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基于高精度时序GPS处理的区域速度场及地壳形变特征研究

高涵  
【摘要】:GPS技术,以其观测精度高、大尺度、全天候、准实时等优点愈来愈得到广大地学工作者的重视。特别是随着世界各国大量的GPS连续跟踪站的建立,以及数据处理精度的不断提高,GPS已被广泛应用于地球动力学、地震学、地球物理学和地质学等领域的研究。 经过多年的GPS连续观测,已积累了丰富的GPS观测数据,这为区域地壳形变分析提供了非常丰富的数据基础。通常,利用GPS连续观测资料提取地壳形变信息的最基本的方法是:通过对监测网络基准站长年连续观测得到的GPS数据进行精密处理和分析,获得基准站的坐标时间序列,进而获取研究区域高精度速度场,并以其作为检验基础或约束条件,通过对研究区域动力学模型的正、反演数值模拟或计算,可进一步分析其地壳位移、应力、应变场等动力学特征,探讨其构造运动的驱动力源和动力学演化模式。 因此,如何正确认知与分离GPS时间序列中各种信息(如趋势项、周期项、误差以及各种噪声等),提高模型参数的精度和可靠性,从而提高GPS时间序列的精度,进一步获取高精度的GPS速度场是认识和理解研究区域运动及变形的基础;而基于获取的GPS速度场选择适当的方法求取区域地壳应变特征参数也是合理解释区域地壳形变特征的关键。 鉴于以上思路,本文的研究内容主要分为两大部分:一是针对如何获取高精度的GPS速度场,讨论了高精度GPS数据处理模型与方法以及GPS坐标时间序列中非构造因素的影响。二是在获取得到高精度的GPS速度场的基础上,进一步对求取研究区域应变特征的方法进行了探讨。所做的主要研究工作和取得的主要成果如下: (1)首先讨论了GPS高精度数据处理的理论方法与策略,重点探讨了GPS时间序列中非构造因素影响的消除及分析方法,其中涉及数据插值、主成分分析(PCA)、频谱分析,以及基于地球物理的质量负荷改正等方法。 (2)以北美中南部区域站点2006~2011五年的观测资料为例,利用PCA有效地提取并剔除了研究区域GPS站点坐标时间序列的共模误差,改善了测站坐标的精度和可靠性,进而讨论了共模误差对板块速度场的影响,为利用GPS技术提取更准确地壳运动速度场进而获取微动态形变信息提供了重要保障。 (3)针对北美中南部区域GPS站点坐标时间序列,基于地球物理模型对质量负荷(大气、积雪、土壤水)进行了改正。实验结果表明,地球物理模型改正质量负载对于消除非构造形变的效果优于谐波拟合改正,有效改善了GPS定位的垂向精度。由对质量负载叠加序列的谱分析可以看到,地表质量负荷引起的测站位置变化高程(U)方向大于平面(N、E)方向,而负荷改正主要在对年周期项的影响上。 (4)针对国际研究热点地区—北美板块边界(PBO)区域进行了形变场获取与分析。在获取了该区域高精度GPS速度场的基础上,分别利用Delaunay三角形方法和球面小波方法求取研究区域的应变特征参数,并与国内外对该区域的研究成果进行对比分析,验证了球面小波方法的可靠性。因为,小波提供了一个多尺度的估计,其可根据站点的疏密程度,选取相应的框架函数来估计速度。因此,将其用于范围较大且站点分布不均匀区域的速度场估计中,可以更真实的反应不同地区的应变情况。 (5)针对中国地壳运动观测网络GPS站点最新数据(2011~2013)进行了精细数据处理,获取得到中国区域在ITRF框架下速度场,以及相对于欧亚板块的速度场,分析了现今中国地壳水平运动特征。结果表明,速度场整体是以南北构造带为界,西部大于东部,滇、缅、藏一带水平运动的方向、大小变化最为剧烈。此外,青藏地块东南部的水平速度场呈现绕阿萨姆角顺时针偏转的趋势。 (6)基于本文获取的中国地区的高精度地壳水平速度场,进一步利用球面小波法求取了中国区域的应变特征参数。从结果可以看到,由于球面小波方法能够适应测站点的疏密变化,多尺度估计速度场,除少量站点外,绝大多数站点的实测速度场与估计速度场的残差小于2mm/a,说明球面小波估计得到的速度场与实测的速度场有较好的一致性。从获取的中国区域地壳面膨胀率、应变率等应变特征参数可以看到,中国大陆中西部构造变形强烈,应变速率值高,以南北活动构造带为界以东的应变率在强度上远远弱于西部,西部高值区以青藏块体及其边缘、川滇地区和新疆西部最为显著。


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