重力卫星在地震循环过程中的应用

正本文回顾了重力卫星在地震研究中的作用,并对未来下一代重力卫星资料在地震孕育、发生方面的应用研究做出展望。一般而言,地震循环分为震间、震前、同震和震后等物理过程。重力卫星GRACE能够检测到全球俯冲带特大地震(如2006年苏门答腊M_W9.3、2008年智利M_W8.8和2011年日本东北M_W9.0)的同震破裂和震后地幔黏弹性松弛引起的大尺度地球质量迁移。对于一次M9地震,经过350 km空间平滑后,同震重力最大减小超过10μgal,且能够被位错理论     

应用GRACE卫星重力数据计算陆地水变化的相关进展评述

GRACE重力卫星自2002年3月发射至今,已进行了十多年的连续观测,由此获得的重力场变化数据被广泛地应用于研究地表河流及地下水储量变化、南极和格林兰岛冰盖厚度以及全球海平面变化等.本文从GRACE重力卫星数据的处理方法入手,对其数据特点、限制条件和水文模型计算方法等问题进行了系统总结,并针对近年来利用GRACE卫星数据开展的相关研究,从估算全球水储量的变化、区域水储量变化、地下水变化以及陆地河流流域的水储量变化等方面对相关研究和应用进行了简要评述.最后,对使用GRACE卫星数据反演陆地水储量的验证方法和存在的问题进行讨论.本文对于全面了解近年来应用GRACE卫星数据研究陆地水储量变化方面的相关进展具有参考意义.     

青藏高原GRACE卫星重力长期变化

本文采用最新的GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)(RL05)数据,通过水文模型(Global Land Data Assimilation System, GLDAS与Climate Prediction Center, CPC)扣除土壤水及雪水的影响,利用Paulson提供的冰川模型结果扣除GIA(Glacial Isostatic Adjustment)的影响,采用尺度因子的方法减少数据处理过程中误差的影响,最终基于最小二乘计算方法得到2003—2013中国及周边地区长期性重力异常变化情况.结果发现青藏高原有较为明显的重力上升信号,我们认为该信号可能由印度板块俯冲欧亚板块导致青藏高原地壳增厚所引起.接着依据GPS观测结果和艾黎均衡假说构建了地壳形变模型并通过直立长方体模型予以正演模拟分析.以班公湖—怒江断裂带为界将青藏高原划分为南北两大区块,结果显示青藏高原重力异常大致以0.2 μGal·a-1的速率在递增,小于GRACE得到的0.3±0.08 μGal·a-1的增长速率(对应于地壳增厚速率约3 mm·a-1),剩余未解释部分可能与湖水、冰川因素、冻土因素等有关.该结果对于认识青藏高原隆升动力学有一定参考意义.     

重力卫星GRACE Mascon产品的应用研究进展与展望

2002年重力卫星GRACE的成功发射极大地促进了地球科学多个领域,包括全球海平面变化、极地冰盖与高山冰川消融、水文以及固体地球等多个领域的发展.然而,GRACE观测数据主要是以球谐系数的形式给出,需要应用者进行一系列预处理才可以得到对应的物理量.为了克服此困难,也为了提高GRACE恢复重力场地空间分辨率,相关机构在近些年推出了新一代GRACE观测数据产品,即Mascon产品.该产品的初衷是便于非大地测量和地球物理专业的人使用,比如水文学家、海洋学家,它无需进行任何后处理过程,使用上更加方便.然而,尽管Mascon产品以较高的空间分辨率(如1°)给出,但是,该产品的应用范围以及其实际的分辨率等都是科学家们非常关注的问题.目前科学家们已经对该产品在不同流域尺度以及不同应用领域上的适用性问题进行了系统性地评估.本文综合介绍了Mascon产品的基本原理和方法、三家Mascon产品的差异,并梳理了该产品和球谐系数产品之间在一些具体物理问题的应用中的适用性以及应该注意的问题,为广大科研工作者提供科学依据和使用参考.     

重力卫星GRACE检测出2010年智利Mw8.8地震的同震重力变化

本研究通过对重力卫星GRACE观测数据的处理,采用去相关加300 km半径的高斯平滑,成功地提取了2010智利M_w8.8地震所产生的重力变化信号,最大变化幅度达到7 μGal,并且与位错理论计算结果具有较好的一致性.这是继GRACE检测出2004苏门答腊M9.3地震重力变化后的又一个卫星观测地震的例证,说明GRACE具有检测出M<9.0量级地震的能力,为利用GRACE研究地震以及其更广泛的应用提供了可靠的依据.     

新一代GRACE重力卫星反演地球重力场的预期精度

基于低低卫卫跟踪模式,本文主要探讨利用动力学法融合精密轨道数据和星间测距或距离变率数据求解地球重力场的基本原理与方法,该方法既可对两颗低低跟踪卫星的初始状态误差进行有效校正,也可充分利用低轨卫星轨道所包含的低频重力场信息.为探讨适合我国国情的低低跟踪模式下的重力卫星指标,本文以不同星载设备精度指标的组合进行模拟计算,模拟结果显示:(1)把GRACE卫星的星间距离变率指标提高一个量级,其余指标保持与GRACE卫星设计指标一致时,可使地球重力场的精度获得同量级的提高;(2)若星间距离变率为1.0×10-8 m·s-1,轨道高度为300 km,加速度计精度为3.0×10-10 m·s-2,轨道精度为0.03 m, 星间距离100 km,与利用GRACE的设计指标反演出的重力场精度相比,可提高约121倍,并建议我国未来低低跟踪重力卫星计划参考此指标.     

GRACE重力卫星探测南极冰盖质量平衡及其不确定性

2002年GRACE重力卫星的成功发射为南极冰盖质量平衡的研究提供了重力探测的新纪元. 本文利用美国德克萨斯大学CSR公布的2003年1月到2013年12月期间的RL05版本GRACE月重力场数据, 采用最优平均核函数法和组合滤波法两种GRACE后处理方法反演了南极冰盖质量的时空变化. 结果表明: 在2003—2013年期间南极冰盖物质平衡呈明显的负增长状态, 质量变化趋势为-163±50 Gt/a(GW13)、-129±41 Gt/a(IJ05)、-81±27 Gt/a(W12a), 加速度为-8±10 Gt/a2, 质量消融的主要区域分布在西南极阿蒙森海岸和南极半岛的北部. 另外本文还重点探讨了可能影响到估算结果的各项误差及不确定性,分析结果显示影响南极冰盖质量平衡估算结果的最大误差源为GIA改正. 通过假设检验和信息准则对时间序列分析中拟合参数的合理选取进行了探讨和分析, 在联合周年项、半年项和S2、K2、K1潮汐混频项进行拟合分析时发现K1项对拟合结果的加速度影响比其他周期项稍大, 尽管考虑该项的合理性因当前GRACE数据时间序列长度有限而无法确切证实, 但K1项的影响值得后续关注. 对比两种GRACE后处理方法的结果发现:当采用的数据时间跨度一致, 误差改正方法相同, 两种相异的后处理方法, 其估算结果也具有较好的一致性.     

利用GRACE卫星重力数据监测关中地区地下水储量变化

关中地区作为一带一路重要的工农业发达地区之一,开展针对该地区地下水储量变化的监测和分析工作对揭示地下水储量变化特征与经济社会发展具有重要现实意义.本文基于2003—2014年GRACE卫星重力场模型数据,采用组合滤波及单一尺度因子方法反演了关中地区陆地水储量变化,扣除GLDAS地表水平均结果,对关中地区地下水储量变化进行了监测分析.将陆地水储量变化与GLDAS进行相关性分析,将地下水储量变化与WGHM地下水模型及实测地下水位结果进行对比分析.研究结果表明：①关中地区陆地水变化与GLDAS模型结果具有较强的相关性,相关系数多数大于0.7,其中与模型平均结果的相关系数可达0.8.② 2003—2008年关中地区地下水呈正增长趋势,增加速率为0.25 cm·a^-1,与同期实测数据变化趋势一致;但2003—2013年地下水存在长期亏损,亏损速率为-0.37 cm·a^-1等效水高,这与同时期WGHM估算结果-0.35 cm·a^-1十分吻合.③关中地区地下水存在明显的年变化特征,在2003—2014年期间地下水减少速率为-0.44 cm·a^-1,与该地区降雨量有较好的一致性,在降雨偏少的2008、2012和2013年,地下水也显著减少.

     

新一代GRACE重力卫星反演地球重力场的预期精度

基于低低卫卫跟踪模式,本文主要探讨利用动力学法融合精密轨道数据和星间测距或距离变率数据求解地球重力场的基本原理与方法,该方法既可对两颗低低跟踪卫星的初始状态误差进行有效校正,也可充分利用低轨卫星轨道所包含的低频重力场信息.为探讨适合我国国情的低低跟踪模式下的重力卫星指标,本文以不同星载设备精度指标的组合进行模拟计算,模拟结果显示:(1)把GRACE卫星的星间距离变率指标提高一个量级,其余指标保持与GRACE卫星设计指标一致时,可使地球重力场的精度获得同量级的提高;(2)若星间距离变率为1.0×10^-8 m·s^-1,轨道高度为300 km,加速度计精度为3.0×10^-10 m·s^-2,轨道精度为0.03 m, 星间距离100 km,与利用GRACE的设计指标反演出的重力场精度相比,可提高约121倍,并建议我国未来低低跟踪重力卫星计划参考此指标.     

卫星重力资料在柬埔寨磅逊盆地中的应用研究

柬埔寨磅逊盆地位于泰国湾东部,构造上处于古特提斯缝合带东侧,属于中-古生代盆地,早期(石炭-二叠系)为板内克拉通盆地,晚期(晚三叠纪)由于北部抬升逐渐转换为板块边缘,受构造运动的多期改造变成陆内裂谷盆地.长期以来,磅逊盆地石油地质勘探研究程度很低.没有进行过任何油气勘探工作,缺乏地震、钻井资料.为了深入分析评价该区油气勘探潜力,此次研究综合应用新采集的2D地震资料和高精度卫星重力数据(样点分布密度:0.02°×0.02°),根据重力场理论,利用全球重力场模型(EGM96)计算了布格重力异常、重力垂向二阶导数和重力水平总梯度异常.利用地震资料对卫星重力资料进行约束反演、综合解释,预测了盆地基底埋深,分析了构造特征,划分了构造单元,为下一步勘探研究指明了方向.     

遥感技术在地震研究中的应用进展

本文介绍了遥感技术在地震监测和研究中的应用和进展,分析了卫星热红外遥感、InSAR技术和气体遥感方法在地震前后地表热红外增温、形变和气体含量改变的研究现状,初步探讨了该方法的成因机制.本文同时分析了该技术在地震预报中存在的问题,提出了未来的研究重点.     

GRACE卫星观测到的与汶川Ms8.0地震有关的重力变化

利用GRACE卫星重力资料,计算了中国大陆及周边的卫星重力时变场和地表密度变化分布,获取了具有代表性的点位区域的每月重力变化时间序列.同时获得了WUSH、LHAS、KUNM、LUZH站相对于区域参考框架的GPS位移时间序列.卫星重力观测结果显示喜马拉雅弧形带的重力在2004年苏门答腊M_w9.3地震后快速下降, 2006~2008年尤为明显,西域地块西北边界带上震后重力下降也较为显著;而沿青藏高原北至东边界2007年出现明显的重力上升沿构造边界的弧形分布,且2008年南北地震带中南段重力上升变化显著.这些苏门答腊地震后的重力变化趋势到汶川地震发生后才开始改变.GPS位移结果显示四个台站均记录到苏门答腊大地震的同震信号,震后WUSH、LHAS、KUNM站水平位移向量出现明显的运动趋势改变,且一直持续到2008年汶川M_s8.0地震的发生.GRACE卫星揭示的青藏高原及周边地表质量的变化为解释汶川地震的动力机制提供了新的观测途径和资料.本文结合区域构造运动的特点和GPS位移,对GRACE观测的时变重力场特征及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论.     

基于GRACE卫星和地表流动重力的汶川MS 8.0地震前重力时空变化

利用GRACE卫星重力场模型和地表流动重力观测资料,计算2008年汶川M_S 8.0地震发生前6年的重力变化,对卫星和流动重力段差结果与卫星重力反映的重力场动态变化特征进行研究,结果表明：①GRACE卫星重力段差受滤波半径影响显著,与地表流动重力观测结果相比,在重力变化数值上差异较大,在变化率上较为一致;②在汶川地震孕育阶段,川滇地区重力等值线呈“增大—减速增大—减小”的特征,震前2年形成近似垂直于龙门山断裂带的重力变化梯度带。     

中国卫星地震应用系统框架与地震电磁卫星计划进展

地震卫星和卫星地震应用系统建设已写入了<国家防震减灾规划(2006-2020年)>、<航天发展"十一五"规划>、<国家空间信息基础设施建设与应用"十一五"规划>等多项重要规划中.根据防震减灾业务发展对空间对地观测技术的需求,卫星地震应用系统总体包括几个部分.     

利用GRACE卫星数据研究汶川地震前后重力场的变化

介绍了利用GRACE卫星数据计算和分析重力场变化的方法.以EIGEN-GRACE02S重力场模型为背景,对高斯平滑处理前后中国大陆月重力场的变化作了比较,认为取平均半径为666 km作高斯平滑,能够得到合理的重力变化结果.以3个月时间尺度计算了2008年汶川地震前后中国大陆的重力场变化,将结果与2006年和2007年相同时间尺度的变化结果进行比较,发现三者相符合,并且同震重力的负变化可用地壳膨胀模型理论来解释.     

基于GRACE卫星重力数据确定地球重力场模型WHU-GM-05

基于卫星轨道运动的能量积分方程,可导出利用卫星跟踪卫星数据求解地球重力场的实用公式.本文在Jekeli给出的公式基础上导出了基于能量守恒方程利用两颗低-低卫星跟踪的扰动位差求解重力位系数的严密关系式.基于两颗GRACE卫星的观测数据,采用本文导出的严密能量积分方法求解得到120阶的GRACE地球重力场模型,命名为WHU-GM-05;将WHU-GM-05模型与国际上同类重力场模型EIGEN-GRACE系列和GGM02S分别在阶方差和大地水准面高等方面作了比较,并与美国和中国的部分地区GPS水准观测值进行了精度分析.结果表明基于本文推导的严密双星能量守恒方程得到的WHU-GM-05重力场模型精度与国际上同类重力场模型的精度相当.     

重力水平梯度及其在地震重力前兆中的研究初探

首先根据水平无限长圆柱形地质体的理论重力异常,在频率域使用余弦变换法,通过位场变换计算了水平方向的重力梯度,并与理论重力梯度做比较,发现余弦变换法计算得到的水平重力梯度是可靠的。其次,使用频率域中的余弦变换法计算了2010年9月至2012年10月芦山地震前的累积重力水平梯度,并求得沿龙门山断裂带走向和垂向的重力水平梯度。结果表明:沿断裂带走向和垂向的重力梯度能够以明显的条带状更好地显现出重力在断裂两侧的相对变化,并且芦山震中位于重力梯度高值区的中间地带;重力水平总梯度变化显示,在理县—芦山一带、康定—石棉一带为重力梯度高值区,且高值区位置及走向与区域断裂构造基本重合,并在理县、康定以及石棉附近重力水平梯度值为极值区。     

基于GRACE RL05数据研究智利地震长期震后重力变化特征

利用GRACE卫星重力可对地震引起的大范围重力变化进行观测,并从重力数据中发现主要的变化特征.发生于2010年的M_W8.8智利地震震级较高,可观测到震中附近广泛的同震和震后长期重力变化.本文基于GRACE RL05 Level-2时变重力场数据,对2010年智利地震的同震和震后长期变化进行了计算.对同震变化的计算发现,智利地震引起的同震变化极值达-5 μGal,而本文为减小水文信号的干扰而采用的3年平均的方法可以获得良好的效果.在对震后重力变化的计算中发现,智利地震震后在2011—2016年间的重力变化存在先增大后逐渐衰减的过程.对震后变化的拟合表明,智利地震震中附近有约1μGal的震后重力变化,震后变化的特征时间约1.1年.同时,在智利地震中未出现较明显的两个震后变化阶段（短期、长期）.

     

联合GRACE、GRACE-FO重力卫星数据监测华北地区水储量变化

本文在三维加速度点质量模型法的基础上,融合不等式约束处理条带噪声,模拟计算结果表明该方法相比零阶Tikhonov约束,信噪比提高4.23%.利用不等式约束的三维加速度点质量模型法,采用GRACE与GRACE-FO重力卫星数据对2002年4月至2021年4月华北地区水储量进行了估算.研究结果表明,2002年4月至2021年4月,附有不等式约束的三维加速度点质量模型法计算的华北地区水储量以-1.36 cm/a的速率下降,Mascon与球谐系数法所获得的亏损速率分别为-1.52 cm/a、-0.80 cm/a,表明华北地区水储量处于明显的亏损趋势,并由亏损速率空间分布可知,水储量在河北省与山西省交界处亏损最为明显,亏损中心区域超过-3.0 cm/a.将研究时间段分为两部分分别进行拟合后发现,2011年至2021年华北地区水储量亏损趋势大于2002年至2010年.研究时间段内,2003年水储量存在明显的上升趋势,结合TRMM降雨数据对该时间段降雨时空分布进行研究,结果表明重力卫星数据计算结果相比降雨数据较为滞后,2003年春季时期的水储量的上升主要由于2002年下半年降雨的影响.