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GPS位移和边坡应力的滑坡监测技术研究与应用

介绍了边坡应力监测技术与GPS位移监测技术的原理以及系统实施中的关键技术,二者结合构成多源预警系统有助于提高滑坡预测的效果,并结合某地实际应用案例予以说明。边坡应力监测技术与GPS位移监测技术可以实现滑坡的长期预警和中短期预警相互结合,可以形成多源立体监测系统,有助于提高公路(铁路)边坡监测水平,在交通领域有广阔的应用前景。

小波分析在GPS位移时间序列特征中的应用

使用福建GPS台网2004年3月—2008年10月的连续观测资料,对各基准地震站原始数据进行处理,得到位移时间序列,进行初步分析。在此基础上,采用小波分析方法提取时间序列的时频特征,从而得到非线性变化信息,为GPS在大地震前获取前兆资料提供探索方向,进而通过对位移时间序列异常变化与区域地壳运动关系的研究,探讨两者间的内在联系。

GPS位移观测中新发现的13.6年振荡及其对动态参考框架的潜在影响

越来越多的大地测量及地球物理应用研究对GPS位移观测提出了毫米甚至亚毫米精度的需求.要到达这种精度水平,识别和分析GPS位移中所包含的未知年代际信号将至关重要.本研究采用最优序列估计方法(optimal sequence estimation;OSE),从GPS垂直位移分量中首次发现一个周期约13.6年的振荡信号,该信号的激发振幅约为(3.6±1.2)mm.更为重要的是,我们发现该信号的全球空间分布模式为球谐Y_(2,-2)模式.进一步对比分析了日长变化(以及全球地磁变化)中所观测到的13.6年振荡,发现它们的相位相反.利用两种不同的实测水文数据集排除了该信号由地球外部激发源产生的可能性后,我们推断该约13.6年GPS振荡信号应来源于地球内部运动.然而,该信号具体的激发源和详细的物理机制仍有待进一步研究.此外,构建了由该信号引起的全球位移变化的数学模型.本文研究结果表明,该信号所引起的最大地表垂向位移变化可达1.37mm,相应的最大垂向位移速度变化影响为0.63mm/a.这些结果表明在毫米级动态参考框架的构建和维持中考虑13.6年振荡的影响的必要性.

利用GPS垂直位移反演区域陆地水储量变化的TSVD-Tikhonov正则化方法

利用GPS垂直位移反演区域陆地水储量变化(TWSC)属于典型的病态问题,其关键是如何进行稳定求解并提高反演结果的精度和可靠性.本文引入TSVD-Tikhonov组合正则化方法对利用GPS垂直位移反演区域TWSC的病态问题进行求解,并以四川省TWSC反演为例进行分析与验证.首先,通过数值模拟对TSVD、Tikhonov和TSVD-Tikhonov正则化方法采用不同正则化参数选取策略(RMSE最小准则、GCV法和L-curve法)进行反演,结果显示基于TSVD-Tikhonov正则化反演的TWSC比单独使用TSVD或Tikhonov正则化反演结果的精度和可靠性更高,这三种正则化方法反演2005年1月至12月的TWSC差值的平均STD分别为14.97 mm、7.03 mm和5.04 mm.其次,利用中国地壳运动观测网络(CMONOC)的72个GPS测站的垂直位移数据,基于TSVD-Tikhonov正则化反演了四川省2010年12月至2021年2月的TWSC时间序列,结果表明GPS反演的TWSC与GRACE/GFO Mascon模型(JPL、CSR和GSFC)的空间分布特征及季节性变化符合较好,但其TWSC信号的振幅比GRACE/GFO Mascon模型更强.最后,采用广义三角帽方法(GTCH)融合不同类型的降水、蒸散发和径流数据,并根据水量平衡方程计算的dTWSC/dt序列(PER-dS/dt)对GPS反演的dTWSC/dt序列(GPS-dS/dt)和GRACE/GFO Mascon模型融合的dTWSC/dt序列(GRACE/GFO-dS/dt)进行验证,结果表明这三类dTWSC/dt序列的季节性变化符合较好,平滑后GPS-dS/dt和GRACE/GFO-dS/dt序列与PER-dS/dt序列的相关系数分别为0.78和0.87,但GPS相比GRACE/GFO对降水变化的响应更为敏感.本文研究证明了TSVD-Tikhonov组合正则化方法能够提高GPS垂直位移反演区域TWSC的精度和可靠性,同时也表明GPS观测数据对局部水质量负荷变化更为敏感,可作为GRACE/GFO反演区域TWSC的有益补充.

利用GPS垂向位移监测西南地区干旱事件

GPS垂向位移包含了陆地水储量变化引起的地球弹性形变信息。本文利用中国大陆构造环境监测网(陆态网)31个GPS台站2010年8月—2016年12月的垂向位移数据,分析我国西南地区的干旱事件。结果表明,GPS垂向位移的季节性变化与降雨、GRACE反演的水储量、河流水位变化具有较强的负相关关系,其异常变化(非季节性变化)与我国使用的综合气象干旱指数(CI)、GRACE干旱强度指数(GRACE-DSI)相关性较强(相关系数约为-0.70),而与标准化降水蒸散指数(SPEI)的相关性较弱。相比于CI干旱指数,GPS垂向位移能更好地探测短期降雨急剧减少引起的干旱事件。数据缺失影响了GRACE-DSI探测干旱的准确性,而SPEI的波动较大,且存在高估某些短期降雨严重性的情况。研究结果展示了GPS在干旱监测方面的可靠性和优势。

利用GPS与环境负荷形变数据研究台风引起的垂向地表位移

台风造成的强降雨、低气压、海面高度变化均会引起地表的形变.本文利用中国大陆构造环境监测网(陆态网)7个GPS台站每日的垂向位移和环境负荷形变模型分析2018年9月10—26日台风“山竹”期间不同负荷引起的区域垂向地表形变.结果表明,台风期间大气负荷和非潮汐海洋负荷垂向形变最大分别达到5.1 mm和-9.2 mm.模型能较好地反映河流区域地表水文负荷变化造成的垂向形变,但不同模型之间存在系统偏差.由于缺少地下水等信息,模型反映负荷长期形变效应的效果不佳,且形变的量级明显小于GPS观测的结果.迅速增加的水文负荷使北海GPS站从开始下沉到最低点(-15.6 mm)5天的下沉量达到25.7 mm;珠海、广州GPS站均观测到河流汇水作用造成地表的二次下沉,且珠海站一周后才抬升到正常位置;湛江和北海GPS站能较好地反映河流水位变化,相关系数分别为-0.66和-0.50.研究结果表明,相比于形变模型,GPS能更有效地监测台风短期水文负荷形变,可为台风洪水等灾害监测与预报提供有用的信息.

远场GPS同震位移的变形特征分析——以2011年日本东北大地震为例

利用2011日本东北大地震的亚洲东部GPS远场水平位移数据,通过计算及比较分析4个独立震源解和倾/滑角效应,研究了远场地震变形的空间分布特征和规律。结果表明,对于低角度逆冲型地震来说,水平位移格林函数在远场位移场中占主导作用。基于此确定了远场GPS水平位移场能在反演中有效利用的空间范围,为联合远场GPS数据和近场GPS数据反演断层滑动分布作理论准备,并为远场数据反演位错Love数(h、l)提供理论依据。

应用GPS垂向位移定量分析2011—2020年云南省极端干旱时空特征

干旱指数是评估干旱严重程度的重要指标.本文基于FastICA(Fast Independent Component Analysis)反演模式,利用GPS垂向位移反演了云南省2011—2020年的等效水高GPS-EWH(GPS Equivalent Water Height),并根据GPS-EWH、GRACE Mascon产品与自校正帕默尔干旱指数SCPDSI(Self-Calibrating Palmer Drought Severity Index)产品,分别计算了GPS干旱指数GPS-DSI(GPS Drought Severity Index)、GRACE干旱指数GRACE-DSI(GRACE Drought Severity Index)及归一化SCPDSI,用于定量分析云南省干旱时空分布特征.研究结果表明,在滇中、滇西北与滇西南地区GPS-DSI、GRACE-DSI及归一化SCPDSI具有较高相关性,因此在该地区GPS-DSI可作为分析干旱事件的补充数据.但在滇东南与滇东北地区,GPS-DSI与GRACE-DSI、归一化SCPDSI的相关性极差,通过分析GPS站点分布特征,其原因可能是滇东南与滇东北地区GPS站点空间分布稀疏,因此分析该区域干旱事件时主要参考GRACE-DSI与归一化SCPDSI.GPS-DSI、GRACE-DSI与归一化SCPDSI的结果表明,2011—2020年间发生了三次显著的干旱事件,其中2019—2020年特大干旱事件持续的时间最长,共持续约20个月.具体分析此次干旱事件的时空特征,2019年全区以中度干旱为主,2020年大部分地区以极端干旱为主,其中滇西南地区2020年为异常干旱.

利用GPS观测研究山西断陷带现今构造应力场变化与地震活动

基于1999—2007年山西断陷带GPS站点位移速率,采用格林函数法计算了山西断陷带地壳10 km深处的最大主应力和最大剪应力变化,并与区域地质构造、中强地震活动及其震源机制解等对比分析,结果表明:山西断陷带中强地震活动受区域构造应力场的控制,现今应力场变化强烈的区域,地震活动水平相对较高,地震震源机制与构造应力场变化特征一致性较强;构造应力场变化和中强地震活动还受构造相关区强震活动的影响,2009年以来忻定盆地原平段至石岭关隆起区中强地震活跃可能与汶川8.0级地震影响有关;山西南部尤其是运城盆地具有较高的背景应力水平,应进一步关注该区域的地震危险性。

我校中标厦门海沧大桥三维动态位移GPS监测系统开发项目

不久前,从厦门路桥管理有限公司传来喜讯,经过厦门路桥管理有限公司组织的专家组评审,我校以土木工程学院桥梁工程系沈税利教授任组长的投标组,在'厦门海沧大桥三维动态位移GPS监控系统设计、科研和安装'项目投标中,以技术先进、科研实力雄厚、在悬索桥设计施工监控方面业绩优异而中标,现已与厦门路桥管理有限公司签定了合同。厦门海沧大桥主跨628米,是厦门岛与大陆连接的第二座桥梁,地处台风频发地区。

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和InSAR反演汶川Mw7.9地震断层滑动分布

利用汶川8.0级地震野外考察得到的地表破裂带的空间分布及余震精定位结果,构建了两段发震断层的几何结构模型。基于该模型反演汶川8.0级地震GPS和InSAR同震形变场数据,获得了断层滑动分布及部分震源参数。结果表明:1)联合反演能较好地解释GPS和InSAR所获得的同震形变场,数据拟合度达97.27%;2)映秀-北川断裂反演得到的滑动分布主要集中于地下0～20km处,最大滑动量分别位于北川及青川等地区,尤其是多条断裂经过的北川地区在0～20km深处存在较大滑动量,最大可达到10m,青川地区10～15km深处的滑动量最高达6.5m;3)发震断层都以逆冲为主兼有一定右旋走滑分量,其中汶川地区的平均滑动角为103°,北川地区的平均滑动角为121°,青川地区的平均滑动角为138°,灌县-江油断裂的平均滑动角约为105°;4)反演得到的矩张量达8.7×1020Nm,矩震级为Mw7.9。

利用GPS和水文负载模型研究云南地区垂向季节性波动变化和构造变形

去除GPS垂向位移中水文负载引起的非构造形变是获取云南地区地壳构造运动垂向成分的必要过程.本文利用云南地区在2011年1月—2020年9月间观测的27个GPS连续站数据和0.5°×0.5°的格网全球地表流量模型(Land Surface Discharge Model,LSDM)得到的水文负载形变数据,详细分析了GPS垂向位移与LSDM形变的定量关系和变化特点,并使用小波分析来研究两者在时频空间下的周期特性,研究结果表明:27个连续站的GPS垂向位移和LSDM形变的平均相关系数为0.59,若从GPS垂向位移中去除LSDM形变,可使均方根(Root Mean Squares,RMS)减少量平均为17.13%.小波分析结果表明,大部分连续站的GPS垂向位移与LSDM形变的年周期变化是物理相关的,水文负载形变是引起GPS年周期变化的主要原因,部分连续站(YNWS,KMIN,YNMZ,YNHZ,YNML,YNTH,YNDC和YNJP)的GPS年周期变化是其他因素(如其他地球物理因素、LSDM模型误差)和水文负载形变共同作用导致的.对于异常的YNGM连续站,地下水的变化、LSDM和GPS解算的系统误差可能是造成GPS垂向位移与LSDM形变相关性和一致性较差的主要原因.使用水文负载模型和共模误差对GPS垂向位移中非构造形变改正后,2011—2020年云南地区垂向速度场显示滇西南块体主要以0.01~1.9 mm·a^(-1)的速率沉降,川滇块体南部主要以0.13~2 mm·a^(-1)速率抬升.

GPS垂直分量与温度、气压的相关性分析及影响机制探讨

选取新疆9个GPS观测站数据和所在地区的气温、气压数据,运用相关和回归分析方法进行研究,并探讨了温度、气压对GPS垂直分量影响的物理机制。研究结果表明:1 GPS垂直分量周期近似为1a的变化为气温的影响;2气压对GPS垂直分量的影响基本是同步的,主要表现为短周期的震荡;3 GPS周年振幅随着纬度的升高而增大的原因是年温差随纬度的升高而增大。

高精度GPS观测中的负荷效应

讨论了高精度GPS观测中的负荷效应问题。根据地表质量负荷理论的Green函数方法,计算了地球表面质量负荷(包括大气、非潮汐海洋和陆地水)对中国部分IGS台站垂直位移的影响。其中,大气负荷对各台站的影响比较一致,变化幅度约为20 mm,非潮汐海洋对沿海台站的负荷影响显著,其变化幅度达到10 mm,水负荷对各台站的影响差异较大,最大的变化幅度约20 mm;总的负荷效应达到厘米量级,与GPS观测结果的比较说明在高精度的GPS观测的时间序列中,存在明显的季节性变化,而该变化与表面负荷有着直接的关系。特别是对于房山和乌鲁木齐2个台站,GPS观测的垂直变化中的季节项基本上就是来自于地球表面的质量负荷;而昆明和拉萨这2个台站尽管位于板块运动活跃区域,垂直季节性变化也主要源于地表负荷。因此扣除这些负荷影响的GPS观测资料将更有利于研究地壳的运动特征。

应用GPS数据和Slepian基函数反演川云渝地区陆地水储量变化

局部Slepian函数是将局部区域内的地球物理信号转化为空间谱的一种方法,其可以保证在球面上局部范围内获得最优谱平滑解,非常适用于局部范围地球物理信号的研究.本文利用中国陆态网西南地区72个测站的连续GPS观测资料分析川云渝地区陆地水负荷形变特征,并基于Slepian函数方法解算60阶的空间谱基函数,结合弹性质量负荷理论研究了川云渝地区2011年至2015年陆地水储量变化的时空分布模式.针对Slepian函数的边界效应问题,本文使用GLDAS格网数据计算得到站点处垂直负荷位移时间序列,然后利用该位移数据来进行水储量变化恢复实验,结果表明当边界扩充为3°时能较好地恢复GLDAS模型输出的陆地水储量变化.通过对比区域内GPS、GRACE、GLDAS得到的等效水高以及降雨数据,发现季节性降水是陆地水变化的一个重要驱动因子,GPS反演结果与GRACE和GLDAS数据具有较强的空间一致性.云南地区周年变化要强于川渝地区,其中云南西部的山区陆地水变化最大,约为30 cm,最小为川北以及重庆地区仅为7 cm.相较于GPS反演结果,GRACE与GLDAS明显低估了陆地水储量的季节性变化,分别达到24%和47%.比较分析地区内平均等效水高时间序列的相位发现,GPS得到的陆地水变化与降雨数据一致性较好,而GRACE与GLDAS存在一到两个月左右的时延.同时GPS能较好的探测出2015年1月左右南方地区大范围的强降水,而GRACE与GLDAS并没有体现出该现象,说明GPS能更为灵敏地探测到局部地区陆地水的变化.在站点等效水高时间序列上,GPS与GRACE的相关性总体上要优于GPS与GLDAS,陆地水周年变化较大的云南和四川西部地区站点三种数据间相关性较好,而其他季节性信号不明显的地区则相关性较差.本文的研究表明运用GPS-Slepian方法能够独立地监测高时空分辨率的陆地水储量变化,是作为当前补充GRACE观测资料空缺期的有益尝试.

GPS测定的2008年汶川Ms8.0级地震的同震位移场

2008年5月12日四川汶川发生Ms8.0级地震,龙门山断裂带的映秀-北川断裂和灌县-江油断裂同时发生破裂,分别形成了240多公里和70多公里长的地表破裂带,最大垂直错距和水平错距分别达到6和4.9m.利用GPS获取的地表形变资料,揭示了大区域、远场同震位移场,发现地壳形变以映秀-北川断裂为中心,两侧发生相向运动和强烈的水平缩短;而且青藏高原东缘的向东运动幅度大于四川盆地向西的运动幅度.5.12汶川大地震还具有右旋走滑分量,GPS定量地揭示了映秀一带南段的右旋水平位移很小,北川县城以北的北段具有明显的右旋位移,但幅度仍然小于水平缩短幅度.垂直同震位移在龙门山断裂带东侧的成都平原以下降为主,断裂上盘只在距断裂很近处观测到了向上的运动,很快又转为下降运动,这种运动图像与高角度逆断裂产生的弹性位移场类似.上述观测事实对于进一步研究岩石圈构造运动、地震动力学特征及判定未来地震趋势等都具有十分重要的意义.

中国大陆中东部M_s≥8.0级特大地震发震背景初步分析

从构造地貌、地质体特征及其物理力学性质、现今GPS位移场、活动断裂与现代构造应力场和能量场等方面探讨中国大陆中东部部分Ms≥8.0级特大地震发震背景。初步认为,地震是地壳局部或区域活动的表现,诱发地震的主因来自地球内部地应力、能量聚集和瞬间释放;发生地震的部位一般是地壳构造活动带或地壳结构的薄弱带,诸如活动断裂带等;活动断裂在发展演化过程中,当其穿过构造地貌、刚性结晶基底等特殊地质环境时,其活动受阻,引起地应力和能量集中。当地应力和能量积累超过岩体(石)强度,导致岩体(石)破裂,诱发地震;活动构造、地质体特征及其物理力学性质是地震发生的必要条件,地应力和能量集中是地震发生的充分条件。最后,提出中国大陆中东部中长期需重点关注的区带及工作建议。