利用GPS与GRACE监测陆地水负荷导致的季节性水平形变：以喜马拉雅山地区为例

地表陆地水负荷变化是引起重力场和地壳形变呈现季节性特征的主要因素,并且能够利用地表及空间大地测量技术对其进行有效的监测.本文通过对质量负荷形变效应的理论模拟,描述了水平分量的形变指向以及垂直与水平分量的幅值比可以提高对负荷区域的辨别程度,并且联合GPS坐标时间序列及GRACE模型对喜马拉雅山地区的季节性负荷形变进行了详细对比分析,研究结果显示两者垂直分量的季节性变化具有较好的一致性,且GPS周年项幅值要大于GRACE.而由GRACE解算得到的水平分量结果表明该地区季节性形变主要受东南亚及印度东北部地区的陆地水负荷控制,位于喜马拉雅山地区多数GPS台站的垂直分量及北向分量的初相位与GRACE模型解算结果相近,而部分GPS台站的东向分量与GRACE模型存在明显不同,由此导致GPS与GRACE监测到的形变指向存在差异.通过对GRACE估算精度以及GPS垂直与水平分量幅值比的深入分析,发现GPS对局部周边地区的河流、谷地及农田灌溉等负荷变化造成的形变效应较为敏感,而GRACE由于截断阶次及平滑滤波等影响因素,不仅造成在水平分量上的分辨率远低于垂直分量,而且整体估算精度要低于GPS观测得到的形变信息.     

中国大陆非构造负荷地壳形变的区域性特征与改正模型

自20世纪90年代初以来,GPS空间大地测量学的迅速发展和全面应用,为全球范围各种规模尺度的地壳运动和构造形变观测提供了革命性的手段,使高精度、大范围、全天候、低成本的大地测量变成了现实。为及时把握GPS空间对地观测技术为防震减灾应用带来的机遇,我国先后于1997-2000年和2007-2012年实施了国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”和“中国大陆构造环境监测网络”,在中国大陆及周边建立了由260个连续GPS观测站和2056个非连续GPS观测站构成的高精度、高密度观测网络,为精细而定量地研究中国大陆不同构造区域的现今地壳运动方式和构造形变演化态势提供了至关重要的基础平台。     

川滇地区活动地块现今地壳形变特征

利用川滇地区1998～2002年间200多GPS点位的多期复测结果, 将川滇地区分为9个次级活动块体, 计算了各个活动块体的欧拉旋转矢量和主要活动断裂的运动速度, 并分析了该地区的应变场特征. 结果表明, 川滇地区的地壳运动速度具有北强南弱、西强东弱、以菱形块体为主顺时针旋转的特征; 菱形块体外各个块体运动速度大幅衰减; 与地质结果的差异表明, 川滇菱形块体的现今地壳运动由北往南逐渐增强; 青藏高原物质的侧东向挤出在滇中块体南部明显下降, 而丽江—小金河断裂带的吸收作用并不明显; 川滇地区以压应变为主,四川石棉和云南新平一带出现的应变集中地区也许具有发生中强地震的可能性.     

垂直形变趋势累计率在川滇地区的应用

本文在研究形变趋势累计率的基础之上,对数据处理方法进行了局部改进,将跨断层场地布设较多的川滇地区作为实验区,利用精密水准测量分析该地区的垂直形变异常强度,并结合川滇地区震例开展研究。分析发现强震发生前后一段时期,震中附近形变异常强度几乎保持一致,但在震前（1、2个月左右）会发生较大改变,震后逐步恢复到与震前相同的情况;强震主要发生在形变异常强度值变化较大区域附近。垂直形变趋势累计率在中短期的映震效果较好。     

动态地壳形变与川滇地区成组强震活动

初步分析了1982年以来川滇地块的地震,存在2组强震活动,即1988～1989年澜沧、巴塘、小金地震,1995～1996年孟连、武定、丽江地震.研究了川滇地区跨断层短水准、短基线、连续蠕变观测资料在这2组强震前中期-短期的形态异常和年速率动态异常.震前形变异常场地震数的比例在云南地区为0.33～0.42, 而四川地区较低.部分场地出现的异常时段有一定的同步性.文中对跨断层形变异常图像与成组强震关系作了初步的讨论.     

大震前后川滇地区地壳水平形变场的动态变化

川滇地区是我国地壳运动与变形最为突出的地区,最近几年先后发生了汶川和玉树大地震,因此,需探究地震前后地壳形变的动态变化.利用最新版本的GAMIT/GLOBK/QOCA软件对该地区近些年来几乎全部GPS资料进行处理,获得了汶川和玉树地震前后的水平运动,它们分别是1999-2007年和2009-2011年两个时段的结果.     

基于GPS结果的川滇地区地壳形变有限元数值模拟

依据川滇地区的主要活动构造,构建该地区现今地壳形变的有限元模型,以高精度的GPS速度场作为外部约束条件,以本研究区域内部主要断层的滑动特征作为内部约束条件,对川滇地区现今地壳变形进行数值模拟,得到该地区地壳运动的速度场和应力场。应力场模拟结果表明,在各断层交汇处,特别是甘孜—玉树和鲜水河断裂交汇处两侧、小江和红河断裂交汇处北侧、则木河和小江断裂交汇处应力集中现象明显。     

川滇交界东部地区汤家坪跨断层形变异常调查

2011年以来,四川宁南汤家坪场地出现加速变化重大异常,为此中国地震局组成异常落实工作组开展现场落实,现场调查研究表明：（1）汤家坪场地观测点跨过次级断层,从破碎带中出现的石林现象,其物质组成不是第四系地层,石林陡立变形,方向性较好,与次级断裂的走向一致,应为构造岩受到挤压后变形的结果;（2）汤家坪观测场地各观测点位是...     

利用GPS与环境负荷形变数据研究台风引起的垂向地表位移

台风造成的强降雨、低气压、海面高度变化均会引起地表的形变.本文利用中国大陆构造环境监测网（陆态网）7个GPS台站每日的垂向位移和环境负荷形变模型分析2018年9月10—26日台风"山竹"期间不同负荷引起的区域垂向地表形变.结果表明,台风期间大气负荷和非潮汐海洋负荷垂向形变最大分别达到5.1 mm和-9.2 mm.模型能较好地反映河流区域地表水文负荷变化造成的垂向形变,但不同模型之间存在系统偏差.由于缺少地下水等信息,模型反映负荷长期形变效应的效果不佳,且形变的量级明显小于GPS观测的结果.迅速增加的水文负荷使北海GPS站从开始下沉到最低点（-15.6 mm）5天的下沉量达到25.7 mm;珠海、广州GPS站均观测到河流汇水作用造成地表的二次下沉,且珠海站一周后才抬升到正常位置;湛江和北海GPS站能较好地反映河流水位变化,相关系数分别为-0.66和-0.50.研究结果表明,相比于形变模型,GPS能更有效地监测台风短期水文负荷形变,可为台风洪水等灾害监测与预报提供有用的信息.     

基于GNSS和定点形变观测分析日本Mw 9.0地震对黑龙江地区地壳形变的影响

结合GNSS和黑龙江地区定点形变观测,分析日本2011年3月11日Mw9.0地震对黑龙江地区地壳形变的影响.结果显示:日本Mw9.0地震引起哈尔滨站、绥阳站震后2年内运动速率明显增加(哈尔滨站增大4 mm/a,绥阳站速率增大6 mm/a);定点形变与GPS观测到的同震效应至少在4个台站多种仪器均具有较好的一致性;日本Mw 9.0地震不仅引起区域水平向应变变化,对垂直向也产生一定影响;长基线变化反映出日本Mw9.0地震引起的大空间尺度应变变化与黑龙江地区长期构造应力场背景一致,该地震对黑龙江地区地表应变积累可能有增强影响.     

汶川地震同震形变场对川滇地区主要活动断裂地震发生趋势的影响

以所建立的川滇地区主要活动块体及其周边断裂带的模型和前期利用GPS及水准资料反演所得到的断裂带长期运动速率作为基础,将汶川地震引起的同震错动量加入到三维断裂几何模型中,计算出汶川地震大范围的同震形变场,然后基于该同震形变场和活动断裂三维几何模型反演了各条断裂对该同震形变场的反映,并通过与各断裂带长期运动速率对比,得到了汶川地震对川滇地区各主要活动断裂带发震趋势的影响．结果表明,在汶川地震引起的同震形变场作用下,在川滇交界东部地区,龙门山断裂带南西段地震危险性提前了305a,鲜水河断裂带南东段大致提前了19a,安宁河断裂带和则木河断裂带分别提前了21a和12a,大凉山断裂带北段和南段分别提前了9.1a和18a,马边断裂带的地震危险性则提前了51a;对川滇交界西部的丽江——小金河断裂带南西段、怒江断裂带、龙陵——澜沧断裂带、南汀河断裂带、中甸断裂带等断裂带地震的能量积累也有促进作用;相反在鲜水河断裂带北西段、小江断裂带等历史地震频发的断裂带上,地震危险性具有一定的减速作用．      

利用GRACE卫星重力资料解算气候驱动的地表周年垂直形变

卫星重力和GPS测量技术可以监测地表流体(大气、海洋和陆地水)质量季节性迁移引起的地表周年形变;与陆地水等地表流体模型综合模拟的地表形变相比,卫星重力的形变监测结果避免了模型的精度不确定性带来的误差.本文利用前60阶GRACE卫星时变重力资料和“去相关”、组合滤波两类滤波方法分别解算了中国及邻区的地表季节性垂直形变,并与区内42个GPS台站上观测到的季节性信号进行了比较,发现采用“去相关”滤波方法处理后的结果优于采用组合滤波处理后的结果.文中采用“去相关”滤波方法,GRACE解算的周年垂直形变的振幅、相位和GPS结果总体上一致;少数站上GRACE和GPS得到的振幅或相位相差较大,主要因素可能与GPS解算策略、GPS观测资料的连续性或局部大气、水文过程等地球物理因素有关.在中国及邻区的陆地上GRACE解算的周年垂直形变的振幅最小值出现在TASH台站东南,约1×10-3 m;最大值出现在恒河—澜沧江流域,可达10×10-3 m.文中的结果证实了在中国及邻区可以用GRACE卫星重力这种新手段监测大尺度的地表周年垂直形变.     

川滇地区现今地壳形变及其与强震时空分布的相关性研究

本文通过分析80年代以来的川滇地区跨断层形变测量资料、区域垂直形变测量资料及部分大区域GPS测量资料，认为该时间域内川滇地区地壳形变处于相对弱状态，并直接导致了自1981年道孚6．9级地震后至今川滇地区6级以上地震基本上未沿主边界断裂展布，且具有准顺时针旋转迁移的分布特征。基于此，认为未来几年内川滇地区地震危险性预测研究的重点应是川滇地区中部。最后根据现今地壳形变测量资料和地震分布特征提出了川滇地区活动地块时段性划分的概念，并给出了初步的划分结果。     

基于CORS站网监测三峡地区陆地水负荷对地壳形变和重力变化的影响

三峡地区水资源丰富,加上三峡水库蓄放水的影响,水动力环境复杂,对该区域陆地水负荷变化影响的研究还比较薄弱.本文基于CORS站网,辅以少量重力台站数据,采用负荷形变和重力场球谐分析方法,研究了三峡地区陆地水负荷对地壳形变和重力变化的影响.本文研究发现：①基于CORS站网能够监测陆地水负荷引起的地壳形变和地面重力时空变化.②陆地水负荷对垂直形变的影响达厘米级,对水平形变的影响较小,对地面重力的影响可达数百微伽.③2011年1月至2015年6月陆地水负荷对垂直形变影响的年变化趋于平衡,对地面重力变化影响主要集中在三峡水库和重庆市附近.④基于CORS站网确定的三峡地区陆地水地壳垂直形变,与GRACE卫星重力成果在分布规律和趋势上具有较高的一致性,但在部分区域存在差异.本文研究成果可用于水动力环境监测与水资源保护利用,为高程基准和重力基准的动态维护提供支持.

     

由热带气旋MATTHEW引起的非潮汐负荷效应影响

热带气旋能在短期内造成海水和大气质量的重新分布,使得近海地表受力发生变化,进而产生非潮汐负荷形变,对现今高精度大地测量的影响已不容忽视.为了保证空间大地测量结果的精度和稳定性,热带气旋引起的地表形变必须进行有效的估计.因此本文联合NOS、GLOSS验潮站数据与海潮模型,通过获取非潮汐残余量分析了热带气旋"MATTHEW"引起的风暴潮.利用ECCO海洋环流模型、ERAin大气再分析模型、HUGO-m海洋动力学模型,分别估计了"MATTHEW"引起非潮汐海洋负荷、非潮汐大气负荷、动力学响应下非潮汐海洋负荷对地表位移的影响,结果表明热带气旋影响下的广大区域地表都不同程度受到非潮汐负荷的作用,最大位移分别达到-9.13 mm、3.31 mm、-6.11 mm,并且加入动力学响应的非潮汐海洋负荷要普遍大于IB（Inverted Barometer）响应下的结果.在对比不同位置站点所受负荷差异时,发现"大陆站"非潮汐海洋负荷形变普遍大于"岛屿站",而"岛屿站"更易受非潮汐大气负荷的影响.     

不同地球模型对负荷潮汐改正的影响

负荷潮汐改正与地壳上地幔结构有密切关系,主要原因是负荷潮汐取决于高阶勒夫数。利用较新的1066A地球模型,对负荷勒夫数进行了重新推算,并依据负荷勒夫数组成重力、倾斜、应变及位移格林函数。发现在近区用1066A模型和经典的G-B模型求出的格林函数值差别较大。据此,推估出不同地球模型对负荷潮汐改正的影响,其中远区估算按解析方法进行,近区由数值法进行。     

不同地球模型对负荷潮汐改正的影响

负荷潮汐改正与地壳上地幔结构有密切关系,主要原因是负荷潮汐取决于高阶勒夫数。利用较新的1066A地球模型,对负荷勒夫数进行了重新推算,并依据负荷勒夫数组成重力、倾斜、应变及位移格林函数。发现在近区用1066A模型和经典的G-B模型求出的格林函数值差别较大。据此,推估出不同地球模型对负荷潮汐改正的影响,其中远区估算按解析方法进行,近区由数值法进行。     

海潮负荷对沿海地区宽幅InSAR形变监测的影响

海岸带地区是全球自然生态环境最为复杂和脆弱的地域之一,合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术可以为全球人类活动、气候变暖和俯冲带剧烈构造运动等背景下的大范围海岸带地理环境变化研究提供重要观测资料.海洋潮汐导致固体地球长周期形变,波长尺度为10²~10³ km的海潮负荷引入mm级至cm级的形变梯度,此类非构造信号对海岸带InSAR精密形变分析（如：大范围、微小、缓慢且非稳态构造过程等）造成显著影响.本文以宽幅模式SAR数据为例,基于多种海潮模型研究了全球典型海岸带地区（福建、智利和阿拉斯加湾）海潮负荷效应对宽幅InSAR形变监测的影响,给出了宽幅InSAR海潮负荷三维分量估计与差分相位提取方法,并进一步讨论了基于不同海潮模型估计海潮负荷位移的差异.海潮负荷影响不仅与研究范围大小有关,其形变梯度变化与研究区域地形特征存在强相关,对于长波长形变分析而言,传统平面或者曲面拟合方法难以有效分离海潮负荷位移.

     

基于GNSS观测的阳江地区形变特征分析

地壳形变监测与分析是研究区域构造活动性的重要手段.利用阳江地区GNSS观测资料,系统分析了各GNSS站点速度场、站点间基线时间序列及区域应变率场的数据;根据获取的阳江地区现今地壳水平运动状态,综合研究了阳江地区地壳形变特征.结果表明:阳江地区各GNSS站点水平运动方向都为东南向,与华南块体运动方向一致;东北部站点运动速...