利用重力数据反演中国东海海域莫霍面深度

莫霍面是地壳与上地幔的分界面,莫霍面的研究有助于认识地球深部构造及演化。在以往的研究中,由于重力反演方法、使用资料不同,中国东海海域莫霍面深度反演结果有较大不确定性。通过收集中国东海海域高精度地形和自由空气重力异常数据,计算了布格重力异常并分析了其构造特征。提取了中国福建省大田至中国台湾省花莲剖面和中国东海陆架盆地至菲律宾海盆剖面的重力异常数据,采用人机交互正演、反演拟合技术得到了这两条剖面的地壳密度与莫霍面深度。通过向上延拓的方法提取了莫霍面所引起的重力异常,在两条剖面反演结果和地震探测结果的约束下进行Parker-Oldenburg界面反演,得到了该地区的莫霍面深度。反演结果显示,中国东海海域莫霍面深度的变化范围为-34.4~-8.8 km,其结构呈两凹两凸的特征。     

马尼希基海底高原重力均衡及其构造意义研究

采用三维导纳分析技术,联合海底地形和重力异常数据,对马尼希基海底高原重力均衡状况进行了分析研究,并结合地震学等研究成果,分析其构造意义。马尼希基海底高原海底地形与重力异常相干性在长波部分(大于100km)相对较小,说明高原地壳底部存在低密度异常,并且,根据Airy均衡分析,这种低密度异常并非完全由洋壳对海底地形的均衡调整引起,推测高原地壳底部存在由岩浆"板垫作用"(crustal underplating)形成的低密度异常体,即"底部载荷"。马尼希基海底高原短波海底地形符合Airy均衡,据此分析获得高原地区洋壳厚度为22.7km,与地震研究结果一致。岩石圈挠曲均衡分析表明,马尼希基海底高原岩石圈有效弹性厚度为2.5~5.5km,较优拟合值为3.5km,可能意味着高原形成时岩石圈年龄较小。根据顾及底部载荷的挠曲均衡模型进行分析,定量计算了底部载荷规模,约为地形载荷的30%,其体积约为9.3×105km3,平均深度为18km,是整个高原洋壳的重要组成部分,表明洋壳底部板垫作用在马尼希基海底高原形成和演化过程中产生过重要影响。     

球近似艾黎-海斯卡宁均衡模型分析

针对传统的均衡重力异常方式基于平面近似,积分范围较小、计算公式的适用性受限、表征的信息量有限的问题,该文在球坐标下分析艾黎-海斯卡宁(Airy-Hesikanen)均衡模型。以计算点向径为半径,将地形分为布格球壳和粗糙地形两部分,计算其地形影响和均衡改正。在实验区,选用补偿深度21km、密度差0.678g/cm3的模型参数,采用该文公式和传统公式计算均衡重力异常,并比较分析其计算值。结果表明,以球近似Airy-Hesikanen均衡模型计算均衡重力异常值,在小积分范围以及平坦地区,与传统公式计算值的精度相当;但随着积分半径增加,球近似Airy-Hesikanen均衡模型计算值精度不断提高、变化更平缓,说明球近似AiryHesikanen均衡模型代替平面近似Airy-Hesikanen均衡模型应用于重力问题研究更为符合地球实际情况。     

CRUST 2.0模型在均衡位模型构建中的应用研究

基于均衡理论构制地球重力场模型中一个关键问题是扰动质量的确定,不同的地壳密度分布将得到不同的扰动质量。本文立足于面凝聚模型和Airy模型两种均衡补偿机制,研究了CRUST 2.0全球地壳模型在构制高分辨率地球重力场模型中的应用,推导了顾及地球物理信息的两种均衡重力场模型构建公式,分别讨论了CRUST 2.0模型和补偿深度在两种补偿机制中构建重力场模型的贡献。数值分析表明,地壳模型中Moho面深度的算术平均值22.97 km不是最佳补偿深度,而40 km相对最优,补偿深度的对模型超高阶部分影响较小;CRUST 2.0模型能够在361-1080频段内较好地改善原模型;相同补偿深度的面凝聚模型和Airy模型在不同频段的优劣性不一致。     

全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型

利用岩石圈挠曲均衡原理,联合海底地形模型和测高重力异常数据,采用滑动窗口导纳技术（moving window admittance technique,MWAT）计算了全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型。结果表明,海洋岩石圈有效弹性厚度总体较小,10 km以下区域约占70%,15 km以下约占85.4%,均值和标准差分别约为10 km和6.7 km。岩石圈有效弹性厚度20 km以上的区域主要位于海沟外隆地区,洋中脊岩石圈有效弹性厚度一般小于5 km;被动大陆边缘,如澳洲大陆南缘,岩石圈有效弹性厚度一般也较小;太平洋的海山密集分布地区,岩石圈有效弹性厚度一般为10~20 km。     

基于Airy-Hesikannen均衡模型的莫霍面反演

本文主要针对利用Airy -Hesikannen均衡假说构制不同地形区域包括平原、丘陵、和小、中、大、特大山区以及高原地区的重力异常时 ,其均衡模型参数 -地壳正常厚度在任何地区均不变而导致的均衡归算精度不高的缺陷 ,推导了基于Airy -Hesikannen均衡模型反演莫霍面的公式 ,并进行了相应的数值检验 ,根据此公式可统计出不同地形区域的均衡模型参数 ,以期提高均衡异常的计算精度     

利用空间大地测量观测数据研究北美陆地水储量变化

根据冰川均衡调整(GIA)重力和垂直位移理论线性比值,联合利用GPS和卫星重力等空间大地测量数据估算了北美陆地水储量变化,并基于观测数据和理论比值的误差给出了所得结果的误差,避免了使用GIA模型引入的巨大误差。研究结果具有更高的空间分辨率;2003年1月至2011年3月期间,北美五大湖以西陆地水储量存在明显的增加趋势,速率为33±10 km3/yr;而五大湖以东地区的陆地水储量则基本处于平衡状态;研究结果与水文模型WGHM较为一致,相关系数达到57%,而与GLDAS模型的相关性较小。     

采用重力异常的导纳理论推估海底地形

系统探讨了采用重力异常的导纳理论推估海底地形的方法。在频率域内对海底地形和重力异常的相关性进行了分析,确定在20~300 km波段内两者相关系数最高,适合通过重力异常反演。以皇帝海山链为例,分别采用未补偿导纳模型和顾及挠曲补偿的导纳模型开展研究,其中涉及的地壳厚度和有效弹性厚度等参数通过均衡响应函数法得到。引入余弦低通滤波器,有效地解决了向下延拓过程中产生的高频震荡问题。算例结果表明,采用重力异常的导纳理论能够有效地反演海底地形,结果真实可靠,反演模型的相对精度在6%左右,与ETOPO1模型相当,且能够刻画出ETOPO1模型中未显现的地形细节。由于地形变化剧烈,反演模型在海山链沿线附近精度不甚理想。     

利用多源重力观测数据反演渤海湾地区构造应力场

以最小二乘配置为基础,推导了基于观测信号的自适应融合算法。对渤海湾地区航空重力、陆地重力和卫星测高3类实测数据进行了基于观测信号的自适应融合处理,提高了融合区域重力观测数据精度。采用融合后的重力异常数据反演了渤海湾地区构造应力场,并结合地震历史资料进行初步分析,总结了该地区构造应力场的总体特征。反演结果表明,渤海湾地区构造应力场方向整体上呈现朝北方向,构造应力场清晰显现出郯庐断裂带和张家口-蓬莱断裂带分布,并且在郯庐和张家口-蓬莱断裂带唐山至张家口段构造应力聚集程度高、构造应力值也较大,表明该地区构造运动活跃,与该地区地震活动历史资料相符。     

基于重力的莫霍面反演方法比较

详细回顾了基于重力方法反演Moho面的地壳均衡理论(包括普拉特-海福特模型、艾黎-海斯卡涅模型、维宁曼尼斯区域模型3种经典模型)、Vening Meinesz-Moritz (VMM)反演理论、Parker-Oldenburg(P-O)反演理论、Parker-Oldenburg扩展反演理论、直接法反演理论等算法的研究现状,并阐述了各种算法之间的区别和联系。同时,详细论述了地壳均衡理论与Moho面反演之间的区别和联系。重点剖析了重力反演Moho面算法的优点和局限性,为高精度、高分辨率反演Moho面深度提供了理论指导。最后对重力反演Moho面方法进行了展望,并提出了新的解决方案。     

唐山7.8级地震三维地表形变和断层运动特征

通过系统收集整理1976年唐山7.8级地震前后区域水准和边角网观测资料,在研究发展动态平差程序的基础上,解算得到了唐山地震震前和同震三维形变定量结果与误差分布,并反演得到了断层面同震滑动分布。结果显示,震前阶段丰润-唐山-唐海-昌黎-迁安一带整体隆升,隆升高值区位于唐山附近,震中区的水平形变量不大,唐山菱形地块相对于周围地块逆时针扭转;同震阶段唐山断裂以右旋错动为主,并呈现西升东降的垂向变形特征;反演结果表明多段断层参与了唐山7.8级地震的应变释放,主震发震断层的南段破裂主要发生在深度约6~18 km、长轴约50 km范围,北段破裂主要发生在深度约7~17 km、长轴约30 km范围,滦县地震断层也发生了少量滑动;主震断层最大水平位错为7.82 m、最大垂直位错为2.04 m,等效震级为Mw 7.58。挖掘得到的唐山震前和同震三维形变场定量结果为深入研究该地震的孕育发生机制及地震影响提供了珍贵资料。     

应用全张量重力梯度组合识别并提取中国南海断裂

断裂构造研究是重力解释的一项重要工作,与构造单元划分密切相关。全张量重力梯度数据以其信息量大、含有更高频的信号成分,能更好地描述小的异常特征等优点在地球物理领域中得到广泛应用。基于全张量重力梯度组合研究中国南海断裂识别及提取方法。首先,比较多种重力梯度边界识别方法,包括直接利用重力梯度三分量法和全张量梯度组合法,分析它们的优缺点。通过对比分析,传统重力梯度三分量方法不能有效地均衡深浅异常的振幅,当异常中同时出现正负异常可能产生假的边界结果。全张量重力梯度组合法不仅可以有效地避免传统方法的缺陷,而且获得的边界还具有良好的连续性和收敛性。其次,利用改进的边缘检测计算理论边界提取法确定断裂的精确平面位置,得到了与全张量梯度组合法一致的结果。由此推断,南海断裂以北东走向和北西走向为主,北东东、北西、东西和近南北走向为辅。     

基于多源SAR数据的2022年门源Ms 6.9地震同震破裂模型反演研究

2022年1月8日青海省海北州门源县发生Ms 6.9地震,震中位于青藏高原东北缘祁连-海原断裂中段,属历史地震空区,基于多源合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）遥感数据研究该地震的破裂模式对理解青藏高原东北缘构造变形机制、应变释放过程以及地震危险性评估具有重要意义。首先利用Sentinel-1数据和合成孔径雷达差分干涉测量（differential interferometry synthetic aperture radar,D-InSAR）技术获取了门源地震的同震形变场,视线（line of sight,LOS）向形变场显示此次地震造成了约20 km长的地表破裂,最大形变约0.75 m;然后基于Sentinel-2卫星数据,利用光学影像配准和相关技术获取了本次地震的东西向同震形变场,最大同震位移达2.5 m;最后基于均匀弹性半无限位错模型,以LOS向形变场为约束反演了断层的滑动分布模型。结果显示,门源地震是一次典型的左旋走滑型地震,地震破裂主要集中在0~10 km深度范围,最大滑动量3.25 m,滑动角10.44°,对应深度4.89 km;反演给出的矩震量为1.07×1019 N·m,对应矩震级Mw 6.6。结合野外考察和地质资料,初步判定发震断裂为冷龙岭断裂,并引起托莱山断裂发生同震滑动。同震库仑应力结果显示,冷龙岭断裂东段和托莱山断裂西段应力状态为加载,未来具有发生强震的风险。     

多尺度源网重力与重力梯度联合聚焦反演

在重力聚焦反演基础上提出多尺度源网聚焦反演算法.首先,对源网进行粗网格剖分,用共轭梯度法求解粗网格源网模型的聚焦解,直到拟合差下降至设定的数值;然后,将粗网格得到的密度映射到细网格;最后,以细网格模型为初始模型,进一步迭代直到拟合差下降至符合反演要求.模型试验结果显示,相比于固定源网反演,多尺度源网聚焦反演迭代的总耗时...     

武汉九峰地震台重力变化与地壳垂直形变分析

长期的重力变化和地壳形变观测是研究地下物质运动的重要手段。基于武汉九峰地震台2013—2020年的绝对重力和全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）观测数据,计算了长期的重力与地壳垂直形变的变化趋势,并以1年、2年和3年的时间间隔分段,进行线性趋势拟合,分别获得不同时间段的绝对重力年变化率、地壳垂直形变速率以及对应的比值。研究结果表明,武汉九峰地震台长期的重力年变化率为0.479 9 μGal/a,地壳垂直形变速率为-1.2 mm/a, 两者的比值为-0.399 9 μGal/mm,与理论值存在一定的偏差,可能与该区域的地下水活动有关。将不同时间段的重力变化与地壳垂直形变的数据展布在一张图中,发现数据点离散分布在不同区域,由此可初步判断地下物质运动过程,为区域动力学机制解释提供参考。     

福建省重力台网对米娜台风激发的微震信号源定位

利用重力台网进行台风激发信号的源区定位研究不仅有助于提高台风监测能力,而且可从台风激发信号中区分出震前与震源有关的信号,促进地震预测研究。以2019年第18号台风米娜(MITAG)为研究对象,基于福建省重力台网观测的1 Hz采样的固体潮观测数据,利用噪声互相关函数的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)和归一化噪声能量流方法分析数据质量和微震源区方位,使用SNR≥25的Rayleigh波互相关信号走时作为定位数据,进行台风4个时段的定位研究。结果表明,在MITAG台风靠近中国大陆的过程中,定位区域能够覆盖台风中心所在位置;地震背景噪声能量辐射模型的微震垂直位移极值区域也和台风靠近中国大陆过程时段一致;通过人工剔除高速波群的互相关信号后,定位区域也能覆盖到转向远离大陆过程时段的台风轨迹。福建省重力台网对台风的追踪提供一类新的数据和方法。     

利用残差地形模型空域法精化局部地球重力场

陆地高分辨率重力数据是超高阶重力场模型及其应用研究的基础,但现有的观测技术和手段限制了陆地重力测量的覆盖区域,全球仍有大量的重力测量空白地区.采用残差地形模型空域法,利用高通滤波技术提取航天飞机雷达地形测绘任务(shuttle radar topography mission,SRTM)分辨率3"×3"的V4.1数据短...     

InSAR数据约束下2016年和2022年青海门源地震震源参数及其滑动分布

中国青海省门源县于2016年和2022年分别发生了Mw 5.9和Mw 6.7地震,相距不足40 km。利用欧洲空间局Sentinel-1A升降轨雷达影像,采用合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)技术分别获取两次地震的同震地表形变场,进而利用弹性半空间的位错模型确定上述事件的震源参数,基于分布式滑动模型反演确定两次地震断层面上的滑动分布,并探讨2016年门源地震对2022年门源地震的发震影响及触发机制。结果表明,2016年门源地震为逆冲型地震,并未破裂到地表,升、降轨同震形变场沿视线向的最大形变量分别为6.7 cm和7.0 cm,断层的最大滑动量为0.53 m,主要集中在地下4~12 km区域滑动。2022年门源地震同震形变场沿NWW-SEE向破裂,降轨影像最大视线向地表形变量为78 cm,断层的最大滑动值达到3.5 m,处于地下4 km左右,断层滑动分布模型揭示此次地震为左旋走滑型地震;结合冷龙岭断裂的运动性质和几何特征,可初步判定发震断层主要为冷龙岭断裂的西段、且极有可能破裂到了其西北端西侧的托莱山断裂。静态库仑应力触发关系显示,2016年门源地震对2022年门源地震的发生有一定的促进作用。     

2022年汤加火山喷发对中国大陆地应变观测的影响分析

2022年1月15日汤加火山剧烈喷发产生了波及全球的大气重力波,距离火山8 736~12 758 km的中国大陆所有地应变观测站清晰记录到由此产生的短时地表应变变化。应用小波分析方法系统分析了中国近200个地应变观测站记录数据的时空响应与频率特征,主要表现为:由大气重力波激发的短时地表应变变化的持续时间约为1.5 h,其中能量最强的变化集中在前40 min,面应变平均变幅约为186×10-10,呈现出单脉冲起伏状变化,形态具有很强的一致性,具备兰姆波传播属性;短时地表应变变化的平均传播速度约为310 m/s,与大气重力波传播速度基本一致。部分观测站还记录到绕地球一圈后再次到达的大气重力波对地表的作用。这是首次通过大范围布设的高精度地应变观测仪记录到大气重力波作用于地表的痕迹,有助于认识地壳运动和大气圈层相互影响的机制。