南极半岛地区GPS坐标时间序列噪声分析及形变模式初探

有色噪声广泛存在于各种连续GPS站坐标时间序列,对GPS时间序列分析有重要影响.利用GAMIT/GLOBK软件解算了南极半岛地区8个GPS测站2010—2014年的实测数据,对坐标时间序列使用主分量分析法(PCA)进行了空间滤波,利用CATS软件估计了不同噪声模型下和空间滤波前后的噪声量级、站坐标时间序列参数及其不确定度,最后对南极半岛地区水平和垂向的形变模式进行了分析和讨论.结果表明,南极半岛地区GPS时间序列不仅存在白噪声,还存在较大量级的闪烁噪声,部分测站E方向在滤波前可能存在随机游走噪声;空间滤波能够有效降低这三种噪声的量级,从而有效减小线性项和周期项估计的不确定度;南极半岛地区在水平方向主要表现为板块运动,还可能存在局部性构造运动;在垂直方向上由冰川均衡调整(Glacial Isostatic Adjustment, GIA)因素引起的抬升较小,主要表现为现今冰雪质量损失引起的弹性抬升运动.     

海底震后形变多基站联合估计模型

海底基准站坐标时序可用于海底震后形变监测, 但受观测条件和观测成本所限, 海底基准站定位精度相对较低, 难以获取高时间分辨率海底基准站坐标时序.针对小样本、非连续海底观测时序分析问题, 本文提出将站速度、震后形变参数作为多个邻近基准站的公共参数进行联合估计, 并将N-E方向震后形变弛豫因子也作为公共参数; 提出了求解站坐标、站速度等线性参数与震后形变非线性参数进行混合非线性估计的"一步法".试验表明, 相对单站估计模型, 本文提出的多站联合估计模型可克服海底基准站坐标时序样本有限和精度受限等问题, 且相对于站速率和震后形变参数分离估计的"两步法", "一步法"更为严密, 可获得更为有效的震后形变参数估计.     

GPS测定的2020年阿拉斯加MW7.8地震震时地表动态变形及永久同震形变场

以UNAVCO公布的阿拉斯加地区GPS 1 Hz和30 s采样观测数据为基础,采用双差定位方法分别对两种采样率的数据进行处理分析,获得2020年7月22日阿拉斯加M_W7.8地震震时地表动态变形及同震三维形变场。结果显示,震中270 km范围内高频GPS震时波形明显,最大振幅达600 mm。根据各个GPS站的动态形变波形振幅及响应时间认为,其振幅和响应时间受地震的破裂传播方向和场地效应影响较大。静态同震位移矢量指向震中,同震位移大小基本符合随震中距离增大而减小的特征,除站点AC13外,其中距离震中最近站点的最大水平位移达26.7 cm。GPS测定的同震形变表明,2020年阿拉斯加地震是发生在阿拉斯加阿留申俯冲大断裂的一次逆冲型地震。     

滇西地区GPS时间序列中陆地水载荷形变干扰的GRACE分辨与剔除

利用“中国大陆构造环境监测网络”在云南西部地区的13个连续GPS观测站和法国空间大地测量研究组Space Geodesy Research Group）的GRACE时变重力场资料,定量分析了该区域陆地水载荷所产生的非构造形变的量值和变化特点,探讨了利用GRACE分辨和剔除GPS观测中陆地水负荷所引起的非构造形变干扰的依据和模型.结果表明：滇西地区GPS坐标变化时间序列的垂向分量中,普遍包含有明显的年周期非构造形变波动,高值可达12mm,其中约42%源于陆地水迁徙变化所引起的负荷形变;通过主成份分析方法所获取的区域GPS共模误差与GRACE陆地水载荷形变序列的相关性高达0.87,若以GRACE扣除陆地水负荷形变,则滇西地区GPS网共模误差可消除约64%,且物理机制明确.然而,由于目前的GRACE只能有效分辨大约400km范围内陆地水载荷的整体变化,所以对于各GPS站点更加局部化的陆地水负荷非构造形变干扰,尚无法进行有效分辨.     

滇西地区GPS时间序列中陆地水载荷形变干扰的GRACE分辨与剔除

利用"中国大陆构造环境监测网络"在云南西部地区的13个连续GPS观测站和法国空间大地测量研究组Space Geodesy Research Group)的GRACE时变重力场资料,定量分析了该区域陆地水载荷所产生的非构造形变的量值和变化特点,探讨了利用GRACE分辨和剔除GPS观测中陆地水负荷所引起的非构造形变干扰的依据和模型.结果表明:滇西地区GPS坐标变化时间序列的垂向分量中,普遍包含有明显的年周期非构造形变波动,高值可达12mm,其中约42%源于陆地水迁徙变化所引起的负荷形变;通过主成份分析方法所获取的区域GPS共模误差与GRACE陆地水载荷形变序列的相关性高达0.87,若以GRACE扣除陆地水负荷形变,则滇西地区GPS网共模误差可消除约64%,且物理机制明确.然而,由于目前的GRACE只能有效分辨大约400km范围内陆地水载荷的整体变化,所以对于各GPS站点更加局部化的陆地水负荷非构造形变干扰,尚无法进行有效分辨.     

利用震后GPS数据反演汶川地区有效黏滞系数

利用2009—2011年汶川震区GPS水平速度场数据, 综合考虑汶川震后的余滑模型、 黏弹性松弛模型及用于描述地壳长期运动的弹性块体模型, 采用格网搜索法反演了汶川震区中下地壳的有效黏滞系数. 地壳介质黏滞系数不同是造成震后断层两侧地壳水平运动差异的主要因素. 研究发现, 龙门山断裂带两侧中下地壳介质的黏滞系数差别很大. 龙门山断裂以西川西块体中下地壳(16—40 km)的有效黏滞系数约为7×10¹⁹ Pa·s, 而龙门山断裂以西、 岷江断裂以东的岷江地块中下地壳(16—40 km)的有效黏滞系数约为10²⁰ Pa·s, 比川西地块大. 龙门山断裂以东的四川盆地中下地壳(16—40 km)的有效黏滞系数约为7×10²² Pa·s, 比岷江地块和川西地块均大, 呈现极强的刚性运动特点. 此外, 由于同震破裂滑脱面的存在, 震中附近的余滑效应比较显著.     

2011年日本9.0级地震前后GPS基线时间序列分析

利用1999年初至2011年9月中国地壳运动观测网络基准站及中国大陆周边包含日本境内的IGS基准站的资料,分析了2011年3月11日日本9.0级地震前日本境内及周边IGS基准站基线时间序列的变化情况。讨论了该地震对中国大陆GPS基准站的同震影响,并对地震后中国大陆GPS基线时序结果的变化情况进行了总结分析。通过分析认为,日本大震后我国东部地区部分GPS基线开始转折拉伸,因而一定程度上缓解了这些基线的趋势性缩短,但是东部地区仍然有部分GPS基线的变化趋势基本不受日本地震的影响,近几年以来的趋势性异常至今仍然存在。     

利用GPS观测资料分析2008年于田MS7.3地震的同震位移及震后形变

2008年3月21日新疆于田发生MS7.3级地震.本文通过处理、分析GPS数据,得到破裂断层北侧100 km附近的同震位移及震后形变信息.在观测区域GPS点监测到10 mm左右的同震位移,其中最大为南向14 mm,东向5 mm.同震位移呈现一致性的东南向运动特征,证实于田地震存在显著的左旋走滑分量.震后台站向西南方向运动,与同震位移方向不同,说明同震位移和震后形变具有不同的形变源.近普鲁断裂两侧的GPS点震后运动方向存在明显差异,表明于田地震可能触发了普鲁断裂的左旋滑动.普鲁断裂在于田地震发生后呈现的构造活动特征揭示普鲁断裂是康西瓦—西阿尔金断裂带的一部分,兼具左旋走滑与逆冲分量,吸收了青藏高原西北缘相对于塔里木盆地的东向逃逸与北向入侵作用.     

1990年青海共和7.0级地震震后垂直形变研究

根据1990年青海共和地震震后地表垂直形变,通过模型拟合得到了支配共和地区震后形变场时空演化的形变源及其力学机制.分析穿过断层的震前1期和震后6期水准数据,结果表明震后垂直形变具有以下特征:①震后震区上盘继续发生继承性的大幅度上升,其中震后头一年上升速率最大;②震后上升区范围显著,范围随时间变化不大,但较同震形变上升区范围增大;③震后相邻测站高差观测值的时间序列明显具有对数衰减特征或指数衰减特征,衰减特征时间分别为0.165年和1.344年.本文还发展了一个利用水准数据与连续介质位错模型研究震后形变机制的新方法.该方法用相邻水准点之间的原始高差观测值而非它们相对参照点的积分值来约束连续介质位错模型,可以有效减少误差累积带来的偏差并充分利用观测数据.利用这一方法的初步分析结果表明,断层震后滑移和介质黏弹性松弛共同导致了共和地震震后形变.前者表现为发生在断层面及其延伸部分的滑移,特别是位于主破裂上方沉积层内的滑移;后者则表现为下地壳与上地幔内的黏弹性松弛,黏滞系数为1020Pa.s量级.     

非构造形变对GPS连续站位置时间序列的影响和修正

GPS观测得到的地壳形变场通常包含有构造形变与非构造形变二类信息, 去除其中的非构造形变信息对于有效运用GPS数据研究构造形变场至关重要. 本文运用国际卫星对地观测资料及各类地球物理模型, 定量计算海潮、大气、积雪和土壤水、海洋非潮汐4项负荷效应造成的地壳非构造形变, 并以此研究和修正这些非构造形变对中国地壳运动观测网络GPS基准站位置时间序列的影响. 研究发现此4项负荷效应, 特别是大气、积雪和土壤水, 对于测站垂向位置的影响显著. 通过模型改正可以使测站垂向位置的RMS降低～1 mm, 占其总量的～11％. 对于垂向时间序列的周年项部分, 这一改正可降低其振幅的37％. 研究还表明经过地球物理模型改正和周年、半周年谐波拟合改正的时间序列比起仅经过周年、半周年谐波拟合改正的时间序列更为平滑, 表明地球物理模型改正对于消除非构造形变场的作用不是周年、半周年谐波拟合改正所能替代的.