利用最小二乘配置在球面上整体解算GPS应变场的方法及应用

通过对位移与应变微分公式的分析,给出了球坐标系下应用最小二乘配置法由GPS数据整体解算应变场的方法.首先,对模拟数据的理论应变场与采用全部采样数据和随机抽取50%限定采样数据的应变场结果的对比分析,初步验证了最小二乘配置球面整体解应变场方法的有效性.然后,利用1 999～2001和2001～2004两期中国大陆区域网GPS速度场数据给出了基于最小二乘配置球面解获得的应变率场结果,概要分析了此期间中国大陆应变率场的动态变化.最后,讨论了最小二乘配置在球面上计算应变场需要注意的问题和建议.

基于GPS速度场变化结果研究汶川地震前后南北地震带地壳运动动态特征

本文针对制约多期GPS速度场动态演化特征分析的关键问题,提出速度场稳定基准选取中顾及基准偏移的影响,给出了改进拟准检定(QUAD)初选指标的方法,有效解决多期速度场的基准偏移对粗差剔除的影响.并在此基础上通过对1999—2013年南北地震带地区多期GPS速度场做以华南地块为统一参考基准的处理、最小二乘配置统一协方差参数估算,获取了南北带地区多期GPS速度场的网格化结果.结果显示:(1)汶川地震影响在震后迅速衰减;震前2004—2007年及2007—2009年相对于1999—2004年南北地震带地区中北部地区存在大范围的北东向运动增强.(2)2007—2009年相对于2004—2007年的速度场差值变化图像显示,这期间汶川地震的调整影响范围较大,鲜水河左旋剪切有所减弱,龙门山南段应变积累增强.(3)川滇块体南东向的挤出滑移在2011—2013年相对2009—2011年有所增强.

中国大陆现今构造运动的GPS速度场与活动地块

GPS观测结果给出了在欧亚参考框架下周边板块的运动状态 ,印度板块的运动方向约NE2 0° ,速度是 40～ 42mm/a ;北美板块的运动方向约NW 2 80°～ 2 90° ,速度是 2 1～ 2 3mm/a ;菲律宾板块的运动方向是NW 2 90°～ 310° ,速度是 37～ 45mm/a ;哈萨克—西伯利亚地盾的运动方向约NE130° ,速度是 3～ 5mm/a。GPS所揭示的中国大陆现今运动场清晰地表现出了以活动地块为单元的分块运动特征。文中给出了各主要活动地块的运动方向和速度。大部分活动地块内部结构完整 ,以整体性的运动为主 ;个别活动地块内部发生构造变形 ,地块的整体性不好。中国大陆以活动地块为单元的现今构造变形可能与大陆岩石圈的结构和性质有关 ,上地壳以脆性变形为主 ,下地壳和上地幔以粘塑性的流变为特征 ,从底部驱动着上覆脆性地块的整体运动。

青藏高原现今构造变形特征与GPS速度场

文章以青藏高原的GPS观测数据为基础 ,结合活动地质构造资料 ,研究了青藏高原的现今构造变形状态和机制 ,并探讨青藏高原现今构造变形所反映的大陆内部动力学过程。GPS观测的速度矢量揭示了青藏高原整体向北和向东运动的趋势 ,平行于印度和欧亚板块碰撞方向上的地壳缩短量约是 38mm/a ,而青藏高原周边主要断裂带的滑动速率均在 10mm/a以下。大约 90 %的印度与欧亚板块相对运动量被青藏高原的地壳缩短所吸收和调节。GPS速度矢量由南向北逐渐向东偏转 ,向东的分量也增加 ,形成了以羌塘地块北部 (或玛尼—玉树—鲜水河断裂 )和祁连山中部为中心的两个地壳物质向东流动带。青藏高原的向东挤出实际上是地壳物质在印度板块推挤下和周边刚性地块阻挡下围绕东构造结发生的顺时针旋转。

汶川地震前GPS资料反映的应变率场演化特征

对中国大陆东西向应变率场的研究结果表明,青藏块体西部(92°E以西)东西向拉张区和青藏块体东部(92°E以东)东西向挤压区反映了青藏高原物质东向流动受到了华北-华南地块的阻挡,形成了空间跨度约900 km的压缩区,3期应变率场结果均显示南北地震带中段位于东西向压应变率高值区。川滇地区应变率场结果表明,巴颜喀拉地块东向运动的增强导致了汶川地震震源区面应变率的集中;在东西向挤压高值区逐渐向东迁移的过程中,龙门山断裂带的东西向挤压变形逐渐增强;旋转率场动态演化结果表明,2004—2007年龙门山南段的逆时针旋转变形强度有所减弱,龙门山断裂带中北部的顺时针旋转变形有所增强;主应变率分布特征由散乱到一致的演化特征表明龙门山断裂带闭锁状态伴随着挤压和右旋剪切作用的增强达到了极高点。

中国大陆GPS速度场的球面小波模型及多尺度特征分析

利用1999—2009年间中国大陆共1068个GPS站点在东方向、北方向的速度值,采用DOG球面小波多尺度分析方法,建立了中国大陆东方向、北方向多尺度速度场。球面小波模型的尺度主要根据观测站点的密度来确定,利用检核点上的已知速度与模型速度之间的均方差来评定模型的精度。利用球面小波模型可以更加清晰地表示速度场的大尺度特征和复杂的局部变化特征。站点稠密区域,模型在东方向、北方向上的精度分别为±0.95mm/a、±0.97mm/a,稀疏区域对应的精度分别为±1.32mm/a和±1.30mm/a。

用球谐函数整体解算GPS应变场方法研究

探讨利用球谐函数方法整体解算大区域应变场的方法。用该方法对1999—2004年中国大陆区域网GPS速度场数据进行了分析,给出了该期间的中国大陆应变率场分布,并从残差分布规律角度讨论了球谐函数方法的有效性。针对该方法产生的边缘效应问题,提出了对研究区域外部进行插值后再进行应变计算的解决办法。

从GPS水平矢量场对中国及全球地壳运动的新认识

利用中国GPS矢量场和IERS公布的全球矢量场,对中国及全球地壳水平运动的状态进行了从全球到局部不同空间尺度的构造运动的描述和理解,其要点如下:①GPS矢量场定量地显示了中蒙构造区是全球大陆内变动最强的地区;②中蒙构造区(或中蒙次板块)内部可分出三级各具特色的构造区块、条块和地块;③中蒙西部区块呈大" ",3条边缘带都是地壳厚度陡变带,是结构性地震带,控制了全球大陆内2/3以上的8级地震;④中蒙东部构造区块是挤压型和伸展型大陆边缘最典型地区,GPS矢量场展现了现今向东的伸展蠕散运动;⑤中国西部2001年在昆仑山发生的8.1级地震与西部从GPS矢量场算得的视应变场中高应变带相关;⑥全球GPS矢量场揭示N/S半球之间存在明显的运动不协调带,该带(B带)直接表现为13条左列的走滑兼挤压断裂带,该带控制的强震活动与环太平洋俯冲带(A带)控制的地震自1897年以来交替活动已有七幕。讨论提出:①全球4个构造系(环太平洋构造系、洋脊构造系、北半球大陆高原构造系和环赤道构造系)是否与地球的N/S半球、0～180°半球的双重非对称有关?②全球GPS矢量场所描述的板块运动可否作为约束推算地幔三维运动的表层条件?

用GPS位移场进行中小区域变形分析方法探讨

因局部区域相对全球框架不可避免地存在整体刚性平动分量,常影响对局部范围内地壳相对变形量级与特征的判读。对分离局部整体刚性平动分量的方法进行了探讨,通过实例分析认为,对京津地区28个GPS连续观测站给出的位移速率场,整体平移法和欧拉矢量法都能得到较好的效果,但相比之下,对于类似的中小区域,整体平移法更加简单明了。

基于多尺度球面小波解算GPS应变场的方法及应用

提出了利用多尺度球面小波解算GPS应变场的方法,该方法通过建立不规则分布的小波基函数以凸显测站非均匀分布的特征,获取不同空间尺度的应变场.通过对模拟数据进行对比分析验证该方法的有效性,模拟结果显示,多尺度球面小波应变计算方法稳健性较好.在位移场中加入高斯随机误差(均值为0.0mm,标准差为0.5mm)对应变计算结果的影响可忽略不计.从原有位移场随机抽取的60%的数据解算应变场时,仍然能够获取比较可靠的结果,但如果出现大范围的数据空缺,则会对应变结果产生明显影响.基于华北地区GPS测站原始观测数据,通过高精度数据处理方法解算了该区域GPS速度场,根据多尺度球面小波方法,解算了该区域的应变率场及其误差,并分析了其空间分布特征.

全球GPS矢量场的分区描述及规律性分析

以平均选择的GPS站点运动年速率编制了全球板块运动矢量场,从而揭示了以下几点规律:1从北大西洋洋脊东侧起,直至西北太平洋岛弧带,欧亚大板块总体呈现顺时针宽弧形运动;2从北大西洋洋脊西侧直至美洲大陆西边缘,北美大板块呈现反时针宽弧形运动;3从南大西洋洋脊东侧起,直至克马德克—新西兰一线,非洲板块和印—澳板块一并呈现从北东指向渐变为北北东指向的运动;4东南太平洋洋脊西侧太平洋板块总体向北西西方向运动;5东南太平洋脊东侧海底大小板块总体向北东东运动;6南美洲整体向北运动;7北极区总体向太平洋北缘运动;南极洲总体向大西洋区运动,并有分裂—对旋迹象。分析上述运动的分区展布,可推论以下几点运动动力学的认识:1拖动全球板块一级运动势态的地幔流可分解为由南极区向北的径向流与由大西洋洋脊和东南太平洋洋脊的东西两侧纬向流的二元动力联合作用,从而造成全球性指向北东和北西的斜向运动;2以重力大地水准面所展现的低阶双重非对称的地球,是引导表壳发育张裂洋脊带和汇聚俯冲带的力学条件;3沿赤道两侧不协调运动带呈现压扭、张扭的复杂变动除了南半球与北半球地幔流在运动指向和速度的差异而造成之外,还可能与地球质心的偏心和南、北半球自转速度的差异变化有关;4南极洲相对环南极洋脊的偏极分流运动还有待进一步研究。在以上认识的基础上,本文讨论了造成三大洋脊在全球表壳的分布、全球深俯冲带仅仅在环太平洋边缘带内发育、北半球和南半球的板块径向、纬向运动有整体性差异等问题的原因。造成上述现象是与地球整体的双重不对称性有关,即北、南半球和0°/180°半球的缩、胀和快、慢的双重非对称,而这种双重不对称性是地球内部物质的热状态、运动状态以及质量分布等原因造成的,我们认为以重力大地水准面所展现的低阶双重非对称的地球表壳,既是约束地幔流的上边界条件,又是引导表壳发育张裂带的力学条件,目前地球表面的这些一级构造因素并不是随意造成的,它们有着深刻的地球物理背景。本文还着重讨论了双重非对称畸形壳体的构造力学背景,根据GPS资料建立了地球热流驱动的地幔经、纬向一级对流格局。

利用GPS速度场估算青藏高原地壳韧性层等效粘滞系数分布的研究

将青藏高原及周边区域地壳分为脆性层和韧性层,并假定脆性层地壳近似弹性,韧性层为粘弹性层。利用GPS水平速度场计算地面应变场,推导地壳内部作用力在不同点产生应变率之间的关系公式。利用稳态热传导方程估算地壳内部温度场,利用破裂强度和蠕变强度相等估算脆性-韧性转换面,并进一步估算青藏高原地壳不同深度的粘滞系数分布。结果表明,青藏高原及周边区域脆性-韧性转换面一般位于中地壳,深度分布在22～37km之间,地壳较厚的区域转换层也较深;韧性层内粘滞系数分布,在中地壳约为1019～1022Pa.s,下地壳约为1017～1020Pa.s,Moho面则降至1016～1018Pa.s。

基于GPS观测分析日本9.0级地震同震位错与近场形变特征

2011年3月11日日本本州宫城县东海岸近海发生M_W9.0级地震,本文在对GPS同震位移场分布及误差特征分析的基础上,反演了同震位错分布.误差分析结果表明震源北西向300 km、北北西向550 km、南西向700 km范围内的同震位移量值明显大于误差,可以为位错反演提供有效的地表位移约束.沿震源北西向GPS剖面结果和位错反演位移剖面结果均表明同震近场位移符合指数衰减特征.位错反演结果表明,日本9.0级地震最大同震位错为25.8 m,位于震中附近;位错量大于10 m的同震破裂集中在震中附近400 km范围内;日本海沟南段同震位错量相对较小,此次地震为日本海沟地区典型逆冲型地震.根据此次9.0级地震和该地区以往强震破裂空间分布特征,此次9.0级地震破裂既体现了强震原地复发的特点,又体现了强震破裂的填空性.

基于GPS速度场的青藏块体东北缘应变场分析

利用2004～2013年GPS速度场数据,分析青藏块体东北缘的应变场和剖面应变积累特征。结果显示：1）稳定的阿拉善地块及鄂尔多斯地块分别阻挡了祁连山断裂带与贺兰山构造区分别向NE、E方向的物质迁移;2）主压应变率、最大剪应变率高值区均分布在祁连山构造带东段、海原断裂东段至六盘山断裂西段,面膨胀率压性高值区主要在祁连山构造带东段,3）祁连山断裂东段显示为以压性为主、兼具左旋走滑,海原断裂东段至六盘山断裂西段则表现为以左旋走滑为主、压性为辅的相对运动特征。

ArcGIS中GPS速度场的框架旋转和制图表达的设计与实现

GPS速度场反映区域的地壳变形特征,而目前主流的GIS平台缺少GPS速度场的制图表达,不利于和现有的矢量和栅格数据进行叠加分析。利用ArcGIS为Python提供的Arcpy/Arcgisscripting模块实现速度矢量图形的输出。具体处理过程需要编写代码对选定站点速度进行欧拉矢量计算,实现框架旋转变换,以突显差异运动特征;还包括指定置信度的误差椭圆计算。输出shape文件包括GPS点文件,其属性表为输入速度数据,以及矢量箭头线文件和误差椭圆线文件。最后以中国大陆及周边GPS连续观测站的计算结果,旋转变换到欧亚框架下,实现GPS速度场在ArcGIS中的制图表达。

基于GPS速度场的中国大陆地壳运动特征研究

根据2007~2009年、2009~2011年、2011~2013年GPS速度场及前3期加权平均后的2007~2013年速度场,分析了中国大陆主要运动地块的活动特征。从整体来看,现今中国大陆地壳运动的驱动力仍来自于印度板块向北的挤压,地壳活动值得关注的区域是断裂、地块间GPS速度场存在大幅差异的区域,主要体现在青藏高原北部,天山地区,鄂尔多斯东、西缘以及川滇菱形地块。

川滇地区GPS速度场聚类分析

以川滇地区GPS水平速度场为研究对象,首先采用层次聚类法对其进行直接聚类,然后对在地理空间中出现错分的GPS站点利用F统计检验来纠正分类。在此基础上,考虑DB指标以及层次聚类的不可逆性,对分类结果进行二次聚类,最终将川滇地区划分为6个块体:藏东块体(BYw)、阿坝块体(BYe)、川滇菱形块体(CD)、华南块体(SC)、腾冲-保山块体(DSw)和印支块体(DSe)。其中,CD块体的西、北边界分别是"三江并流"三江断裂区域和巴塘地区的一条速度阶跃线,且巴颜喀拉主峰断裂将巴颜喀拉块体(BY)分为BYw和BYe两个块体。本文给出的川滇地区块体划分模型是数学意义上的一种合理方案,与基于地质资料的结果相吻合,可为该地区的块体划分提供另一维度的解释。

GPS应变率场解算方法的对比分析及其可靠性研究

利用GPS速度场资料进行应变率场计算存在多种不同的计算方法，虽然理论上速度场与应变率为简单的偏导关系，但由于GPS观测为点测量方式，如何构建逼近真实的速度场进而计算可靠的应变率场就有其复杂的一面，因此实际计算中不同研究者即使利用相同的数据也很难得到相同的结果，究竟如何评价不同计算方法的可靠性和适用性就显得尤为重要。针对上述问题，通过模型与模拟实验数据分析，讨论了多种区域连续应变率场方法的解算精度与抗差性等问题，提出了能够较客观反映实际变形分布的最小二乘配置球面应变率解算方法，并对比了与其他几种常用方法的差异。

GPS接收机标准检定场测量不确定度的分析与评定

本文根据测量不确定度的评定规则,对GPS接收机检定场的数学模型和误差来源进行了分析和研究,对其各个不确定度分量进行了评定和计算,并给出该检定场的合成标准不确定度、有效自由度及其扩展不确定度。

最小二乘配置与REHSM求解GPS应变场的方法

首先在最小二乘配置方法中,通过多项式函数、高斯函数、似高斯函数、希尔沃宁函数、空间调和函数（2个）共6种协方差拟合函数,在WGS-84椭球面上比较获得最优的区域速度场信息。然后在研究区域进行划分与编码,通过块体的整体旋转及均匀应变模型（REHSM）解算得到应变场。最后对运城盆地2007～2010年19个基于＂数字地震网络工程＂的监测数据进行分析,给出该区域的应变场分布。