基于GPS的环渤海区域地壳水平运动及形变模型研究

摘要

地壳运动及其形变的运动学及动力学研究一直是地球科学领域的热点和难点课题。近几十年来，以GPS为代表的高精度空间大地测量技术的崛起，开辟了研究地壳运动与板块构造变化的新途径，尤其是在地壳弹塑性形变研究方面取得较大进展，但对其数学物理机制的研究尚缺乏系统性，该领域的研究需进一步深入。本文针对地壳形变分析中传统地壳刚体旋转运动模型难以顾及板内形变的问题，根据地壳形变的物理机制，利用模型补偿思想，采用不同数学方法描述板内形变；针对现有弹性地壳运动形变分析模型对块体内部形变假设过强的问题，提出两种优化的弹性地壳形变分析模型。利用“中国大陆构造环境监测网络（CMONOC）”在环渤海地区的GPS观测速度场资料，研究了环渤海区域整体及各主要块体的地壳运动及形变规律，具体内容包括： 1、讨论了大地测量观测数据与地质、地球物理资料建立地壳运动及其形变分析模型的原理，分析了研究地壳形变的必要性和科学意义；梳理了空间大地测量资料在地壳运动及形变分析领域的主要研究成果和存在的主要问题。 2、阐述了大地测量及地质和地球物理两种技术手段进行地壳运动及形变建模分析的参考框架理论，并讨论分析了ITRF参考框架的建立和更新方法。 3、探讨了地壳弹性运动模型的提出依据及建模理论，建立了喜马拉雅块体和祁连山块体的整体旋转与均匀应变模型（REHSM）和整体旋转与线性应变（RELSM）两种弹性运动模型。研究结果显示，两种模型结果与实际运动的差异均较小，明显优于刚体地壳运动模型，且对块体形变分析结果与地质结论符合较好。 4、鉴于地壳整体旋转与均匀应变模型可以表达块体内部主要变形，本文提出利用“非参数”描述偏离整体旋转与均匀应变模型的不规则形变，从而建立地壳形变的半参数分析模型。对祁连山块体的GPS速度场数据及环渤海区域“陆态网”数据进行拟合分析，结果表明，新模型有效的改善了整体旋转与均匀应变模型。由于新模型并不假设块体内部形变是均匀变化的，也不是线性变化的，实际上是优化了两种弹性运动形变分析模型。 5、将块体内部偏离整体旋转与均匀应变的不规则形变看作是对整体旋转与均匀应变模型所确定的主体运动的干扰信号，建立了地壳形变分析的最小二乘配置模型，考虑到地壳形变均有明显的区域性和方向性差异特点，建模时采用分区分方向确定协方差函数相关参数。分析结果表明，最小二乘配置模型的分析结果优于块体的整体旋转与均匀应变模型，表明本文方法进一步精化了整体旋转与均匀应变模型。 6、针对GPS速度场数据可能包含粗差影响地壳形变分析结果的问题，提出一种利用小波变换剔除速度场噪声从而优化第5条中地壳形变分析的最小二乘配置模型。对中国大陆6个次级板块的速度场数据进行建模分析结果显示，采用小波变换对块体运动速率进行预处理，再进行相关参数的求解，得到的参数解更加符合实际，处理结果的精度要高于最小二乘配置方法。 7、建立了环渤海区域及邻区的小波辅助的最小二乘配置法优化的整体旋转与均匀应变模型，绘制了环渤海区域地壳形变、应变的空间分布图像；所得应变参数表明：环渤海区域整体上呈现0.24×10-9/a的NW-SE22.1°的双向趋势性扩张运动，主压应变轴方向基本为NEE-SWW，主张应变轴基本为NNW-SSE，且主压应变轴方向为NE47.70°～89.74°，这与地球物理方法得到该区的主压应变轴的优势方向是大体一致的，表明环渤海区域现今地壳运动是相对稳定的。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 地球物理学和地质学在现代地壳运动研究中发展现状

1.3.2 空间大地测量学在现代地壳运动研究中发展现状

1.4 环渤海区域地壳运动研究现状

1.5 本文主要研究内容

第二章 地壳运动参考框架

2.1 地质与地球物理参考框架

2.2 大地测量参考框架

2.2.1 国际地球参考系ITRS

2.2.2 国际地球参考框架ITRF

2.3 ITRF框架的建立

2.4 ITRF框架的维持

2.5 ITRF框架转换

2.6 本章小结

第三章 两种优化的地壳弹性运动模型

3.1 两种弹性运动模型

3.1.1 刚性运动模型

3.1.2 整体旋转与均匀应变模型

3.1.3 整体旋转与线性应变模型

3.1.4 算例分析

3.2半参数模型

3.2.1 半参数模型及补偿最小二乘估计

3.2.2 模型估计量的有偏性

3.2.3 模型估计量的均方误差和精度评价

3.2.4 选择正则矩阵

3.2.5 选择平滑因子

3.3 半参数模型精化的整体旋转与均匀应变模型

3.3.1 基于半参数模型改进的整体旋转与均匀应变模型

3.3.2 算例分析

3.4 最小二乘配置

3.4.1 最小二乘滤波与推估模型

3.4.2 最小二乘配置模型

3.4.3 选择协方差函数

3.5 最小二乘配置优化的整体旋转与均匀应变模型

3.5.1 基于最小二乘配置法优化的整体旋转与均匀应变模型

3.5.2 算例分析

3.6 本章小结

第四章 小波辅助的最小二乘配置法优化的REHSM模型

4.1 傅立叶变换到小波分析

4.1.1 傅立叶变换

4.1.2 短时傅立叶变换

4.1.3 小波分析

4.2 小波变换

4.2.1 连续小波变换

4.2.2 离散小波变换

4.2.3 小波函数及小波阈值去噪

4.3 数据预处理

4.3.1 基于小波变换的速度场数据去噪

4.3.2 速度场数据中心化

4.4 算例分析

4.5 本章小结

第五章 环渤海区域及邻区现今地壳构造运动形变特征分析

5.1 环渤海区域地质背景

5.1.1 环渤海区域构造特征

5.1.2 环渤海地区近年来地震分布

5.2 相对于不同背景场的水平运动

5.2.1 相对于ITRF2008框架的水平运动

5.2.2 相对于欧亚板块的水平运动

5.3 环渤海区域块体应变率分析

5.4 各次级块体间相对运动

5.5 环渤海区域及邻区的水平应变场

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要成果及结论

6.2 展望

参考文献

致谢

附录

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