【摘 要】
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地震活动伴随的物质运移和质量重新分布,给地球重力场造成在时间和空间上的巨大变化。而GRACE和GRACE-FO重力卫星具有空间广域性、时间实时性、长期近连续观测等优点,能够提供对地观测和时变重力场模型,是一种地球时变重力信息的有效监测手段。青藏高原地块地震频发,给邻近国家和地区的人民的生产生活带来了极大危害,因此本文选取近十年的GRACE运行期间该处震级最大的尼泊尔2015年4月25日的8.1级地
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地震活动伴随的物质运移和质量重新分布,给地球重力场造成在时间和空间上的巨大变化。而GRACE和GRACE-FO重力卫星具有空间广域性、时间实时性、长期近连续观测等优点,能够提供对地观测和时变重力场模型,是一种地球时变重力信息的有效监测手段。青藏高原地块地震频发,给邻近国家和地区的人民的生产生活带来了极大危害,因此本文选取近十年的GRACE运行期间该处震级最大的尼泊尔2015年4月25日的8.1级地震,和GRACE-FO运行期间的该地块具有代表性的青海玛多2021年5月22日的7.4级地震为研究对象,重点探讨GRACE/GRACE-FO在青藏地区监测强震的能力,为青藏地块重力场以及地球物理学机制研究提供系统支持。本文的主要研究内容及成果如下:(1)详细介绍时变重力场模型与数据。对卫星重力测量以及GRACE重力场模型的发展历史以及相关的类型进行系统梳理,对GRACE和GRACE-FO重力卫星进行了详细介绍,总结重力场表达、重力场的反演计算方法。对CSR、GFZ和JPL三大机构的GRACE模型数据从均值、方差、标准差和累积误差阶方差进行对比,得出GSM 60阶的数据最优的结论,同时,GRACE RL06数据质量优于RL05。(2)系统总结GRACE时变重力场数据对地震信号的计算处理流程及相关滤波方法。推导了GRACE重力变化和重力梯度变化计算公式,介绍了削弱南北条带误差影响的两种滤波方法——去相关滤波和高斯平滑滤波,以及二者的组合滤波形式,发现300km高斯平滑滤波和去相关滤波的组合滤波方法能够显著提高时变重力信号的提取精度。由于目前人们对地震前兆与对同震变形的认知水平的差距,需要采用一定的解决方法对GRACE计算结果进行检验,因此,对位错模型和In SAR技术的相关原理也进行了阐释。(3)对于尼泊尔地震,在地震发生前后,东西两侧均有正负重力变化梯级带,震前重力异常变化比较明显,隆起区重力增加,俯冲区重力减小,研究区长期重力变化趋势的范围为-0.68~-0.82μGal/a,喜马拉雅东侧以及印度北部地区为负值,青藏地块中部为正值,可能与地震前后地下物质运动与迁移有关,印度板块以北偏东20度的方向以40mm/a的速率挤压欧亚板块,导致此处地质环境不稳定。青藏高原中部的重力变化值为0.45μGal/a,呈增长趋势。在(29°N,78°E)的印度北部和(29.5°N,95°E)的喜马拉雅山东侧分别正在以-0.61μGal/a和-0.45μGal/a的趋势减小。在利用位错模型进行检验的结果中,表明采用GRACE重力卫星检测尼泊尔地震重力变化具有一定的实用性。(4)对于玛多地震,青藏地块的重力是增加的态势,青藏高原中部的重力变化在2019年达到峰值,最大为4.27μGal。玛多及其邻近地区的重力变化在2019~2020年与其他几年有显著差异,最明显的重力变化在青藏高原的中部地区,在2019年重力变化为最大。2016年和2017年的重力变化与2018年~2021年的重力变化差异较大,可能与GRACE和GRACE-FO的监测能力有关。东南方向的四川盆地区域重力年变化率增加较快,以龙门山断裂带为界,断裂带以东,年变化率基本超过0.3μGal/a,震中的重力变化趋势为0.14μGal/a,年变化率较低,基本符合震中在重力变化的零值线或者是较低值附近。这与玛多上地壳特殊的介质条件、中下地壳物质的挤压流动和垂向上涌以及东昆仑主走滑断裂的水平运动密切相关。在利用In SAR进行检验中,由In SAR数据获取的断层滑动模型的最大滑动量约5.0m,再结合球形层状地球模型位错理论计算理论同震重力变化,该理论同震重力变化是基于地表面计算的,由于青海地震震级小于8.0,所以很难被重力卫星GRACE检测到。(5)对两次地震的共同点进行总结,其一,地震均发生在正负重力变化的零值区或者极小值区域;其二,地震发生年份的短期重力变化和地表密度变化有很好的对应关系,表明了地震与区域物质运动迁移以及壳幔物质黏滞性调整等问题有关;其三,重力变化是多种因素的结果,包括冰川消融、板块运动、地下水开采、湖泊水位上涨等。其四,北向、东向和垂向重力梯度变化与重力变化情况有较好的空间对应关系。最后,尼泊尔地震和青海玛多地震共同揭示了青藏高原的板块运动以及该处复杂的地质构造对地震的影响,即在南缘,印度板块以北偏东20度的方向以40mm/a的速率挤压欧亚板块,在东北缘,巴颜喀拉地块向东的运动和形变、上地壳特殊的介质条件、中下地壳物质的挤压流动和垂向上涌都对地震造成了一定的影响。该论文有图48幅,表11个,参考文献106篇。
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