基于陆态网络GPS观测获取中国大陆地壳形变研究

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中国大陆地处欧亚板块东部。自始新世(~55Ma)以来,印度板块对欧亚板块的持续推挤和俯冲楔入作用导致中国大陆内部聚集了强大的构造作用力。这使得中国大陆成为板内构造活动活跃、板内地震活动强烈的地区。研究中国大陆内部的形变对于岩石圈动力学过程与形变模式的认知,断层作用机制的探究及地震危险性评估具有十分重要的意义。  随着大地测量技术的发展及观测的积累,可以获取到时间跨度在百年以内当代地壳运动的多种效应量,如位移场、应变场、重力场等。近年来,随着中国大陆构造环境监测网络(“陆态网络”)GNSS连续台站的建成与运行。2011年至今陆态网络分布于中国大陆的260个GNSS连续台站提供的连续观测数据,为研究中国地壳运动规律以及相关研究的开展提供了基础。  GPS获取的地表形变信息往往包括大陆地壳构造形变、与地表物质质量迁移相关形变、由于温度变化引起的热弹性形变以及由地震引起的震后形变等。在讨论与地震危险性相关的构造运动和地壳形变时,通常需要将GPS地形变信号中由系统性误差,非构造形变干扰(如时变的大气潮汐,海洋潮汐,陆地水负荷等)引起的地壳形变予以剔除。如何从GPS的坐标变化时间序列中有效地分离和剔除各种非构造形变的影响,使其更好地服务于地震危险性监测与分析,一直是GPS大地测量领域兼具重要科学意义和迫切实际需求的研究课题。针对这一问题,本论文主要做了如下工作:  1.对陆态网络GPS基准站位置时间序列进行了噪声分析,研究基准站GPS时间序列的时间和空间相关性发现:水平方向上共模误差~3mm,垂直方向共模误差~6mm。再估计大陆地壳线性趋势,年季振荡以及偏移量。大陆水平速度场显示欧亚板块南缘受印度板块沿N20°E方向推挤,使青藏高原南部沿着该方向以20mm/yr左右的速度持续运动,影响大陆地壳运动。川滇区域周年振幅较大,且相位较其他区域超前。  2.本文讨论分析历史地震对地壳形变的影响。基于百年间历史地震资料,经过模拟计算,反演得出历史地震引起的地壳运动速度约为大陆地壳运动速度10%。在研究大陆构造形变速度场时,有必要先考虑历史地震的影响并从观测的GPS速度场中剔除历史地震的影响。  3.除了GPS以外,利用GRACE重力卫星反演获取地表物质迁移引起是研究地表周年形变的重要手段。通过分析GPS与GRACE得到的地形变差异特性,并经物质负荷模型结果验证分析,发现地下物质流动引起的地表形变是引起差异的重要原因。通过加州中央谷地区GPS观测资料提取当地周年形变说明这一情况。  4.温度变化的热胀冷缩效应会引起地表形变,其中最为显著的是周年性变化。本研究基于全球温度变化数据,结合最新的三维全空间热弹性形变模型,计算中国大陆区域260个GNSS连续台站由温度变化引起的三维周年地表形变。计算结果表明,陆态网络GPS台站中,由温度变化引起的地表形变最大周年振幅矢量和为~2.293mm,最小周年振幅矢量和为~0.177mm。温度变化对垂向和北向的地表形变影响较大,均值分别为~1mm,~0.8mm。温度变化在大陆25°以上地区能引起~1mm左右的周年振幅,是影响大陆周年形变不可忽略的因素。  5.正确理解大陆构造形变运动过程与动力学机制,是探究地震成因,进行地震灾害性评估的基本前提。为了充分认识地壳构造运动过程,有必要从GPS信号中分离非构造运动信息。本文尝试通过DV分析方法,即通过对比面膨胀率与垂向速度的关系,分离构造形变与非构造形变。
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