GNSS高精度垂向分量探寻区域地表形变机制及地球深部构造运动信号

发布时间：2020-05-05 14:05

【摘要】：GNSS(Global Navigation Satellite System)测站坐标垂向分量的时间序列蕴含了从浅层地表到地球深部的各种形变信息。然而,受限于GNSS的技术特点以及各种误差因素,垂向分量的精度通常比水平分量方向要低2-5倍,极大限制了垂向分量的应用研究领域。近年来,随着GNSS数据分析经验的累积及各误差因素改正模型精度的提高,目前GNSS垂向分量精度可达3 mm,为研究地表以及地球深部形变机制提供直接的大地测量观测数据支撑。本文选取中国上海浦东围海造陆区域以及美国北加州MTJ(the Mendocino Triple Junction)区域作为研究对象,利用区域内的GNSS持续及流动观测站的监测数据,在高精度的区域坐标参考框架基础下,通过削弱系统误差、时间序列非线性项、共模误差等影响之后,获得GNSS高精度垂向分量及速度场。在此基础上,主要进行了如下研究工作:1、针对上海浦东围海造陆区域,在原有持续GNSS测站的基础上,增加布设了8个流动站。利用区域内高密度的GNSS测站联合全球分布的高精度ITRF台站建立高精度、高稳定性的区域坐标框。基于高精度区域坐标参考框架,解算得到测站坐标垂向分量时间序列,并利用时间序列分析工具有效分离已知地球物理机制导致的地表形变信号,提取预期的区域地表形变机制信号。通过对时间序列的分析,发现该区域的地表形变主要由人工冲填土自重固结沉降机制所致,且区域滤波可导致该机制引起的垂向信号被当做共模误差消除。结合GNSS实测的垂向形变信号和冲填土自重固结沉降机制,建立了区域沉降模型,可以分区块预测不同填土区域的沉降趋势。该研究工作表明,利用区域GNSS高精度垂向分量可以反演该区域地表的形变机制,在监测以及预测围海造陆区域的地表沉降方面具有广泛的应用前景。2、美国北加州MTJ区域是地球深部构造运动研究的热点区域,MTJ南部的板片窗是研究该区域地壳与上地幔动力学耦合机制的极佳天然实验室。MCC(Mendocino Crustal Conveyor)模型提出了区域地表形变的公认机制,即MTJ南部板片窗内北美板块基础与涌入的地幔热流物质之间的粘滞动力学耦合是该区域快速地表形变的主要策动力。然而,该模型以往未能获得空间大地测量观测验证。本研究工作利用PBO(the Plate Boundary Observatory network)监测网GNSS测站的垂向时间序列,获得了MTJ区域内高精度垂向速度场。创新性地提出利用投影的方式,通过模拟板片窗内地幔热流物质的流动,实现了三维GNSS垂向速度场与二维MCC模型预测速度曲线的对比。投影结果表明,当GNSS垂向速度场投影方向与MCC模型剖面线呈约41°~45°夹角时,两者非常吻合,从而为验证MCC模型提供了直接的空间大地测量观测数据支撑,成功实现了利用GNSS技术探寻地球深部地幔热流物质上涌动力学粘滞耦合的构造运动信号。
【图文】：

国内外研究进展. GNSS 高精度垂向分量解算相关理论及方法.1. 高精度参考框架的建立NSS 台站坐标及随其时间变化，必须以高精度、长期稳定的参考框架为TRF2014 是目前精度和稳定性最高和测站数最多的全球参考框架[18]。然而014 测站分布仍很不均匀（图 1-1），局部区域测站较少，导致这些区域利用 ITRF 得到高精度 GNSS 坐标[19]。因而，通常的解决方案是考虑利用ITRF 台站以及区域内高密度的 GNSS 测站联合建立区域性的参考框架，如参考框架（Stable North America Reference Frame, NAREF & SNARF考框架（ European Reference Frame， EUREF）、以及我国的(Chitic Coordinate System 2000, CGCS2000)参考框架等[20]。

图 3-1 上海浦东围海造陆区域地理位置概况[108]上海市位于长江三角洲的前缘，属于第四纪沉积物。埋深 0-45m 为全新世沉积，属河流～滨海沉积，岩性主要为灰色粉砂夹亚砂土，灰色淤泥质土、灰绿色亚粘土[109] [110]。研究区域地表上覆人工冲填土，填料成分为粉性或者粘性土，埋深厚度约 4.5-7.5m，不同区域粉性及粘性土的比例有区别，，粉性土、粘性土的物理力学性质及指标见表 3-1[110]。表 3-1 上海浦东围海造陆区域冲填土物理力学性质及指标[110]填料成分含水率W(%)重度3KN /M比重G孔隙比0e压缩模量MPa压缩系数1MPa 渗透系数1/vk cm s 1/hk cm s 粉性土 30.7 18.6 2.704 0.86 11.56 0.38 4.64 8.05粘性土 38.5 17.6 2.74 1.11 3.94 0.82 2.00 4.163.1.2. 围海造陆工程概况
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P228.4;P542

【参考文献】

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本文编号：2650270