中国地球物理学会第33届学术年会分专题研讨会剪影讨论会纪要

83-地球重力场及其地学应用


召集人: 徐建桥 吴晓平 王谦身 李辉
提交论文30篇,口头报告24篇。
一、论文涉及的主要内容和主要成果
1、数据处理及数值模拟方法。
      提出了基于三层等效源的技术方案,既保证了等效源模型建立的合理性,能够反映重力场不同频段的成分,又具有等效源方法简洁与高效的优势。通过对广西某地区实测重力异常数据的应用,验证了方法的有效性。
      提出了一种通过离散小波多尺度分解构建拟3D 重力场的方法,将不同频率、不同尺度的重力异常进行分离,并将尺度维等效为拟深度维,从而将2D 重力异常拓展构建出拟3D 重力异常数据体。球体模型模拟的结果表明该方法能有效构建3D 重力场,不但分辨率和信噪比高,而且获得的地层或场源体的3D 空间特征形象、直观,易于地质解释。
      基于一维地球结构的谱元法,计算了弹性运动方程非周期均质化理论地震图。根据1D 地球满足的方程和边值条件,将地球看成均质弹性体,从而求得其理论地震图并与简正模结果对比,证明了非周期均匀化这一理论可延拓到地球。但是,为了获得更加精确的解需要高阶的非周期均匀化。
      利用谱有限元方法计算了粘弹球形地球变形问题。该方法严格考虑了地球曲率与重力扰动的耦合;能够在横向上考虑更大程度的不均匀性;可直接在时间域进行数值积分。计算了弹性的位错Love 数和负荷Love数,以及粘弹性地球模型下震后位错Love 数随时间的变化,并与已有的结果进行比较,结果吻合较好。
      利用标准时频变换方法来提取面波信号的频散曲线。标准时频变换方法是定义在L1-norm 下的,与传统Morlet 小波变换相比较,标准Morlet 小波变换的优点是可以直接确定谐波信号的瞬时相位、瞬时频率和瞬时振幅,不存在频率偏移现象,而这些优点可能会对頻散曲线的测量带来一些有益的帮助。通过标准Morlet 小波变换提取了地震仪中记录的面波信号的频散曲线,并与传统方法进行了对比,得到了较为可靠的结果。
2、重力测量及其应用。
      在武汉市主城区布设了一短基线流动重力观测网络,进行武汉市的城市沉降观测研究,开创了利用流动重力观测进行城市小范围沉降观测研究的先例。结果显示:武汉市城区的重力值从南往北重力值逐渐增大,汉口城区的重力值梯度变化最为明显。所有测点相邻两期之间的重力变化范围为±40μgal,通过对观测到的重力变化进行深入研究可以对城市区域监测提供有效的监测手段和理论依据,为城市建设规划提供有力的技术支撑。
      利用中山与昭和站的重力潮汐观测数据、全球和南极区域海潮模型及中山验潮站观测序列研究了南极地区的重力及海洋潮汐特征。验证了区域海潮模型更接近潮汐的实际观测值,说明区域海潮模型修正全球海潮模型的必要性。经区域模型(CATS2008)修正的全球海潮模型(Eot11a)作负荷改正后,重力主波K1、M2 和S2 的最终残差振幅分别下降了9.84%、56.14%和37.08%,证明了在南极地区用区域模型修正全球海潮模型的有效性。
      对如何提高连续重力观测数据的预报效能进行了探索研究。如改变现有的台站重力数据处理流程,以便及时获取数据,分析获得有用的信息;提高连续重力数据利用率;行业内共享数据资源,共享连续重力观测数据处理平台的软件;调动人员的积极性,通过设立奖励等措施,鼓励将重力台网数据应用于地震预报的实践。
      利用GRACE卫星重力场位系数,计算了鄂尔多斯及其周缘的重力异常,以及根据该区域的布格重力异常,得到了鄂尔多斯东西两侧地壳厚度存在差异,西部厚,东部薄,块体内稳定的结论。
      利用超高 阶次卫星重力场模型EIGEN-6C4,解算后经球坐标系地形校正得到为卫星布格重力异常。利用匹配滤波对卫星布格重力异常数据进行分解,得到了区域场和局部场,并通过二维反演得到研究区内一条剖面的二维密度结构。
      利用重力、GPS 和震源机制解研究龙泉山断裂带构造形式。重力均衡结果表明,龙泉山断裂带是一条由于龙门山的荷载作用而引起的高角度深埋断裂带,在坚硬的四川盆地的阻挡下,青藏高原再难大幅东扩,高原与平原的边界将维持在龙门山断裂带附近; 2009-2015 年间GPS 观测结果显示,龙泉山断裂带中南段及其周边地区的地壳处于显著的张性应变状态。龙泉山断裂带周边地区重力均衡特征、张性应变场与高比重张性地震均显示,龙泉山断裂带应该是一条因为龙门山的压力作用而产生的高角度张性断裂带,而不是广为接受的低角度逆冲断裂带。
      利用布格重力异常数据,通过滑动平均、小波多尺度分析、重力界面反演等手段,结合已有的地震测深及其他地质地球物理成果,获得山西断陷带深部地壳上地幔主要界面起伏及密度空间分布特征。结果显示:山西断陷盆地内为低重力异常区,地壳密度低,与盆地形成过程中边沉降边接受低密度沉积地层有关;山西断陷盆地边界发育有一系列盆地边界断裂,在重力异常场中表现为高低重力异常梯级带特征;山西断陷带深部南北端为高重力异常特征,内部为低重力异常特征;山西断陷带内部地壳厚度自西北向东南逐渐变薄。
      利用S2.9EA 地幔三维横波速度模型,基于深部温度与地震波速度之间的关系,反演得到准噶尔盆地及邻区上地幔顶部的温度分布,将上地幔温度场作为边界条件,以地表温度和深部温度作为双边界约束,反演获得了岩石圈大尺度热结构模型。
3、地球简正模应用。
      2013 年在俄罗斯的鄂霍次克海发生了M8.2深源大地震,利用IRIS 台网宽频地震仪资料检测到的0S0 - 11S0 径向振型系列,讨论了地球内核的径向结构、内核深部p 波和s 波速的径向分布,以及地球内核深部是否存在熔融介质结构等。
      选取2011 Tohoku Mw9.0 地震后全球近500 台地震波观测台站,首先利用GCMT、USGS、IPGS 发布的地震震源机制解,计算了0.283~3.550 mHz 频段的地球自由振荡在相应台站处的合成振幅谱,采用0S0 和2S0 两个径向模态计算了该地震矩心矩张量的Mrr 分量和震源深度(主要由于径向模态几乎只依赖于Mrr 分量和震源深度),并进一步利用4个超长周期球型模态(0S2、2S1、0S3 和0S4)计算了该地震的矩心矩张量的六个分量,最终得到了由6个球型模态反演出的2011 Tohoku 地震的震级和震源机制解。
      利用大地震引起的位移场公式以及引力场变化公式,本文通过不同外力的作用方式推导了利用地球简正模计算潮汐Love数、负荷Love数、剪应力Love数的计算公式;并采样PREM地球模型进行了计算,计算结果与其他学者的结果比较说明二者具有非常好的一致性,说明了公式的正确性。
4、重力仪研制与仪器噪声水平分析。
      研制了一种新的垂向超导加速度计,其实测固有频率为2.6 Hz,灵敏度达到0.3 μGal的水平,并已具备潮汐观测的能力。具有宽频带和低噪声的优点,可同时观测地脉动和潮汐,其应用可拓展到地球背景噪声的研究当中。
      研制了一种基于静电反馈控制的高精度金属挠性电容式加速度计,其检验质量由两对金属簧片支撑,不仅保证了检验质量在敏感轴方向平动的运动姿态,同时也拥有了高交叉轴抑制比。最终测试结果显示,加速度计的量程为±1mg,标度因子为9725 V/g,在1Hz处噪声为0.2ng/Hz1/2,在0.2Hz 到8Hz 频带范围内噪声低于0.3ng/Hz1/2,有望满足旋转加速度计重力梯度仪的研制需求。
      研究了超导重力仪(SG)和gPhone重力仪的背景噪声水平,在地震频段,gPhone 重力仪的功率谱密度高于SG,在亚地震频段,SG 接近地震仪探测水平。在低于3×10-5Hz 频段,gPhone 重力仪和SG 的功率谱密度低于地震仪,表明高精度连续重力观测更适于测探长周期信号。
      以武汉台超导重力仪OSG-065 为例,通过输入阶跃函数信号的方法,实验测定了OSG-065 的传递函数,并分别用Laplace 变换法和零极坐标法表示,并讨论实测信号中传递函数的应用。用Laplace 变换法可以更准确的估算超导重力仪的时间响应滞后,而零极坐标法可将测定的传递函数更方便的用于周期小于1000s 的信号的改正。
二、新的学术观点、学术增长点和科技动向
      1、一些新的数据处理方法和数值模拟方法的应用,如等效源方法、小波多尺度分解、谱域有限元方法、标准时频变换等,为理解重力场变化机制提供了新的手段。
      2、拓展了重力测量资料的应用领域,如研究地表沉降、检验海潮模型、研究岩石圈密度和热结构、探索断裂带构造模型。
      3、地球简正模应用,如利用特殊振型研究地球内核径向结构、反演地震断层模型、研究简正模与不同Love之间的内在联系。
      4、重力仪器研制与仪器噪声分析,重力仪与重力梯度仪研究进展,新型加速度计的研制,仪器本底噪声的分析,台站背景噪声分析。