联合CHAMP和Swarm卫星磁测数据反演中国大陆区域岩石圈磁场

发布时间：2020-11-04 19:55

　　 地球岩石圈磁场起源于地壳及上地幔的磁性岩石,它反映了岩石磁性的三维空间分布。由于岩石的磁性载体、磁化环境、温度与压力状态以及构造运动等存在差异,岩石圈磁场携带着丰富而复杂的地质构造和构造运动信息。岩石圈磁场不仅在矿产资源勘探、地震火山监测预警中发挥着重要作用,而且对于认识区域大地构造及其演化、探索地球深部物质结构、理解地壳内部物质与能量耦合机制等方面具有重要的科学意义。CHAMP在轨十年的高精度连续观测,为开展地球主磁场及其长期变化研究提供了独一无二的数据基础。CHAMP任务期间,国际上先后发布了一系列高精度的岩石圈磁场模型,其相应的空间分辨率也得以大幅度地提升。然而,尽管早期国内外学者基于CHAMP卫星数据,对各种场源的分离和模型参数化进行了相关理论分析,但由于单颗卫星难以在全球范围内实现地球主磁场和变化磁场的准同步观测,这无疑成为了制约地球各种场源有效分离的瓶颈。Swarm星群的成功发射,不仅为地磁场提供了迄今为止的最高精度磁场测量,而且首次实现了对地磁场进行1小时到数天时间尺度上变化磁场的全球观测,为构建地球各圈层磁场模型注入了新的活力。Swarm星群的高时空覆盖采样、差分梯度测量以及优化的数据处理流程,为各种场源的完整分离和地球实时变化磁场观测提供了强有力的数据和技术支撑。基于此,本文在回顾、消化和总结国内外研究成果的基础上,深入讨论了卫星磁测数据的精化与岩石圈磁异常信号的分离方法,设计了一套完整的卫星磁测数据预处理流程和模型反演软件系统,研究了局部磁异常模型的反演理论与实用算法,建立了中国大陆区域岩石圈磁异常模型,并从大地构造、岩石圈热状态和地震活动的角度对磁异常的分布进行了初步的地学解释。论文的主要工作及研究结果如下:(1)结合卫星磁测数据和地磁场模型所涉的时空参考系统,给出了不同时空参考系统的定义及相互转换的实用计算公式;分析了站心坐标系、J2000惯性坐标系、地磁坐标系、地心极坐标系和球冠坐标系之间的转换关系;研究了日下点经度、磁世界时的计算方法;实现了从观测值、内源场到外源场模型参考框架的统一。(2)分析了国际上常用的地球主磁场模型在中国大陆区域的精度。论文基于中国大陆区域31个地磁基准台站2015年1月～9月磁静日的观测数据,结合高精度的地壳磁场模型EMM2015(16～720阶),评估了 IGRF12/EMM2015/POMME10/MCO_SHA_2D模型在中国大陆区域的精度及其适用性,为主磁场信号的分离提供可靠的参考背景场。(3)研究地磁场建模的基本理论与解析表达。基于地磁场的位势理论,详细推导了地球主磁场的高斯球谐表达式,给出了电离层—磁层及其感应磁场的计算模型;深入剖析了在Neumann和Dirichlet两种不同边界条件下,局部地磁异常的球冠谐分析(SCHA)与修正球冠谐分析(R-SCHA)的数学表达,讨论了非整数阶Schmidt半标准化缔合勒让德函数的计算方法。(4)系统分析了卫星地磁扰动观测数据和粗差数据的剔除方法。论文首先利用Dst/Kp地磁指数条件、Sq地方时条件和地磁纬度条件提取磁静期的观测数据,然后分别采用模型检验法、标量检校法、虚假观测值筛选法、数据质量标识(Quality/Flags)和短弧轨道剔除等方法实现矢量观测数据的质量控制,提出了数据分层格网化的思想,给出了不同高度界面数据格网均衡化方法,设计并编制了数据各功能模块的处理流程及相应的程序。(5)研究了磁静期非岩石圈磁场信号的分离方法。采用MCO_SHA_2D模型对主磁场实施改正;对于外源场及其感应磁场的改正,提出了基于Hamming窗函数法的沿轨高通滤波对磁静期大尺度的外源场信号实施有效分离,并借助于最新的MIO_SHA_2D和MMA_SHA_2C电离层—磁层磁场模型验证了该方法的可行性,给出了滤波器窗口长度的确定方法,为滤波器的参数设计提供参考。(6)基于分区修正球冠谐分析构建了中国大陆区域岩石圈磁场WHU-MLI01模型,在卫星高度处,WHU-MLI01模型空间分辨率达150km。考虑到小球冠在保证模型精度的同时能提供更佳的空间分辨率,为此,在实际建模过程中,本文将中国大陆分成三个子区域独立建模,同时提出了相邻球冠之间无缝拼接的迭代反演方法,给出了削弱模型边界效应的实用方法。通过联合使用卫星观测数据资料、MF7和MLI_SHA_2D高精度的岩石圈磁场模型,对WHU-MLI01模型在水平和垂直方向上的精度及稳定性进行了评估和检验,结果表明模型拟合误差较小,相对于卫星观测值和MF7模型,WHU-MLI01模型XYZ地磁分量的均方根误差分别优于0.3nT、0.3nT和0.25nT;相对于MLI_SHA_2D模型,WHU-MLI01模型地磁分量的均方根误差均优于0.5nT。模型在垂直方向上能提供稳定的空间延拓,在水平方向上存在边界效应,但可通过适度放大球冠半角,借助边界外部观测数据充分消除边界效应的影响。(7)深入分析了中国大陆区域岩石圈磁异常展布特征与相关物理属性之间的对应性关系。岩石圈磁异常强度及形态分布与大陆区域的主要构造单元、大地热流以及地震活动之间存在明显的相关性。岩石圈磁异常的展布与区域大地构造基本吻合,能清晰地反映出大陆主要构造单元的走向和特点,磁异常强度可以较为准确地反映地壳深部的热平衡状态和构造运动状态。岩石圈的正异常主要对应着古老的、稳定的陆块和陆核,且这些区域的大地热流相对较低,地震活动偏少;负磁异常则主要分布在相对活跃的造山带(缝合带)或断陷盆地,这些区域的热流值和地震活动频度相对较高。分析认为,岩石圈的弱磁性可能与岩体本身的弱磁性物质广泛分布有关,如扬子准克拉通(除四川盆地)大面积的负磁异常可能与扬子板块内部的沉积作用密切相关;也可能与岩石圈的热退磁过程有关,如华北克拉通在漫长的地质演化过程中遭受到了破坏与改造。岩石圈强负异常和高热流状态则暗示着地壳深部物质流可能正处于热改造过程,如在青藏高原地区,印度板块持续向北俯冲,板块之间摩擦生热加速了上地幔和深部地壳物质对流,并伴随着热物质不断向上迁移,从而导致居里等温面向上抬升。此外,强负异常和高热流状态还意味着深部地壳构造运动可能比较活跃。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P318.6
【部分图文】：

图１．１?ＣＨＡＭＰ卫量结构示意图??

?６７０４?６７０８??图１．２?ＣＨＡＭＰ卫星２４小时内轨道分布图??１．２丄２?ＳＷＡＲＭ卫星??２０１３年１１月２２日，欧空局Ｓｗａｒｍ对地观测任务成功发射。Ｓｗａｒｍ星群采??用３星组网的运行模克卫星预期寿命５年，如图１．３所示。其中Ｓｗａｒｍ?Ａ／Ｃ星??在４６０虹１高度（任务后期将逐渐降至３００ｋｍ）的近极轨道上编队飞化轨道倾??角８７．４°，东西向经度间隔１°？１．５°，南北向最大差分延迟约１０ｓ，主要用于地磁??场东西向的梯度测量。Ｓｗａｒｍ?Ｂ星同样采用近极圆形轨道，轨道高度约为５３０ｋｍ，??倾角８８。，Ｓ颗卫星构成不同地方时的空间Ｈ维磁场观测系统。Ｓｗａｒｍ搭载的与??地磁场测量相关的关键荷载包括：激光后向反射器（ＬａｓｅｒＲｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ，ＬＲＲ），??恒星敏感器（Ｓｔａｒ?Ｔｒａｃｋｅｒ，?ＳＴＲ），?ＧＮＳＳ接收机，绝对标量磁力仪（Ａｂｓｏｌｕｔｅ?Ｓｃａｌａｒ??Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ

１．２丄２?ＳＷＡＲＭ卫星??２０１３年１１月２２日，欧空局Ｓｗａｒｍ对地观测任务成功发射。Ｓｗａｒｍ星群采??用３星组网的运行模克卫星预期寿命５年，如图１．３所示。其中Ｓｗａｒｍ?Ａ／Ｃ星??在４６０虹１高度（任务后期将逐渐降至３００ｋｍ）的近极轨道上编队飞化轨道倾??角８７．４°，东西向经度间隔１°？１．５°，南北向最大差分延迟约１０ｓ，主要用于地磁??场东西向的梯度测量。Ｓｗａｒｍ?Ｂ星同样采用近极圆形轨道，轨道高度约为５３０ｋｍ，??倾角８８。，Ｓ颗卫星构成不同地方时的空间Ｈ维磁场观测系统。Ｓｗａｒｍ搭载的与??地磁场测量相关的关键荷载包括：激光后向反射器（ＬａｓｅｒＲｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ，ＬＲＲ），??恒星敏感器（Ｓｔａｒ?Ｔｒａｃｋｅｒ，?ＳＴＲ），?ＧＮＳＳ接收机，绝对标量磁力仪（Ａｂｓｏｌｕｔｅ?Ｓｃａｌａｒ??Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ，?ＡＳＭ），矢量场磁力仪（Ｖｅｃｔｏｒ?Ｆｉｅｌｄ?Ｍａｇｎｅ１；ｏｍｅｔｅｒ，ＶＦＭ）?（：＾及电??场仪化ｌｅｃｔｒｉｃＦｉｅｌｄ?虹ｓｔｒｕｉｎｅｎｔ，ＥＦＩ）等。??１．?ｙｅａｒ?２．?ｙｅａｒ?３．?４?ｙｅａｒ?５．?ｙｅａｒ??ｌ＾ｉＱｏｐｈｅｉｆｅ?－?＇?＇?＇?Ｉ?ｒ??ｍｄｉｍ－＇々ｅ＊?化ｆｄ?ａｎｄ?ｆ??＾?ＥｘｉｗｋｍＭ??ＨｘＭｐｈｅｒｉｅ??＾??＾?４００??６?Ｇ?巧?Ｗ?３０?泌侣?４８?５４?说??Ｔｉｆｏｅ?｜ｍ〇ｎ?化！??图１．３?Ｓｗａｒｍ卫星星座及卫星轨道高度随时间的变化（Ｈａａｇｍａｎｓ巧ａｌ．
【参考文献】

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本文编号：2870534