邢乐林
2011年参加IUGG会议-重力与固体潮
2011-10-6 11:42
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标签:会议

(一) 连续形变观测

本次IUGG会议交流中,关于连续形变观测和研究的信息不多,但仍有一些研究者利用定点连续形变观测开展与地震有关的研究工作,分以下3个方面:

1)日本京都大学防灾研究所Yamazaki等应用洞体应变仪连续观测数据研究慢地震事件,观测到日本西南部Bungo海峡1990年代的板间无震滑移。利用位于Bungo海峡慢地震震源顶部的一个废弃隧道安装的一套伸缩仪,对连续观测应变数据的时间序列进行分析,直观地探测到在199019962003年存在着趋势性变化,并且认为应变观测结果的趋势变化与Bungo海峡的慢地震事件有关。对照20世纪90年代密集建立的GPS观测网的GPS数据研究表明,在日本西南部的Bungo海峡,在1996-19982002-2004两个时期有发生慢地震事件,而最大的一次事件自2010年初开始持续至20111月,表明这一区域慢地震事件的发生具有准周期性。这一区域慢地震事件的间隔周期基本为6-7。同时研究认为,仅仅采用应变观测对每个事件进行定量分析讨论还是比较困难的。地下隧道中的应变观测数据受到降雨和温度等气象因素的影响,目前还不能完全去除这些噪声影响。

2德国弗里德理席勒·耶拿大学地球科学研究所Schindler等从1964年开始一直进行地表应变观测仪器实验,先后进行石英管应变仪、激光应变仪和钻孔三分量应变仪的连续观测。目前还在研制新的激光应变仪,以减弱温度和气压变化对观测的影响,同时将与石英管仪器进行连接,使不同类型应变仪间的观测比较成为可能。Schindler等的应变观测实验地点在德国图林根州Moxa地球动力学天文台,石英管应变仪、激光应变仪和钻孔三分量应变仪均安装在地下廊道内,仪器的传感器分别为电容式、迈克尔逊干涉仪和电磁式。对观测数据研究表明,完全不同的传感器系统的应变仪器的组合观测在地球潮汐分析中具有一致的结果,同时还得到了观测环境如气压或地下水位变化引起的负荷影响和形变效应。

3)日本地理空间信息局T Nishimura等基于日本GPS台网观测数据,得2011年日本本州东海岸Mw9.0级地震的同震与震后形变及应变积累。2011年日本本州岛东部太平洋海域发生的强烈地震,日本GPS观测台网观测到地震造成日本岛的同震形变:最大的水平水平位移为5.3m,发生在日本东北部沿太平洋海岸的大鹿半岛,这是自1994年日本GPS台网运行以来监测到的最大同震形变。太平洋沿岸地区的下沉量达到1.2m。地震后两周内的震后形变超过30cm。采用GPS数据估计了同震及震后地震断层的滑动分布,结果表明本次地震沿着日本海沟破裂了约400km,最大位移达27m。尽管滑动分布区域与震前的闭锁区域(沿着海沟)大概吻合,但主要发生在闭锁区域的东部。震后滑移向同震区域的北部、南部及西部扩展,两周内释放的能量相当于8.2级地震。震后滑移向西扩展至俯冲板块100km的深度,向北及向南扩展至1994M7.6级地震破裂区域和板块边界的重叠区。

(二)流动重力观测

关于流动重力方面,主要应用高精度的绝对重力仪,进行地球物理变化较为显著区域的重力场变化监测,同时结果GPS以及其它观测方式进行合理解释,主要包含以下3个研究内容。

1)丹麦DTU空间研究院的Niesen等与美国OSU大学及卢森堡大学合作,在格陵兰岛组建了共有18个测站的GNETGreenland Network)测网,联合开展绝对重力和GPS测量,利用A10绝对重力仪重复测量周期为2-4年,自2007GPS永久跟踪站进行连续自动观测。由于绝对重力刚刚开始,对于测站的重力变化难以给出结论,有待项目的继续实施,但通过ICE-5G冰川均衡调整模型(GIA)计算的固体地球表面重力变化不超过1.5×10-8ms-2/yrKangia测站的GPS结果显示,垂直形变结果显示含有周期性变化的线性变化趋势,约17mm/yr。下一步,研究人员将确定格陵兰岛的冰川质量变化。

2)法国Gogister等基于南极多个绝对重力测站长达20年的观测值,通过GRACE卫星重力观测结果消除冰雪融化对长期重力变化的影响,获得各测站由于冰后回弹效应引起的重力变化。由于测站较少,RogisterHinderer向与会及全球研究者呼吁参与南极的绝对重力测量及数据共享。

3)中国科学院研究生院的孙文科,利用拉萨、大理和昆明3个测站的长期绝对重力和GPS连续观测站数据,基于均衡补偿理论,确定了青藏高原地壳增厚速率约为2.3cm/yr,如果考虑PGR效应,约为1.9cm/yr。青藏高原地球动力学研究一直是一个热点,也是一个难点。针对绝对重力长期变化,孙文科从多个角度探讨重力变化是否受其它因素影响,他根据拉萨测站不同高斯平滑半径下GRACE重力时间序列拟合值与绝对重力变化值比较发现,随着平滑半径的减少,GRACE变化率逐渐降低至地面绝对重力变化率。同时,他根据GRACE监测到的水储量变化检测冰雪融化引起的重力变化,结果表明贡献量可忽略不计,青藏高原的重力减少的主要贡献在于构造形变而非雪融化。

(三)卫星重力观测

在本次IUGG2011大会中,仅标题为GRACE的报告就有60篇。大会展示了当前最新卫星重力在各学科及各方向上的应用成果。当前GRACE卫星发射已经达9年,为地球学科的各领域的研究以今本成熟,本次大会GRACE卫星研究与之前有所不同,不再是单独利用卫星重力手段,而是结合观测技术开展相关应用研究。具体分如下几个方面:

1GRACE与冰雪圈质量变化研究。GRACE卫星区域重力场模型观测到冰冻圈的质量变化;GRACE GPS和极移看到的由北极震荡造成的异常降雪大地测量信号;GRACEICESAT数据得到的现今在南极洲的冰质量变化;GRACE卫星重力测量和ENVISAT雷达测高探测到一致的南极年际积累信号;GRACE/ GOCE及多任务测高数据获取的南半球的动态海洋地形;GRACEICESat数据研究南极冰盖的质量变化和高度变化。

2GRACE应用于水质量变化特征及过程研究。 基于GRACE和水文地质评估澳大利亚西部地下水资源; 通过遥感、卫星重力测量和水文模型分析区域土壤湿度差异; 用多卫星观测和水文模型监测地表水和地下水变化;GRACE得到的流域尺度的全球陆地水存储数据库; 用多卫星观测和水文模型监测地表水和地下水变化; 一个地区的水资源综合预算监测全球气候变化检测网络。利用从卫星测高、GRACE、实地测量及海洋通用循环模型估计深海变暖。

3)地面重力观测与卫星重力结合研究。基于GRACE和绝对重力测量数据的的联合陆地隆起模型;利用GRACE和地面重力测量研究长期重力变化。

4GRACE与巨大地震及其他灾害研究。 利用GRACE卫星重力探测强震相关重力变化;从GRACE检测2004年苏门答腊-安达曼地震中远场同震重力变化;GRACE约束的2010M8.8级智利大地震同震滑移;GRACE探测到的震后重力变化推断苏门答腊地下粘性岩石圈结构; 多传感器及实地测量在亚马逊局域的极端水文状况;星载重力仪测量同震地震形变模型;卫星大地测量技术观测2011 Mw 9.0 Sendai-Oki 地震同震形变及海啸。

5GRACE与多种数据(包括GPS, 卫星激光测距SLR,卫星测高,地面水文,地面重力,地球物理模型等数据)联合开展地球物理问题的研究将成为日后GRACE卫星研究的趋势及发展方向。

(四)连续重力观测

关于连续重力观测研究方面,各国研究学者主要利用超导重力仪检测微重力变化,与绝对重力、卫星重力等观测资料之间进行结果比对,利用长期重力变化结果,研究地球动力学现象,主要包括以下几个具体研究内容:

1)台湾T.Lien利用地面和空间重力观测分析了台湾新竹超导台站的水文变化造成的重力变化。原始的超导重力数据经过固体潮、海潮、非潮汐负荷、大气负荷和极移改正后获得重力残差信号,然后和本地水文重力模型、全球水文预测模型以及GRACE观测进行对比。在和本地水文重力模型进行对比时,台站降雨、土壤湿度和地下水被用来估计含水率和重力变化。去除本地水文因素影响前后重力残差的标准偏差在3.305.13微伽之间。超导重力残差和本地水文模型的均方差为4.20微伽。超导重力残差和总的水文影响的均方差为4.18微伽。当利用GLDAS预测模型代替GRACE观测数据后均方差可降低到4.05微伽。最后得到如下结论:1)基于台站土壤湿度数据,渗透在本地水文重力影响中占主导地位;2GLDAS在估计全球水文因素对台站的重力影响方面好于GRACE观测数据。

2)地球重力场的时间变化包含了大量物质迁移信息,特别是大陆水储量的变化。为了提供优化的数据基准来评估物质迁移模型,需要一定空间和时间尺度的覆盖范围。这可以利用超导重力观测来扩展卫星观测,超导重力仪的长期可信度可通过定期的绝对重力观测来实现。因此必须了解观测台站是否属于地下台或者存在本地水文因素的影响,并在进行有意义的比较前去除这些因素的影响。德国T. Jahr等利用欧洲中部的观测数据进行了对比,得出超导重力观测和卫星观测以及从本地水文模型得到的重力变化具有很好的一致性。但在南非情况却并非如此,在观测值和模型重力变化之间存在较小的水文变化偏差。一项欧洲中部的模型研究表明,当区域外的因素对所有台站产生可比较的重力影响,欧洲中部的江河流域对台站的影响可以清晰的辨别。通过超导重力观测到的水文变化和模型之间的对比允许我们精确的对模型进行调整。部署高分辨率,特别是秒采样、精度优于1nm/S2的超导重力仪可用来研究特定的水文环境,例如和滑坡、渗透相关联的水文变化。

31993年具备10K冷却系统的SG TT-70#16超导重力仪在日本国家极地研究所Syowa台站开始工作。作为南极地区唯一的一台超导重力仪,其观测数据被用来进行各项科学研究。2003年该台仪器被具备4K冷却系统的SG CT#043替换,由于其较大的漂移和冷却系统噪声以及生产厂家的破产,在20091120101月间SG CT#043被更新为一台新的SG OSG#058,在此期间利用绝对重力仪对SG OSG#058进行了标定。仪器更新后,每天的观测数据利用INTELSAT连接,通过FTP协议进行下载。一年的重力残差在去除从M3SSA的潮汐影响、极移影响、年变化及线性趋势后,清楚表明SG OSG#058超导重力仪具有很高的观测数据质量,没有明显的仪器漂移,同时具有较低的仪器噪声。这使得精确地观测从地震到长周期潮汐频带成为可能,作者期望通过数年的连续观测获得长周期动力学现象的地球响应。

4)法国斯特拉斯堡大学的M. Calvo对位于斯特拉斯堡的J9重力观测站的三台重力仪1973年至2011年的观测数据利用ETERNA软件进行了潮汐分析(其中LaCoste-Romberg弹簧重力仪的观测数据从1973年到1985年,GWR 超导重力仪TT70-T005的观测数据从1987年到1996年,GWR超导重力仪C026的观测数据从1996年至今)。作者针对不同的仪器对潮汐组成波的振幅和相位进行了比较,给出了从老型号仪器到新仪器噪声水平的改进,并利用理论模型检查了每种仪器的稳定性。得出超导重力仪的稳定性依赖于通过定期绝对重力观测获得的格值因子的精度。作者最后试图对整个37年的观测数据进行统一的潮汐分析以得到最精确的潮汐测定。通过这些分析可以探明置围绕液核回荡的周日波的稳定性以进一步检测自由核章动的周期特征。

5)美国圣路易斯大学地球和大气科学系D.Crossley介绍了GGP(全球地球动力学计划)网络超导重力仪观测的结果。目前GGP包括分布全球的30个台站,采用了高采样率(1S)和高精度(1nGal)的超导重力仪。分布密度最大的为欧洲,从西班牙中部到挪威的Svalbard共有12个台站,其中5个台站为最近两年所建。亚洲大陆的台站继续增长,特别是中国和印度。同时在美国有多个台站正在观测运行。GGP计划主要关注水文变化(土壤湿度和地下水位)和重力变化。这些研究对于建立季节性重力变化和降雨的关系,以及预测很少进行绝对重力观测的台站受季节变化的影响非常重要。欧洲的两个团队正在进行欧洲地面超导重力观测和GRACE卫星观测数据的对比研究。这种对比通过主成分(EOF)分解去除数据集中的共有模式来验证区域水文模型。在多个测量和天文台站SG超导重力仪被用来改进潮汐模型以用于精密的形变研究,同时监测由于本地和全球水文变化造成的垂直形变。GGP台站的原始秒数据被发往IRIS用于地震学的研究,同时中国和印度的团队期望用超导数据来发现地震前兆。

6)法国斯特拉斯堡大学的S. Rosat利用计算平静时期的残差功率谱对超导重力台站的噪声水平进行了研究,得到了仪器和台站在亚地震频段的组合噪声。这对于测定全球地球台数具有重要意义,可以利用叠积的方法寻找难以捕捉的信号,如Slichter模式。由于其稳定性和低噪声,超导重力仪成为寻找微弱信号最适合的仪器。这些信号nGal水平的微弱信号只能在哪些噪声水平最小的台站被检测到。

7J.Hindder20107月安装于西非半湿润气候的贝宁Djougou台站的OSG-60超导重力仪进行了介绍,该台站属于AMMA-CATCH环境观测研究计划。因此便于获得多年的气象和水文记录,如降雨、土壤水份蒸发、土壤湿度和地下水位等。作者利用FG5绝对重力仪对仪器进行了标定,同时得到仪器的漂移。利用前6个月的观测数据进行了潮汐分析,得到了仪器从地震到潮汐不同频段的噪声水平,并和其它GGP台站结果进行了对比。同时检测了仪器对气压变化及海潮负荷的响应。这些超导重力连续观测数据可以作为2008年开始的GHYRAF(非洲重力和水文)计划FG5绝对重力观测的补充。

8)武汉大学申文斌教授利用台湾新竹的超导重力仪和分布于全球的10多台宽频带地震仪的1HZ观测数据检测了从200811日到2010630日间大约30个大地震(震级大于6.9)震前的异常信号。作者计算了震前平静期和可能异常期的功率密度谱,并对其进行了比较,以期发现大地震发生前是否存在异常信号。另外,作者利用希尔伯特-黄变化(HHT)技术对超导重力仪和宽频带地震仪数据建立时间-频率-能量图,结果表明超过一半的检测地震前存在异常信号,这些信号和震级、震源深度、断层走向和台站距震中距离有关,这些还有待进一步研究。

通过参加本次IUGG大会,通过与参会人员之间的深入交流、资料的搜集以及报告的听取,全体参会人员及时掌握了自己所在研究方向的国内外研究进展。与地震研究相关连续形变观测提示我们,应用连续形变观测的重点在于消除降雨、温度和气压等因素的影响,长期观测能够对区域慢地震事件进行周期性预测,随着GPS连续观测站的空间分辨率的增多,利用观测数据提取同震形变信息成为了数据处理的重点,采用GPS数据反演同震及震后地震断层的滑动分布及其解释成为了前沿方向。利用高精度重复绝对重力和GPS观测研究,研究格陵兰岛冰川均衡调整、青藏高原地壳增厚等地球动力学现象表明,绝对重力观测是目前研究高程方向变化最为精准的观测手段,其精度能够达到1-2×10-8ms-2,而超导重力仪观测数据的研究主要用于研究水文、地球自转效应、液核章动等,尤其重要的是应用于地震前兆信息的提取,研究人员成功提取了异常信号与震级、震源深度、断层走向和台站震中距离等相关信息,为利用定点重力观测提取震前扰动信息提供了崭新的研究方向。卫星重力研究进展表明,与地球动力学研究相关的观测手段多样化,以往单独利用卫星重力手段以成为过去,目前是结合多种观测技术开展相关方向的研究,比如利用卫星重力与绝对重力、超导重力、GPS等的综合观测研究,有效提取研究台站及其研究区域的地壳垂直形变、重力变化等构造动力学信息。

(五)中国地震局地震研究所学术交流

在本次大会上,中国地震局地震研究所研究人员通过Poster或口头报告的形式进行了学术交流,主要包括以下内容:

李辉对中国重力潮汐因子的空间分布特征进行了研究。经过中国数字地震观测网络和中国大陆构造环境监测网络项目的建设,已初步形成了集数据采集、数据自动传输、数据的数据库存储及数据分析处理为一体的连续重力观测台网,目前观测仪器共计69台。在对所有仪器进行统一标定后,经过调和分析得到了每个台站的潮汐参数,对M2波潮汐因子进行网络化后得到了中国M2波重力潮汐因子的空间分布图,结果表明,沿海台站受海潮影响较大,因此需要下一步工作中利用有效的海潮模型予以去除。同时分布图也反应了一些板块构造现象,为了有效的反应更多地球物理学现象,必须增加更多仪器,保证观测台站的密度。

刘子维对中国gPhone重力仪数据的处理及应用进展进行了介绍。简要介绍了利用FG5绝对重力仪标定SG-C053超导重力仪的过程及结果。接下来利用SG-C053超导重力对陆态网络项目所引进的30gPhone重力仪进行了格值测定,并给出了其中28台仪器格值改正后的调和分析结果。结果表明经过格值改正后的观测数据重力残差的周日波、半日波和三分之一日波的信号相比改正前有明显的减少。同时结果表明重力仪在不同的地点,格值会发生变化。最后给出了gPhone重力仪数据在地震研究中的应用,特别是在日本Mw9.0级地震发生前多台仪器出现了明显的震前高频扰动。

邢乐林利用GRACE和地面重力测量获得了中国大陆重力场的长期年变率,同时,在2个重力基准站上对GRACE和用GPS结果消除垂直形变影响的绝对重力变化时序进行了比较和分析。利用位错理论根据USGS发布的断层模型计算了2008年汶川Ms8.0级地震的同震重力变化并进行了300km空间滤波平滑。对GRACE、地面和模型结果进行了初步的比较、分析和讨论。结果表明,GRACE能够有效地探测诸如陆地水储量、极地和山地冰川消融等引起的长期重力变化及其特征。在同一重力基准站上,GRACE重力变化率与绝对重力变化率较为一致,GRACE和地面重力变化结果均说明华北地区地下水流失、地面沉降严重,汶川区域的地面重力变化结果可视为地震前兆信息。

邹正波利用多年GRACE卫星重力资料,通过相应的数据处理,获取近9年的卫星重力变化,进而研究巨大地震发生与重力变化之间的关系。给出利用2004年苏门答腊-安达曼地震卫星重力及地震模型解算获取的结果,两者具有较好的吻合度。日本大地震震前震源区周缘重力变化结果表明:日本大地震前若干年内在震源区周边出现了比较明显的卫星重力异常正负交替和迁移现象,至震前12年,震区周边形成了明显正负异常区,正重力异常区重力增加现象明显;点位重力时间序列分布指出了日本MW9.0级地震前存在与1976年唐山地震类似的重力变化现象。且利用中国地面重力观测网络获取的结果,在辽东半岛区域,地面重力与卫星重力2010年出现同样的大的正重力异常变化,结果反映了日本大地震震前震源区周边地下物质运动和能量积累过程。

吴云龙在IAG负责的专题分会作了题为“Estimations and corrections for temporal gravity variations on GOCE satellite gradiometry data”的大会口头报告。该研究工作对GOCE卫星观测数据中的时变重力场效应进行了计算分析,采用潮汐模型、JPL星历、地球自转参数、大气模型和GRACE月重力场模型等对时变重力场效应中的潮汐效应和非潮汐效应进行了定量计算分析,研究结果表明:潮汐的总体效应对GOCE观测数据的影响略低于GOCE设计精度指标,非潮汐效应的影响比GOCE设计精度指标低2个数量级,但考虑到GOCE卫星任务的时空跨度,在数据处理中也需要对非潮汐效应做改正。吴云龙还在大会展示了题为“External calibration of GOCE data using regional terrestrial gravity data”的海报,该工作研究分析了GOCE卫星观测数据预处理流程中的外部校准,采用了加拿大、澳大利亚和挪威三块区域的地面重力数据用于计算以比较不同地势区域用于外部校准的效果,研究结果表明:地势平坦数据分布均匀密集的加拿大区域校准效果最佳,能达到10-4的量级;地势平坦数据分布稀疏的澳大利亚区域校准效果次之;地势起伏较大的挪威区域校准效果最差,比加拿大区域低2个量级。在未来选择地面区域校准GOCE卫星观测数据应大于10°×10°范围,地势平坦,数据密集分布均匀。

通过参加此次IUGG大会,我所研究人员有机会直接地倾听国际前沿的科学成果并与众多国外科学家进行交流,会议期间还展示了重力与固体潮方面的(含连续形变)最新研究成果,包括中国大陆潮汐因子分布、地面和卫星重力长期观测结果分析、卫星重力在强地震监测中的应用、GOCE卫星重力与地面重力结果的匹配、超导重力仪的数据分析和连续形变在地震预测中的初探,同时中青年学者的报告也得到了国内外同行的充分肯定,将极大地鼓励青年学者在重力研究领域内的激情,促进重力学研究在中国的发展。

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