GNSS地壳异常形变信息探测理论与方法研究

地震、火山喷发等构造运动前后常伴随地壳的非线性运动,其状态异于板块和断层的长期运动趋势.其中,断层慢滑移等瞬态蠕滑事件虽然滑动速度慢,但能够释放巨大能量,对周边岩石的应力分布具有较强的调整作用.因此,慢滑移等地壳异常形变信息的探测和分析对探索断层滑动机制,评估区域地震危险性意义重大.自20世纪90年代以来,随着观测资料日渐丰富,GNSS以其高精度、高时空分辨率的特点在地壳形变监测、地球动力学研究等领域凸显了强大的优势.本文基于GNSS坐标时间序列,从噪声特征分析、小尺度时空滤波方法对比、共模误差提取、地壳异常信息探测和地壳形变特征分析等方面系统地研究了地壳异常形变信息的探测理论与方法.     

利用大地测量观测资料研究青藏高原三维地壳形变及地震危险性评估进展

青藏高原是一个理想而独特的地球科学天然实验场,青藏高原的地壳形变、物质逃逸模式及地震活动性等科学问题一直是地学界关注的重点。以全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)和合成孔径雷达干涉测量技术（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）为代表的空间大地测量技术因其时空分辨率高、覆盖范围广、观测精度高等特点,被应用于现今的地壳形变监测并在地震研究中起着十分重要的作用。首先,综述了青藏高原三维地壳形变研究进展情况,包括青藏高原地壳水平形变的GNSS研究、综合利用GNSS和水准观测资料的青藏高原地壳垂直形变研究、青藏高原InSAR区域形变研究和融合多源大地测量资料构建青藏高原三维形变场等。其次,结合青藏高原三维地壳形变资料介绍了青藏高原活动断裂地震危险性评估的研究进展,讨论了顾及地震应力扰动的概率性地震危险性评估过程以及大地测量观测在地震危险性评估中所起的作用。今后需要加强青藏高原GNSS监测空区的加密观测工作,综合GNSS和InSAR观测结果精化青藏高原的地壳运动与变形模式;开展断...     

利用GPS连续观测进行中国沿海验潮站地壳垂直形变分析

利用中国沿海GNSS(Global Navigation Satellite System)业务化观测系统2009~2013年的GPS连续观测数据,在统一基准下分析了中国沿海22个长期验潮站的地壳垂直形变。分析结果表明,各验潮站高程时间序列的周期变化与潮汐变化具有较高的关联性;22个验潮站的地壳垂直形变趋势既具有小区域一致性,又存在显著的海区差异;研究验潮站地壳垂直形变,可以有效消除验潮站地壳形变对区域海平面变化的影响,实现海平面变化量的准确提取。     

利用GNSS基线分析芦山Ms7.0级地震前后应变演变特征

利用中国地壳运动观测网络6个GNSS基准站2011~2014年的观测数据,解算了芦山Ms7.0级地震近场区域的GNSS基线长度变化时间序列。从投影后的平面基线出发,给出了由基线长度变化求解面应变的方法。利用基线线应变、基线所得的最大剪应变、最大面应变和第一、第二剪应变等5个物理量分析了地震前后地壳运动的动态演变过程。线应变序列结果显示,整体地壳形变表现为NW-SE向挤压,S-N向拉张状态,震前线应变异常并不明显,震后经过调整又恢复为原线性变化趋势,总的线应变仍在持续积累。面应变序列结果显示,震前出现了不同程度的非正常偏离,尤其出现了明显的闭锁状态和反向加速过程,整个变化曲线类似抛物线的弧形,与岩石力学形变理论相吻合。由第一剪应变的显著异常变化,推断发震断层南缘在这次地震活动中产生了强大的左旋剪切构造力。     

珠峰及周边地区强震影响垂直形变特征研究

2015年尼泊尔地震对珠穆朗玛峰高程的影响,近年一直受到全世界关注。2020年珠穆朗玛峰高程测量在珠穆朗玛峰及周边地区布设了高精度的全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)形变监测网,收集了1999—2020年跨喜马拉雅山脉的32个连续运行参考站(continuously operating reference stations, CORS)的GNSS连续观测数据。利用GNSS数据监测了珠穆朗玛峰周边地区地壳三维形变特征,定量获取了2015年尼泊尔强震对珠穆朗玛峰周边CORS同震位移,以及地震对区域地壳三维形变长期趋势的影响,特别是对该地区垂直形变的影响。研究结果表明,该区域地壳垂直形变由南至北跨喜马拉雅山脉呈明显的阶梯型分布特征;震后印度板块与欧亚板块存在加速汇聚趋势,导致震后地壳隆升速率同步增大。     

天津地区的水平形变特征

根据天津及周边地区GNSS连续观测站资料,在计算得到各站三维站坐标时间序列结果的基础上,文章分析了天津地区GNSS基线时间序列的变化情况和水平形变变化特征.结果显示,天津地区总体呈现压扭变化,不同地段存在差异.天津地区NE-SW向和NW-SE向GNSS基线的伸长和缩短变化呈北西向条带状相间分布.日本3·11地震使天津地壳出现近东西向拉张为主的活动,一定程度上释放消减了天津地区的挤压应变.     

地壳形变GPS监测数据的统计分析研究

地壳形变与地震孕育有非常密切的关系,地壳形变监测可为地震预报提供重要的数据依据。本文论述了地壳形变和地震孕育的相互关系,对中国地壳运动观测网络的建立进行说明,并采用统计软件SPSS对区域网的GPS点位变化数据进行了统计分析,采用箱图的形式表示数据分析的结果,得到了统计数据中一些奇异点数据,这些点位数据需要进一步研究和探讨。     

汶川地震震后GNSS形变分析

采用国际通用高精度数据处理软件对1999—2015年汶川地震震后龙门山断裂两侧分布的109个GNSS连续站和区域站资料进行数据处理与分析,得到各测站点水平向坐标时间序列。考虑2013年芦山地震同震位移影响,通过时间序列分析,获取震后该区域109个测站在2010—2015年间累计震后形变场,断裂带上盘靠近震中的近场区域,水平向最大震后位移达到5~7 cm。基于震后黏弹性松弛模型,通过格网搜索,根据3种不同破裂模型分别反演龙门山断裂上盘中上地壳最佳弹性层厚度估值与下地壳/上地幔黏弹性层最佳黏滞系数,获取3种不同破裂模型在2010—2015年间震后形变观测值与模拟值分布。根据模型二反演得到的模型参数,推估汶川地震在未来几十年内对周边区域地壳形变影响,其中仅2018—2058年40年尺度累计震后位移最大能达到19 cm。     

芦山地震前后川滇地区地壳水平形变特征研究

为获取芦山地震前后川滇地区地壳的形变特征,利用陆态网2009—2013年和2014—2016年两期全球卫星导航系统(GNSS)水平速度场资料分别计算并对比分析了地震发生前后主应变率场、最大剪应变率场、面膨胀率场及基线长度的变化情况。结果显示芦山地震之前龙门山断裂带主要以压缩应变为主,面压缩应变和最大剪应变均处于高值区,震后能量部分释放,压缩形变程度减弱,但其西南方向的安宁河断裂带和鲜水河断裂带南段出现明显的压缩应变高值区,同时南汀河断裂带附近也呈现较明显的压缩应变。岷江断裂带附近区域的压缩应变虽然减弱,但仍然没有改变它的应变状态,这可能促使了2017年九寨沟Ms7.0地震的发生。     

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。     

汶川地震孕育过程中变形场变化特征研究

揭示与地震孕育过程相关的变形场特征是判别地震孕育阶段及地震危险性的一个重要途径。收集汶川Ms 8.0地震震中区汶川台自2002年10月至汶川地震前的地倾斜观测数据,利用小波分析方法和分段拟合方法,提取了震前地倾斜变化的阶段性特征;利用2001年以来全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）站坐标日解数据,计算了震中附近的泸州GNSS站与周围GNSS站间基线,通过基线变化与区域地震的Benioff蠕变结果的对比,发现了二者的协同性特征。分析结果表明,2004年底汶川台地倾斜速率出现显著下降,西向倾斜速率由230 ms/a减少到130 ms/a;2007年初至发震前减少到60 ms/a;2007年底至发震前未出现指数型加速变化。广州-泸州GNSS基线在2005年初开始的加速缩短异常与Benioff蠕变亏损异常具有较高的相关性,相关系数为0.89;该基线加速缩短持续时间约2.5 a,对应地震的震级估计为7.9级,与汶川地震震级相当,反映了其与汶川地震的应变积累具有一定的相关性。2004年苏门答腊Ms 8.9地震的发生对川滇地区应力应变场影响较为显著,对汶川地震的孕育发生起到了加速作用。研究结果对于认识地壳形变观测的意义及创新地震预测思路具有参考价值。     

GNSS测站速度估计模型重建

获取准确的GNSS测站速度对于研究全球板块运动、地壳形变、地震活动及其地球动力学过程至关重要。为此,以GNSS基线解算后的基线向量作为观测值,重建了最小二乘综合速度解算模型和卡尔曼滤波速度估计模型。模型中,考虑了测站坐标、运动速度、年、半年周期项一同作为参数,在基线解网平差的同时,一并求解获取速度估值。同时,利用坐标时序分析的方法,顾及白噪声和幂律噪声的影响,对单日解坐标时间序列重建了时序速度拟合估计模型,以获取长期趋势项作为速度值。基于3种模型,对川滇地区中国地壳运动观测网络2010—2014年21个GPS基准站的观测数据进行了速度估计与对比分析。结果表明:3种模型所估计测站速度非常接近,差异基本处于0~1mm/a范围之内;速度估值中误差均在亚毫米水平。由此得出,3种速度估计模型具有本质的一致性,均可正确估计测站运动速度,能够满足高精度地壳形变研究的需要。     

北斗三号与超高频GNSS同震形变监测:以2021年青海玛多Mw 7.4地震为例

随着北斗三号完成全球组网以及硬件技术发展,地壳形变监测网络的全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）接收机正朝着多系统、超高频（≥50 Hz）更新升级。基于陆态网络和中国青海省连续运行参考站的GNSS观测数据,获取2021年青海玛多Mw 7.4地震的同震位移波,并进行了震前精度统计和功率谱密度分析。结果表明,北斗三号在本次地震中的位移拾取精度比全球定位系统(global positioning system,GPS)更优;采样率提高到50 Hz对削弱位移时间序列混叠效应作用不显著,在10 Hz左右达到饱和;对50 Hz同震位移波差分获取到的速度和加速度序列噪声较大,难以利用。综合应用场景和成本考虑,GNSS地震监测的采样率最高设置在5~10 Hz即可。     

中国大陆强震孕育过程关联的地壳形变及孕震晚期逼近发震过程识别问题

基于地壳形变观测研究,概略回顾了中国大陆地壳形变时空动态特征及其与强震活动的关系、与强震孕育过程关联的多尺度地壳形变动态特征,以及震前各类形变异常信息提取方面的进展和认识。目前能给出明确时间尺度（10年和更短）强震预测的地壳形变有效依据仍不足,需有效识别孕震晚期强震源逼近发震的过程,推进中国大陆强震预测在较短时间尺度的进展。结合几次强震前全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)观测到的较显著的地壳形变转入非弹性变形状态的分析,讨论了在观测技术已取得显著进步条件下,逐步实现对孕震晚期强震源逼近发震过程有效识别的可能性及相关问题。     

大气负荷对我国GNSS站地壳垂向形变影响分析

为了研究近年来我国GNSS基准站地壳大气负荷垂向形变细部特征,使用格林函数积分及简化方法对中国大陆构造环境监测网络中的6个基准站共计36个月的大气负荷效应进行了计算和分析,结果表明,大气负荷是造成地壳非构造垂向形变的重要因素,大气负荷效应引起的地壳垂向形变量的区域性差异及垂向形变量在我国东北部和西部新疆地区为最大,大气负荷效应改正可使GPS垂向精度进一步提高。      

基于块体模型的青藏高原及邻区地壳三维构造形变分析

2020珠峰高程测量,获得了丰富的青藏高原及邻区的GNSS监测数据。本文收集了陆态网、尼泊尔CORS网GNSS长期观测数据,计算了该地区20多年GNSS三维速度场,利用GRACE模型精化了垂直速度场,通过活动块体模型,从地壳运动、块体运动与应变、块体相对运动等多个方面研究了青藏高原地壳运动与构造形变特征。研究表明,青藏高原地壳形变具有明显的分区特征,南北向收缩主要表现在拉萨块体,东西向伸展主要表现在巴颜喀拉块体,中部羌塘块体没有明显水平挤压,但地壳隆升速率最大,且水平面积有扩大趋势,本文研究能够在一定程度上支持青藏高原地壳增厚学说。     

卫星星历参考框架对GNSS相对定位解算的影响分析

系统研究了GNSS精密星历框架变化对GNSS相对定位以及网平差解算的影响.通过实验比较发现,在高精度GNSS相对定位中,若选择的地面参考框架与精密轨道参考框架不一致,则将给区域网基线解和网平差结果带来一定的系统性误差.对于高精度的定位解算而言,2000 km以上的基线需考虑地面参考基准与星历参考基准的一致性问题,否则将...