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.     

满都拉—卡楚加的长剖面地壳介质密度分布及深部结构特征探榷

通过对南起中国内蒙古满都拉、向北经蒙古国、直抵北端俄罗斯贝加尔湖北卡楚加全长1320 km长重力剖面的布格重力异常数据进行处理和解析,依其构建了沿剖面的二维地壳密度结构模型,并详细分析了沿剖面的地壳底界面(Moho界面)展布的深部构造特征,及剖面辖域内的5个次级局部构造单元的重力异常场、地壳密度结构、界面起伏及断裂构造分布的特征.期望此研究结果能为该剖面跨越的中亚造山带东部地区的地壳结构、各次级构造单元的界域与关联方面的进一步研究提供相关的重力场依据.     

应用卫星重力信息对横断山系地区布格重力异常特异分布的纠正

在云南省西部,跨越中、缅两国交界的横断山系地区（97°E~102°E,24°N~30°N）有近一半的面积尚没有重力测点、即重力数据空白区和重力测点稀少的普查级测区.以前的有关文献、图集中所给出对此地区的重力场都是十分模糊的结果与图件.因此应用这些资料无法详细地研究该地区重力场特征与深部地壳结构（构造）.本文应用卫星重力异常资料作为“近似空间重力异常”,经中间层改正后给出的“计算布格重力异常”,其分布特征与该地区的地形高程呈很好的镜像相关.对相应山脉、河谷以及断裂构造都有所反映.特别是在横断山系地区该布格重力异常呈现为近南北的走向.为此,据该“计算布格重力异常”,并选定对该区有代表性的一条重力异常剖面作正反演计算,以得到其地壳深部结构剖面.结果表明,在横断山脉地区的地壳厚度在51~56 km间起伏变化;滇西北云岭山系以及玉龙山区的地壳厚度约在60 km以上. 最后,对所得结果与图件进行了讨论,并提出了几点认识和纠正的建议.     

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.     

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.     

泰安—诸城剖面重力异常和地壳密度结构特征

泰安—诸城高精度重力观测剖面,位于华北克拉通的东部,是中国东部重要的构造带且是地震活动的重要地段,利用剖面相对重力联测与同址GNSS三维坐标测量数据,得到剖面的重力异常,结合区域布格重力场、地球深部探测及地质构造成果,对剖面进行密度结构反演和剩余密度相关成像研究.结果表明:剖面布格异常变化范围为(-30.1～7.3)×10-5m·s-2,从西往东总体呈上升(泰安至沂源以低背景平缓逐渐上升与相应位置的高程呈现"同步型"变化;马站至张家楼以高背景逐渐上升与地形高程呈现"镜像型"变化)趋势,高低异常背景转折在沂沭断裂带西段150 km左右位置;背景异常是地壳厚度变化的反映,整体形态西深东浅,在沂沐断裂带地壳厚度隆起可能是地壳下地幔物质沿断裂向上入侵时,地壳产生挤压和膨胀隆起所致;剖面地壳密度呈现上、中和下三层结构,鲁西隆起、沂沭断裂带西部中下地壳局部存在低密度体,可能是上地幔物质上涌岩石含部分高温流体和熔融岩体所致,胶东地区保持了比较完整和均一的地壳结构特征,反映了胶东地区地壳活动不强;剖面的主要断裂带位置均能看到布格重力异常和剩余密度的变化,可能是断裂控制了地下介质的发育所致;剖面密度模型显示地下密度的分段特征和深浅构造差异,沂沭断裂带是鲁西隆起和胶东隆起的分界带;本文通过对布格重力异常和密度结构的特征研究,分析了地震活动、动力学背景与地壳密度结构的关系.     

黄海及邻区莫霍面起伏特征

针对地壳构造形成的动力学机制,在广泛收集区域地质、地质构造和地球物理等资料的基础上,着重对重力数据进行了数字化、坐标、重力公式、投影方式和比例尺的统一化处理,进而进行了网格化处理.为将区域异常和局部异常分离开来,以便以对深部构造的系统研究,笔者选取趋势分析法分别对研究区内预处理后的布格重力异常数据(Δg)进行了三维多项式迭代拟合计算,得到了区域布格重力异常二阶、五阶、十阶趋势分析结果.继而,利用二级近似公式迭代法对布格重力异常五阶趋势分析区域异常数据进行了三维运算处理,得到了黄海及周边地区的莫霍面埋深值.分析了黄海及邻区莫霍面起伏特征,并进行了深部构造区划,探讨了深部断裂构造与莫霍面起伏间的成因联系,为深部构造和活动断裂演化的地球动力学研究提供了依据.     

南海重力异常的沉积层密度改正及其对区域构造特征分析的意义

南海位于太平洋板块、印澳板块和欧亚板块交汇处,自晚中生代以来历经张裂作用、海底扩张以及印藏碰撞、菲律宾海板块西向运动等构造事件的叠加改造,不仅形成了复杂多样的构造格局,而且堆积了厚薄不均的沉积层.为了考察沉积层密度改正对利用重力资料分析南海不同尺度构造特征的影响,本文利用南海各区域不同深度沉积层的地震波速度及钻孔密度等数据,建立了沉积层与沉积基底密度差随深度变化的二次函数关系式,并基于该关系式,计算了南海沉积层相对基底密度低而产生的重力异常值.结果显示,南海沉积层的重力异常值在海盆区介于-40~-60 mGal,而在堆积巨厚沉积物的莺歌海盆地可达到-135 mGal;相对于空间重力异常、布格重力异常,经沉积层重力异常改正后的地壳布格重力异常更能突出深部不同尺度的密度结构和莫霍面的起伏特征,其总水平导数模更突显了南海西北部红河断裂带的海上延伸;利用谱分析技术估算岩石圈强度时,经沉积层重力异常改正的地壳布格重力异常数据获得的岩石圈有效弹性厚度值更为符合地质实际,特别是在长条形的巨厚沉积区如莺歌海盆地和马来盆地.分析表明,重力异常的沉积层密度改正对揭示南海构造特征具有重要的意义.     

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.      

金川—芦山—犍为剖面重力异常和地壳密度结构特征

重力剖面金川—芦山—犍穿越芦山震区,近垂直于龙门山断裂带南段,长约300km,测点距平均2.5km,采用高精度绝对重力控制下的相对重力联测与同址GPS三维坐标测量,获得了沿剖面的自由空气异常和布格重力异常,并对布格重力异常进行了剩余密度相关成像和密度分层结构正反演研究.结果表明,芦山地震所在的龙门山断裂带南段存在垂直断裂走向的宽广的巨型重力梯级带,重力变化达252×10-5 m·s-2以上(龙泉山以西),反映出四川盆地与松潘—甘孜地块地壳厚度陡变(约14.5km)性质;四川盆地与松潘—甘孜地块过渡区(龙门山断裂带与新津—成都—德阳断裂之间)存在(30~50)×10-5 m·s-2的剩余异常"凹陷",可能与上地壳低密度体、山前剥蚀与松散堆积和推覆体前缘较为破碎有关;剩余密度相关成像显示地壳密度呈现分段性特征,在芦山地震位置出现高低密度变化;地壳呈现三层结构,四川盆地上、中、下地壳底界面平缓,反映其稳定阻挡作用,而松潘—甘孜块体上、中、下地壳底界面明显往盆地逐步抬升,反映出青藏高原往东的强烈挤压作用;松潘—甘孜块体往东推覆变形主要集中在上地壳范围内,推覆深度随离龙门山断裂带愈近而越浅.本文通过对密度分布及结构特征的研究,分析了芦山地震及龙门山地区地壳构造背景和当前活动性的深部动力环境特征.     

新疆精河6.6级地震周边地区密度构造、均衡异常以及岩石圈挠曲机理

依据EIGEN-6C4重力模型和ETOPO1高程模型数据,围绕新疆精河6.6级地震展开岩石圈均衡与挠曲机理研究,得到如下结论：（1）震中附近的布格与自由空气重力异常分别为-221和-92mGal(10~(-5 )m·s~(-2)）,震中位于重力异常高梯度带上;（2）震中周边地区地壳厚度约为50km,密度结构总体变化平缓,东西方向地壳厚度变化较小,但自南向北地壳厚度逐渐变薄,精河6.6级地震初始破裂发生在上中地壳分界面附近;（3）震中附近岩石圈承载的垂向构造应力为20MPa左右,震中位于岩石圈垂向构造应力极大值附近的高梯度带上;（4）地震周边地区岩石圈有效弹性厚度最优解为26km,加载比最优解为F_1=1,F_2=F_3=0,表明该区域岩石圈相对坚硬,且导致岩石圈变形的初始加载全部来自地表．     

基于约束三维重力反演的南极大陆地壳密度结构研究

地壳密度是表征其物质组成以及结构特征的一个基本参数,是深入理解构造演化、地球动力学等问题的重要基础.本文利用最新发布的布格重力异常数据,以现有的三维S波速度模型、地表热流以及岩石学数据作为约束条件,采用引入深度加权函数的三维重力反演算法,获取了南极大陆三维精细密度结构模型.研究结果显示,南极大陆地壳尺度范围内密度异常在-0.25～0.20g·cm^-3之间.大致以南极横断山脉为界,受中生代与新生代多期拉张活动的影响,西南极上地壳密度异常以低值为主,与东南极克拉通的高密度异常呈现明显对比关系.通过对比发现,反演的密度结构与岩石圈强度信息存在较好的相关性.进一步分析西南极裂谷系统的密度结构与岩石圈强度,认为受新生代拉张活动和岩浆活动影响的局部地区除外,热沉降作用很可能使得地壳趋于冷却.此外,西南极的低密度特征延伸到南极横断山脉,结合现有的研究结果认为可能需要多种机制来解释南极横断山脉的隆升过程.     

Mean Free-Air Gravity Anomalies in the Mountains

Mean free-air gravity anomalies are often needed in geodesy for gravity field modelling. Two possible ways of compiling the mean free-air gravity anomalies are discussed. One way is via simple Bouguer gravity anomalies and the second and more time consuming way is via refined Bouguer gravity anomalies. In flat areas the differences between using any of the two ways should not be significant. In the mountains however, every effect introducing a high dependency, such as e.g. terrain effect, can negatively affect the interpolation process. In fact, a numerical experiment conducted in one part of Rocky Mountains revealed large and systematic differences. The effect of these differences on the geoid model is more then two meters in the test area. Our investigation shows that this bias is caused by the location of gravity measurement points, chosen mostly on hill-tops. At such points, the terrain correction to gravity is systematically larger than the mean value of the correction. Therefore, it is not possible to prevent the mean free-air gravity anomalies obtained from simple Bouguer gravity anomalies from having a systematic bias. One can see this bias as a result of the aliasing effect because the simple Bouguer gravity anomalies in the mountains contain a higher frequency signal (terrain effect) that is, according to sampling theorem, impossible to reconstruct by sparse measured gravity data, see e.g. (Goos et al., 2003). Therefore, the more rigorous way of computing the mean free-air gravity anomalies is via refined Bouguer gravity anomalies.     

维西—贵阳剖面重力异常与地壳密度结构特征

维西—贵阳剖面位于青藏高原东南缘,为青藏高原物质往东南逃逸、东构造结侧向挤压及华南地块北西西向推挤作用的重要地段.利用剖面观测的重力与GPS定位数据,结合区域背景重力场、地质构造及深部地球物理成果,反演研究剖面较为细化的地壳密度结构特征.观测研究表明:剖面布格重力异常总幅差变化达190×10-5 m·s-2,具"斜N"分段变化特征,从西往东呈上升(维西至攀枝花,水平梯变大)—下降(攀枝花至会泽,水平梯变较大)—上升(会泽至贵阳,水平梯变较小)态势;高程与布格重力异常比值的趋势性转折部位为康滇地轴核心和小江断裂带东侧,可能与先存构造或新生构造发育有关;剖面地壳密度结构可分上、中和下三层结构,各层底界面平均埋深分别约20km、35km和51km,金沙江—红河断裂带和鲜水河—小江断裂带为地壳结构相对简单与复杂的过渡带;地壳厚度西深东浅,可能是东构造结的侧向挤压所致;下地壳厚度变化相对较大,可能对地壳增厚起主要作用;华坪—攀枝花附近的Moho面隆起和上地壳高密度体的存在暗示上地幔往上底侵作用,对青藏高原物质向南东逃逸和东构造结的侧向挤压均起到一定阻挡作用;中地壳下伏有限低密度薄层有利于其上物质的南东逃逸和顺时针旋转,有利于其下物质受喜马拉雅东构造结作用下往东向运移.     

中国东海和邻区重力测量结果及其构造意义

本文根据1977和1979年利用ZYZY型海洋重力仪,在中国东海及邻区获得的重力测量数据,对仪器的测量精度再次进行了评定,编制了自由空间异常,布格异常和地壳厚度等基础图件,参考有关地质和地球物理资料,对研究区的地壳结构特征进行了初步探讨     

Altimetry-Derived Gravity Predictions of Bathymetry by the Gravity-Geologic Method

The gravity-geologic method (GGM) was implemented for 2′ by 2′ bathymetric determinations in a 1.6° longitude-by-1.0° latitude region centered on the eastern end of the Shackleton Fracture Zone in the Drake Passage, Antarctica. The GGM used the Bouguer slab approximation to process satellite altimetry-derived marine free-air gravity anomalies and 6,548 local shipborne bathymetric sounding measurements from the Korea Ocean Research and Development Institute to update the surrounding off-track bathymetry. The limitations of the Bouguer slab for modeling the gravity effects of variable density, rugged bathymetric relief at distances up to several kilometers, were mitigated by establishing ‘tuning’ densities that stabilized the GGM predictions. Tests using two-thirds of the shipborne bathymetric measurements to estimate the remaining third indicated that the tuning densities minimized root-mean-square deviations to about 29 m. The optimum GGM bathymetry model honoring all the ship observations correlated very well with widely available bathymetry models, despite local differences that ranged up to a few kilometers. The great analytical simplicity of GGM facilitates accurately and efficiently updating bathymetry as new gravity and bathymetric sounding data become available. Furthermore, the availability of marine free-air gravity anomaly data ensures that the GGM is more effective than simply extrapolating or interpolating ship bathymetry coverage into unmapped regions.     

重力与地形数据揭示的巴颜喀拉块体东缘垂向构造应力场

利用基于消去-恢复原理的最小二乘配置方法,对2009-2013年相对重力/GPS联合观测数据与EGM2008模型数据进行融合,更新了巴颜喀拉块体东缘地区的自由空气与布格重力异常场.基于该布格重力异常数据,以CRUST1.0地壳密度模型为初始条件,使用二维多边形棱柱体正演与非线性最小二乘反演方法,获取了巴颜喀拉块体东缘地壳分层密度结构.基于地壳不可压缩和均衡调整原理提出了计算垂向构造应力新方法,并结合上述地壳分层密度结构和地形数据计算了巴颜喀拉块体东缘垂向构造应力分布.结果表明,龙门山断裂带中南段蓄积了较高的正向构造应力(约40 MPa),马尔康周边地区蓄积了较高的负向构造应力(约—30 MPa).对研究区域1970年以来5级(Ms)以上地震进行统计发现,地震多发生在垂向构造应力梯度带上,垂向构造应力为正的地区易触发浅源地震,为负的地区易触发深源地震.在地壳横向变形强烈的区域,垂向构造应力与地震深度的对应关系减弱.     

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.     

华北地区重力场与沉积层构造

位于中朝准地台的华北地区是由几个不同的断块组成的,重力异常场的分布具有很强的浅部效应、块状分布和深浅叠加场的特点。重力的高程效应很复杂,不同波长的起伏变化有不同的影响系数。本文对布格改正的有关问题进行了讨论,指出华北如区表浅层的密度值偏低（2520kg/m³）,该区合理的布格改正公式为△g₂=-0.0879H。将重力场的垂直导数和向上延拓结合起来,有利于揭示地壳上部构造特征。本文搜集整理了由第四系到寒武系的沉积层资料,给出了沉积层总厚度和视密度的分布。对深部重力异常的分析表明,华北沉积层的形成有深源性质,在均衡调节中起着一定的内载荷作用。