华南陆块西南缘上地幔顶部三维密度结构及其地质意义

华南陆块自新远古代拼合以来,经历了多期构造-岩浆活动,岩石圈及其深部结构较为复杂,前人对西南缘扬子与华夏地块缝合带位置的厘定仍有不同认识.研究该区域上地幔顶部密度结构,有助于进一步认识扬子—华夏地块拼合对岩石圈的改造,对确定扬子—华夏地块在广西地区的边界位置有重要意义.基于卫星布格重力异常,利用地震波速度-密度转换关系构建的上地幔密度参考模型作为约束,反演剩余的岩石圈和上地幔重力异常,获得了岩石圈至300 km深度的上地幔顶部三维密度结构.密度结构揭示了华南陆块西南部的岩石圈—软流圈界面起伏和上地幔物质密度的不均匀分布.分析结果表明广西中部存在高密度岩石圈物质下沉,南部低密度的软流圈物质上涌,取代已拆沉的岩石圈根并向上侵入地壳,是地表出露花岗岩的来源.结合区内基底特征和碎屑锆石陆缘来源,推断沿广西富川—武宣—隆安—凭祥一线为扬子—华夏地块在华南陆块西南缘(广西段)缝合位置.

北天山流动重力测网场源分辨能力

利用球面六面体单元网络模型建立不同分辨率的重力异常扰动模型检测板,基于北天山地区实际地表流动重力测点分布,进行设定场源异常体的等效源反演恢复,进而评估北天山流动重力测网场源分辨能力。结果表明,在假设地下10 km处存在密度差为±1×10^(-3)g/cm^(3)的场源异常体情况下,北天山重力测网具备0.75°×0.75°及以上场源异常体识别能力;测网中大部分地区具备0.5°×0.5°场源异常体识别能力;测点分布较密集的少部分地区具备0.25°×0.25°场源异常体识别能力。最后,综合考虑北天山测网现有网形、地形、交通条件等因素,给出测网最佳优化方案。

四川地区流动重力观测及其在地震预测中的应用

通过回顾四川地区测网变迁和震例总结,客观阐述四川流动重力观测的发展历程及其在地震趋势判定中的应用效能。结果表明,利用流动重力资料观测到高梯度带、四象限分布、零值线拐弯等重力场时变异常信号,对川滇菱形块体内部及边界带发生的汶川地震、芦山地震、九寨沟地震、泸定地震等地震进行了准确的中期预测,尤其在强震地点判定上预测效果较好,准确率达60%。

全球重力势能特征及其地质意义——基于Crust1.0模型的分析

重力势能及重力势能差是分析岩石圈内部密度变化所引起的岩石圈平均应力特征的主要方法之一.本文基于全球Crust1.0模型地壳结构,结合常密度、横向变密度和三维变密度三种不同的地幔密度模型,获得了全球尺度更为精细的重力势能及重力势能差分布特征并开展分析.研究结果表明,在北美西部、安第斯山脉、东非、青藏高原等区域表现为重力势能高,呈拉张应力状态;在洋盆、高原周围的盆地等地区表现为重力势能低,呈挤压应力状态.对比分析不同地幔密度模型结果,发现大洋地区洋壳薄,岩石圈地幔密度受构造及热影响变化较大,对重力势能影响大;大陆地区地壳厚度大,对重力势能影响大,地幔密度变化影响相对较小.采用三维变密度地幔模型获得的重力势能差分布和大地水准面异常计算获得的全球重力势能差分布具有相似特征,表明该模型的计算结果更符合全球岩石圈尺度的应力分布特征.三维变密度地幔模型计算的重力势能差显示洋中脊轴部地区趋于零,说明该处岩石圈密度变化对应力影响较小,其拉张应力与洋中脊地区地幔上涌更为相关.

不同类型地震震级与重力变化异常的统计特征及其机理分析

依据收集到的107个4.0级以上地震震例,研究中国陆区中强地震震前重力变化异常统计特征,探讨地震震级与震前重力变化异常各要素及地震性质之间的统计关系,给出了5、6、7、8级地震震级判定的重力变化异常时变距S、量级G和时间T参考指标,并对比、分析了逆冲型、走滑型和正断型地震的重力变化特点,进而结合流体物质运移假说及岩石物理实验结果,探讨了震前重力变化异常的物理机制,以及其与亚失稳阶段、地震孕育能量的联系.得到的主要结论有:(1)震前重力变化异常参量与震级之间更符合非线性关系,5、6、7、8级地震的震前重力变化异常时变距参考指标分别为67、111、185、305 km,重力变化异常量级参考指标分别为49、67、92、125μGal,重力变化异常时间参考指标分别为1.6、2.5、3.7、5.2 a.(2)地震类型对震前重力变化参量有一定影响,尤其是7级以上强震的差异更加明显,逆冲型地震的重力变化量级及时变距可能更大;重力变化异常时间方面,正断型地震可能对应更长的重力变化时间,逆冲型次之,走滑型最短.(3)震前重力变化异常的物理机制可能是,在孕震晚期、亚失稳阶段,震中周边区域岩石裂隙增多、扩展、贯通,引起流变性的深部幔源物质向地壳运移,同时地壳内先存的流体物质由于应力分布不均而大规模迁移,最终在地表引起重力场变化响应.(4)目前流动重力观测受到时空密度的制约,地震预报主要针对5级以上地震,且震级越大预报效能越好.

蓟县地震台gPhone、DZW和GS-15重力仪重力噪声水平对比

选取蓟县地震台同址观测的3台不同型号重力仪(gPhone、DZW和GS-15)2022年全年的连续观测数据,研究不同类型仪器对环境噪声的响应,计算3种重力仪的重力噪声水平,同时计算地震频段(200~600 s)的地震噪声等级,并与全国gPhone重力仪的地震噪声等级进行对比。结果表明:1)在频率低于10-3 Hz时,扣除固体潮和气压改正可以明显改进重力噪声水平;2)相同台站不同仪器重力噪声水平不同,gPhone型重力仪的背景噪声水平低于DZW型重力仪和GS-15型重力仪,其SNM值为3.355;3)2022年全国gPhone重力仪的地震频段噪声水平均值为5.418,蓟县台的噪声水平平均值为3.465,低于全国的噪声水平。研究结果可为3类重力仪观测数据的研究应用提供参考。

基于L1+L2混合范数频域三维重力场反演方法

三维重力反演被广泛应用于矿产资源勘探和深部密度结构研究,然而传统空间域三维重力场反演方法存在着深度分辨率低、多解性强和计算效率低的问题,影响了地质解释的准确性和可信度.本文针对上述不足,提出基于混合范数正则化约束的频域三维重力场反演方法.首先构建基于深度加权和L1+L2混合范数的模型目标函数.并在反演迭代过程中,采用频域三维重力场正演方法更新模型,将传统空间域三维重力场反演中稠密雅可比矩阵的存储和计算等问题转化为频域正演,大幅度降低内存占用.此外使用高精度高斯型数值积分代替传统快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)算法中的矩形积分,以保证频域正演方法的计算精度.模型试验表明,相比于传统空间域基于L2范数光滑约束反演方法以及基于L1范数聚焦反演方法,本文反演方法能有效降低三维重力反演的"趋肤效应"和拖尾现象,能恢复出更复杂地质模型,且反演结果更接近真实模型.最后将该方法应用到加拿大魁北克省诺兰达市的Mobrun硫化物矿体三维密度成像,结果显示该矿体深度范围约15~170 m,与前人钻井数据所得深度范围一致,证明了方法的有效性.

A10-057与FG5X-265对超导重力仪格值标定结果的对比分析

采用最小二乘与迭代算法,对A10-057绝对重力仪、FG5X-265绝对重力仪及iGrav-053超导重力仪的同期同址观测数据进行处理,得到FG5X-265及A10-057精密测定iGrav-053的格值因子分别为-883.9294 ns^(-2)/V、-884.134 ns^(-2)/V,标定精度为0.04826%、0.0937%,均优于0.1%。同时对比FG5X-265与A10-057在标定工作中各项测量指标与选取测量对数对标定结果的影响,通过列举多场景对格值精度的要求,最终证明A10型绝对重力仪具备标定相对重力仪的能力,为后续相对重力仪标定工作提供参考。

利用重力场模型解算全球地幔对流应力场

在利用Runcorn模型确定全球地幔对流应力场的研究中,扰动位系数是关键参数之一。在以往研究中,该参数阶次的选取缺乏定量准则,本文引入点质量源法中场源深度与扰动位系数阶次的关系方程,初步对Runcorn模型中截止阶次进行限定。基于该思路,场源深度为30 km的地幔对流应力场应使用2~213阶扰动位系数推算。采用EGM2008地球重力场模型(2~213阶)解算全球地幔对流应力场,并与近8 a内深度大于30 km的M5.5以上地震的震中分布进行比较。结果表明,与板块边界重合的高应力区域和地震震中的分布有较好的对应关系,说明地幔对流可能通过控制板块间汇聚、拉张或错动,进而控制该地区地震的发生。此外,对3处地震发生频数较高的典型区域(欧亚-菲律宾板块边界等)的地幔对流应力及其构造背景进行分析,结果与前人研究结论一致。最后,通过与前人研究结论(2~8阶)进行对比发现,本文解算结果(2~213阶)在太平洋板块西南缘等有较大地震发生的板块边界具更多高地幔对流应力细节,这些地震的发生可能受到小尺度地幔对流的控制。

三峡库首区蓄放水重力效应模型的构建与观测

通过高分遥感影像精确提取三峡库首区水体边界,对水体部分构建精密的离散化数值模型,模拟计算三峡库首区在不同蓄放水位产生的重力效应,并对秭归站2017年gPhone 101重力仪与茅坪站2019~2021年gPhone 113重力仪的连续观测数据进行精细预处理。结果表明,在145~175 m蓄水过程中,模拟得到不同蓄水高度(间隔5 m)对岸边的重力变化值分别为0~28μGal、0~47μGal、0~60μGal、0~97μGal、0~170μGal、0~210μGal。当蓄水位升高5 m时,离岸2 km范围内存在10~20μGal的影响;当蓄水位升高30 m时,离岸5 km范围内存在30~40μGal的影响。重力残差主要反映水文重力效应信息,秭归站重力残差记录到约40μGal的重力变化,茅坪站重力残差记录到约50μGal的重力变化,重力变化趋势和水位变化呈现非常好的一致性,验证了模型模拟结果的准确性,可为三峡库首区及其岸边稳定性监测提供参考。

宜昌台超导重力观测中的海潮与大气负荷效应研究

基于2017年宜昌地震台超导重力仪观测数据,对数据预处理、极移改正和长周期趋势改正后的重力潮汐观测数据进行调和分析,获得宜昌台精确地方重力潮汐参数,选取NAO.99b和osu.Chinasea.2010海潮模型研究海潮负荷对重力观测的影响。结果表明,宜昌台海潮负荷变幅约为25 nm·s^(-2),经海潮改正后潮汐因子有所改善。采用时域导纳方法以及基于全球大气模型ERA-Interim计算宜昌台大气重力负荷效应,研究结果表明,宜昌台大气重力导纳值为-3.2193 nm·s^(-2)·hPa^(-1),近区大气重力负荷变幅约为160 nm·s^(-2),远区大气重力负荷变幅可达70 nm·s^(-2),在进行超导重力数据处理分析时全球大气负荷效应不能忽略。

理论自由空间重力异常处理在承德高原地区应用效果分析

布格重力校正方法中存在正常场校正的高程起算面误差、高程校正误差与地形和中间层校正误差,为避免传统布格重力校正方法中存在的误差影响,提高资料解释的准确性,本文采用了理论自由空间重力异常处理技术,对在承德御道口波状高原区的实测重力资料重新进行了处理。通过与布格重力异常的对比分析,对该方法进行了评价。研究结果表明,在波状高原地区,理论自由空间重力异常相较于布格重力异常能够较好地反映区域重力场的空间分布形态,对局部信息的展现也更加清晰、丰富,对构造形态表现更加合理、准确,根据不同的地质目的,合理选择布格校正和理论自由空间重力异常处理,可提升资料解释的可靠性。

基于径向多项式密度Tesseroid体的大尺度重力场快速正演计算

在大尺度重力模拟中,为了考虑地球曲率的影响,通常将质量体沿经度、纬度及径向方向剖分为多个Tesseroid体,然后根据叠加原理将所有Tesseroid体重力效应之和近似为质量体的总重力场.在现有大多数方法中,总重力场的计算一般通过将各Tesseroid体的重力效应直接累加获得,尽管这种做法十分简单,但对于大尺度的复杂密度模型,其计算量十分巨大.为此,本文充分利用重力位、重力加速度及重力梯度张量核函数积分在经度方向的卷积特性,提出一种基于快速离散卷积算法和优化重力公式的高精度大尺度重力场模拟方法.该方法采用具有径向任意阶多项式密度的Tesseroid体来描述复杂密度分布,并以变密度Grombein优化公式为基础进行重力场正演模拟,从而有效克服经典球坐标系重力公式引起的极轴观测点奇异问题;同时联合Gauss-Legendre求积(GLQ)和水平方向的自适应网格剖分,实现重力积分的高精度计算,最后结合快速离散卷积算法获得质量体的重力效应.本文方法的加速策略通过如下途径实现:①假定经度方向的Tesseroid体具有相同尺寸,观测点位于同一高度且其采样间隔与Tesseroid体尺寸相等,由此建立与重力积分核对应的Toeplitz权系数矩阵,并利用Toeplitz对角线元素相等的特性,计算其第一列和第一行元素来复原完整矩阵,以此大大降低计算内存及计算时间;②利用基于FFT的离散卷积算法实现权系数矩阵与密度矩阵乘积的快速计算,从而进一步提高计算效率.数值算例表明,本文方法可实现近地表至卫星高度重力位、重力加速度及重力梯度张量的高精度计算,且其计算效率相较于直接累加法高出约3~4个数量级.该方法在WINTERC-G全球模型重力效应计算中的应用进一步证实了算法的可靠性和灵活性.本文快速算法是经典3D-GLQ方法的重要补充,对研究大尺度重力正反演问题、地形效应及地球内部结构等有重要意义.

复杂地区局部重力场带限SRBF二次逼近法

本文利用基于带限球面径向基函数(SRBF)的重力场二次累积逼近法,对地形复杂地区重力场模型的构建进行了较为详细的数值分析和验证工作。首先,利用带限SRBF将卫星重力场模型(GGM)数据与航空重力数据进行融合,构建了研究地区的初始重力场模型(基于SRBF的重力场第一次逼近)。与仅依赖于航空数据得到的重力场模型相比,初始重力场模型与GPS/水准数据之间的大地水准面差异标准差(STD)在研究区域降低了约0.022 m,表明了融合GGM和航空重力数据进行初始重力场建模的有效性。然后,在移去参考重力场模型、初始重力场模型和残余地形模型效应的基础上,利用残余地面和航空重力数据进行了基于带限SRBF的重力场第二次逼近。与传统的基于SRBF的一次逼近方法相比,二次SRBF逼近方法所得模型在研究区域的大地水准面差异STD和RMS值分别降低了0.036 m和0.024 m,显示了带限SRBF二次累积逼近方法的优越性。此外,研究区域地形属于复杂的山区,可以为复杂地区重力场模型的构建提供一定参考。

中国大陆时变重力观测:技术探索、挑战与应用展望

近年来,陆地高精度时变重力观测技术迅猛发展,除了以量子重力仪为代表的绝对重力装备不断实用化,中国大陆重力观测网络的布局也日趋完善。目前,中国大陆主要活动构造区已经建成优于百km尺度分辨率能力的μGal级时变重力场观测网络。本文从中国大陆时变重力观测技术方法的角度,首先介绍陆地时变重力观测系统、仪器分类以及中国大陆高精度重力观测系统的建设发展、存在问题及优化建议;其次,介绍时变重力技术方法与模型产品以及应用进展;最后,围绕中国大陆时变重力数据产品和应用中的问题,提出面向中国地震科学实验场和深地科学问题的下一代陆地重力观测系统设计布局设想。作为国家地球物理监测网络的重要组成部分,陆地时变重力观测能够提供高精度的时变重力模型产品,为深入探索地壳深部动力学机制、地球物理导航和国防建设提供重要的数据支撑。

2002—2020年海河流域陆地水储量变化的时空变化特征

为了探究海河流域陆地水储量变化的时空变化特征,基于2002—2020年GRACE(gravity recovery and cli-mate experiment)卫星和GRACE-FO卫星数据,计算海河流域陆地水储量变化,并通过地下水储量变化估值与地下水位变化的相关性分析GRACE/GRACE-FO卫星数据的可靠性.结果表明:①地下水储量变化估值和地下水位变化之间的相关性较强,相关系数r=0.78.②海河流域陆地水储量变化大致呈现自南向北递减趋势;陆地水储量变化的变化速度为-9.80 mm/a.

2020年伽师M_(S)6.4地震前后重力变化

基于2016年以来南疆相对重力和绝对重力观测资料,系统分析南疆区域重力场动态变化及其与2020-01-19伽师M_(S)6.4地震的关系。结果表明:1)区域重力场变化与区域构造关系密切,沿柯坪断裂形成多个局部重力异常区及重力变化高梯度带,反映出2016~2020年该断裂活动引起显著的地表重力场变化;2)与伽师地震孕育有关的重力场经历了“重力正异常区-四象限特征及沿柯坪断裂的重力高梯度带-反向变化发震”的演化过程;3)重力场累积变化和差分变化图像均反映出伽师地震前出现显著的重力异常变化,地震发生在重力变化梯度带、四象限中心和零等值线拐弯附近;4)重力场动态演化较好地反映出伽师M_(S)6.4地震孕育发生过程中出现的中期前兆现象,基于流动重力异常变化在伽师M_(S)6.4地震前进行一定程度的中期预测,尤其是强震地点判定。

基岩热膨胀对中国西南三维地表周年形变的影响分析

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)可以监测获取地表形变时间序列,其中的周年信号除包含负荷形变外,还有由于地表温度变化引起的基岩热膨胀效应。利用全球三维热弹性形变模型,对中国西南地区39个陆态网观测站在U、E、N三个方向的热膨胀效应进行估计,分析GNSS时间序列在热膨胀效应改正前后,与GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)和GRACE Follow-On(GRACE-FO)卫星重力观测所反映地表负荷形变的符合程度。结果表明,加以热膨胀效应改正后,GNSS垂直分量(U方向)与卫星重力结果的符合程度略微减弱;而在水平分量E方向的符合程度有一定改善,但N方向出现较显著的减弱。该文得到的西南地区研究结果与已有全球或者大尺度区域的研究结果不一致,表明利用全球热弹性形变模型估计不同区域热膨胀效应的精度需要进一步评估,并且其对地表三维形变的影响也值得后续深入研究。

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.

青藏高原东北缘及邻区岩石圈力学强度的贝叶斯估计

本文基于复合岩石圈挠曲均衡模型,利用布格重力异常和地形数据,采用重力导纳和相关函数联合反演方法,结合贝叶斯统计推理确定最优的岩石圈挠曲参数模型,获取了青藏高原东北缘岩石圈有效弹性厚度Te和载荷比F的空间分布特征及不确定性估计.在此基础上,本文分析了各个构造单元的差异性及其与强震活动的关系,并利用热-流变结构等资料,给出了构造运动可能的深部动力源.研究结果显示:青藏高原东北缘及邻区F呈现大面积低值分布,说明其现今岩石圈挠曲状态主要与地表载荷加载相关.此外,岩石圈有效弹性厚度Te存在显著差异,其力学强度差异与青藏高原向东挤出变形、热结构状态有一定对应关系.本文结果可为定量化研究青藏高原动力学问题提供有效的地球物理依据.