长江三角洲地区地形变特征的GPS监测和分析

本文介绍上海地区GPS综合应用网SCGAN在长江三角洲地区地形变的监测和研究中所取得的成果. 对监测到的长江三角洲地区振幅达5～6 mm的垂向季节性运动的地球物理机制进行较深入的分析和研究. 研究表明,通过对大气压、积雪和土壤湿度质量负载、非潮汐海洋质量负载、以及基岩的热胀冷缩等地球物理机制因素引起地壳垂向季节性变化的定量分析,可以较好地解释GPS的监测结果,对两者间存在的一些系统偏差做了定性分析. 而对上海市区4个GPS基准站监测到的振幅近10 mm的垂向季节性变化,在扣除地球物理因素后,剩余5 mm垂向季节性变化与上海近几年每年定期采、灌地下水引起的地下水水位的周期变化有关.     

连续GPS测定的天山及其邻近地区垂向运动特征

基于中国大陆构造环境监测网络31个GPS连续观测站2011—2018年垂向坐标时间序列结果,顾及地壳垂向周期性运动得到了天山及其邻近地区的地壳垂直运动特征,结果表明:研究区内地壳垂直周期性运动显著,以年周期运动为主;大部分GPS连续站的年周期运动振幅在1.5～3.5 mm;27个测站半年周期通过检验,与年周期运动相比,其振幅较小,多在0.5 mm左右;天山及其邻近地区的地壳垂直线性运动呈山体隆升、盆地下降的趋势,显示该区域的长期地壳垂直运动为继承性,具体而言,塔里木地块的平均垂直运动速率为-0.88 mm/a,天山地块为0.25 mm/a,准噶尔地块为-0.29 mm/a.设计了三种垂向线性速率的求解方案,验证了求解地壳垂直线性运动速率时剔除非构造运动信息的必要性.     

利用GPS和GRACE分析四川地表垂向位移变化

陆地水储量的季节性变化是导致地表周期性负荷形变位移的主要因素,有效地剔除地表位移中的陆地水储量影响,是获取地壳构造垂向运动的必要过程.四川地处青藏高原东边缘,地形分区明显,境内以长江水系为主,水资源丰富,研究四川地区地表负荷形变位移,有助于分析陆地水储量的时空分布特性及地壳构造形变信息.本文利用研究区域内59个CORS站的GPS观测数据,计算了CORS站点的垂向位移,并将其与GRACE所得相应结果进行对比分析.结果显示,GPS和GRACE所得垂向位移时间序列的振幅大小整体相符,但存在明显的相位差.GPS站点振幅最大值为12.7 mm,对应HANY站,最小值为1.5 mm,对应SCMX站.GRACE所得的地表垂向位移振幅大小均为3~4 mm,且最大位移集中出现在7-9月份;而GPS站点出现最大位移的月份和地形相关,东部盆地、西北部高原和南部山地分别出现在7-8月份、10-11月份和10月份.GPS站点时间序列中的周年项与陆地水的季节性变化强相关,为了讨论陆地水储量对GPS站点位移的影响,本文利用改进的总体经验模态分解方法（MEEMD：Modified Ensemble Empirical Mode Decomposition）,从GPS垂向位移时间序列中提取出周年项及约2年的年际变化项.发现利用MEEMD获取的周年项改正原始GPS时间序列时可使其WRMS（Weight Root Mean Square）减少量减小约26%,结果优于最小二乘拟合方法提取的GPS周年项改正效果,验证了MEEMD方法在GPS坐标时间序列处理中的可行性及有效性.     

利用GPS资料浅析华北地区块体运动及与地震活动的关系

为了研究华北地区近年地壳水平运动的状态与演化．利用10a来华北地区网络工程、山西断裂带GPS观测成果．结合该区地质构造背景．分析了华北地区各块体运动的方向、速率变化及其与区内所发生地震的关系．初步得出以下结论：在区域应力场相对稳定时，表现为区域内GPS观测点整体趋势性运动不明显；而在区域应力场相对变化时．表现为影响区域内GPS观测点出现明显的整体趋势性运动。     

汶川MS8.0地震前后南北地震带北段GPS垂向形变特征

2008年汶川M_S8.0地震对南北地震带北段垂向变形产生了影响,对1999—2016年多期GPS观测数据进行精密解算,采用多面函数方法分别对研究区垂向运动进行周年运动剔除和空间滤波,获取了汶川地震前后垂向形变特征。结果表明:(1)以巴颜喀拉块体与华南块体交界带西侧为界,其西部自东向西呈指数函数衰减;东部自西向东呈对数函数形式衰减,且东部衰减程度大于西部,两块体交界南北段垂向形变特征存在差异性,北段隆升速度和变化梯度均弱于南段;(2)地震前后南北地震带北段垂向形变特征具有明显差异性,相对震前,震后大部分区域隆升速度加快,平均约为2 mm/a,局部区域加快程度较大,最大值达7 mm/a;(3)垂向速度的差异性变化对地壳的垂向应变积累具有影响,最大正影响区域为巴颜喀拉块体与华南块体交界及其西侧区域,增大了约10×10~(-8)/a,约为震前的2倍,最大负影响区域为川滇块体北部局部区域,减小了约7×10~(-8)/a。建议对巴颜喀拉块体与华南块体交界及其西侧区域和川滇块体北部局部区域强化跟踪分析。     

利用重力/GPS联合观测数据计算地壳垂向构造应力的新方法

本文提出一种基于重力/GPS联合观测数据计算垂向构造应力的新方法.计算步骤如下:(1)通过重力/GPS联合观测数据计算布格重力异常;(2)依据布格重力异常数据推算莫霍面深度;(3)依据GPS观测数据,通过均衡理论计算均衡面深度;(4)依据莫霍面与均衡面之间剩余物质(壳幔物质密度差)所承受的附加浮力,计算地壳承载的垂向构造应力.本文利用上述构造应力新算法,计算了巴颜喀拉块体东边界及周边地区垂向构造应力分布,发现龙泉山断裂带以东地区垂向构造应力基本为零,龙泉山断裂带与龙门山断裂带之间地区垂向构造应力为正值,巴颜喀拉地块东部垂向构造应力为负值.鲜水河断裂带东南段周边蓄积了-40~-50 MPa的垂向构造应力,且梯度变化剧烈;松潘高原蓄积的垂向构造应力大约为-10~-20 MPa,相对较小.     

GPS观测研究现今青藏高原地壳形变机制——来自阿尔金断裂三维运动场及高原地壳减薄的证据

自50~55 Ma以来,印度次大陆向北与欧亚大陆碰撞后形成喜马拉雅—青藏高原造山带,碰撞导致地壳增厚致使高原大幅隆升,改变了亚洲大陆岩石圈的构造格局,也对东亚地区的气候和环境产生了巨大影响。阿尔金断裂作为青藏高原北缘的主控边界断裂,其运动学性质在20世纪70年代备受关注,不同量级的滑动速率引出了块体运动与东向逃逸和连续变形与地壳增厚两种端元模型。约10~15 Ma以来,在青藏高原南部与北部出现地堑与裂谷,为高原东西向拉张运动提供了证据,表明青藏高原开始经历地壳减薄过程。青藏高原形成以来形变场经历怎样变化,长时间尺度的地质学构造过程与现今GPS观测是否能够统一?10~15 Ma以来青藏高原地壳减薄过程造成高原高程怎样的变化?青藏高原北缘,尤其是跨阿尔金断裂具有怎样的现今三维地壳变形场,地壳应变是如何在北阿尔金断裂、祁漫塔格断裂和阿尔金断裂之间分配的?青藏高原北缘与塔里木盆地具有怎样的力学性质,对跨阿尔金断裂构造形变场造成怎样的影响?最后,GPS观测得到的现今地表形变场能够对青藏高原形变模式的争论作出何种解答?上述科学问题的解答,对于研究青藏高原隆升与变形过程具有十分重要的意义。本研究分为两部分。第一部分是青藏高原北缘三维震间运动场的观测与研究。在青藏高原北缘跨阿尔金断裂中段自建9个GPS连续台站并开展观测,根据区域研究特点设计无人值守的观测台站,具有低成本投入、高质量观测的特点。上述连续GPS台站的建立填补了青藏高原北缘,尤其是在阿尔金无人区地壳形变观测研究的空白,积累了宝贵的连续GPS数据;截止2015年7月,共有4年的连续GPS观测。数据分析结果证明,设计建站方法行之有效,GPS台站稳定、观测数据质量稳定、数据连续性稳定。结合使用中国大陆构造环境监测网络在研究区及邻域GPS连续台站数据作位置时间序列与速度场解算,获得青藏高原北缘地区跨阿尔金断裂中段现今三维形变场。使用三维线弹性后向滑移(backslip)块体运动模型,反演塔里木块体、北阿尔金块体、柴达木块体和祁漫塔格块体的三维块体运动。结果表明,北阿尔金山相对于塔里木盆地有(1.32±0.2)mm/a的抬升速率,相对于柴达木盆地具有(0.73±0.3)mm/a的抬升速率,可解释为北阿尔金块体存在显著的造山过程;阿尔金断裂有(8.21±0.60)mm/a的左旋走滑速率、(0.66±0.60)mm/a的缩短速率;祁漫塔格断裂有(0.53±0.60)mm/a的左旋走滑速率、(1.53±0.60)mm/a的缩短速率;北阿尔金断裂有(0.87±0.60)mm/a的左旋速率、(0.69±0.60)mm/a的缩短速率。同时,阿尔金断裂中、西两段滑动速率基本一致,约为8.0~10.0mm/a。定量研究结果支持连续形变与地壳增厚模型,表明相对塔里木块体,青藏高原北缘地区正在抬升、增厚,以北阿尔金山地区最为明显,抬升速率约达1.3mm/a。跨青藏高原北缘的阿尔金断裂、北阿尔金断裂和祁漫塔格断裂近200km的宽泛变形带内,南北向地壳缩短并不明显,缩短量仅约为2.9mm,且近一半缩短量发生在祁漫塔格山南侧。GPS观测阿尔金断裂车尔臣河段(~86°E)剖面表明,断裂两侧存在非对称变形特征。本文采用非对称变形模型反演GPS速度剖面数据,获得断裂两侧塔里木盆地和青藏高原北部的地壳介质剪切模量差异。结果显示,塔里木盆地地壳介质剪切模量约为青藏高原北部剪切模量1.53倍,相应S波波速比值为1.24,与Yang等人得到的地壳和上地幔三维VSV模型结果一致。地震学研究结果认为,青藏高原北部与东部地区在中地壳存在低速层,局部区域可能发生部分熔融;Hacker等进一步确认羌塘地块中地壳到深部地壳存在熔融现象。本文的研究运用了与地震学完全不同的资料,通过大地测量方法推导青藏高原北部与塔里木盆地的地壳介质力学性质差异,得到与地震学研究得到的S波波速比及其构造物理学解释相当一致的结果。成果为青藏高原力学演化模型提供新的约束。本论文第二部分内容是使用覆盖青藏高原及周边的GPS速度场,计算青藏高原内部应变率场。GPS观测速度场不仅显示了南东东-北西西向的地壳拉张过程,也揭示了青藏高原内部更加重要的地壳减薄过程。结果显示,青藏高原北部和南部的垂向应变率(减薄应变率)分别为(8.9±0.8)nanostrain/a和(7.4±1.2)nanostrain/a,青藏高原西南部的垂向应变率为(12.0±3.2)nanostrain/a,表明青藏高原内部大尺度范围应变率测量结果的一致性。并且青藏高原内部的拉张应变率观测也相当一致,青藏高原北部,沿着N114±1°E主应变方向的拉张应变率为(21.9±0.4)nanostrain/a;高原南部沿着N93±1°E主应变方向的拉张应变率为(16.9±0.2)nanostrain/a;高原西南部沿着N74±3°E主应变方向的拉张应变率为(22.2±1.8)nanostrain/a。如果地壳减薄开始于10~15 Ma,并且现今观测得到应变率适用于整个时间跨度,那么地壳累积减薄5.5~8.5km。应用Airy地壳均衡理论,青藏高原的平均高程将下降~1km。青藏高原北部、南部和西南部相似的垂向应变速率也表明,在3个区域的地壳拉张、正断裂运动和地壳减薄过程由相同的物理机制所支配。综合上述两部分研究成果,发现青藏高原现今垂向运动在高原内部和边缘地区存在很大差别。高原内部地区正在经历地壳减薄,而高原边缘地区正在经历不同程度的增厚与隆升。青藏高原北缘地区的垂向应变率约5~20nanostrain/a,如果考虑重力均衡作用,对应的垂向隆升速率在0.04~0.14mm/a左右。但是,对于局部地区如北阿尔金块体,其底部受到塔里木盆地南缘下插挠曲板块的支持,在没有重力均衡情况下,垂向隆升速率可能达到1mm/a。喜马拉雅地区呈现不同水平的垂向形变,垂向应变强烈(约10~80nanostrain/a),山脉底部受到印度下插板片的支持,无法通过重力均衡假定由垂向应变率估计隆升速率。但由GPS与水准数据约束的俯冲板片模型推测山脉隆升速率达到约7mm/a。而对于祁连山地区,GPS应变率推测得到垂向应变率约20~40nanostrain/a,应用地壳均衡理论,平均隆升速率为0.15~0.3mm/a;而由于逆冲推覆构造与褶皱变形带的存在,中下地壳有可能仍存在弹性变形,不能实现完全重力均衡,实际隆升速率有可能高于这一估计。本文研究给出青藏高原不同地区三维形变场与形变速率的定量估计,是对连续形变与地壳增厚形变模型的重要修正。结果并不支持块体运动与东向逃逸模型,并认为高原南北双向俯冲模型中的塔里木块体南向俯冲几乎不存在。     

青藏高原东北缘近期重力与地壳形变综合分析与研究

利用青藏高原东北缘2011—2014年期间的流动重力与GPS观测资料和1970—2011年水准观测获得的垂直运动背景场资料,结合区域地质构造动力环境和区内发生的强震事件,系统分析了区域重力场变化、地壳三维形变与区域构造环境和强震活动的关系,进一步研究和探讨了区域重力场变化与区域三维地壳运动的时空分布特征及其机理。结果表明:1)测区内重力场变化与GPS观测反映的水平运动和水准观测反映的垂直运动在空间上关系密切,地壳形变总体表现为沿水平运动的方向重力增加,高原山地挤压隆升,地面重力减少;断陷盆地相对伸展下沉,地面重力增加,反映了新构造活动的继承性。2)地壳形变场变化与活动断裂密切相关,重力变化和垂直形变等值线走向总体上与呈NWW向的祁连-海原断裂走向基本一致,水平形变也在祁连-海原断裂附近产生明显的左旋走滑运动。3)强震易发生在具有显著重力变化的活动断裂带上,也易发生在沿活动性断裂的断块垂直差异运动强烈或兼有强走滑运动的地方。2016年门源震中附近区域地壳受挤压变形显著、面压缩率和重力剧烈变化的特征最为显著。2013年岷县漳县6.6级地震发生在重力变化高梯度带拐弯的地区,也是面压缩率变化过渡带和垂直形变过渡带地区。4)文中第一作者等曾基于该区地壳形变资料在岷县、门源地震前做过一定程度的中期预测,尤其是地点预测。基于上述认识,进而强调在研究区形成的一些地壳形变异常部位可能仍存在中长期强震/大震危险背景。     

汶川8.0级地震前区域地壳运动与应变场动态特征

利用中国地壳运动观测网络GPS资料, 通过获取水平相对运动、 水平应变场分布变化等, 研究了汶川8.0级地震前的区域水平运动与应变率场变化, 以及大尺度地壳运动动态特征等。 研究结果表明, 发生汶川8.0级地震的龙门山断裂带, 由于受到其西侧巴颜喀拉地块向东运动的构造动力作用, 处于缓慢的应变积累状态。 在汶川地震前龙门山断裂带相对华南地块的差异运动小于GPS观测误差。 川滇地区应变场图像显示2004-2007年面应变率负值最高区出现在汶川8.0级地震震中区及其附近, 可能反应了局部挤压增强。 GPS基准站资料反映的大尺度北东向地壳缩短的相对运动增强, 也形成了促进龙门山断裂带发生大破裂的区域构造动力增强的背景条件。     

利用GPS和水文负载模型研究云南地区垂向季节性波动变化和构造变形

去除GPS垂向位移中水文负载引起的非构造形变是获取云南地区地壳构造运动垂向成分的必要过程.本文利用云南地区在2011年1月—2020年9月间观测的27个GPS连续站数据和0.5°×0.5°的格网全球地表流量模型(Land Surface Discharge Model,LSDM)得到的水文负载形变数据,详细分析了 GPS垂向位移与LSDM形变的定量关系和变化特点,并使用小波分析来研究两者在时频空间下的周期特性,研究结果表明:27个连续站的GPS垂向位移和LSDM形变的平均相关系数为0.59,若从GPS垂向位移中去除LSDM形变,可使均方根(Root Mean Squares,RMS)减少量平均为17.13％.小波分析结果表明,大部分连续站的GPS垂向位移与LSDM形变的年周期变化是物理相关的,水文负载形变是引起GPS年周期变化的主要原因,部分连续站(YNWS,KMIN,YNMZ,YNHZ,YNML,YNTH,YNDC和YNJP)的GPS年周期变化是其他因素(如其他地球物理因素、LSDM模型误差)和水文负载形变共同作用导致的.对于异常的YNGM连续站,地下水的变化、LSDM和GPS解算的系统误差可能是造成GPS垂向位移与LSDM形变相关性和一致性较差的主要原因.使用水文负载模型和共模误差对GPS垂向位移中非构造形变改正后,2011-2020年云南地区垂向速度场显示滇西南块体主要以0.01～1.9 mm·a-1的速率沉降,川滇块体南部主要以0.13～2 mm·a-1速率抬升.     

层状饱和场地中圆柱形基础的阻抗函数

本文利用间接边界元法,建立层状饱和场地中三维土-基础动力相互作用模型,研究了孔隙中流体的存在、场地动力特性和圆柱形基础的高度对基础阻抗函数的影响。数值结果表明,孔隙中流体的存在对基础阻抗函数有明显的影响,尤其是水平和竖向分量;场地动力特性也对基础阻抗函数有明显的影响,层状饱和场地中阻抗函数围绕相应均匀半空间结果振荡,且基岩与土层刚度比越大或土层厚度越小,振荡的幅度越大,土层厚度越小,振荡的周期越小;另外,基础高度也对阻抗函数有明显的影响,随基础高度增大,阻抗函数逐渐增大。     

橡胶砂垫层在不同类别场地上的减震效应研究

橡胶砂(RSM)垫层减震是一种适用于低层房屋的低成本减震方法,关于场地类别对其减震效应影响的研究尚未开展。采用简化的层间剪切模型模拟减震垫层-上部结构动力相互作用体系,建立了RSM垫层"减震地基"分析模型。针对30%配比的橡胶砂,考虑3种垫层厚度200 mm/300 mm/500 mm、4种基底压力50 kPa～300 kPa,基于对取自于不同场地类别的195条地震波的刚性地基反应谱和RSM垫层"减震地基"反应谱的分析对比,得到以下结论:(1)RSM垫层的减震效应受场地类别的影响,场地卓越周期越短,减震效应越好;(2)RSM垫层厚度越大,减震效应越好,但当垫层厚度达到500 mm时,减震性能鲁棒性变差,且这种鲁棒性的劣化与场地类别无关;(3)各种场地类别地震波作用下,RSM垫层减震效应均随输入地震加速度和基底应力的增大而增加,但随着前者的增加,后者的影响减小。     

天津前兆台网映震效能评价

依据2002-2011年天津年度地震趋势研究报告,统计了天津前兆台网观测项目的前兆异常情况.并以首都圈地区ML4.0以上地震和华北地区Ms5.0以上地震作为震例,从总体映震能力、观测项目的映震比例、有震异常比例、前兆台网映震的方向性、各前兆学科的映震能力等方面,对天津地区前兆台网的映震情况进行深入分析.最后,对天津前兆台网现阶段存在的问题进行讨论.     

MPLS VPN高速区域网络在天津地震监测系统中的应用.

天津市地震局在“十五”及“十一五”期间,利用MPLS VPN技术,建成了全国最快的区域级地震通信网络系统,实现了54个节点的高带宽互联.本文详细阐述了MPLS VPN技术在天津地震监测系统中的建设与应用情况,以期为今后更好的服务于地震行业提供参考.     

京津唐地电台网的地震监测能力

在前几年清理攻关的基础上，通过对华北地区1969年以来15次5级以上地城肖净异常的分析，探讨了京津唐地电台网的地震监测能力，为今后的日常震情监视提供了依据。     

砂土液化标贯判别法在天津地区适用性分析

针对天津地区典型的饱和粉土液化判别现状以及抗震设防标准大幅调整的情况,进行标贯判别法的适用性分析。通过收集大量工程钻孔数据,结合唐山地震震后调查研究结果,对比分析国内三种规范标贯法的液化判别效果;并结合Seed简化法对明显液化区、非液化区数据进行液化回判成功率对比。研究结果表明,在Ⅶ度(0.15g)和Ⅷ度(0.20g)条件下,现行《建筑抗震设计规范》(2010版)法在天津地区液化判别的安全度最高,在液化区的判定成功率最高,但在非液化区的误判率也很高,且判定的液化程度等级与实际液化情况相比明显偏重;地标《岩土工程勘察规范》法在液化区的判定成功率较高,与现行抗规2010版接近,但对非液化区的误判率降低比较明显,判定液化程度等级与实际情况吻合性较好,既保证了安全度,又体现出了一定的经济性,对天津地区粉土液化的适用性更好。     

模拟前兆数据报文自动处理程序

天津市地震局震情值班室以五位电报码报文格式向国家地震前兆台网中心报送模拟前兆数据,并与河北省地震局、山东省地震局交换数据。《模拟前兆数据报文自动处理程序》从局域网FTP服务器中自动下载台站(地办)模拟前兆文件到本地计算机,从中读取数据,按照五位电报码的编码要求生成3个报文文件,确认无误后向相关单位报送。     

“十五”天津市地震前兆台网运行管理软件的研制

在中国地震局“三结合”课题的资助下,研制了基于“十五”前兆数据库的天津市地震前兆台网运行管理软件,从需求分析、功能实现、技术路线、运行环境和软件应用等5个方面进行了介绍。该软件的应用,解决了实际问题,提高了工作效率,初步实现了“十五”日常工作的综合管理。     

Modeling study of regional severe hazes over mid-eastern China in January 2013 and its implications on pollution prevention and control

The Nested Air Quality Prediction Model System(NAQPMS)was used to investigate the temporal and spatial variations of PM2.5over tropospheric central eastern China in January 2013.The impact of regional transport and its implications on pollution prevention and control were also examined.Comparison between simulated and observed PM2.5showed NAQPMS was able to reproduce the evolution of PM2.5during heavy haze episodes.The results indicated that regional transport of PM2.5played an important role in regional haze episodes in the city cluster including Hebei,Beijing and Tianjin(HBT).The cross-city clusters transport outside HBT and transport among cities inside HBT contributed 20%–35%and 26%–35%of PM2.5as compared with local emission,in HBT respectively.To meet the Air Quality Standards for Grade II,90%,90%and65%of emissions would have to be cut down in Hebei,Tianjin and Beijing,if non-control strategy was taken in the surrounding city clusters of HBT.This implicated that control of emissions in one city cluster is not sufficient to reduce regional haze events,and joint efforts among city clusters are essential.Besides regional transports,two-way feedback between boundary-layer evolution and PM2.5also significantly contributed to the formation of heavy hazes,which contributed 30%of monthly average PM2.5concentration in HBT.     

2008年3月11日河北卢龙3.9级地震预测过程

总结了2008年3月11日河北卢龙MS3.9地震的前兆异常特征、异常分析的过程及预测实践,结果表明:伸缩应变可能对发震的方向具有一定指示意义;多学科综合运用,对准确预报天津及附近地区地震三要素具有重要意义。