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《武汉大学》 2017年
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水负荷重力信号提取方法及在华北地区应用研究

韦进  
【摘要】:中国地震局在2008年以来的多次重大工程中,陆续新建改造了 78个站84套连续重力观测仪,利用互联网技术组成了连续重力观测台网。该监测网为地震监测和预测提供了一类有效的观测手段。同时,国民经济的快速发展,水资源变化规律的认识也日益得到重视。为了克服水循环过程中各圈层相互耦合规律的复杂性,并发挥连续重力观测对水资源监测的作用。本文利用4类连续重力观测仪所采集的超过3-4年的观测数据,利用GRACE、GLDAS和同址观测的水井资料,基于重力场负荷理论、敏感场理论以及水负荷季节性变化规律,利用SSA方法研究连续重力观测序列中周期变化的水负荷重力效应。最后利用华北地区6期流动重力观测数据、53个水井资料采用EOF分析方法比较主要模态相关性,并利用敏感场理论研究京津地区的重力变化、孔隙度、敏感场、地下水位之间关系。本文简略阐述重力仪的基本构成和工作原理,总结和分类了目前连续重力观测台网观测数据中各种干扰因素,提出这些干扰因素的改正方法和推荐使用的工具。利用弹簧重力仪和超导重力观测数据比较了 ETERNA和VAV调和分析方法,两者的潮汐分析结果相当。超导重力仪的潮汐参数最优观测精度可优于0.0001,弹簧重力的只有0.0007,总体都能够达到0.005。对台网重力仪观测数据进行分析认为VAV调和分析方法更适合弹簧重力仪的潮汐分析和改正。在非潮汐分析方法中,影响重力仪观测的的影响因素除气压、极潮、海潮外,最突出的是重力仪的零漂。本研究分别分析了 4种类型的连续重力观测数据,结合台站邻区水井资料、降雨资料以及全球陆地水模型等水文资料,利用4种零漂模拟的方法提取了和水负荷有关的重力信号。该信号的振幅在5-15× 10-8m/s2,并具有春冬季重力信号微弱,夏秋季重力信号明显的季节性变化特征。同时本研究还利用4类5套重力仪超过4年的连续观测资料和同址观测的气压数据,利用相关分析方法研究非线性零漂的变化特征,发现超导重力仪(SG)气压导纳规律和理论结果一致,其它重力仪只能在有限的时间段内(PETgPhone为100-200天)认为并不是所有重力仪都能够利用上述信号分离方法获得水负荷重力信号,观测时间序列还受到台站类型以及仪器的控温系统的影响。在解释和分析地面重力(5-15×10-8m/s2)和卫星重力观测到的水负荷信号(2-6×10-8m/s2)差异前,先利用京津地区水井观测资料从时间域和空间域两个方面验证了 GLDAS提供的陆面模型、SBH发布的GLDAS月重力球谐系数模型、GRACE的重力球谐系数模型数据处理的正确性以及有效性。再选用和地下水井资料更为一致的的数据模型(GRACE和SBH发布的GLDAS月重力球谐系数模型)在时间域和空间域进行相关分析,发现两者相关系数在空间上存在着差异。京津地区两者(40%-60%)相关性较周边地区低。该结果表明GRACE和GLDAS模型在京津地区有差异,也进一步证明了在京津地区除地表水活动外,存在较周边地区明显的地下水变化信息。在解释和分析地面重力(5-15 X10-8m/s2)和卫星重力观测到的水负荷信号(2-6×10-8m/s2)差异时,首先利用华北地区53 口井的观测资料,采用小波、SSA分析方法,研究华北地区地下水井资料的水位速率特征。结果显示,在京津地区的水位下降速率较大约为1m/yr的变化。同时发现京津地区的水位变化还具有区域特征,北京城区内水位下降变化不明显,而远城区水位下降变化超过了1m/yr。其次利用3台连续重力观测仪超过2年的观测资料以及同址观测的水井观测资料采用SSA分析方法研究周期变化特征。发现2阶信号和水井资料的周年信号的周期和振幅一致。张家口、北京和太原3个站点该频段的振幅约为4-8×10-8m/s2。再次利用上述水井观测资料(选择周期信号信噪比优于0.16的站点)以及2011-2014年的7次测量得到的6期华北地区流动重力观测结果(采用正态分布95%的置信区间检验),以及GRACE和GLDAS的在该区域的数据,分别进行正交经验函数(EOF)的分析,分别比较京津地区18个水井观测资料处的模型数据和陆地观测数据的第一模态和第二模态之间的相关性。结果发现水井结果和地面重力观测结果的第一模态有14 口井观测到的振幅变化相同。模型数据两者完全一致。这表明,第一模态的地面重力分析结果能够反映京津地区水井变化的空间分布特征。最后,基于上述的GRACE、GLDAS、地面重力观测的和水井资料观测的第一模态观测数据,提出重力负荷理论以及敏感场方法计算评估水井资料的影响范围以及孔隙度。结果发现水井观测资料仅仅能够反映水井周边2-5km范围内的地下水位变化特征,孔隙度也和岩性评估的理论值具一致性。差异不足±10%。本文的工作改进了连续重力观测资料数据处理方法,提出了弹簧重力仪的非线性零漂改正并给出了实例。同时利用包括SSAM分析方法和EOF分析方法提取地面重力观测资料中的和水负荷信号有关的重力信号。在利用地面水井资料验证GRACE、GLDAS等全球模型正演的水负荷重力信号有效性的基础上,比较研究华北地区地面重力、地下水井观测资料在周年频段的一致性。利用地面重力观测资料重点研究了京津地区水井水位埋深处的孔隙度。为后期利用地面观测资料进一步研究本地区的水储量变化奠定基础。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P315.7

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【参考文献】
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