震构造区力学特征研究

研究中国大陆强震区岩石圈力学特性对理解该区强震孕育环境及发生机理具有重要意义。岩石圈有效弹性厚度(T_e)及初始载荷比(F)与大陆岩石圈力学特征紧密相关。本文利用导纳和相关函数联合反演方法以及贝叶斯最优参数估计方法,基于全球最新的WGM2012重力异常数据、 ETOPO1地形数据和CRUST1.0模型的Moho面深度数据,计算中国大陆岩石圈有效弹性厚度(T_e)和初始载荷比(F)。通过对比分析,探索该地区岩石圈T_e、F、T_e梯度和F梯度对强震孕育环境的影响作用。本文发现,强震构造区岩石圈一般具有较低的T_e值、较高的T_e和F梯度值。结果表明,岩石圈综合力学强度较低且力学强度和内部载荷变化剧烈的地区,往往更有利于强震的孕育。     

单层/双层地壳物理参数对重力数据反演海底地形影响分析

针对利用海面重力数据构建海底地形模型质量受诸多地壳地球物理参数影响现状,以重力异常反演海底地形的频率域算法模型为基础,讨论了不同地球物理参数对单层/双层地壳仿真结构和不同均衡补偿模式下导纳函数各频段影响程度,推导给出了不同地球物理参数及其组合对海底地形反演结果影响的定量数学表达.仿真试验结果表明,单层地壳的密度变化导致单层导纳函数和双层导纳函数明显分离;双层地壳仿真结构中海山载荷密度对导纳函数影响显著且几乎为全频段影响;因此,建议应用解析法开展数值试验分析时,重点考虑海山载荷密度(双层地壳)或者地壳密度(单层地壳)变化.就当前海底地形反演精度而言,运用相关解析算法建立海底地形数值模型时,应重点关注有效弹性厚度、平均海深、海山和海水密度差异参数取值准确性,特别是顾及地壳均衡补偿恢复海底地形,岩石圈有效弹性厚度(通过有效弹性厚度可获取挠曲刚度)取值准确程度将较大程度影响最终海底地形模型效能高低.     

利用重力地形导纳估计月壳厚度

在频域使用多窗口(Multitaper)方法来计算月球正面四个形成于不同历史时期月海区(Smythii, Crisium, Imbrium, Orientale)的重力地形导纳,然后将其与月球弹性岩石圈的理论导纳模型相比较,由最小二乘法得出四个月海区的月球岩石圈的平均弹性厚度约为8 km,月壳的厚度分别为：Smythii 盆地,72 km; Crisium 盆地 70 km;Orientale 盆地 60 km;Imbrium 盆地57 km.随着月球的演化,月壳厚度呈现变厚的趋势.     

区域面波群速度反演的球谐函数法

一个定义在球面局部区域的复杂的面波速度函数如果直接利用球谐函数拟合可能需要展开到很高阶的球谐系数．通过保角变换，把一个球面局部区域扩展到球面上更大的区域上，变换过程中面波速度保持不变，在变换后的球面域上用球谐函数来拟合速度函数，达到降低球谐系数阶数的目的，使面波群速度的反演变成了球谐系数的线性化反演.通过球谐系数分析，可得到反演的分辨率.该方法不仅适用于面波群速度反演，同样适用于各种球面区域场的分析.     

区域地磁场谐和样条模型研究

地震过程是岩石圈能量积累、聚集和释放的过程。伴随此过程,岩石圈磁场会出现异常变化。近年来,我国的地震预报研究实践证明,岩石圈磁场异常变化与地震发生地点有很好的对应关系,并取得了良好效果。准确提取地震引起的岩石圈磁场变化的主要途径是建立高分辨率的岩石圈磁场模型。由于针对地震预报的观测都是区域性的,因此,模型计算方法应同时具备3个方面的优点:一是适合区域分析;二是能准确剔除或剥离地磁主磁场;三是能精细刻画岩石圈磁场细微变化。可能的话,模型还应能采用卫星数据与地面数据联合运算,以弥补我国西部无人区地面观测数据稀疏的不足及控制边界畸变,即模型应能径向延拓。但在实际工作中,许多模型很难三者兼顾,更别说兼具径向延拓。该论文从模型比较开始,精心选择模型,经过模型设计和程序实现、模型调优和模型验证等,初步获得了能四者兼顾的中国地区区域地磁场"谐和样条"模型及其计算方法。论文最后将中国地区区域地磁场"谐和样条"模型与其他模型进行了对比分析,发现该模型初步达到了设计目标。(1)模型选择:论文调研和对比分析了球谐分析、矩谐分析、球冠谐模型、修正球冠模型、等效源、多项式拟合、样条函数拟合、双调和拟合、谐和样条拟合。论文分析认为,调和样条拟合具备前述的4个方面优点。(2)模型设计和程序实现:论文完成了对"谐和样条"方法的数学公式推导、代数公式构建以及matlab程序编写等工作。(3)模型调优:论文完成了"谐和样条"模型定解过程中的"本征值截断"以及球谐阶数问题分析讨论,发现"谐和样条"方法定解线性方程组本征值可能对应"谐和样条"模型所描述场分布的空间特征尺度。因此,通过本征值截断阶数的选择,能够实现对不同空间特征尺度磁场成分的剥离。(4)模型验证:论文基于大量的计算实验,选择了球谐截断阶数L=90阶,并分别利用地面测量数据以及卫星数据的组合分别定解,计算对比分析了"中国及周边区域谐和样条模型"。结果表明:与球谐方法相比,"谐和样条"模型具有更高的"效率",引入卫星数据确能改善计算结果。此外,当"谐和样条"方法用于全球模型和区域模型计算时,发现球谐截断阶数的确定是影响模型计算正确性的关键因素之一。(5)与其他模型对比分析:论文分别以1~15阶EMM2010模型和"2010.0中国及周边区域谐和样条模型"20阶本征值模型作为中国区域地磁正常场,从90阶"2010.0中国及周边区域谐和样条模型"中分别剔除两种算法得到的中国区域地磁正常场,获得2个中国区域地磁异常场模型,对比分析了其差异性和优劣性,论文最后采用"2010.0中国及周边区域谐和样条模型"地磁异常场、EMM2010模型、MF6模型和CGRF模型的岩石圈磁场Z分量,与中国区域地质构造进行了联合对比分析,达到了论文初期目标。     

CHAMP卫星时代全球岩石圈磁场模型的近似误差估计

岩石圈磁场模型的误差估计是地磁导航、定量地球物理与地质解释的重要基础.本文基于统计学观点,将由CHAMP卫星磁测数据构建的系列具有代表性的全球岩石圈磁场模型视为随机观测信号,对其在球谐域与空间域分别进行平均值与标准差的统计分析,得到CHAMP卫星时代全球岩石圈磁场模型的球谐域与空间域近似误差水平、误差分布特征、不同类型磁场分量之间的误差比例关系以及全球岩石圈磁场能量与误差水平随高度的衰减特征.本文所提的误差估计方法与结果,尽管存在一定的近似,但是可以为估计与了解岩石圈磁场模型在球谐域与空间域的误差水平与分布特征提供参考资料与定量依据.     

新53阶次月球重力场及其精细结构

月球重力场是了解月球内部结构的重要信息之一.日本SELENE卫星首次获得月球背面卫星轨道的直接探测数据并建立了更高精度的全月球重力场模型.本文根据日本公布的采样间隔为60 s、轨道高度为100 km的SELENE卫星观测资料并利用作者移植的GEODYN-II微机版本软件求解出新53阶次月球球谐场模型LG-53.经过测试表明移植后的微机版本比原始工作站版本的计算效率提高了5到10倍.理论上表明60 s采样间隔、100 km高度的轨道数据能够计算出60阶次的月球球谐系数模型,但是作者在实际计算过程中发现:在接近理论阶次(60阶次)的一系列模型中出现了平行于经线的高频噪声,且模型越接近理论阶次其噪声越高.因此本文将53阶次月球球谐系数模型LG-53作为最后的解算结果并建立各种月球重力异常场,并将其与美国GLGM-2 (70阶次)模型和利用嫦娥1号数据解算出的CEGM-01(50阶次)模型对比,发现新53阶次重力场模型LG-53在高纬度和月球背面都显示出了更高分辨率的异常特征;与美国LP165P(165阶次)模型对比发现LG-53所建立的自由空气重力异常在月球背面不存在LP165P中所出现的高频噪声.与日本90阶次SGM90d模型对比后发现新模型的精度较日本模型还有所差距.主要是由于两者参与计算的数据采样率不同所致.53阶次的模型LG-53能够反映100 km尺度的重力异常,而日本90阶次模型则可以反映60 km尺度的异常.利用新53阶次模型计算的自由空气重力异常图并结合月球地形图探讨了四种类型的Mascon重力异常特征及其地形特征.     

不同卫星轨道高度对地壳磁场反演的影响研究

利用最新的波茨坦地磁场球谐模型(Potsdam Magnetic Model of the Earth,POMME)进行仿真实验,分别模拟出不同卫星轨道高度下的磁测数据.根据仿真的观测数据反演地壳磁场的高斯球谐系数,对反演结果进行对比和分析,总结出卫星轨道高度对反演结果的影响.针对CHAMP卫星实测数据进行地壳磁场反演...     

地磁学中的球面各向同性随机矢量场

从地磁场随机模拟的需要出发，研究球面各向同性随机矢量场．首先指出，与三维空间中的随机矢量场不同，在球上均匀性蕴含于各向同性；三维均匀各向同性随机矢量场一定是球上各向同性随机矢量场，反之不真．其次，以地核磁场的随机模型为例，给出了球面各向同性模型的空间两点关联张量的并矢表示，并将其在不变坐标系分解；利用核幔边界地球主磁场的球谐功率谱的幂级数拟合模型，估算空间两点关联张量．因此，即使根据地球主磁场观测认定地核场具有球面各向同性，亦不能推定地核内部磁流体运动是三维均匀各向同性的．     

地形-均衡补偿重力、大地水准面异常频谱分析

将地形高、地球内部质量异常以及重力、大地水准面展开成球谐级数,依据岩石圈弹性挠曲均衡补偿理论建立地形—均衡补偿重力、大地水准面异常的球谐级数表达式.由此我们可以研究地形—均衡补偿重力、大地水准面异常与球谐级数阶次的关系,以及不同波长地形荷载与岩石圈挠曲补偿的关系,探讨地形—均衡补偿重力、大地水准面的频谱特性.从观测大地水准面异常和自由空气重力异常扣除地形—均衡补偿大地水准面、重力异常,可以得到均衡大地水准面异常和均衡重力异常.均衡大地水准面异常已经消除了浅层物质不均匀的影响,反映的是地球深部物质密度不均匀分布.均衡重力异常显示出中短波长特性,反映的是地壳上地幔物质分布的失衡和物质调整的动力学特征.     

基于"嫦娥一号"跟踪数据的月球重力场模型CEGM-01

本文介绍了"嫦娥一号"月球探测卫星轨道跟踪数据的特征,简要阐述了基于动力法精密定轨解算月球重力场模型的原理及策略.在"嫦娥一号"测控数据精度和覆盖均有限的条件下,独立使用"嫦娥一号"月球探测器6个月的在轨运行双程测距测速跟踪数据,成功得到了50阶次月球重力场模型CEGM-01.通过多种方式,如重力场模型频谱特性、实测数据定轨残差、月球重力异常特征、与地形的相关性及导纳值,对解算得到的CEGM-01月球重力场模型进行了精度评价,分析了相应的物理特性和效果.结果表明了CEGM-01解算过程的有效合理.在此基础上展望了我国月球重力场探测未来可能的发展方向.     

Sq电流体系的反演与地磁日变模型的建立

地磁场的标量位满足拉普拉斯方程.在球坐标系中,拉普拉斯方程的解可以写成球谐级数的形式.借助球谐分析的方法,地磁场可以被分为起源于地球内部的内源场和起源于地球外部的外源场.本文的内容主要包括:(1)阐述了利用球谐分析来反演Sq电流体系的方法.反演了1997年各月的Sq空间等效电流体系,并重点分析了南北半球Sq空间等效电流体系的位形和强度随季节的变化情况.(2)基于1997年的地磁观测数据建立各月静日期间中国地区地磁日变随纬度和AE指数变化的模型.将模型的计算结果与地磁台站的观测数据进行了对比分析.     

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.     

青藏高原东北缘岩石圈有效弹性厚度与地震分布关系

岩石圈有效弹性厚度(T_e)表征岩石圈综合力学强度,对理解区域深部构造孕震环境具有重要意义.青藏高原东北缘地质构造复杂,强烈地震活动频发.为进一步了解该区域深部岩石圈力学性质特征及其与地震活动的关系,本文利用基于Fan小波的谱方法,使用WGM2012重力异常数据、ETOPO1地形数据和CRUST1.0模型,通过导纳和相关联合反演计算了青藏高原东北缘的岩石圈有效弹性厚度(T_e)与荷载比(F).结果显示研究区T_e整体呈明显的东高西低分布,青藏块体T_e变化剧烈,西部高值(>40 km)和东部低值(<20 km)共存;鄂尔多斯地块T_e较高(>30 km),变化相对平缓;荷载比F存在局部西南高,巴颜喀拉和羌塘地块荷载比F较高(>0.5),说明以地下荷载为主,其他地块荷载比F较低(<0.2),以地表荷载为主.鄂尔多斯地块结构稳定,岩石圈强度较大,T_e值较高;内部构造活动性微弱,深部物质密度横向变化较小,岩石圈所受荷载以地表为主,荷载比F较低...     

基于张衡一号卫星数据的中国区域岩石圈磁场球冠谐分析

张衡一号卫星于2018年2月成功发射升空,卫星上搭载有测量地磁场的高精度磁强计,包括标量和矢量磁力仪.本文基于张衡一号卫星2018年3月—2022年5月的标量磁测数据,利用球冠谐分析进行中国区域的岩石圈磁场建模工作.首先选取地磁活动平静时期(Kp≤2o)的夜侧数据,来减少外源场的影响;然后,利用CHAOS-7模型计算值去除主磁场和外源场,得到岩石圈磁异常值,再利用球冠谐分析进行中国区域的地磁场建模,得到最大阶数为53.17(对应地表波长为752 km)的球冠谐模型.该模型可以明显揭示出中国及邻区的主要岩石圈磁异常,包括位于我国塔里木盆地、四川盆地、松辽盆地和境外的贝加尔湖、孟加拉盆地附近的高值磁异常,以及位于青藏高原南部的东西向低值磁异常.为了对模型结果进行进一步分析,将其与Swarm-A卫星数据球冠谐建模结果和CHAOS-7球谐模型结果在不同高度上进行了对比,主要磁异常的分布基本一致,而且在向下延拓到100 km高度时,本文的模型也能够提供比较稳定的结果,但是在幅值和磁异常形态细节上存在一定差异.     

地幔岩石圈热结构差异与中国大陆岩石圈均衡分析

观测表明,大陆地区存在很多传统均衡模型无法解释的现象,其根本原因在于传统均衡理论中没有考虑地幔岩石圈部分由于热结构差异导致密度差异的影响.本文基于岩石圈尺度的质量平衡模型研究了中国大陆20个构造单元地壳及地幔岩石圈对地形海拔的贡献,以及各块体的均衡状态.计算结果表明,在一些地区,如塔里木盆地、北山和柴达木盆地,尽管岩石圈均衡模型和Airy模型得到了一致的海拔值,但岩石圈均衡模型更能体现均衡过程的物理本质;除青藏高原造山带外的多数块体,岩石圈均衡模型的计算结果更接近观测海拔和地表垂直运动状态;总体上,考虑地幔岩石圈热结构影响后,中国大陆各地区的均衡结果普遍优于传统的均衡模型.通过对均衡状态分析,我们得到以下主要结论：(1)构造稳定地区均衡程度较高;(2) 青藏高原及周边造山带现今地壳运动主要为区域构造过程及深部动力学过程所控制,均衡调整过程不是主要控制因素;(3) 现今地壳垂直运动比较明显的块体处于均衡调整阶段,地表垂直运动的大小反映了该区所受的均衡力作用的程度;(4) 构造稳定地区基于岩石层均衡的理论计算海拔与观测海拔之差值和现今地壳垂直运动速率有较好的相关性,据此我们可以通过均衡分析研究构造块体的运动趋势和动力学性质;(5) 地幔热结构对现今地形、海拔及地壳垂直运动有显著影响,在处理均衡问题时,地幔岩石圈热结构是我们必须考虑的重要因素.     

六盘山地区地壳重力均衡与隆升机制研究

2014年8月跨越六盘山东麓断裂带,在长度约为200公里的剖面上展开了流动重力/GPS联合剖面观测.观测结果表明,测线东端的布格重力异常约为-190 m Gal(10~(-5)ms~(-2)),西端则为-250 m Gal左右.在假设地壳均一的前提下,基于Airy均衡模型,利用布格重力异常和GPS观测数据,分别计算了测线所在剖面的莫霍面深度与均衡面深度,发现六盘山地区处于正均衡异常状态.使用布格重力异常数据反演六盘山地区的地壳密度结构,并据此地壳分层结构,计算了六盘山地区均衡面与莫霍面深度,对比显示该区域亦处于均衡正异常状态.为了确定青藏高原东北缘岩石圈有效弹性厚度和六盘山隆升机制,我们利用EMG2008自由空气异常和SRTM V18.1 DEM数据,使用自由空气重力异常导纳方法,研究了以六盘山地区为中心的青藏高原东北缘岩石圈有效弹性厚度(Te)和加载机制,发现六盘山地区的Te为5 km,岩石圈加载主要来自于地表,占总加载的95%.最后,对比六盘山地区Airy均衡异常与弹性板均衡异常,发现六盘山东麓断层处地壳承载梯度值最大,表明该断裂带吸收了较多的应变能.     

地形起伏对基于地震波形的浅源地震深度反演影响——以2017年9月3日朝鲜M6.3事件为例

震源深度是核试验以及塌陷等浅源地震研究中的关键参数,可以为事件成因分析提供关键信息.然而朝鲜核试验区域地形起伏较大,地形效应可能对震源深度反演的结果造成影响.本文基于理论地震图进行测试,研究了地形起伏对震源深度反演的影响.发现震源深度小于2km时,不考虑地形影响,反演得到的震源深度会系统偏浅0.2km左右.然后利用MDJ2速度结构模型,我们反演了2017年9月3日朝鲜M6.3事件的震源参数,结果显示震源深度约为0.8km.进一步基于带地形的格林函数重新反演了该事件的震源深度,发现在1km处波形拟合结果较好.不同速度模型测试结果显示该事件的震源深度反演误差约为1km.案例研究表明,基于层状均匀速度模型,利用区域地震波形资料反演的震源深度可以为浅源事件成因分析提供关键约束.