GPS应变率场计算方法研究进展

基于大地测量资料获取地壳运动与应变积累定量结果一直是国内外重视的地震中长期预测的技术途径。 针对地震变形过程的准确描述问题, 国内外学者基于GPS资料, 发展了多种应变率场解算方法。 本文首先简要介绍了GPS应变率计算的基本原理, 然后系统梳理了国内外多种计算方法的优势和不足, 结果表明: 应变率计算的数学方法只考虑几何关系, 其中整体方法主要适合数据密度和分布较好条件下获取区域地壳变形分布与趋势, 局部方法主要适用于数据较为稀疏情况下描述构造块体的变形特征; 应变率计算的物理方法既考虑几何关系又考虑物理关系, 其中, 位错方法根据主要适合于研究区域存在主控断层的情况(研究区域的变形主要由少数断层控制); 数值模拟方法(如有限元法)主要适用于区域地质、 地球物理的资料比较完备的情况。     

青藏高原及邻区现今地应变率场的计算及其结果的地球动力学意义

许多研究人员利用GPS测量的速度资料计算了地应变率场,但其结果差异较大. 本文将地质统计学中的Kriging方法引入到GPS观测的速度场研究中, 通过Kriging插值得到青藏高原及邻区均匀网格节点上的速度值,然后运用有限单元中形函数(Lagrange插值函数)的求导方法,计算每个网格单元积分点处的地应变率分量,从而获得青藏高原及邻区的地应变率场的分布. 计算结果显示,青藏高原主体处在南北向受挤压、东西向被拉张的应变状态之中,但高原东部地区则正好相反,即南北向拉张、东西向出现挤压. 青藏高原及邻区主应变率的方位与震源机制解中P轴、T轴的方向基本一致;最大主压应变率的高值区分布在喜马拉雅主边界冲断带及附近地区,高原内部出现主张应变率大于压应变率的现象,且高原内部处在拉张应变状态. 面膨胀率结果也表明,喜马拉雅山及附近地区为面收缩区,而高原内部其他地区主要为膨胀区;最大剪应变率分布清晰地显示出青藏高原周边的主要断裂带轮廓. 文中的应变率计算结果预示青藏高原及周边地区现今的地应变与较长期的地质活动之间有一定的继承关系.     

影响b值计算误差的Monte Carlo实验研究

本文假设地震的发生与时间的关系遵循稳态泊松模型,假设地震震级M服从参数为1/β的指数分布,其中β=b/loge,在此基础上生成地震目录.用最小二乘法估算b值,分别从样本数量、震级间隔、震级误差三方面分析b值误差的大小.统计分析结果表明,b值的标准偏差随着样本数量的增多而减小;随着震级间隔的增大而减小;震级误差使b值的标准误差变大.本文可以为利用真实地震目录求b值时选择适当的方法提供参考.     

青藏高原1993年GPS观测成果的精度分析

应用线性回归、符号检验等数理统计方法研究了１９９３年完成的跨青藏高原首期ＧＰＳ网３９条基线的数据处理结果。通过对单基线观测中误差、重复观测基线互差及异步环闭合差的精度分析，认为由１６个观测点组成的跨青藏高原ＧＰＳ监测网的基线平均相对精度达０．１ｐｐｍ。     

三探测器密度测井的Monte Carlo模拟

为了改善传统岩性密度测井仪的缺陷,本文基于传统的双 源距探测器密度测井仪,提出在负源距范围内增加一个反散射探测器,构成新的三探测器密 度测井仪器. 利用Monte Carlo方法通用程序MCNP(3B),从光子与地层相互作用的机理出发 ,计算得到了反散射探测器、长源距探测器和短源距探测器的光子通量的能谱分布、光子通 量与源距的关系、光子通量与地层密度的关系、源距与探测深度的关系以及计数能窗等. 从 结果看,三探测器密度测井仪的长、短源距探测器对地层的响应关系与双源距密度测井仪的 长、短源距探测器一致,而反散射探测器对地层具有明确的响应关系,其响应关系与长、短 源距探测器近似相反,且其计数率很高. 因此,在负源距范围内增加第三个探测器是可行的 ,这将有利于提高密度测井的测量精度和垂向分辨率. 同时表明了Monte Carlo方法在核测 井仪器早期研制中的有效性,对仪器设计具有指导作用.     

中国大陆地应变率场分布及其与地震活动性关系的研究

利用中国大陆地区的GPS速度观测资料,通过2次插值计算,得到地应变率场。首先将GPS观测结果通过插值计算获得中国大陆及邻区均匀网格节点上的速度值,然后运用有限单元中形函数(Lagrange插值函数)的求导方法,计算每个网格单元积分点处的地应变率分量,从而获得中国大陆及邻区稳定的地应变率场的分布。计算结果表明,总体上中国大陆及邻区地应变率分布西高东低;以南北地震带为界,西部地区应变率高,而东部地区,尤其是华南地区地应变率很低;而塔里木盆地、鄂尔多斯盆地等构造稳定区域的地应变率也很小。此外,还发现中国大陆及邻区地应变率分布与地震活动之间的关系非常密切,变形产生的应变能密度与地震密度(1.0°×1.0°内发生的地震数目)之间吻合得很好,应变能密度高的区域,地震活动性较强;反之,则较弱。同时,最大剪应变率、面应变率与地震活动性之间也呈对应关系。     

基于Monte Carlo模拟技术的液化危险性分析

利用Monte Carlo模拟技术考虑了震源和震级的贡献及抗液化阻力的概率分布,将液化安全系数的倒数作为工程需求参数,对土层的液化危险性作概率估计,可以满足基于性态的抗震设计对于不同设防水平工程场地液化安全判定的要求。在文中应用该方法对北京地区若干场址多种设定土层情况分别进行了液化危险性分析,并在所得的大量模拟样本的基础上,引入液化需求锤击数基准值概念和土层埋深水位影响系数,进行统计分析,提出了本地区简化的液化危险性估计方法。验算表明,该简化方法有一定的合理性,也便于一般设防工程使用。作者认为其它地区也可以依此途径建立适合于该地区的液化危险性的估计方法。     

巷道超前探测的并行Monte Carlo方法及电阻率各向异性影响

直流电阻率法通过观测单极-双极装置视电阻率曲线最小值位置估计掌子面前方低阻异常体距离,在巷道超前探测及矿井水害预测与防治工作中有广泛应用,并形成多种经验预测模型.本文基于直流电法巷道超前探测的各向异性电阻率三维有限元数值模拟,给出超前探线性预测模型.然而,实际井下地质结构复杂,异常大小不定且任意分布,而且可能存在有电阻率各向异性,使得目前由简单模型实验或数值模拟获得的预测公式不确定性较大,而且可靠性难于评价.Monte Carlo方法用随机化思想解决非确定性问题,我们将该方法与并行算法结合,对大量不确定的随机模型进行三维数值模拟,以验证各预测模型的准确度及可靠性.结果表明,本文的超前探线性预测模型较其他预测模型更为准确及可靠.但介质各向异性的影响很大,尤其当围岩电阻率具有各向异性时,所有预测模型的准确度及可靠性较差,给安全生产带来很大隐患.     

基于Monte Carlo方法数值反演区域初始构造应力场——以巴颜喀拉块体为例

构造应力场往往对地震活动性具有控制作用,应力快速集中的地方常常是地震频繁发生的地方.本文以巴颜喀拉块体及其边界断裂带近20年来的7次中强震为例,结合区域历史地震震源信息、地质背景及GPS等观测数据,利用Monte Carlo方法和库仑-摩尔破裂准则为计算依据,反演该块体的震前初始构造应力场.通过将初始应力场反演中不确定部分限定在一个合理的上下限范围内进行独立的重复性随机试验,并运用统计学方法得到了巴颜喀拉块体1997年玛尼M_W7.5地震震前区域初始应力场.计算结果显示：（1）巴颜喀拉块体10 km深度处最大水平主应力方向自西向东呈顺时针旋转趋势,由NS向转变为近EW向,与浅部实测地应力数据、历史地震类型和板块运动方向吻合较好.（2）最大/最小水平主应力和二者差值自西向东均逐渐增加,最大水平主压应力值~400 MPa,最小水平主压应力值~250 MPa.差应力在昆仑山断裂带与阿尔金断裂带交汇处及甘孜—玉树断裂带西段较低（~150 MPa）;在昆仑山断裂带东端和甘孜—玉树断裂带的东南段局部地区较高（~220 MPa）.

     

基于GPS应变、地震应变率与震源应力场对帕米尔高原现今构造变形特征的分析

研究帕米尔高原的构造变形特征对于理解印度板块向北推挤过程中的应变分配方式以及应力转换模式具有重要的意义.本文利用区域GPS应变场、地震应变场与震源应力场分析帕米尔高原的构造形变特征.主要结论为:(1)该区域变形主要以NNW-SSE或近N-S向的挤压为主,在高原内部伴有明显的近ENE-WSW或E-W向拉张,应力方向在帕米尔高原与塔吉克盆地区域呈现逆时针旋转的趋势,而在塔里木盆地则显示几乎与帕米尔高原的一致的应力状态,这可能与两侧盆地块体的强度差异有关.(2)安德森断层参数A∅显示帕米尔高原北缘与西侧区域为逆断层应力状态,在高原内部为正断层应力状态,这与GPS应变的结果显示的应变主要集中在主帕米尔断裂与阿莱谷地附近而在高原内部应变较低是一致的,另外应力在喀喇昆仑断裂北段的方向基本平行于断层走向,以及断层北端较低的滑动速率,这说明了地壳挤压缩短可能是帕米尔高原主要的的构造变形特征,并不支持由于边界走滑断裂导致的应变分异或者块体挤出的模式.(3)综合考虑地震应变方向与SHmax从帕米尔北部NNW-SSE方向到天山北部的近N-S方向的转换,GPS应变方向在帕米尔高原两侧盆地都存在不同程度的旋转,应力场安德森参数A∅显示的应力状态以及SKS的结果显示的近ENE-WSW方向,我们认为印度板块向北推挤与天山造山带碰撞导致帕米尔高原不对称的径向逆冲是帕米尔高原现今构造变形的主要成因与构造模式.     

基于量子蒙特卡罗的地球物理反演方法

本文将量子蒙特卡罗全局优化方法引入地球物理反问题,进而发展了一类新的地球物理非线性反演方法.量子蒙特卡罗方法是基于量子力学机制的随机方法,包括变分蒙特卡罗方法、格林函数蒙特卡罗方法、扩散蒙特卡罗方法、路径积分蒙特卡罗方法.本文简要回顾了量子蒙特卡罗方法的发展,阐述了其方法理论;随后的数值试验结果表明,量子蒙特卡罗方法应用于地球物理反问题的求解是成功的,它适合于非线性、多极值的地球物理反演问题,在收敛速度和避免陷入局部极小等方面有着一定的优势,且该方法也适用于其他领域非线性最优化问题的求解,其算法具有较强的通用性;最后就量子蒙特卡罗方法在地球物理反问题中的应用前景以及存在的问题做了简要概述.     

基于蒙特卡洛方法的剪切波速误差影响分析

场地土层剪切波速测试不可避免会存在误差,误差达30%左右。目前,在对剪切波速误差对土层地震反应计算影响的研究中,设计波速误差或者设计土层模型的方式偏于理想化。为更接近现实情况,本文基于实测土层模型,用蒙特卡洛方法研究剪切波速误差对土层地震反应计算结果的影响。本文搜集并建立了均匀分布在山东地区的132个场地计算模型,涵盖了山东境内分布广泛的Ⅱ类场地和Ⅲ类场地。根据蒙特卡洛随机模拟原理,对每一场地计算模型,在实测剪切波速值30%的偏差范围内随机生成100组剪切波速值,分别进行土层地震反应计算,分析反应谱值、反应谱平台值和特征周期的变化。研究表明,30%以内的随机波速误差会导致某些周期处的反应谱的变化达30%以上,其对反应谱平台值最大的影响大多在10%~50%之间,对Ⅱ类场地特征周期的最大影响大多在0~50%之间,对Ⅲ类场地特征周期的最大影响大多在20%~90%之间。     

Recent crustal deformation of İzmir, Western Anatolia and surrounding regions as deduced from repeated GPS measurements and strain field

To investigate contemporary neotectonic deformation in İzmir, Western Anatolia and in its neighborhood, a relatively dense Global Positioning System (GPS) monitoring network was established in 2001. Combination of three spatially dense GPS campaigns in 2001, 2003 and 2004 with temporally dense campaigns between 1992 and 2004 resulted in a combined velocity field representing active deformation rate in the region. We computed horizontal and vertical velocity fields with respect to Earth-centered, Earth-fixed ITRF2000, to Eurasia and to Anatolia as well.The rates of principal and shear strains along with rigid-body rotation rates were derived from velocity field. Results show east–west shortening between Karaburun Peninsula and northern part of İzmir Bay together with the extension of İzmir Bay in accordance with general extension regime of Western Anatolia and Eastern Agea. East–west shortening and north–south extension of Karaburun Peninsula are closely related to right-lateral faulting and a clockwise rotation. There exists a block in the middle of the peninsula with a differential motion at a rate of 3–5 ± 1 mm/year and 5–6 ± 1 mm/year to the east and south, respectively.As is in Western Anatolia, north–south extension is dominant in almost all parts of the region despite the fact that they exhibit significantly higher rates in the middle of the peninsula. Extensional rates along Tuzla Fault lying nearly perpendicular to İzmir Bay and in its west are maximum in the region with an extension rate of 300–500 ± 80–100 nanostrain/year and confirm its active state. Extensional rates in other parts of the region are at level of 50–150 nanostrain/year as expected in the other parts of Western Anatolia.     

The Contemporary Tectonic Strain Rate Field of Continental China Predicted from GPS Measurements and its Geodynamic Implications

In Appling studies, the strain rate in China has been computed from using different methods, resulting in quite different estimates of the strain rate the geo-statistics from GPS velocity field of Chinese continent, we obtain the velocity value at each little regularly spaced grid point, by kriging interpolation and the component of strain rate for each volume element, using a method similar to the derivation of shape functions in the finite element algorithm. Therefore the distribution of the strain rate field in whole for the Chinese continent is presented. The result shows that the orientations of principal strain rates are consistent with those of the P and T axes of focal mechanisms. The distribution of maximum shear strain rate clearly delineates some major active fault zones surrounding the Tibetan Plateau. The maximum shear strain rate is comparable with that obtained from analysis of seismic moment release. In part of the Tibetan Plateau containing normal faults and pull-apart grabens, we obtain an extensional state of strain. The absolute value of the strain rate in West China is approximately 5 times larger than that of East China, and the pattern of the strain rate field in most of the Chinese continent is controlled by the India/Eurasia collision.     

鄂尔多斯块体周缘地区现今地壳水平运动与应变

位于青藏块体和华北块体之间的鄂尔多斯块体及其周缘地区是中国大陆构造活动最活跃的地区之一,从1300年至今,在块体周边断陷盆地和西南缘断裂带上发生了五次8级以上的地震.为了了解该地区现今地壳运动、应变状态以及断裂滑动分布,我们收集了中国大陆构造环境监测网络2009-2013年、国家GPS控制网、跨断陷盆地的8个GPS剖面等共527个流动站和32个连续站GPS观测数据,获得了高空间分辨率的地壳水平运动速度场,进一步用均匀弹性模型计算了应变率分布.结果表明,块体内部GPS站点向NEE方向运动,速度变化较小,应变率大多在（-1.0~1.0）×10-8/a之间;山西断陷带构造运动与变形最为强烈,盆地相对于鄂尔多斯块体为拉张变形,应变率为（1.0~3.0）×10-8/a,相对于东部山地则为挤压变形,应变率为（-2.0~-3.0）×10-8/a,盆地西侧断裂（如罗云山断裂、交城断裂）以拉张运动为主,拉张速率为2~3 mm·a-1,盆地东侧断裂主要以右旋缩短运动为主,速率为1~3 mm·a-1;河套断陷带西部的临河凹陷处于较强的张性应变状态,应变率为（2.0~3.0）×10-8/a;块体西南边缘处于压缩应变状态,应变率为（-1.0~-2.0）×10-8/a,六盘山断裂存在明显的地壳缩短运动,速率约为2.1 mm·a-1,速率在断裂附近逐渐减小,反映了断裂处于闭锁状态;相对于鄂尔多斯块体内部渭河断裂带为左旋运动,速率为1.0 mm·a-1,盆地处在弱拉张变形状态.