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基于大地测量资料的区域构造应力场反演及模型研究

曹学伟  
【摘要】:利用大地测量观测信息反演研究构造应力场是近些年大地测量反演研究热点课题之一。论文以地球重力构造学说为理论背景对基于现代大地测量资料的构造应力场及模型展开了深入研究,并以华北地区为例,对论文研究成果进行了验证。论文主要的研究内容如下: (1)对大地测量反演问题进行了探讨。给出了反问题中的亚定、超定、混定问题及其求解方法。研究了三种类型的大地测量反演模型即基于位错模式、基于固体力学模式和基于联合反演模式模型。研究了大地测量反演方法并重点研究了其中的GPS位移反分析法。介绍了大地测量反演常用的计算方法,并重点对有限单元法进行了研究。 (2)对重力构造机制进行了研究,在全面总结已有构造运动学说、观点的基础上,全面系统地分析了地球重力引起构造运动的机理。探讨了重力构造应力场的计算方法。 (3)在无限大平板模型假设的重力构造应力场计算方法的基础上,研究了基于球壳模型假设的重力构造应力场计算方法。基于重力构造应力场与垂线偏差之间的函数关系式,以华北地区为例,分别借助于360阶地球重力场模型EGM96和Eigen-GL04C以及中国大陆1:100万30′×30′DTM数字地形数据,计算得到了研究区完全和不完全重力总水平梯度、布格重力异常以及垂线偏差的值,进而分别计算得到华北地区不同地层构造应力场数值模型。通过论文研究结果与以往研究结果以及计算结果之间的对比分析,得出如下结论: 利用重力场模型及分辨率较高的数字地形模型并结合相关软件,能够计算得到任一区域的重力异常、垂线偏差。应用布格重力异常和垂线偏差能获取与现有地质及地震资料相对应的区域地壳构造应力场,在获取构造应力信息方面,二者各有优缺点,在实际中可以考虑综合它们各自优缺点来对地壳运动情况做出更加合理的解释和预测。华北地区重力总水平梯度和构造应力能够反映地块之间的相互作用及地壳构造形态,华北地区构造的活动性能从构造应力场的强弱得到诠释。 (4)研究了重力构造应力场与密度异常关系,结合360阶的地球重力场模型EGM96和中国大陆DTM数字高程模型分别计算了重力异常Δg和大地水准面高N的值,并把上述模型应用到范围为[10°~60°N,79°~140°E]的研究区,计算了研究区地面以下20-25公里、25-32公里、32~36公里处的密度异常和平均构造应力值。通过对计算结果的分析得出以下主要结论: 在密度异常变化较大的地区,构造应力的变化也较大,从而导致这一地区的地壳运动加剧。构造应力与深度有关,如密度异常不变,则随着深度的增加,构造应力变化也随之增加。 (5)利用有限单元数值算法研究了华北地区有关地球动力学问题。分析了影响反演解精度的主要因素,包括地学模型本身的完善程度、大地测量观测点的位置分布、地层物性参数取值等。对华北地区的构造断裂带、地层物性参数等进行了详细调查与分区,并获取其中有关参量的先验信息。根据有限单元法思想,利用有限元方法构建了华北地区空间线弹性地学模型。论文还利用研究区岩石实际重力,选择2005-2006年GPS运动监测点位移观测值作为位移边界条件,以岩石力学参数、边界力的先验值为参考研究了该地区地球动力学反演问题,其反演赋之以最小二乘准则,即通过反复调整边界力、岩石力学介质参数,使得计算出的位移值与GPS位移观测值之差在整体上残差平方和最小。论文研究更新了应力、应变和应变能密度以及边界力、介质参数等的先验信息。并在此基础上,通过反演解进行研究区地球动力学解释,对一些有关地球动力学现象和地球动力学机制进行了探讨,并得到主要的结论如下: 华北地区主应力基本为NEE向压性应力场。该区最大差应力值与地层深度成正相关,在地层中的分布是周边部位大中间部位小,其差值与地层深度成负相关。该区最大主应力值从最顶层到第四层是逐渐减小的,且主要是以压应力为主,拉应力只出现在最顶层和第二层的边界处。最大主应力一般是围绕着断层带分布。华北地区2005-2006年主应变的一个突出特点是华北地区以主压应变为主,而主张应变居其次。2005-2006年研究区的应变能密度变化与以往相比较变化不大,说明地下应力集中所积蓄的能量较小。


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