利用GPS技术监测青藏高原地壳运动的初步结果

利用青藏地区的两期GPS复测资料,精密测定了拉萨-温泉等7条基线矢量的年变化率,首先获得了该地区现今大尺度地壳水平运动的实测结果.这些实测结果为青藏高原地壳运动的一些重要的地质、地球物理的推断,如青藏高原各块体在印度板块向北挤压作用下,地壳水平运动自南向北逐渐衰减,川滇菱形块体向南走滑等初步提供了直接观测的证据.     

印尼强地震引起的同震形变波

研究了2004年12月26日及2005年3月29日印尼苏门答腊8.7和8.5级地震引起的同震地倾斜、 地应变、 体应变和重力波变化及衰减过程特征, 给出了不同仪器进行的同类观测同震波衰减特性的差异及不同区域衰减过程相近等特性。 对同震形变波衰减特性的研究有助于认识仪器工作参数、 观测点附近的观测环境等对观测结果的影响及理解强地震衰减过程是有意义的。     

青藏高原东北地区水平向基岩加速度峰值与反应谱衰减关系.

首先建立了青藏高原东北地区的地震烈度衰减关系，然后以美国西部地区作为参考地区，在霍俊荣数据的基础上，增加了近年来得到的部分强震记录，采用反映高频地震动震级饱和与近场饱和特征的衰减关系模型，统计得到了美国西部地区水平向基岩加速度峰值与短周期反应谱衰减关系. 与用美国南加州数字宽频带记录建立的美国西部长周期加速度反应谱衰减关系结合，得到了美国西部周期0.04~6 s的反应谱衰减关系. 采用转换方法，得到了青藏高原东北地区水平向基岩加速度峰值与反应谱衰减关系.      

青藏高原东北缘强震前兆特征研究——流动重力方法

通过整理和解剖青藏高原东北缘地震重力观测资料,分析研究了青藏高原东北缘重力场时空变化及其与地震活动的关系,研究了强震孕育发生过程重力异常特征及震后异常效应。     

核爆炸余震与天然地震余震的比较

用不同余震的衰减函数模拟了1968年到1976年在内华达试验场爆炸的7次大核爆炸的余震。也研究了该区的4次天然余震序列。核爆炸余震不同于大多数天然余震,因为它们衰减比较快,并用常常用指数类函数拟合它们的衰减。核爆炸余震的震源深度一般比天然余震的浅,与核爆炸深度相对浅一致。在内华达试验场附近也观测到天然地震浅源余震的快速衰减,这说明余震震源处的条件影响余震随时间的衰减。Dieterich(1994)提出余震衰减理论预示深度浅的余震衰减更快,提供了对观测结果的一种可能解释,由于核爆炸余震的衰减快,目前在内华达试验场观测到的活动很可能已经过充分衰减了,所以目前的活动水平将持续到将来。     

地幔对流拖曳力影响青藏高原东北缘地壳运动格局的数值模拟研究

基于近期关于青藏高原东北缘岩石圈速度、流变结构和地壳形变的观测和研究结果,建立了青藏高原东北部岩石圈三维有限元模型,并考虑了地幔对流拖曳力、高原重力势能、块体间相互作用等外部和内部条件对青藏高原东北缘岩石圈现今运动格局的控制作用.将地表运动速率的数值模拟结果与观测结果进行比较,结果表明:活动地块相互作用和高原地形蓄积的重力势能对高原内部向高原边缘逐渐变小的地壳运动特征具有控制作用,而以往关注不多的地幔对流拖曳力对青藏高原内部的地壳运动方向具有明显的控制作用;此外,基于岩石圈水平运动速率与下伏地幔对流速度差异、地震波各向异性观测提出的不同地块垂直连贯变形差异等观点,提出模型范围不同地块岩石圈底部地幔拖曳力作用强度存在差异的设想,并引入了地幔拖曳力强度因子并进行数值模拟,得到的地表形变速率模拟结果与GPS观测结果更为一致,模拟结果进一步支持了地震波各向异性观测提出的观点,即不同地块的壳幔耦合程度存在显著差异.     

伊朗中东部地区的地震动衰减关系

根据观测和模拟记录建立了伊朗中东部地区地震动峰值加速度和反应谱的预测衰减关系。首先,基于观测记录得出了预测关系。使用的观测数据集共包括109个震级为5.0~7.4地震的258条基岩上的记录。而后,基于随机有限断层地震动模型,对一系列震级和震中距地震的地震动进行了模拟。建立的水平峰值加速度和谱加速度的理论—经验衰减关系适用于震中距达100km的MW5.0~7.4的地震。     

基于Monte Carlo方法的由GPS观测计算地应变率的误差分析

在利用GPS观测计算地应变率中，应变率的误差分布在地球动力学研究中非常重要. 为解决这一问题，文中提出基于Monte Carlo技术，利用GPS观测的速度计算地应变率进行误差分析的方法；以青藏高原地区为例，利用带有误差的GPS观测数据进行了大量、独立的应变率重复计算，然后运用统计方法给出了应变率分量及其误差的分布. 结果显示青藏高原的喜马拉雅及中东部地区地应变率的东西向、南北向及剪应变率分量的误差相对较大，但整个青藏高原及附近地区应变率结果稳定可靠；研究结果进一步表明，由GPS观测计算应变率的误差主要决定于GPS观测速度的误差， 在变形小的区域（如中国东部地区），目前GPS的观测精度还不能完全满足地应变率计算的要求.     

青藏高原1993年GPS观测成果的精度分析

应用线性回归、符号检验等数理统计方法研究了１９９３年完成的跨青藏高原首期ＧＰＳ网３９条基线的数据处理结果。通过对单基线观测中误差、重复观测基线互差及异步环闭合差的精度分析，认为由１６个观测点组成的跨青藏高原ＧＰＳ监测网的基线平均相对精度达０．１ｐｐｍ。     

缺乏强震观测资料地区地震动参数的估算方法

本文提出了一个在缺乏强震观测资料的地区估算地震动参数的新方法。建议方法的基点是:(1)缺乏强震观测资料的地区有烈度衰减资料,参考地区则既有地震动衰减资料又有烈度衰减资料;(2)在震级相同的条件下,利用烈度与地震动参数的换算关系求得所需要的地震动衰减规律。文中利用几个地区已知的地震动和烈度衰减资料对建议的方法作了比较验证。使用本文建议的方法可直接估算重点工程抗震设计所需要的场地地震动参数,也可供修改我国抗震规范规定设计地震动时参考。     

青藏高原东部和周边地区地壳速度结构的背景噪声层析成像

利用连续地震背景噪声记录和互相关技术获得瑞利面波格林函数,进而反演获得了青藏高原东部和周边地区的地壳三维速度结构.地震数据源于北京大学宽频带流动观测地震台阵,国家数字测震台网数据备分中心提供的部分固定台站的连续记录及INDEPTH IV宽频带流动观测地震台阵.首先对观测数据进行处理和分析取得所有可能台站对的面波经验格林函数和瑞利波相速度频散曲线,反演得到了观测台阵下方周期从6~60s的瑞利波相速度异常分布图像.并且进一步反演获得研究区域三维剪切波速度结构和莫霍面深度分布.短周期(6~14s)相速度异常分布与地表地质构造特征吻合较好,在青藏高原和四川盆地之间存在一个明显的南北向转换带.而本文最重要的结果是周期大于25s的相速度异常分布图像显示,以昆仑断裂带为界,柴达木盆地和祁连山脉地区呈现与青藏高原截然不同的中地壳速度结构,反而与青藏高原东缘地区和川滇菱形块体速度结构相似.反演获得的剪切波速度在27.5~45km深度的切片也明显地揭示:青藏高原的松潘—甘孜地块和羌塘地块呈现均一的低速层;然而,柴达木盆地和祁连山脉地区则呈现较强的横向不均匀性,尤其是柴达木盆地的高速异常和四川盆地的高速异常相对应.这些结果为前人提出的青藏高原东北向台阶式增长模式提供了重要的地震学观测证据.与全球一维平均速度模型(AK135)相比较发现,本文测量和反演获得的研究区域内平均相速度和剪切波速度都比AK135模型慢很多,尤其是青藏高原的中地壳(25~40km)剪切波速度显著低于全球平均速度模型.进一步的层析成像反演证实松潘—甘孜和羌塘地块中地壳(27.5~45km)呈现大范围均一的低速层,为青藏高原可能存在大规模中下地壳"层流"提供地震学观测证据.在祁连山脉的27.5~45km深度观测到的明显低速异常体可能对应于该造山带下地幔岩浆活动导致的底侵作用,表明引起该地区地壳增厚的主要机制可能是来自地幔岩浆的底侵作用.     

地震动衰减关系拟合的新两步法

本文根据地震动衰减的理论分析结果和强震观测记录，提出了一种新的拟合地震动衰减关系的两步法，并用新近补充，完善的美国西部强震记录，对PGA，EPA和EPV衰减特性进行了分析，结果表明，建议的方法能反映近场强震地震动饱和效应和大震远场衰减的特点。     

中国大陆及周边地区现代岩石圈演化动力学模拟

采用有限元方法模拟了近20万年来青藏高原岩石圈形变演化过程，探讨了印度-欧亚大陆的碰撞对中国大陆岩石层形变和应力场的影响以及它们与强地震活动性的关系.结合现代GPS、地震和地质学观测的结果，对比分析了中国大陆在百万年、十万年和十年尺度上的形变和构造应力场的基本格局.研究表明：（1）印度-欧亚大陆的碰撞以及印度大陆的持续向北推进、挤压所产生的应力环境，一直主导了以青藏高原为核心的我国西部地域岩石圈构造、运动和演化，但其影响随着远离青藏高原地区而逐渐变小.（2）断层滑移和重力势作用对于青藏高原东西部以及塔里木盆地的影响相当大，它们导致青藏高原岩石层东西向形变速率增大，对青藏高原的中南部地区产生拉张效应，同时导致塔里木盆地出现整体的右旋趋势.（3）青藏高原区域水平方向形变速率和GPS观测结果吻合较好.但在垂直方向上，一些地区计算结果与观测数据相差较大，这说明单纯的挤压作用不是现代青藏高原隆升的惟一机制.现代青藏高原的隆升可能与其他驱动机制，如地幔对流、重力均衡以及剥蚀作用等有关.（4）印度板块的挤压作用基本上决定了中国大陆西部的主压应力场分布.（5）印度板块的碰撞对中国大陆的强地震活动性有重要影响，但华北地区是个例外，该地区的地震活动性很强而印度板块的挤压在该区域产生的影响却很小，说明其他的驱动力在一定程度上活化了华北地块.     

青藏高原东北缘祁连山西段与东段岩石圈结构差异研究

作为青藏高原东北缘的祁连山,其东段与西段的地貌以及新生代地表变形样式差异显著.在新生代青藏高原向北东扩展这一共同构造背景之下,引起祁连山东段和西段这些差异的深部原因尚不清晰.本文基于一条宽频密集台站观测剖面,利用P波速度结构约束下接收函数和面波频散的联合反演方法给出祁连山东段的壳内及岩石圈地幔结构.结合前人在青藏高原东...     

西南地区水平向峰值速度、峰值位移衰减关系研究

本文收集西南地区79个4.0＜Ms≤8.0主震、0＜Rrup＜300 km的自由场地加速度记录,采用合理可靠的数据处理方法获得峰值速度(PGV)和峰值位移(PGD)的水平分量几何均值各1600个.建立包含西南地区强震动数据及相应的震源、距离、场地参数等各项元数据的数据集.统计回归得到西南地区包含震级饱和效应、震级相关几何衰减、线性和非线性场地响应、非弹性衰减的水平向PGV、PGD衰减关系.进行了事件间和事件内残差评估、模型评估.将本文衰减曲线与西南地区大震和强震的实际观测值、川藏区水平向PGV衰减关系以及NGA-West1的水平向PGD衰减关系进行对比.结果表明,本文衰减关系用于估计西南地区震级Ms4.0-8.0、距离10～300 km的地震动PGV、PGD是有效的.绝大多数汶川、芦山、鲁甸和九寨沟地震的PGV、PGD观测值分布在本文PGV、PGD衰减曲线士1倍标准差以内.本文的PGV、PGD衰减曲线显示了震级相关的PGV、PGD衰减和土层非线性的平均效应.与国内常用衰减关系和NGA-West1衰减关系相比,本文衰减关系能更好地体现震源特性、传播介质、场地非线性对西南地区水平向PGV、PGD衰减特征的影响.     

中美青藏高原数字宽频带地震观测

1991年7月至1992年7月,中美合作在青藏高原进行了天然地震观测。布设了由11个台站组成的台阵,其中7个台站由北至南分布在青藏公路格尔木至拉萨段沿线,2个分别在其两侧,另外2个在青藏高原东部。此台阵使用REF TEK 72A-02记录器和宽频带STS-2地震计,进行事件触发及连续记录。此次观测为在青藏高原内采集地震数据提供了极好的机会。     

低频条件下饱和流体砂岩的衰减研究

通过改变流体的粘滞系数研究饱和流体砂岩的衰减及模量色散，探讨衰减与激发频率、共振振幅的关系，比较砂岩中不同饱和流体时衰减的变化．并采用滞弹性固体三参数模型和cole-cole分布来解释所观测到的实验现象．      

中国及邻域强震震后变形监测及岩石流变性质研究

大地测量技术观测的震后变形是地壳和地幔岩石对同震应力扰动的变形响应,震后变形的强度及时空演化特征主要受断层面的摩擦性质、下地壳及上地幔岩石的流变参数等控制。震后大地测量被广泛用于研究断层及深部岩石的流变性质及其动力学过程,是对岩石力学实验、冰后回弹等手段探测结果的检验和补充。本文回顾性地总结了中国及邻域中强地震震后变形监测成效,这些震例主要集中在青藏高原内部和边界带。通过对包括昆仑山口西地震、汶川地震和尼泊尔地震在内的发生在青藏高原及周缘的强震震后变形机制、岩石圈流变参数约束等方面的研究,大大提升了对青藏高原不同区域深部岩石流变结构和性质的认识,为研究地震周期变形、地震危险性、青藏高原的形变模式、高原演化动力学提供了观测依据和定量参数。同时,指出进一步约束青藏高原深部岩石流变参数,一方面需要进一步提高西部地区连续GNSS监测能力,另一方面需要与地球物理成像技术进行融合。     

GPS观测研究现今青藏高原地壳形变机制——来自阿尔金断裂三维运动场及高原地壳减薄的证据

自50~55 Ma以来,印度次大陆向北与欧亚大陆碰撞后形成喜马拉雅—青藏高原造山带,碰撞导致地壳增厚致使高原大幅隆升,改变了亚洲大陆岩石圈的构造格局,也对东亚地区的气候和环境产生了巨大影响。阿尔金断裂作为青藏高原北缘的主控边界断裂,其运动学性质在20世纪70年代备受关注,不同量级的滑动速率引出了块体运动与东向逃逸和连续变形与地壳增厚两种端元模型。约10~15 Ma以来,在青藏高原南部与北部出现地堑与裂谷,为高原东西向拉张运动提供了证据,表明青藏高原开始经历地壳减薄过程。青藏高原形成以来形变场经历怎样变化,长时间尺度的地质学构造过程与现今GPS观测是否能够统一?10~15 Ma以来青藏高原地壳减薄过程造成高原高程怎样的变化?青藏高原北缘,尤其是跨阿尔金断裂具有怎样的现今三维地壳变形场,地壳应变是如何在北阿尔金断裂、祁漫塔格断裂和阿尔金断裂之间分配的?青藏高原北缘与塔里木盆地具有怎样的力学性质,对跨阿尔金断裂构造形变场造成怎样的影响?最后,GPS观测得到的现今地表形变场能够对青藏高原形变模式的争论作出何种解答?上述科学问题的解答,对于研究青藏高原隆升与变形过程具有十分重要的意义。本研究分为两部分。第一部分是青藏高原北缘三维震间运动场的观测与研究。在青藏高原北缘跨阿尔金断裂中段自建9个GPS连续台站并开展观测,根据区域研究特点设计无人值守的观测台站,具有低成本投入、高质量观测的特点。上述连续GPS台站的建立填补了青藏高原北缘,尤其是在阿尔金无人区地壳形变观测研究的空白,积累了宝贵的连续GPS数据;截止2015年7月,共有4年的连续GPS观测。数据分析结果证明,设计建站方法行之有效,GPS台站稳定、观测数据质量稳定、数据连续性稳定。结合使用中国大陆构造环境监测网络在研究区及邻域GPS连续台站数据作位置时间序列与速度场解算,获得青藏高原北缘地区跨阿尔金断裂中段现今三维形变场。使用三维线弹性后向滑移(backslip)块体运动模型,反演塔里木块体、北阿尔金块体、柴达木块体和祁漫塔格块体的三维块体运动。结果表明,北阿尔金山相对于塔里木盆地有(1.32±0.2)mm/a的抬升速率,相对于柴达木盆地具有(0.73±0.3)mm/a的抬升速率,可解释为北阿尔金块体存在显著的造山过程;阿尔金断裂有(8.21±0.60)mm/a的左旋走滑速率、(0.66±0.60)mm/a的缩短速率;祁漫塔格断裂有(0.53±0.60)mm/a的左旋走滑速率、(1.53±0.60)mm/a的缩短速率;北阿尔金断裂有(0.87±0.60)mm/a的左旋速率、(0.69±0.60)mm/a的缩短速率。同时,阿尔金断裂中、西两段滑动速率基本一致,约为8.0~10.0mm/a。定量研究结果支持连续形变与地壳增厚模型,表明相对塔里木块体,青藏高原北缘地区正在抬升、增厚,以北阿尔金山地区最为明显,抬升速率约达1.3mm/a。跨青藏高原北缘的阿尔金断裂、北阿尔金断裂和祁漫塔格断裂近200km的宽泛变形带内,南北向地壳缩短并不明显,缩短量仅约为2.9mm,且近一半缩短量发生在祁漫塔格山南侧。GPS观测阿尔金断裂车尔臣河段(~86°E)剖面表明,断裂两侧存在非对称变形特征。本文采用非对称变形模型反演GPS速度剖面数据,获得断裂两侧塔里木盆地和青藏高原北部的地壳介质剪切模量差异。结果显示,塔里木盆地地壳介质剪切模量约为青藏高原北部剪切模量1.53倍,相应S波波速比值为1.24,与Yang等人得到的地壳和上地幔三维VSV模型结果一致。地震学研究结果认为,青藏高原北部与东部地区在中地壳存在低速层,局部区域可能发生部分熔融;Hacker等进一步确认羌塘地块中地壳到深部地壳存在熔融现象。本文的研究运用了与地震学完全不同的资料,通过大地测量方法推导青藏高原北部与塔里木盆地的地壳介质力学性质差异,得到与地震学研究得到的S波波速比及其构造物理学解释相当一致的结果。成果为青藏高原力学演化模型提供新的约束。本论文第二部分内容是使用覆盖青藏高原及周边的GPS速度场,计算青藏高原内部应变率场。GPS观测速度场不仅显示了南东东-北西西向的地壳拉张过程,也揭示了青藏高原内部更加重要的地壳减薄过程。结果显示,青藏高原北部和南部的垂向应变率(减薄应变率)分别为(8.9±0.8)nanostrain/a和(7.4±1.2)nanostrain/a,青藏高原西南部的垂向应变率为(12.0±3.2)nanostrain/a,表明青藏高原内部大尺度范围应变率测量结果的一致性。并且青藏高原内部的拉张应变率观测也相当一致,青藏高原北部,沿着N114±1°E主应变方向的拉张应变率为(21.9±0.4)nanostrain/a;高原南部沿着N93±1°E主应变方向的拉张应变率为(16.9±0.2)nanostrain/a;高原西南部沿着N74±3°E主应变方向的拉张应变率为(22.2±1.8)nanostrain/a。如果地壳减薄开始于10~15 Ma,并且现今观测得到应变率适用于整个时间跨度,那么地壳累积减薄5.5~8.5km。应用Airy地壳均衡理论,青藏高原的平均高程将下降~1km。青藏高原北部、南部和西南部相似的垂向应变速率也表明,在3个区域的地壳拉张、正断裂运动和地壳减薄过程由相同的物理机制所支配。综合上述两部分研究成果,发现青藏高原现今垂向运动在高原内部和边缘地区存在很大差别。高原内部地区正在经历地壳减薄,而高原边缘地区正在经历不同程度的增厚与隆升。青藏高原北缘地区的垂向应变率约5~20nanostrain/a,如果考虑重力均衡作用,对应的垂向隆升速率在0.04~0.14mm/a左右。但是,对于局部地区如北阿尔金块体,其底部受到塔里木盆地南缘下插挠曲板块的支持,在没有重力均衡情况下,垂向隆升速率可能达到1mm/a。喜马拉雅地区呈现不同水平的垂向形变,垂向应变强烈(约10~80nanostrain/a),山脉底部受到印度下插板片的支持,无法通过重力均衡假定由垂向应变率估计隆升速率。但由GPS与水准数据约束的俯冲板片模型推测山脉隆升速率达到约7mm/a。而对于祁连山地区,GPS应变率推测得到垂向应变率约20~40nanostrain/a,应用地壳均衡理论,平均隆升速率为0.15~0.3mm/a;而由于逆冲推覆构造与褶皱变形带的存在,中下地壳有可能仍存在弹性变形,不能实现完全重力均衡,实际隆升速率有可能高于这一估计。本文研究给出青藏高原不同地区三维形变场与形变速率的定量估计,是对连续形变与地壳增厚形变模型的重要修正。结果并不支持块体运动与东向逃逸模型,并认为高原南北双向俯冲模型中的塔里木块体南向俯冲几乎不存在。     

Q值研究动态

随着人们观测能力的提高和观测手段的改善,反映地球介质特性的仅利用天然地震波对Q值进行测量,还在实验室内对地震波的衰减理论和然地震波测量Q值的主要方法有：利用地球自由振荡资料、利用体波、利验室中对地震波衰减的研究为衰减机理提供了研究基础。这些研究都不断性及动力学过程的认识。值的研究不断深化和发展。人们不量Q值的方法进行了研究。利用天面波和利用尾波来研究Q值。而实加深了我们对于地球内部介质的特Q测用地。