基于高精度時(shí)序GPS處理的區(qū)域速度場(chǎng)及地殼形變特征研究.pdf

1、GPS技術(shù),以其觀測(cè)精度高、大尺度、全天候、準(zhǔn)實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)愈來(lái)愈得到廣大地學(xué)工作者的重視。特別是隨著世界各國(guó)大量的 GPS連續(xù)跟蹤站的建立,以及數(shù)據(jù)處理精度的不斷提高,GPS已被廣泛應(yīng)用于地球動(dòng)力學(xué)、地震學(xué)、地球物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域的研究。
　　經(jīng)過(guò)多年的GPS連續(xù)觀測(cè),已積累了豐富的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),這為區(qū)域地殼形變分析提供了非常豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通常,利用 GPS連續(xù)觀測(cè)資料提取地殼形變信息的最基本的方法是:通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站長(zhǎng)年

2、連續(xù)觀測(cè)得到的 GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行精密處理和分析,獲得基準(zhǔn)站的坐標(biāo)時(shí)間序列,進(jìn)而獲取研究區(qū)域高精度速度場(chǎng),并以其作為檢驗(yàn)基礎(chǔ)或約束條件,通過(guò)對(duì)研究區(qū)域動(dòng)力學(xué)模型的正、反演數(shù)值模擬或計(jì)算,可進(jìn)一步分析其地殼位移、應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)等動(dòng)力學(xué)特征,探討其構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力源和動(dòng)力學(xué)演化模式。
　　因此,如何正確認(rèn)知與分離 GPS時(shí)間序列中各種信息(如趨勢(shì)項(xiàng)、周期項(xiàng)、誤差以及各種噪聲等),提高模型參數(shù)的精度和可靠性,從而提高 GPS時(shí)間序列的精度,進(jìn)

3、一步獲取高精度的 GPS速度場(chǎng)是認(rèn)識(shí)和理解研究區(qū)域運(yùn)動(dòng)及變形的基礎(chǔ);而基于獲取的 GPS速度場(chǎng)選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄇ笕^(qū)域地殼應(yīng)變特征參數(shù)也是合理解釋區(qū)域地殼形變特征的關(guān)鍵。
　　鑒于以上思路,本文的研究?jī)?nèi)容主要分為兩大部分:一是針對(duì)如何獲取高精度的GPS速度場(chǎng),討論了高精度GPS數(shù)據(jù)處理模型與方法以及GPS坐標(biāo)時(shí)間序列中非構(gòu)造因素的影響。二是在獲取得到高精度的 GPS速度場(chǎng)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)求取研究區(qū)域應(yīng)變特征的方法進(jìn)行了探討。所做的

4、主要研究工作和取得的主要成果如下:
　　(1)首先討論了GPS高精度數(shù)據(jù)處理的理論方法與策略,重點(diǎn)探討了GPS時(shí)間序列中非構(gòu)造因素影響的消除及分析方法,其中涉及數(shù)據(jù)插值、主成分分析(PCA)、頻譜分析,以及基于地球物理的質(zhì)量負(fù)荷改正等方法。
　　(2)以北美中南部區(qū)域站點(diǎn)2006~2011五年的觀測(cè)資料為例,利用PCA有效地提取并剔除了研究區(qū)域 GPS站點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)間序列的共模誤差,改善了測(cè)站坐標(biāo)的精度和可靠性,進(jìn)而討論了共模誤

5、差對(duì)板塊速度場(chǎng)的影響,為利用 GPS技術(shù)提取更準(zhǔn)確地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)進(jìn)而獲取微動(dòng)態(tài)形變信息提供了重要保障。
　　(3)針對(duì)北美中南部區(qū)域GPS站點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)間序列,基于地球物理模型對(duì)質(zhì)量負(fù)荷(大氣、積雪、土壤水)進(jìn)行了改正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,地球物理模型改正質(zhì)量負(fù)載對(duì)于消除非構(gòu)造形變的效果優(yōu)于諧波擬合改正,有效改善了 GPS定位的垂向精度。由對(duì)質(zhì)量負(fù)載疊加序列的譜分析可以看到,地表質(zhì)量負(fù)荷引起的測(cè)站位置變化高程(U)方向大于平面(N、E)方向

6、,而負(fù)荷改正主要在對(duì)年周期項(xiàng)的影響上。
　　(4)針對(duì)國(guó)際研究熱點(diǎn)地區(qū)—北美板塊邊界(PBO)區(qū)域進(jìn)行了形變場(chǎng)獲取與分析。在獲取了該區(qū)域高精度GPS速度場(chǎng)的基礎(chǔ)上,分別利用Delaunay三角形方法和球面小波方法求取研究區(qū)域的應(yīng)變特征參數(shù),并與國(guó)內(nèi)外對(duì)該區(qū)域的研究成果進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了球面小波方法的可靠性。因?yàn)?小波提供了一個(gè)多尺度的估計(jì),其可根據(jù)站點(diǎn)的疏密程度,選取相應(yīng)的框架函數(shù)來(lái)估計(jì)速度。因此,將其用于范圍較大且站點(diǎn)分布不均

7、勻區(qū)域的速度場(chǎng)估計(jì)中,可以更真實(shí)的反應(yīng)不同地區(qū)的應(yīng)變情況。
　　(5)針對(duì)中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò) GPS站點(diǎn)最新數(shù)據(jù)(2011~2013)進(jìn)行了精細(xì)數(shù)據(jù)處理,獲取得到中國(guó)區(qū)域在ITRF框架下速度場(chǎng),以及相對(duì)于歐亞板塊的速度場(chǎng),分析了現(xiàn)今中國(guó)地殼水平運(yùn)動(dòng)特征。結(jié)果表明,速度場(chǎng)整體是以南北構(gòu)造帶為界,西部大于東部,滇、緬、藏一帶水平運(yùn)動(dòng)的方向、大小變化最為劇烈。此外,青藏地塊東南部的水平速度場(chǎng)呈現(xiàn)繞阿薩姆角順時(shí)針偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。
　　

8、(6)基于本文獲取的中國(guó)地區(qū)的高精度地殼水平速度場(chǎng),進(jìn)一步利用球面小波法求取了中國(guó)區(qū)域的應(yīng)變特征參數(shù)。從結(jié)果可以看到,由于球面小波方法能夠適應(yīng)測(cè)站點(diǎn)的疏密變化,多尺度估計(jì)速度場(chǎng),除少量站點(diǎn)外,絕大多數(shù)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)速度場(chǎng)與估計(jì)速度場(chǎng)的殘差小于2mm/a,說(shuō)明球面小波估計(jì)得到的速度場(chǎng)與實(shí)測(cè)的速度場(chǎng)有較好的一致性。從獲取的中國(guó)區(qū)域地殼面膨脹率、應(yīng)變率等應(yīng)變特征參數(shù)可以看到,中國(guó)大陸中西部構(gòu)造變形強(qiáng)烈,應(yīng)變速率值高,以南北活動(dòng)構(gòu)造帶為界以東的應(yīng)變