利用GRACE重力卫星研究强震引起区域重力场时空变化特征

发布时间：2020-07-23 14:23

【摘要】：随着重力卫星技术的不断发展,因其全天候、全球覆盖、连续性、成本低及不受地域地形限制等诸多优点,被广泛应用于区域重力场反演研究中。特别是GRACE重力卫星因其能高精度获取区域时变重力场的特性,在空间大地测量学、地质学、固体地球物理学、海洋学、气象学及地震学等诸多领域中发挥了重要的作用。强震的发生将导致区域重力场变化,因此可利用重力卫星探测强震引起的时变重力场变化、深部物质运动及质量迁移等,对于深入理解强震活动及其成因机制具有重要的理论意义与参考价值。当前,世界上特大强震主要分布在两大地震带上:一是“陆-陆”板块间相互碰撞构成的“地中海-喜马拉雅地震带”;另一是“洋-陆”板块间相互碰撞构成的“环太平洋地震带”。但鉴于不同的区域构造背景可能造成这两类强震引起的区域重力场时空变化特征及孕震机制均存在差异性。因此,本文针对“陆-陆板块碰撞地震”与“洋-陆板块碰撞地震”这两类强震,分别在两大地震带上选取了2015年4月25日尼泊尔Ms8.1地震与2010年2月27日智利Mw8.8地震作为研究对象,利用GRACE长期观测重力数据,深入分析了两种不同类型强震引起的区域重力场时空变化差异性特征,并从板块构造运动动力学角度探讨了两种类型强震的孕震机制,取得主要成果总结如下:(1)详述了GRACE重力卫星监测地震活动原理及方法推导了有关理论公式,并针对利用GRACE重力卫星CSR_RL05 Level-2数据反演计算时信号提取问题与滤波方法进行了全面对比分析,特别是在以往研究基础上进一步探讨了扣除“水文”因素对反演结果的影响分析。(2)利用GRACE数据研究了尼泊尔Ms8.1地震震前与震后重力场时空变化。结果表明:以震源域为中心,震前区域重力场呈显著四象限时空差异性分布特征;地震发生在正负重力变化为0?Gal过渡带上;震后区域重力场呈现“减小-增加-减小”的变化特征可能与震后地壳余滑及黏滞性调整有关;2013-2016年间震源域重力经历了“减小-增大-减小-发震-减小”的变化历程。(3)基于矩形位错理论模型正演获得尼泊尔Ms8.1地震理论同震重力变化结果,并与GRACE实际观测结果对比,发现模型正演得到的理论结果比观测结果小一个数量级,进一步解释了GRACE重力卫星不能很好探测出尼泊尔地震同震形变的原因(震级小于8.0级);针对“陆-陆”板块碰撞引发的尼泊尔Ms8.1地震引入弹性力学刚性模具楔入模型对其孕震机制进行了合理的解译。(4)利用GRACE数据研究了智利Mw8.8地震震前、震后重力场时空变化。结果表明:该强震在“震前-震中-震后”三阶段呈现出显著的阶段差异性变化特征:“震前”区域重力场无明显变化;“震中”发震断层上、下盘呈现出显著正、负重力差异变化,且特征点与震源域重力变化均呈现显著“跃进”现象,该特征与球型位错正演结果相一致,进一步验证了GRACE重力卫星可监测震级大于8.0级强震同震重力变化能力;“震后”发震断层两盘则持续呈显著正、负重力差异变化;震源域重力时序在2007-2010年间呈现出“减小-增加-减小-增加-发震”的发展变化历程。(5)进一步开展了智利Mw8.8地震同震一阶及二阶重力梯度变化时序研究。结果表明:梯度测量法对细节信号较为敏感;北向梯度观测法能很好抑制南北条带误差,提高观测精度;同时采用重力梯度测量法能较好反映出地震壳幔物质运动、区域密度变化及深部构造活动特征;对此次“洋-陆”板块碰撞引发的智利Mw8.8强震,则从海洋板块俯冲孕震模型对其孕震机制进行了合理解译。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P228;P315.7
【图文】：

时间序列,全球,重力卫星,板块

使用 GRACE 重力卫星对两大地震的“震前-震中-震后”区域局部重力场、区域局部同震重力变化和同震重力梯度变化特征以及特征点重力变化和重力时间序列特征等进行了研究。同时分析了陆-陆板块和洋-陆板块两种不同板块用造成的构造带地震发生的动力学机制，深入剖析研究了强震的孕震成因机理的监测、预测提供参考信息。自从 2002 年 GRACE 重力卫星发射以来，已经积累了 15 年的观测数据，伴随的增大和模型解算理论与技术的不断完善，基于 GRACE 重力卫星监测强震技来越成熟。随着国际上地球物理模型的越来越精确，地震位错理论和位错模型加真实的地球靠近，可更好的验证 GRACE 监测结果，另外即将发射的新CE Follow-On 卫星能够更加精细的监测地震。因此，使用重力卫星时变重力场，为我们更好的认知地震活动及对应的构造运动和壳幔物质运动具有极其重要义，为强震的监测预测提供研究资料，减少地震这种突发性自然灾害给人们带与损失，为国家防灾减灾战略规划提供参考，促进国民经济的发展。

重力卫星,测量技术,地球重力场模型,卫星重力梯度测量

-State Ocean Circulation）等三种类型卫星重力计划（图2.1）的陆续实施，重力卫星测量技术达到一个全新模式。为了得到更高分辨率、更高精度的地球重力场模型，美国 NASA 领导进行了下一代重力卫星计划 GRACE Follow-On的研发并预计于 2018 年发射升空。重力卫星测量技术主要分为两类：一种是卫星跟踪卫星技术（SST）其包含高-低卫星跟踪卫星（SST-hl）技术（图 2.2）和低-低卫星跟踪卫星（SST-ll）技术（图 2.3）；另一种则是卫星重力梯度测量（SGG）技术（图 2.4）。卫星重力测量技术以其低成本、全天候、高精度和高时空分辨率特性为地球科学观测研究领域带来了革命性改变。鉴于国土资源、基础测绘、防灾减灾、国防安全和科学研究等方面的极大应用前景和迫切发展的需要，我国目前已经在着手进行自己的重力卫星计划研究，现已经历了论证、研发阶段，仿照 GRACE 重力卫星原理制造，采用高轨 GNSS 卫星并加入了北斗导航定位系统对其进行定轨，其预计于 2020 年发射，期望得到更高精度和更高时空分辨率的时变地球重力场模型。2.2 GRACE 重力卫星及重力场模型2.2.1 GRACE 重力卫星GRACE（图 2.5，表 2.1）重力卫星是由德国宇航中心( DLR，Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt)和美国宇航局(NASA

卫星跟踪,技术,重力卫星

长安大学专业硕士学位论文监测地球外部的大气、电离层和全球磁场等物质随时间的变化。GRACE 重力卫星自成功发射后经历了近半年的调整、试运行和校准，之后正式服役运行长达 15 年之久，在2016 年由于 GRACE-2 卫星上的加速度计损坏，缺少了 K 波观测数据被迫关闭后，才停止双星观测系统数据更新，但两颗卫星还正常飞行并提供单星观测数据直至 2017 年末NASA 宣布停止 GRACE 重力卫星观测后，其才结束使命。GRACE 重力卫星上搭载的主要观测传感器有：GPS 接收机、SuperSTAR 加速度计、K 波段测距系统、恒星敏感器等。除这些应用于地球重力场观测的主要观测设备外，搭载在 GRACE 重力卫星上还有质心调节仪、激光反射器、超稳定振荡器、S 波天线等其它众多设备。利用 GRACE 重力卫星观测数据可反映出冰川、雪地、冰后回弹、地表水、地下水、土壤水、干旱、海洋环流等[34-43]。GRACE 重力卫星为监测全球环境变化提供了非常有力的手段。

【参考文献】