重力场的地球动力学与内部结构应用研究进展

深入认识地球深内部结构和内部动力学问题一直是基础地球科学研究领域的前沿热点,传统方法主要依赖于地震技术。近几十年来,随着新兴的现代重力观测技术革新(尤其是高精度超导重力技术的成功应用),使得检测地球内部动力学现象和物性信息成为可能。本文简述了我国在本领域近年来利用现代高精度重力技术在检测地球自由振荡、自由核章动、内核平动振荡、潮汐模型与极潮和内部结构方面的研究成果进展。

利用动力学方法解算GRACE时变重力场研究

本文利用动力学方法建立GRACE（Gravity Recovery And Climate Experiment）K波段距离变率（KBRR）观测、轨道观测与重力场系数的观测方程,通过GRACE Level 1B观测数据,成功解算出全球月时变重力场模型——IGG时变重力场模型,并将2008—2009年的解算结果与GRACE三大数据处理机构美国德克萨斯大学空间中心CSR（Center for Space Research）、美国宇航局喷气推进实验室JPL（Jet Propulsion Laboratory）和德国地学研究中心GFZ（GeoForschungs Zentrum）发布的最新全球时变重力场模型进行详细对比分析.结果表明：IGG结果在全球质量异常、中国及周边地区质量异常的趋势变化、全球质量异常均方差、2~60每阶位系数差值以及亚马逊流域和撒哈拉沙漠等典型区域平均质量异常等方面与CSR、JPL和GFZ解算的RL05结果较为一致.其中,IGG解算结果在2~20阶与CSR、GFZ和JPL最新解算结果基本一致,20~40阶IGG解算结果与GFZ、JPL单位最新解算结果较为接近,大于40阶IGG结果介于CSR与GFZ、JPL之间;亚马逊流域平均质量异常周年振幅IGG、CSR、GFZ和JPL获取到的结果分别为17.6±1.1cm、18.9±1.2cm、17.8±0.9cm和18.9±1.0cm等效水柱高.利用撒哈拉沙漠地区的平均质量异常做反演精度评定,IGG、CSR、GFZ和JPL的时变重力场获取到的平均质量异常均方差分别为1.1cm、0.9cm、0.8cm和1.2cm,表明IGG解算结果与CSR、GFZ和JPL最新发布的RL05结果在同一精度水平.

福建—台湾地区地壳构造及其显示的动力学构造研究

基于已有的地壳三维速度结构,结合福建—台湾地区的地貌和构造特征,分析了地壳三维速度结构与该区域构造的关系。结果显示:(1)浅层的速度结构与该区的地貌、地形及地质特征有较好的对应关系,福建主要的地热区漳州盆地和福州盆地都呈现明显的低速异常,尤其是漳州盆地的低速异常一直延伸到较深的深度;(2)福建地区的地壳运动、断裂活动和地震活动存在明显的南北差异,与地壳速度结构分布对应关系较好,南部的中上地壳呈现低速而北部中上地壳呈现高速;(3)在一些大型活动断裂带的两侧存在明显的速度结构差异,如在福建构造活动最为强烈的滨海断裂带两侧在15 km深度的速度结构剖面上显现明显的差异,这也解释了福建地区地震活动的震源深度大多位于15 km之上的现象;(4)台湾地区的大多数强震一般发生在板块碰撞或俯冲的高速带上,并形成明显的贝里奥夫带,台湾地区的强震活动与该地区的复杂的板块结构及其运动密切相关。

星载原子干涉技术用于地球重力场测量及其精度评估

重力梯度卫星GOCE通过搭载静电式重力梯度仪,将全球静态重力场恢复至200阶以上。目前GOCE卫星已结束寿命,亟须发展下一代更高分辨率的卫星重力梯度测量来完善200~360阶的全球静态重力场模型。原子干涉型的重力梯度测量在空间微重力环境下可获得较长的干涉时间,因此具有很高的星载测量精度,是下一代卫星重力梯度测量的候选技术之一。本文针对未来更高分辨率全球重力场测量的科学需求,提出了一种适用于空间微重力环境下的原子干涉重力梯度测量方案,其梯度测量噪声可低至0.85mE/Hz1/2。文中对不同类型的卫星重力梯度测量方案进行了重力场反演精度的对比评估,仿真结果表明,相比于现有静电式卫星重力梯度测量,原子干涉型的卫星重力梯度测量有望将重力场的恢复阶数提升至252~290阶,对应的累积大地水准面误差7~8cm,累积重力异常误差3×10-5 m/s2。

汶川地震断层滑动模型反演及地震区域构造的大地测量约束

以汶川地震前后GPS观测得到的同震形变场为约束,利用带约束的最小二乘反演方法,分别反演考虑与不考虑滑脱层的最优同震断层滑动模型,并在此基础上正演了同震重力变化。结果表明,含滑脱层的断层滑动模型模拟的GPS台站的同震水平形变和重力台站的同震重力变化都更接近实际的观测结果,证实龙门山的中央断裂带南段存在大规模的近水平的滑脱层参与了汶川地震的同震滑动。

龙门山造山带及邻区重力场特征与动力学响应数值模拟

龙门山造山带重力场研究表明它处于不均衡的状态,为此,构建了横贯松潘—甘孜块体、龙门山造山带和四川盆地的二维剖面的数值模型,采用黏弹性模型对重力场响应对研究区构造演化过程及动力学效应进行探讨.研究结果表明:(1)重力均衡调整导致了深部物质的垂向复杂动力学响应.在印度板块碰撞挤压效应与青藏高原东缘重力势能差的共同作用下,使得高原东缘深部物质在龙门山深处向东运移时潜入地幔,构成了青藏高原物质向东运移的另一种补偿方式;(2)流变结构及应变能的计算结果表明,龙门山上、中地壳层能量集中危险度较高的地段与汶川大震的孕震及发震方式基本一致,龙门山两侧介质属性、构造格局和流变属性的差异对汶川大地震的孕育和发生均起到了重要作用;(3)进一步开展由包含地表剥蚀的重力均衡调整效应与挤压缩短共同作用下的动力学模型,可以为合理地解释龙门山及周缘地带动力学响应提供重要的参考依据.

国际下一代卫星重力测量计划研究进展

介绍下一代美国GRACE Follow-On和欧洲E.MOTION(Earth System Mass Transport Mission)卫星重力测量计划的研究进展,以期为我国下一代Post-GRACE卫星重力测量工程的成功实施提供参考依据。详细阐述了我国下一代Post-GRACE卫星重力测量工程的研究意义和科学目标,建议我国先期构建卫星精密定轨和卫星重力反演仿真模拟软件平台系统,开展重力卫星关键载荷误差分析研究,以及执行卫星重力测量任务需求。

TanDEM-X双站SAR干涉测量及研究进展

较全面、系统地介绍了Tan DEM-X/Terra SAR-X双站SAR科学计划,重点涉及其科学目标、Tan DEM-X卫星参数、轨道结构以及干涉数据获取模式等相关内容,并讨论了双站SAR成像、极化In SAR和数字波束成形等干涉测量新技术及其研究进展。这些双站SAR新技术的实现将大大地推动SAR干涉测量在全球地形测绘、冰川学、海洋学及地质学等领域中的应用。

基于下一代三向车轮双星编队改善地球重力场空间分辨率研究

由于当前GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)串行式编队存在"南北向条带误差"等缺陷,因此本文基于星间速度插值法开展了利用下一代三向车轮双星编队ACR(Along-Cross-Radial)-Cartwheel提高地球重力场空间分辨率的可行性研究论证.第一,采用GRACE卫星轨道参数和关键载荷精度,利用三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演了120阶地球重力场.结果表明:基于ACR-Cartwheel-A/B双星编队反演地球重力场的模拟精度较德国波茨坦地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测精度平均提高2.6倍,从而检验了基于下一代三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演地球重力场精度优于当前GRACE串行式双星编队的可行性.第二,通过星间速度插值法,采用卫星轨道参数(初始轨道高度350km、平均星间距离100km、初始轨道倾角89°、初始轨道离心率0.0046)、卫星关键载荷精度指标(星间速度10-7 m·s-1、轨道位置10-3 m、轨道速度10-6 m·s-1、非保守力10-11 m·s-2)、观测时间30天和采样间隔10s,基于经向车轮双星编队Lo-AR(Longitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B、纬向车轮双星编队La-AR(Latitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B和三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B,分别反演了120阶地球重力场;在120阶处,累计大地水准面精度分别为5.115×10-4 m、4.923×10-4 m和3.488×10-4 m.结果表明:(1)由于La-AR-Cartwheel-A/B编队的轨道稳定性优于Lo-AR-Cartwheel-A/B编队,因此基于La-AR-Cartwheel-A/B编队反演重力场精度高于Lo-AR-CartwheelA/B编队;(2)由于ACR-Cartwheel-A/B编队可以同时获得轨向、垂向和径向的重力场信息,卫星观测数据具有各向同性优点,因此ACR-Cartwheel-A/B编队是建立下一代高精度和高空间分辨地球重力场模型的优化选择.

我国将来更高精度CSGM卫星重力测量计划研究

基于卫星跟踪模式的优化选取、关键载荷的优化组合、轨道参数的优化设计、仿真模拟的先期启动和反演方法的优化改进，开展了我国将来CSGM（China’SSatellite Gravity Mission）卫星重力测量计划实施的研究论证。由于卫星跟踪卫星高低／低低（SST-HL／LL）模式对地球中长波重力场的探测精度较高、技术要求相对较低，而且可借鉴当前GRACE卫星的成功经验，因此建议将来CSGM卫星重力测量计划采用SST-HL／LL模式；建议开展激光干涉星问测距仪、复合GPS接收机、非保守力补偿系统、卫星体和加速度计质心调节装置等关键载荷的先期研制；建议将来CSGM卫星的轨道高度（300～400km）和星间距离（100±50km）选择在已有重力卫星的测量盲区；建议将仿真技术应用于CSGM卫星的方案论证、系统设计、部件研制、产品检验、空中使用、故障分析等研发和运行的全过程；对比分析了卫星轨道摄动法、动力学法、能量守恒法和加速度法的优缺点，建议寻求新型、高精度、高效率和全频段的卫星重力反演方法；提出将来CSGM卫星重力测量计划的预期科学目标：在300阶处，累计大地水准面精度和累计重力异常精度分别为1～5cm和1～5mGal。

FG5x-246与FG5绝对重力仪比对测量实验

介绍了FG5x在FG5绝对重力仪基础上的改进,以及FG5x-246与FG5绝对重力仪比对测量实验的情况,并分析了测量结果。研究结果显示,FG5x-246与FG5绝对重力仪的观测结果没有明显差异,二者一致性较好;FG5x-246抗干扰能力较强,观测重复性较好,离散度优于±1×10-8 ms-2,其测量性能较FG5有所提升。

重力聚点的地球重力学性质与J_2项的关系

重力聚点的概念是基于匀质椭球、水准椭球以及参数椭球各自表面重力随纬度的变化曲线在同一个纬度出现相聚的现象于2000年提出,并且当时给出了地球整体密度变化与重力聚点的关系,但是对于三种椭球表面重力曲线为什么在同一纬度相聚的原因、实际地球是否存在重力聚点以及重力聚点的地球动力学性质的阐述等方面都存在不完备性,使得重力聚点这一概念从提出至今仅停留在几何意义或数学性质上.本文将地球动力形状因子J2项作为变量,研究了地球表面重力随J2的变化规律.研究表明:该规律与"重力聚点定理"所述内容一致,从而将重力聚点与J2联系起来.由于J2的增加或减小,会导致地球表面重力在全球范围内以重力聚点(地心纬度φ=±35.264°)为分界线从北极向南极呈现出"负-正-负"或"正-负-正"的变化规律,全球地震的总体分布以及某些大地震的发生可能与此现象有关.

基于旋转微椭地球模型的内核平动振荡三重谱线理论模拟与实验探测

本文基于旋转微椭地球模型,采用简正模理论计算了地球内核平动振荡三重谱线的本征周期,理论上系统研究了地球内部介质（包括密度、地震波速等）分布异常对三重谱线本征周期的影响,计算了不同的内外核密度差和地核中的不同的P/S波速对应的内核平动振荡理论三重谱线周期;利用全球分布的9个超导台站,迭积每个台站长达54个月的高精度超导重力仪数据,在亚潮汐频段（0.162~0.285cph）检测内核平动振荡三重谱线.结果发现,三重谱线本征周期对内外核边界的密度跳跃非常敏感,随着密度差的增加,以类似于双曲线的特征减小;无论是采用地球质量不变的方法还是采用浮力频率为常数的方法,计算得到的三重谱线本征周期结果相差较小,且随着内外核密度差的增大,差距逐渐减小;内、外核P波波速分布异常对三重谱线周期的影响基本相当,内核S波波速分布异常比P波波速分布异常对三重谱线周期的影响小1个量级;探测到一组信噪比较高且满足谱峰分裂特征的三重谱线的信号（0.19281,0.21456和0.24151cph）,有极大的可能是来自于内核平动振荡.基于探测结果可以推断实际的地球模型其内外核密度差应该介于PREM模型和1066A地球模型之间,更接近于1066A模型.

陆地惯性重力测量静态试验研究

利用高精度捷联式惯性测量设备开展测定重力场的初步静态试验,并对静态惯性重力测量影响因素作初步探讨。静态测试表明,基于试验采用IMU内置的石英挠性加速度计,在稳定的观测环境下通过30s的滑动平均滤波可以消除高频噪声,得到标准差约为1.5mGal的重力观测值,但仪器自身的不稳定性和环境变化引起的漂移会使重力观测值呈线性增大的趋势。针对该变化,通过回归分析进行拟合,并结合初始重力已知点上观测得到的初始偏移量,在车载试验中对零速修正点上的静态重力测量误差进行补偿,使大多数点上的重力观测精度由12～20mGal提升至优于2mGal。

利用地球简正模耦合研究上地幔过渡区方位各向异性

地震方位各向异性广泛存在于地球上地幔中,目前利用地震体波或面波分析研究上地幔各向异性的地球物理方法有很多种,但是由于各自的局限性均难以分析上地幔过渡区中的各向异性特征.方位各向异性可导致球形简正模和环形简正模之间发生耦合.地球长周期自由振荡的简正模可深入到上地幔过渡区.本文利用各向异性地球模型计算各向异性简正模耦合深度敏感核,表明长周期(250～400s)简正模各向异性耦合(如0S20-0T21和0S25-0T25)的敏感度峰值在400～600km之间.在不受地球自转影响的台站,如位于南极极点的QSPA站,仍然可以观测到强烈的简正模耦合现象.本文的研究表明:只有在地震观测台站靠近长周期球形振荡的节点时,才能在其观测数据中观测到各向异性耦合现象,许多各向异性耦合在震后18～24h期间最强,并可导致垂直方向的环形简正模的振幅大于球形耦合简正模的振幅.这些特征是在地震观测数据中寻找各向异性耦合的重要线索.长周期简正模的方位各向异性耦合为我们提供了一个新的认识上地幔过渡区各向异性的窗口.

大地水准面起伏对地球内部密度结构反演的影响

计算了中国大陆地区大地水准面起伏引起的重力效应,得到了改正后的布格重力异常。讨论了在不同地形情况下大地水准面起伏重力效应及其与布格重力异常之间的相对比值,发现两者与地形具有明显的相关性,前者在盆地地区最大,后者在我国地形第三阶梯最大,盆地地区次之。建议在利用布格重力异常反演和解释地球内部密度结构时,要考虑大地水准面起伏引起的重力效应,尤其是在我国地形第三阶梯和盆地地区。

航空重力测量方法及试验研究

航空重力测量是一种恢复中高频段地球重力场的有效手段，可以在任意区域快速经济地获取高精度、大面积、高分辨率的重力场数据，在大地测量、资源勘探以及军事等领域发挥了重要作用。为了发展我国新一代的航空重力测量系统，本文首先对航空重力测量的发展历史和相关理论作了系统的回顾，之后针对航空重力测量数据处理的若干关键技术问题进行了深入的研究，主要研究工作如下：（1）利用航空重力测量误差方程分别从位置、速度、加速度、姿态误差4个方面对航空重力测量的精度要求进行了分析，结果表明现有技术可以满足mGal级重力测量系统研制的要求。

地球低阶重力场系数J_2异常变化与地震活动的关系研究

1992—2011年地球低阶重力场系数J2先后发生了两次异常变化,时间段约为1997—2000年、2007—2010年;根据中国地震台网(CSN)公布的地震目录,收集1990—2012年间发生在中国大陆MS≥3.0的所有地震资料,初步分析了J2异常变化与地震活动的关系。文中分别对浅源(深度范围0≤h≤70km)MS≥5.0、MS≥6.0和中源(深度范围70≤h≤300km)MS≥3.0、MS≥3.5、MS≥4.0地震总数进行了统计分析,建立了地震活动频次随时间变化的时间序列。文中将地震频次时间序列与地球低阶重力场系数J2长期变化作对比分析,结果显示:(1)浅源地震活动存在3个明显的峰值,第一个峰值和第二个峰值出现的时间段分别和"98异常"、"07异常"时间段吻合,第三峰值时间段和地球自转速率转变时刻吻合;(2)中源地震活动与浅源地震活动存在差异,前者仅存在两个明显的峰值,第一峰值出现的时间段和"98异常"吻合,第二峰值相对于"07异常"出现后移现象,然而小波多分辨率分析显示地震频次时间序列的小波细节系数发生显著变化的时段和"07异常"非常吻合;(3)中国大陆发生的7级以上的地震,62.5%位于J2异常变化期间、纬度集中分布于J2节点线35.3°附近。这些结果表明:J2异常变化可能会对中国大陆地震活动产生较显著的影响;地球自转速率转变的时刻对浅源地震活动产生较显著影响,而对中源地震活动影响不明显。最后从地球重力学以及J2变化与地球自转的关系方面分析J2异常变化与地震活动的关系。研究显示:1992—2011年间J2发生的两次异常变化的时间间隔大致为10a,这和地球自转"10a起伏"变化相吻合,这些结果对中国大陆地震孕育过程规律的认识以及地震预测研究具有一定的价值。

常见平面坐标系之间相互转换的方法研究——以1954北京坐标系、1980西安坐标系、2000国家大地坐标系之间的平面坐标相互转换为例

针对我国在国土测图、城市规划、工程设计等众多领域中1954北京坐标系、1980西安坐标系和2000国家大地坐标系等多种平面坐标系长期并存的现状,根据坐标系建立的原理提出一种适用于1954北京坐标系、1980西安坐标系和2000国家大地坐标系等平面坐标系之间进行坐标转换的模型,在此基础上讨论常见的问题及其对转换结果的影响。结果证明,该模型进行平面坐标转换时控制点内符合精度优于1 mm,可满足常见的各种工程应用需求;椭球参数对转换结果的影响在x方向可达42.346 m,在y方向可达4.981 m,故须选择正确的椭球;大地高对转换结果的影响在微米级,故可以忽略该项误差。

基于地球自转变化和时变重力场研究全球气候变化

全球气候变化引起大气、海洋、陆地水、冰川等地表流体质量在地球表面的重新分布,并引起地球自转变化和地球重力场变化。通过空间大地测量技术,可以高精度获取地球自转变化数据和地球重力场时变数据,反演地表流体质量在全球和区域的变化情况,揭示地表流体质量变化与全球气候变化的关系。地球自转变化也和厄尔尼诺、北大西洋涛动等气候涛动密切相关,并与地表流体质量的长期变化相关。因此,利用地球自转变化和时变重力场变化观测数据,可以更好地研究全球气候变化。