类地行星低阶重力场、自转与内部圈层结构研究进展

低阶重力场和自转参数是类地行星内部结构的函数且指示着其物质成分与演化,一直是深空探测的首要目标.行星自转状态能够直接揭示行星核的密度和大小.随着深空探测数据的逐渐积累和精度的不断提高,低阶重力场和自转观测在行星内部结构,尤其是行星核方面的研究取得了一系列重要进展.本文首先介绍行星主惯性矩张量的基本理论与计算方法,接着介绍行星自转动力学基本理论以及与行星内部结构密切相关的行星自转简正模,并介绍利用低阶重力位系数求解行星主惯性矩张量的方法.本文还总结了利用有限的自转观测和低阶重力场观测确定行星平均密度和平均惯性矩的研究现状,以及反演行星内部结构的基本方法.最后,本文对目前利用低阶重力场、自转观测反演行星和小行星等内部结构方面存在的问题进行了总结与展望,希望为我国未来的深空探测计划提供科学参考与理论支持.

月球和火星重力场与岩石圈结构研究进展

月球和火星与地球相邻,是人类探索宇宙的始发站.对月球和火星的岩石圈结构开展深入研究,不仅可以揭示其壳幔系统组成和结构,而且有助于认识它们的起源和热演化历史,也能为地球起源和演化研究提供重要参考.近年来,随着国际深空探测的蓬勃发展,月球和火星重力场模型的精度与分辨率越来越高.基于重力数据的月球和火星岩石圈结构研究取得了一系列重要科学进展.本文简单介绍了月球和火星的探测计划和重力场模型,进而详细介绍了利用重力数据在月球和火星岩石圈结构研究中取得的成果.最后,本文对月球和火星岩石圈结构研究进行了总结和展望,提出了突破重力场在行星岩石圈结构研究中不确定性的方法,希望能对推动月球和火星重力场探测及岩石圈结构的研究进程提供帮助.

利用震后黏弹性位错理论研究苏门答腊地震(M_w9.3)的震后重力变化

本文利用2003—2011年的GRACE RL05数据提取了苏门答腊地震(Mw9.3)引起的震后重力变化,发现断层两侧震后重力变化速率存在明显差异,断层下盘总体变化率为0.55μGal/yr,断层上盘为0.16μGal/yr.基于子断层叠加的编程思想,本文将Tanaka的黏弹球体位错理论配套计算程序(简称黏弹位错程序)加以改造,克服了其近场计算精度不足(甚至错误)的缺陷,可用来研究大地震引起的近场震后位移与重力变化.本文利用改造后的黏弹位错程序计算了2004年苏门答腊地震(Mw9.3)产生的同震重力变化,计算结果在空间分布和量级上均与利用弹性位错程序计算获得的结果一致,验证了我们对黏弹位错程序进行改造的正确性.最后,结合GRACE卫星观测数据,本文利用Tanaka的黏弹位错理论研究了苏门答腊地区的地幔黏性因子.结果表明,该地区地幔黏滞性具有显著的横向差异,当发震断层上下两盘的地幔黏滞性系数分别取8×1018 Pa·s和1×1018 Pa·s时,模拟的震后重力变化在总体空间分布和变化趋势上与GRACE卫星观测结果更接近.

基于GRACE RL06数据监测和分析南极冰盖27个流域质量变化

本文基于CSR最新公布的GRACE RL06版本数据,采用Slepian空域反演法估算了南极冰盖27个流域的质量变化.Slepian空域反演法结合了Slepian空间谱集中法和空域反演法的技术优势,能够有效降低GRACE在小区域反演时信号出现的严重泄漏和衰减,进而精确获得南极冰盖在每个流域的质量变化.相对于GRACE RL05版本数据,RL06在条带误差的控制上要更加优化,获得的南极冰盖质量变化时间序列也更加平滑,但在趋势估算上差别并不明显(小于10Gt/a).本文的估算结果显示:在2002年4月至2016年8月期间,整个南极冰盖质量变化速率为-118.6±16.3Gt/a,其中西南极为-142.4±10.5Gt/a,南极半岛为-29.2±2.1Gt/a,东南极则为52.9±8.6Gt/a.南极冰盖损失最大的区域集中在西南极Amundsen Sea Embayment(流域20-23),该地区质量变化速率为-203.5±4.1Gt/a,其次为南极半岛(流域24-27)以及东南极Victoria-Wilkes Land (流域13-15),质量变化速率分别为-29.2±2.1Gt/a和-19.0±4.7Gt/a,其中Amundsen Sea Embayment和南极半岛南部两个地区的冰排放呈现加速状态.南极冰盖质量显著增加的区域主要有西南极的Ellsworth Land(流域1)和Siple Coast(流域18和19)以及东南极的Coats-Queen Maud-Enderby Land (流域3-8),三个地区质量变化速率分别为17.2±2.4Gt/a、43.9±1.9Gt/a和62.7±3.8Gt/a,质量增加大多来自降雪累积,比如:Coats-Queen Maud-Enderby Land在2009年和2011年发生的大规模降雪事件,但也有来自冰川的增厚,如:Siple Coast地区Kamb冰流的持续加厚.此外,对GRACE估算的南极冰盖质量变化年际信号进行初步分析发现,GRACE年际信号与气候模型估算的冰盖表面质量平衡年际信号存在显著的线性相关关系,但与主要影响南极气候年际变化的气候事件之间却不存在线性相关关系,这说明南极冰盖质量变化的年际信号主要受冰盖表面质量平衡的支配,而气候事件对冰盖表面质量平衡的影响可能是复杂的非线性耦合过程.

基于卫星重力、卫星测高和温盐度综合数据的中国近海各区域海平面变化

利用GRACE(gravity recovery and climate experiment)卫星重力、卫星测高和Ishii温盐度资料研究中国近海海平面变化。结果表明:1993—2014年南海海平面升高速率远高于同期全球速率,而黄海和东海均低于同期全球海平面上升速率。综合2003—2012年的上述3种数据,发现海水质量增加是导致渤海、黄海和东海海平面上升的主要原因,而南海主要受比容海平面上升影响。中国4个海域海平面年际变化均与ENSO有相关性,但是相关系数较小。4个海域在2000—2005年期间海平面均呈下降趋势,后来又慢慢回升。

珍贝—黄岩海山链热-重力均衡动态调节机制

珍贝—黄岩海山链作为我国南海的残留扩张中心,对其研究具有重要的科学意义.本文运用均衡学方法,通过重力异常数据反演了过珍贝—黄岩海山链剖面的地壳界面变化,同时计算了岩石圈热结构状态,在此基础上建立了珍贝—黄岩海山链的岩石圈地温结构模型.通过均衡分析方法,对剖面上测点的海底地形数据进行了热均衡和重力均衡分析,得到了热均衡和重力均衡形变量.结果表明,在珍贝—黄岩海山链高热流区域,热均衡作用可以产生最大约0.55km的形变,其重力均衡形变范围为0.77—1.89km.热均衡通过改变海底地形和地壳物质密度不断作用于重力均衡,重力又反过来作用于热均衡,形成了热均衡-重力均衡动态调节机制.

球形地球模型的地震位错理论及其应用

地震位错理论是研究地震断层滑动与地球物理场变化之间关系的理论,是震源机制、地球内部构造、地震预测等基本地球物理问题与大地测量、地球物理观测数据之间的联系纽带。被广泛使用的半无限空间介质模型的位错理论,由于其几何模型的限制,在地震变形和地球动力学等应用研究中会导致一定程度的误差。此外,现代大地测量技术可以在全球和区域尺度上精确地观测地震变形,亟需一个适用于全球地震变形研究的地震位错理论。为此,本团队基于球形地球模型,经过多年系统性研究,建立了地震位错理论新体系。所构建的球形地球模型的地震位错理论,促进了全球地震变形和地球动力学变化的研究,是近年来地球物理学领域取得的重要理论进展之一。本文简要地介绍了国内球形地球模型地震位错理论的发展及其应用研究。首先,介绍了弹性球形地球模型、三维不均匀地球模型和黏弹地球模型的位错理论;其次,介绍球形地球模型的位错理论在地球动力学变化研究、断层与地下介质结构反演和地震大地测量学研究方面的相关应用;最后,对球形地球模型的位错理论的发展方向作出展望。

2023年行星物理学热点回眸

2023年,行星物理学作为行星科学的一个主干分支学科,呈现出百花齐放、交相辉映的态势。中国的行星物理学还发展出一些新兴的领域,如太阳与行星磁场发电机过程、地球与行星空间环境长期变化、地球与行星多圈层耦合过程等,为中国未来深空探测的跃升发展奠定了坚实基础。选择20个行星物理研究领域,以中国行星物理学的进展和热点为主线,置之于世界和历史的时空横纵之中,展示了中国和世界行星物理学的发展态势。

月球撞击坑识别的研究现状与展望

研究月球撞击坑的时空特征是了解月球内部结构、月球内外动力学演化、月球和太阳系撞击历史的重要手段.本文综述了国内外利用月球地形数据和重力数据识别撞击坑的研究进展,分析了地形撞击坑与隐伏撞击坑在地形、重力异常、重力梯度和壳幔界面起伏等方面的特征及产生这些特征的原因.利用撞击坑数据库,分别从盆地年龄和盆地内部结构两个方面讨论了月球早期撞击通量变化和热演化.通过总结,发现撞击坑统计定年的结果表明某些盆地的年龄不同于前人的研究结果,且盆地定年结果支持月球在~3.95Ga经历了晚期重轰击(LHB)事件.与高地撞击盆地相比,月海内部盆地的壳幔界面没有显著的沟槽结构,表明这些盆地形成于月壳温度较高的时期,经历了更长时间的松弛过程.最后,指出了目前隐伏撞击坑识别结果存在不准确、不全面的问题,并提出未来可以使用局部正交基函数构建的重力场来识别隐伏撞击坑、确定古老盆地的年龄,从而精确重建月球和其他行星的早期撞击历史.

球形地球模型的地震位错理论及其应用

地震位错理论是研究地震断层滑动与地球物理场变化之间关系的理论,是震源机制、地球内部构造、地震预测等基本物理问题和大地测量、地球物理观测数据之间的联系纽带.经典半无限空间介质模型的位错理论由于其几何模型的缺陷,在实际应用中无法体现地球曲率和层状构造的影响,存在不可忽视的误差.此外,现代大地测量技术可以观测到全球和区域尺度地震变形和地球动力学变化,亟需一个适用于全球地震变形研究的地震位错理论.因此,创建球形地球模型的地震位错理论及开展相关问题的应用研究,对于推进地震基础理论进步、提升防震减灾科技支撑能力、推动地震预测预报、服务我国防震减灾工作等具有重要科学意义和应用作用.