基于多源数据研究三峡地区环境负荷引起的地壳垂直形变

构建三峡地区大气和陆地水质量变化模型,利用GNSS、GRACE-FO和环境质量变化模型计算三峡地区2019~2022年环境负荷引起的地壳垂直形变,探讨基于GRACE-FO数据的球谐函数法和结合质量变化模型的格林函数法在计算环境负荷垂直形变上的差异。研究发现,2种方法计算的陆地水负荷垂直形变在时空分布上具有一定的一致性,但是后者的精度和空间分辨率更高;基于质量变化模型计算的CQWZ站和HBZG站的环境总负荷垂直形变与GNSS实测结果相关系数达到0.88和0.83;2019~2022年三峡库区和洞庭湖流域的地壳垂直形变速率分别为0.5~0.7 mm/a和0.6~1.5 mm/a,原因是2022年该区域水位降低导致地壳回弹上升;三峡库区附近地壳夏季上升、冬季下沉,垂直形变幅度约为-5~18 mm,主要受水库蓄水和大气负荷驱动的影响。

汶川Ms8.0地震前的区域垂直形变背景

根据1951年以来的水准观测资料和1999—2007年的GPS观测资料计算得到的地壳垂直形变速率,研究了青藏块体和华南块体不同时间段的垂直形变特征,以及形变与汶川8.0级地震孕育发生的关系。结果显示,汶川8.0级地震发生在垂直形变强烈上升区的形变速率梯度带上;大震孕育过程的应变能积累与印度板块-欧亚板块相互碰撞有关;与位于两个板块碰撞前缘的青藏块体在南北向强烈挤压,形成垂直方向隆升,物质向东和东南迁移过程相联系。

中国大陆现今垂直形变特征的初步探讨

利用GPS观测资料进行大范围的垂直形变特征研究是本文研究的重点。通过网络工程基准站和基本站的GPS观测资料 ,绘制了中国大陆的垂直速率等值线图像 ,并对中国大陆垂直运动特征进行了定性的分析 ,结果表明 :中国大陆垂直运动在 70 %以上的区域表现为沉降运动 ,在青藏高原和除北京外的整个华北块体及燕山块体的垂直运动表现为隆升的趋势。中国大陆西北和东南、西南和东北的整体垂直运动呈一种斜对称状态。对基于GPS观测所得的等值线图与基于水准观测所得的等值线图进行了比较 ,比较结果显示 ,除了华南块体外 。

多轨PSInSAR监测华北平原地表垂直形变场

针对PSInSAR技术监测大空间尺度地表垂直形变场的不足,提出通过基准转换与数据拼接、融合不同轨道多个独立片区(Frame)获取大空间尺度地表垂直形变场方法.由于不同轨道主影像选取的参考基准不一致、不同轨道垂直基线不同、不同片区相位解缠的参考PS不同等因素影响,使得PSInSAR获得的不同轨道地表垂直形变场的空间基准存在差异,提取的地表形变信息不具有可比性.利用两个相邻片区重叠区域的PS点集,根据迭代最近点算法提取两片区公共区域内同名点,并兼顾同名点距离的权,精确计算两片区的配准参数,实现两片区的"无缝"连接,最后使各独立片区拼接成一个连续的大空间尺度地表垂直形变场.本文推导了多轨PSInSAR技术获得的不同片区形变场基准转换与数据拼接的数学模型,并以华北平原(115.32°E—118.79°E,36.81°N—40.58°N)为实验区,解析了3个不同轨道共12个片区PS目标,获取了研究区2006—2010年地表垂直形变速度场.分析表明:(1)研究区大范围处于下沉状态,形成以北京、廊坊、天津、沧州、泊头—德州等城市为中心向外扩展的地表沉降发展态势,几个沉降中心的平均沉降速率分别达到-34.7mm/a、-26.3mm/a、-64.2mm/a、-34.6mm/a和-37.7mm/a;(2)地表沉降的空间分布特征表明,城市工业生产和生活抽取地下水是地表沉降的主要诱因,农业灌溉和油气开采是导致华北平原大范围地表沉降的另一个重要因素;(3)研究区最大沉降带沿北北东向展布,与区内断裂分布一致,表明沉降的空间分布受到断裂带控制;(4)利用地表同期一等水准测量成果检验了本研究结果,精度达到4.72mm,表明本文提出的数据处理策略能够满足大时空尺度地表形变监测的需求.

汶川M_S 8.0地震前InSAR垂直形变场变化特征研究

利用D-InSAR技术,选用汶川地震前日本ALOS/PALSAR数据,提取了汶川地震前4个条带的形变场,形变场覆盖了映秀镇、茂县、北川县、平武和青川县.结果显示,汶川地震前形变场沿断层呈"凸"状对称形变分布特征,沿发震断层附近出现隆起形变,而远离发震断层两盘均出现下沉,且随着远离断层距离的增加,沉降幅度逐步增加.在断层两侧附近的平武、北川、安县、江油一带出现了大面积形变隆起,幅度为5～10 cm,且断层西侧抬升范围大于东侧.在映秀镇和汶川地震震中附近,沿断层两侧呈现出小范围斑块状隆起,范围在10～15 cm.该隆起区域与汶川震中位置和破裂最强烈段落基本一致.在远离断层的两盘区域出现沉降,绵阳至成都一带沉降范围在0～-10 cm之间,松潘至文县一带沉降范围在-5～-10 cm之间.研究表明对于处于闭锁阶段的逆冲断层,震前的垂直变形可能是其主要变形特征.虽然获得的震前形变变化可能存在5 cm的DEM和对流层大气延迟造成的误差,但这种震前垂直形变场变化趋势仍然存在,可能为地震监测预报提供科学依据.

东昆仑山断裂带及昆仑山口西8.1级地震垂直形变研究

沿格尔木—五道梁公路测线 1979,2 0 0 1年的 2期水准观测资料表明 :1)东昆仑山及可可西里地区现今相对于柴达木盆地仍在发生继承性的隆升运动。 1979— 2 0 0 1年期间 ,昆仑山口主峰一带相对于格尔木约上升了 2 80mm ,上升速率高达 15mm/a ;五道梁相对于格尔木上升了约 2 10mm ,上升速率约 10mm/a。 2 )昆仑山口至五道梁之间的可可西里地区 ,在相对于柴达木盆地以 7mm/a的速度整体抬升的同时 ,还相对于南、北两侧的五道梁和昆仑山隆起区以 3～ 7mm/a的速度下沉。 3)格尔木—五道梁剖面垂直形变整体符合俯冲 -逆掩地壳增厚模式 ,其中 ,沿西大滩断裂、中昆仑山断裂和昆仑山北缘断裂带的逆冲推覆运动 ,占了整个东昆仑山现今构造隆起的大部分 ,其逆冲推覆运动有自南向北衰减的特点。 4 )地质调查结果表明 ,沿 2 0 0 1年 11月 14日昆仑山口西MS8.1地震 35 0km的左旋破裂带 ,可以划分出若干个不均匀错动段 ,错动量最大可达 6m ,最小只有 2m。基于Okada (1985 )位错模型的理论计算结果表明 ,地震断层不均匀左旋错动可以在昆仑山口破裂带南北两侧产生 10 0多毫米的差异性垂直位移。 1979— 2 0 0 2年实测垂直位移中 ,西大滩断裂谷地水准点的异常上升、昆仑山口测点的异常下降等都与发震断层的不均匀错动密切相?

汶川8.0级地震前后地壳垂直形变分析

利用汶川8.0级地震周边区域水准、跨断裂水准资料,分析了汶川Ms8.0地震前后的地壳垂直形变。结果表明:震前,区域垂直形变表现出某种阶段性,升降差异运动由剧烈向减弱变化,龙门山断裂活动也由活跃向闭锁转换;震后,地震影响主要沿龙门山断裂带向北东方向扩展,余震区附近同震形变显著。

腾冲火山区地表垂直形变分析

对腾冲火山区 1998～ 2 0 0 0年的 3期垂直形变资料进行了分析 ,进而利用相关资料得出与计算有关的参数 ,再用多元Mogi模型反演了岩浆房的位置和大小 ,所得出的结果与地震层析反演结果基本相似。分析反演结果 ,认为火山区可能存在多个岩浆房 。

华北北部地区现今地壳垂直形变特征与地震危险性分析

通过对华北北部地区多期精密水准复测资料的处理分析,认为:首都圈西部的广大区域,出现了大面积、大量值的下降趋势,等值线的走向以NE向为主,与NWW向的张渤带近垂直相交。垂直变形的空间分布与构造活动关系密切,这种"南升北降"、"东升西降"的形变特征与"北高南低"地形显示的长期构造运动趋势不一致。研究区最西部地区出现了以阳高为中心的南北两侧相对上升,东西两侧相对下降,其最大差异值达26mm/a。这种形变形态与大同地震前的图像有某些相似,但其形变性质却完全不同(一升一降)。垂直形变的异常变化提示2008年华北北部地区的构造活动已从常态活动开始转向异态活动,有可能是强震孕育的信号。

中国大陆的垂直形变速率梯度及地震活动

在GIS平台上 ,以 195 1～ 1990年中国大陆垂直形变速度图为基础求出的垂直形变速率梯度 ,其变化情况基本上反映了中国大陆地壳的垂直剪应变及相应的剪应力的大小。东部的华北块体垂直形变速率梯度值明显地高于东北和华南地区 ,西部地区的青藏块体和天山地块的梯度较高 ,它们是现代构造活动较强的块体。斜贯中国大陆的察隅 -通化北东向高梯度带和其西侧的银川 -乌丽北东向高梯度带是现代地壳垂直差异活动强烈的地带。现代强震主要孕育发生在高梯度异常区及其附近 ,垂直形变速率梯度异常对地震危险区预测有一定的应用价值。

首都圈地壳垂直形变与未来强震活动

据首都圈地区精密水准复测资料 ,分析了近 1 0年来地壳垂直形变状态与特征。结果表明 ,北京、天津和河北等平原地区 ,由于过量开采地下水导致了大空间、大量级的地面沉降 ,从而无法获得这些区域垂直向构造运动信息。在首都圈地区能够获得构造运动信息的区域主要位于该地区的东北端和西区 ,东北端为唐山—遵化—兴隆以东和以北的区域 ,西区指太行山以西的区域。东北端区域整体表现为下降 ,下降速率为 2～ 4mm/a,但“北升南降”的运动格局没有改变。西区为整体隆升 ,隆升速率最大近 1 0 mm/a,运动的时空分布从具有“南快北慢”特征的总体上升逐步转变为“北升南降”的有升有降。 2 0 0 1年是西区上述运动性质发生变化的分界线 ,并由此导致了延怀盆地及其附近的区域出现了比较明显的四象限分布的形变图像。尽管从规模和量级上略小于大同地震前孕震体的变形 ,但两者的运动图像非常相似 ,所以该区域可能成为未来强震的孕震地区。

三峡库水位变化过程中的地壳垂直形变与重力变化监测

监测三峡库水位变化过程中的地壳垂直形变和重力变化,对三峡水库的安全运行和区域地质灾害监测防治等具有重要意义。本文从直接计算、实际测量和综合解算3个方面研究了三峡库水位变化过程中地壳垂直形变和重力变化。基于资源三号卫星影像提取的水体数据,结合水位数据,直接计算了三峡水库蓄放水从145~175m每隔5m的影响,地壳垂直形变最大可达30mm,对重力影响超过20μGal(1Gal=10^(-2) m/s^2)的范围距离长江中心线约2km内。库区较近的巴东CORS站(ES13)能够实际测量到库水位变化过程中的地壳垂直形变。由于目前三峡库区的CORS站和重力台站数量较少,分布不均,还不能满足紧密跟踪三峡库水位变化过程中的监测需求。利用三峡地区26座CORS站和部分重力台站数据,基于负荷形变理论和球谐分析方法,综合解算了库水位变化过程中的地壳垂直形变和重力变化,与实际CORS监测结果一致。通过对比分析发现,基于CORS站网的综合解算,能够有效提升对库水位变化过程中的地壳垂直形变和重力变化的监测能力。

我国GPS基准站地壳垂直形变的大气负荷效应

利用球谐展开方法对中国地壳运动监测网络工程6个GPS基准站的大气负荷效应作了计算，结果表明，大气负荷引起的地壳垂直形变最大可达20-30mm，且主要表现为季节性变化。通过对6个基准站的大气负荷效应和GPS观测到的垂直形变时间序列的分析对比，得出大气是地壳垂直形变季节变化的主要因素。

基于InSAR与GPS观测的汶川同震垂直形变场的获取

发震断层的形变是断层活动的重要参数之一,对认识断层性质、震源机理有重要作用。文中以逆冲性质为主的汶川地震为例,采用符合地表水平形变特征的Biharmonic样条插值对GPS水平形变矢量插值,然后再分解为EW和SN向分量。利用可靠的GPS观测值对InSAR参考点进行校正,统一两者的坐标系。通过对汶川地震视线向形变场剖面与GPS对比分析发现,断层上盘GPS与InSAR观测参考点相差9.93cm,而下盘则为-11.49cm。在此研究基础上,通过GPS水平形变场与InSAR视线向形变场联合解算,获取了汶川地震垂直连续形变场。结果表明,断层两侧垂直形变衰减较快,横跨断裂带形变量>30cm的宽度不超过50km;沿发震断层附近垂直形变高值区分布不均匀,主要集中分布在发震断裂的汶川县城至都江堰段、茶坪—北川—南坝段和青川段。这3段各有特色,南段断层两侧垂直形变极不对称,主要以上盘剧烈抬升为主,最大抬升区域在映秀镇至连山坪一带,抬升量达到5.5m。中段表现为较强的反对称性,断层一侧抬升另一侧沉降。该段上盘最大抬升区域在茶坪东侧,抬升量为255cm,下盘最大沉降量在永庆,沉降量为-215cm。北端垂直形变相对较小,主要分布在青川北侧,呈对称分布,在发震断层最北端,最大抬升量为120cm。

北祁连-河西走廊地区垂直形变与构造应力场关系的初步研究——三维有限元拟合结果分析

根据已知的地震地质资料对北祁连 -河西走廊及相邻区进行了三维有限单元剖分 ,在线弹性条件下 ,拟合了其 2 0a来垂直运动的总体趋势。计算表明 ,北祁连 -河西走廊地区垂直形变的拟合结果 ,与背景应力场的约束形式和变化特征密切相关 ,其中采用构造应力场增强作为加载条件以及稳定地块作为位移约束条件得出的拟合结果与该区域 2 0a来垂直运动的整体分布特点相一致。在此基础上 ,进一步得到其背景应力场增强的量值估算 ,其中SN方向的压力变化为 +0 .11MPa(压为正 ) ,EW方向的压力变化为 +0 .0 4MPa(压为正 ) ,EW方向的压力变化量是SN方向的 3倍左右。此外 ,根据计算得到的 10～ 15km深处剪应力增量Δγxy的分布情况 ,对比中强地震震源分布可以看出 ,剪应力增量与震源在空间分布上有一定的关联性。震源往往分布在剪应力增量变化较剧烈处 。

以垂直形变资料反演腾冲火山区岩浆活动性的初步研究

根据腾冲火山区67个精密水准测点的4期实测垂直形变资料,和对该火山区已有的地质和地球物理工作的分析,参考了由层析成像推测的腾冲火山岩浆系统动力模型,利用Mogi模型对岩浆房的大小和空间位置进行了最小二乘法反演的初步研究。对4期资料分别进行了形变差的反演计算,所得初步结果表明岩浆活动源比较分散,可能存在3个表示岩浆流入引起地面上升的上升源,和2个表示岩浆流出到断层中引起地面下降的下降源。上升源位置大致沿北东走向的断层分布。而下降源位置则在测区东南一侧,等效岩浆源的深度在6～4km之间,与小震震源的深度大致相符。4年来岩浆活动量约为106m3,量级与国外已喷发的火山相比处于较低活动水平。

沂沭断裂带垂直形变与断层活动特征分析

利用跨断层短水准资料分析了沂沭断裂带断层活动特征 ,结果表明 :NNE向的沂沭断裂带与NW向断裂活动性质有所不同 ,沂沭断裂带主要为压性逆断活动 ,北西向断裂带为张性正断活动 ,与地质考察结果基本一致。此外 。

利用GRACE卫星重力资料解算气候驱动的地表周年垂直形变

卫星重力和GPS测量技术可以监测地表流体(大气、海洋和陆地水)质量季节性迁移引起的地表周年形变;与陆地水等地表流体模型综合模拟的地表形变相比,卫星重力的形变监测结果避免了模型的精度不确定性带来的误差.本文利用前60阶GRACE卫星时变重力资料和"去相关"、组合滤波两类滤波方法分别解算了中国及邻区的地表季节性垂直形变,并与区内42个GPS台站上观测到的季节性信号进行了比较,发现采用"去相关"滤波方法处理后的结果优于采用组合滤波处理后的结果.文中采用"去相关"滤波方法,GRACE解算的周年垂直形变的振幅、相位和GPS结果总体上一致;少数站上GRACE和GPS得到的振幅或相位相差较大,主要因素可能与GPS解算策略、GPS观测资料的连续性或局部大气、水文过程等地球物理因素有关.在中国及邻区的陆地上GRACE解算的周年垂直形变的振幅最小值出现在TASH台站东南,约1×10^(-3)m;最大值出现在恒河澜沧江流域,可达10×10^(-3)m.文中的结果证实了在中国及邻区可以用GRACE卫星重力这种新手段监测大尺度的地表周年垂直形变.

呼图壁地下储气库部分区域地表垂直形变机理研究

利用在呼图壁地下储气库开展的2013～2015年7期二等水准测量获得的高差数据,对受地表气井压力变化影响而发生的地下储气库地表垂直变形进行了分析.研究表明,呼图壁地下储气库区的地表变形除了构造成因引起的盆地下沉以外,其他成因有2个方面：一个是呼图壁地区的地下水超采影响着该地区的地表垂直变化;另一个是储气库集采气期间受井口压力变化影响的地表沉降,根据计算,储气库每MPa气井压力变化影响到的地表变化为0.625～1.125mm.

三峡二期工程蓄水后的垂直形变场

根据三峡地区的数字高程模型 (DEM) ,模拟三峡二期工程蓄水位达到 135m后的水体负载 ,利用Far rell提出的质量负荷产生的地球形变理论 ,推算三峡水库水位达到 135m后整个库区的垂直形变 ,与三峡库区GPS形变监测网获得的蓄水前后的垂直形变图像进行对比分析 ,结果显示 :在三斗坪 巴东库段 ,两者中都出现了 3个相同的、明显的垂直形变集中区。在三峡大坝附近 ,模拟结果比观测结果大 8～ 15mm ,说明坝址附近的花岗岩具有较强的刚性 ;而在香溪 ,模拟结果比观测结果要小 2 3mm ,且GPS观测到长江两岸的垂直变化差异达到 2 2mm ,说明该段地质构造的特殊性和复杂性。综合分析表明 ,三峡大坝坝址所在地的地质构造和地壳是稳定的。