基于迭代PCA的GPS时间序列震后形变估计方法和应用

GPS时间序列的震后形变分析对于研究区域震后形变机制和岩石圈流变学特性以及维持国际动态地球参考框架具有重要意义.本文在现有参数估计方法的基础上,提出兼顾震后形变衰减特征空间相关性和整体建模的"迭代PCA参数估计方法",并利用模拟数据证实了新方法可以获取更稳健可靠的震后形变、同震形变和震间速度参数.最后,以37个新西兰GPS连续站坐标时间序列为例,利用迭代PCA方法提取了2016年11月13日Kaikoura地震共性的震后形变时间演化过程和各站点的震后形变,并定量分析了震后形变对地表速度的影响.结果表明各站的震后形变在时间域上以衰减常数τ为4天的对数模型持续松弛;空间域上南岛北东部和北岛最南部震后形变较大,其中,最大震后形变点为cmbl站,截至2017年6月10日NEU方向累计的震后形变分别达到107 mm,135 mm和187 mm,地表速度分别达到133.58 mm·a-1,112.05 mm·a-1和175.58 mm·a-1,仍高于稳定的震间速度.     

布尔莎模型在GPS时间序列融合中的应用

利用“中国地壳运动观测网络”基准网与全球IGS站的公共站点,采用布尔莎模型求取坐标转换7参数,将地壳观测网络工程基准站点位时间序列与全球解进行绑定.结果显示,转换得到的时间序列N、E向中误差约为2、3mm,与直接融合得到的时间序列的单天误差水平相当,转换得到的站间大地线误差大部分在6mm内,表明该转换方法是可行的.     

布尔莎模型在GPS时间序列融合中的应用

In this paper the method of combining the Bursa model to integrate several regional time series to derive a unified global time series is introduced in detail. Then, an example taken from CMONOC （ Crustal Movement Observation Network of China） is used to test if the combination method is feasible. The precision of the integrated time series with the combination method is below 2mm （North） , 3mm （East） , that is same as the results from the direct integration of the time series and the precision of the baseline is below 6mm, which proves that the combination method can be used to integrate several regional time series to derive a unified global time series.     

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.     

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.     

澳大利亚GPS坐标时间序列跨度对噪声模型建立的影响分析

坐标时间序列跨度对噪声模型建立存在较大影响。本文利用澳大利亚板块内10个连续GPS测站1998年1月至2009年7月的观测资料,采用4种策略分别以2.5年和递增的时间间隔,全面深入地分析了10个坐标时间序列的噪声特性变化,以及对应的速度及其不确定性的变化情况。通过分析10测站的噪声特性,发现采用假设白噪声加闪烁噪声组合的噪声模型与采用假设幂律过程的噪声模型具有等效性,其速度不确定性从时间跨度～9.5年开始趋于并且优于～0.2mm／a。同时,结果表明：采用长于9.5年的时间序列可以改善噪声对位置时间序列中速度以及不确定性的影响;并且在该区域不适合采用去除共模误差的空间滤波方法对时间序列进行处理;描述这些时间序列水平分量的最优随机模型为采用白噪声和闪烁噪声的组合。     

福建GPS台位移时间序列分析

使用福建GPS台网2004年3月到2006年9月的连续观测资料,经数据处理获得时间序列分析结果。初步估算了各测站的运动速率和定位精度,水平向在1.5~3.2 mm,垂直向在6.6~8.2 mm。选取区域相对水平位移变化量较小的5个台站组成的一组稳定点作为基准,讨论了各测点的相对运动速率及时空变化特征。从水平位移结果分析表明,现今福建地壳运动的趋势仍十分缓慢且整体较为平稳,与华南地块同中国大陆其他地区比较呈相对稳定相吻合。     

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.     

小波分析在GPS位移时间序列特征中的应用

使用福建GPS台网2004年3月—2008年10月的连续观测资料,对各基准地震站原始数据进行处理,得到位移时间序列,进行初步分析。在此基础上,采用小波分析方法提取时间序列的时频特征,从而得到非线性变化信息,为GPS在大地震前获取前兆资料提供探索方向,进而通过对位移时间序列异常变化与区域地壳运动关系的研究,探讨两者间的内在联系。     

Evaluation of micro-behavior of strain field in Chinese mainland with the GPS time series

Introduction In the last 20 years, with observation technique development in space monitoring to Earth, a large progress has been made in monitoring crustal movement. This makes it possible for us to study crustal movement and the present geodynamic. Continuous GPS observation conducted in Chinese mainland and its neighboring region provides us for studying the present strain field of crustal micro-behavior tectonic. Crustal micro-behavior tectonic means that we can study the dif-ference bet…     

Studying the viscosity of lower crust of Qinghai-Tibet Plateau according to post-seismic deformation

The viscosity of lower crust of Qinghai-Tibet Plateau on earth should be determined. It has become a predominant problem in quantitative research on geodynamics. Its order of magnitude will have a great influence on the results of quantitative modeling. To obtain the viscosity of lower crust of Qinghai-Tibet Plateau, this parameter was calculated by three methods. The first is based on the estimation on the temperature state of Qinghai-Tibet Plateau in the deep part, and the viscosity of lower crust of northern Plateau was recomputed with strain rate derived from rheology law and GPS observation. Effective viscosity of middle crust in Kunlun region is between 10²⁰ and 10²² Pa·s, and that of lower crust is between 10¹⁹ and 10²¹ Pa·s; the second is based on three kinds of rheological models used to fit the post-seismic deformation recorded by cross-over fault GPS sites set after M _s8.1 Kunlun earthquake in 2001. The viscosity of lower crust obtained by this method is of 10¹⁷ Pa·s order of magnitude. However, higher viscosity is required to fit the data of south fault better, and the lower one is required to fit the data of north fault better. The viscosity of lower crust, which was obtained by fitting the cross-over fault post-seismic deformation after M _s7.6 Luhuo earthquake in 1973, is of 10¹⁹ Pa·s order of magnitude. Non-linear relationship between effective viscosity and strain rate is ignored in the former research of effective viscosity. This research shows the difference of effective viscosity obtained from laboratory experiment, and shorter and longer time post-seismic deformation after large earthquakes can be explained in phase. Supported by National Basic Research Program of China (Grant No. 2004CB418405), National Natural Science Foundation of China (Grant No. 40774048), Important Direction Item of Knowledge Innovation Project of Chinese Academy of Sciences (Grant No. KZCX2-YW-123) and Basic Scientific Research Project of Earthquake (Grant No. 02076902-05)     

Time-space characteristics of viscoelastic post-seismic deformations corresponding to different rheology models

On a long time (> 1 a) scale, the viscoelastic properties of mantle media significantly affect post-seismic deformation. The stress field disturbance in viscoelastic medium caused by fault slip gradually relax, and the relaxation process and its temporal-spatial characteristics are determined by the viscoelastic model. In this paper, we assume that the mantle media are types of common linear rheological models, i.e., the Burgers body, the standard linear solid, and the Maxell body, and we calculate the dislocation Love number and Green function for a spherically symmetric, non-rotating, viscoelastic, and isotropic (SNRVEI) Earth model. The characteristics of the post-seismic relaxation deformations corresponding to the different models are compared. Our results show that for a short time period, the Burgers body and standard linear solid are similar; while for the long time period, the Burgers body and Maxwell body are similar. This suggests that the observations of post-seismic deformation on the surface have a great potential for the inversion of underground viscoelastic structures. However, the potential of using surface displacement to distinguish different rheological models is limited when the observation period is not long enough.