高频GPS在强震面波震级反演中的应用研究

摘要

随着高频GPS接收机的出现，目前高频GPS被广泛用于地表瞬时形变位移的获取，成为地震仪的重要辅助工具。相对于地震仪，高频GPS用于地震学的应用研究具有其自己的特点和优势:可直接获取地表动态形变位移;地表形变位移越大，其测量精度越高;不存在振幅饱和现象，尤其当有强震发生时，可准确记录地表的形变特征。
　　目前，世界上大部分国家都已经建立了自己的高频GPS连续观测网，采样率高达50Hz，主要用于监测地壳形变和地震预警等科学研究。高频GPS单历元动态定位数据处理软件也已成熟，在地壳形变监测中可达毫米级的精度，由其解算所得位移时序与由强震仪所得位移时序具有很好的一致性，完全可作为强震仪空区的有效补充。
　　受历史原因和地震台网条件限制，目前我们国家仍主要采用面波震级作为表征地震强弱的量度。地震发生后，基于地震台网的速报系统能在数分钟内计算出震中位置和面波震级，但当有特大强震发生时，地震仪往往会因振幅饱和现象而低估地震的面波震级。此时，如果高频GPS台网能够为面波震级的快速反演提供数据信息，则有望在强震的速报和预警中实现地震震级等的准确评估，从而进一步降低灾难造成的损失，因此探索高频GPS在强震面波震级反演中的应用在我们国家是很有必要的。
　　鉴于高频GPS的巨大潜力和发展现状，本文首先利用RTKLIB软件对芦山地震20个高频GPS测站数据进行解算，得到震时近震区的地表形变过程，提取水平向位移峰值并拟合衰减规律，由Gutenberg经验震级公式反演面波震级，探讨基于我国四川地形条件的高频GPS快速反演面波震级的能力。其次，以El Mayor-Cucapah地震为例，联合由强震仪测定的加速度数据经积分获得的位移时序，由Gutenberg经验震级公式探讨高频GPS在其测站距离震中多远范围内可用于获取可靠的面波震级。结果如下:
　　1.芦山地震时，近震区20个测站均有不同程度的震动，震动位移量级均为厘米级，其水平向位移峰值与测站震中距呈指数关系衰减。由Gutenberg经验震级公式反演面波震级结果为6.78，所用最短时间为142秒，表明高频GPS技术用于强震面波震级的快速反演对于我国四川地形条件的适用性，可用于震后应急和减灾指导等。
　　2.高频GPS被用于由Gutenberg经验震级公式反演面波震级时应适当考虑GPS测站到震中的距离。对于2010年美国El Mayor-Cucapah7.2级地震，震中距在50-350km范围内的测站，其所得面波震级的平均值为7.21，震中距大于350km的测站，所得震级值基本在7.6-8.0范围内。建议利用高频GPS建立经验模型反演强震面波震级时，应适当考虑其适用范围。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．3 研究意义与主要内容

第2章 高频GPS定位的基本理论

2．1 GPS观测量及其线性组合

2．1．1 伪距观测量

2．1．2 载波相位观测量

2．1．3 观测量的线性组合

2．2 GPS动态定位

2．2．1 相对定位原理

2．2．2 观测方程模型

2．2．3 观测方程求解

2．3 GPS定位主要误差源

2．3．1 与卫星有关的误差

2．3．2 与传播路径有关的误差

2．3．3 与接收设备有关的误差

2．4 本章小结

第3章 高频GPS动态定位数据处理

3．1 RTKLIB软件简介

3．2 数据处理

3．3 结果与讨论

3．3．1 10Hz GPS测得的位移时序

3．3．2 与强震仪数据比较

3．4 本章小结

第4章 基于高频GPS的芦山地震面波震级反演

4．1 地表动态形变特征

4．2 水平位移峰值衰减特征

4．2．1 水平位移峰值获取

4．2．2 衰减关系曲线拟合

4．3 基于高频GPS的面波震级快速反演

4．3．1 震级反演

4．3．2 快速反演震级能力探讨

4．4 本章小结

第5章 高频GPS在面波震级反演中的适用范围探讨

5．1 与强震仪数据比较

5．1．1 近场位移时序

5．1．2 水平位移峰值衰减曲线

5．2 最优适用范围探讨

5．2．1 震级反演

5．2．2 最优范围探讨

5．2．3 原因分析

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研实践