我国动力大地测量学的进展
wnb
wnb Lv.11
2005年12月29日 15:12:36
只看楼主

动力大地测量学是由大地测量学、地球物理学和天体测量学 交叉派生出来的边缘学科,它的研究内容和目的是:利用近代空间大地测量和地球物理观测新技术,精确测定地球 表面点的几何位置、地球重力场元素、地球自转轴在空间的位置和方向以及上述参数随时间 的变化。并从动力学的观点研究地球动态变化的物理机制,进而为环境变迁和海平面变化的 研究、地震火山等自然灾害的孕育预测、空间飞行器精密定轨和制导,以及地下资源的勘 探等提供服务。这些问题都是近年来国际同行的热门话题。现就我国在动力大地测量学研究 方面的进展情况作一论述。

动力大地测量学是由大地测量学、地球物理学和天体测量学 交叉派生出来的边缘学科,它的研究内容和目的是:利用近代空间大地测量和地球物理观测新技术,精确测定地球 表面点的几何位置、地球重力场元素、地球自转轴在空间的位置和方向以及上述参数随时间 的变化。并从动力学的观点研究地球动态变化的物理机制,进而为环境变迁和海平面变化的 研究、地震火山等自然灾害的孕育预测、空间飞行器精密定轨和制导,以及地下资源的勘 探等提供服务。这些问题都是近年来国际同行的热门话题。现就我国在动力大地测量学研究 方面的进展情况作一论述。

1 固体潮汐和非潮汐重力

我国最早的固体潮重力观测是1959年由中国科学院测量与地球物理研究所与前苏联地球物理 研究所合作在兰州开展的。后来被迫中断了十几年。

1.1 固体潮汐观测

20世纪70年代末,我国与比利时皇家天文台合作,建立了中国的高精度重力潮汐剖面。从20世纪80年代起,先后用拉柯斯特G型及ET型仪器完成了我国沿海及沿30°纬线的两条重力潮汐剖面,同时在全国范围内建立了固体潮汐形变监测系统。共有56个台综合或分别使用倾斜、 重力、体应变、钻孔应变四种观测仪器。1986年起还与德国、英国等科学家合作,在武昌台进行了重力潮汐对比观测,观测结果表明,原国际布鲁塞尔潮汐基准的振幅值偏大。武昌台有不同类型的13台仪器进行观测,已被国际固体潮研究中心(ICET)作为中国境内 的重力潮汐基准台。

1.2 潮汐位调和展开及固体潮理论模型

20世纪80年代,郗钦文在原有固体潮汐调和展开的基础上,按解析方法做了进一步扩展,选用新的天文历表,发展计算机演绎方法,展开的潮波数达到3 000多项 ,其精度达到6×10-11ms-2。郗钦文的展开系数先后为比、德、法等许多国家使用。

潮汐模拟理论研究方面,国际上近10年中在这方面处于领先地位的主要有:比利时皇家天文台的Dehant、德国地球科学研究中心的汪荣江和中国科学院测地所的李国营以及美 国MIT Mathieuss等几个研究小组。李国营的思路是利用“小参数扰动”展 开的方法解算地球潮汐模型参数,该方法考虑了地球的自转、椭率、滞率、滞弹和侧向非均 匀问题,目前又深入开展研究了地幔介质各向异性的影响,国际地潮模型专题组的同行认为 该方法在解决地幔侧向不均匀性的影响方面有其独特的优点。
1.3 数据处理及方法

徐建桥等提出了以潮汐残差信号做预处理的方案。对消除大地震扰动、尖峰、 仪器的突然掉格和台站的特殊噪音等取得了好的效果。

孙和平等对我国最新引进的ETERNA调和分析软件的计算方法和重要的核心部分 进行消化和吸收,并成功地应用到武昌基准台超导重力仪观测资料的分析处理中。

柳林涛提出了用“频域加权最小二乘法”代替传统的“时域最小二乘法”、用 “连续小波滤波器”代替传统的“离散滤波器”进行重力潮汐调和分析。不仅能够直接应用 于任意采样间隔的原始数据的分析中去,而且可以充分提取周日以下潮波类的信息。

免费打赏
wnb
2005年12月29日 15:13:16
2楼
许厚泽等发展了褶积与球谐展开相结合的负荷改正解算方法,简化了计算又保持了精度;系统地分析了不同的地球模型及当前使用的海潮图对海洋负荷改正的影响; 孙和平详细研究了一套既考虑到大气质量的直接引力作用又顾及其间接作用的 实际计算方,并成功地用于布鲁塞尔、斯特拉斯堡及武汉等超导重力仪的资料分析中,结果表明,经过气压改正,可大大降低观测的残差值。

1.4 固体潮资料的分析与应用

20世纪90年代,徐建桥等用我国和国际超导重力仪观测资料,获得了近周日自 由摆动本征周期和共振强度。

用Fourier变换计算重力变化的振幅谱,测定了在Chandler周期附近的重力变化。吴斌等利用SLR资料确定的地球重力场一阶项变化,研究了地心变化和日月潮引 起的地球自转速率的长周期变化;并结合卫星跟踪数据解算的总潮汐和 卫星测高反演的海潮参数,分离出固体潮部分,测定了固体地球的勒夫数和相位滞后值。

顾功叙等对北京白家疃台站长达15年的重力潮汐观测进行了系统分析研究;骆 鸣津等研究并证明了起潮力与地球内部物质运动的关系问题;刘序俨等研究了倾斜和应变固体潮区域分布特征及其动力学意义问题,并对应变固体潮观测资 料作出分析;李辉、骆鸣津等继续用应变固体潮观测检测地球液核动力学效应 ;吕纯操、郝兴华等分析了南极中山站地球潮汐观测数据,获得了该地区地球潮汐参数。

此外,还应指出的是,1984年出版了方俊院士的专著《固体潮》一书,这对提 高我国固体潮的研究水平起了重要作用。

1.5 非潮汐重力变化的观测与研究

1966年3月河北邢台7.2级地震后,我国开始利用重复相对重力测量方法作地震预报的尝试。 1982年我国开始引进LCR重力仪,大大提高了重力观测精度。

1996年引进了高精度绝对重力仪FG5/112,并用FG5仪器测得丽江1996年2月3日 7.0级地震 后的绝对重力值。连同1990~1995年中德合作在滇西进行三次绝对重力测量。获得了国内首 次用高精度绝对重力仪测得的大地震前后的重力场变化信息。另外还用FG5/11 2取得了我国中部和西南地区高精度绝对重力测量的重要结果。

另一方面,许厚泽等开展了中国地区非潮汐重力变化与构造运动关系的研究。 利用成都—拉萨10多年重力复测资料,初步得到青藏隆升导致的重力减小速率,并与利用水准、地质等其他不同方法估算的结果大致一致。

回复
wnb
2005年12月29日 15:13:56
3楼
王勇、陈运泰、高锡铭等对成层自重弹性—粘弹 性半空间表面荷载源、膨胀源、位错源等理论模型引起的地表形变和重力场变化进行了研究 ;陈益惠、张赤军、刘克人、贾民育 、李瑞浩等对我国主要地壳运动活动区(如京津唐和滇西)的重力变化与地震 的关系进行了研究。

2 地极移动和自转速率的变化

在SLR的处理中采用了复弧法进行归算,并引入了全球板块运动的影响,提高了ERP的解算精 度。处理了我国及全球的SLR和VLBI资料,为BIH和IERS提供了地球自转参数服务。其中,VLBI方面根据IERS的分析,极移精度达0.1 mas,日长达0.01 ms/d,世界时达0.01 ms 。

在UTI短周期变化的测量方面,上海天文台实施中国—西德VLBI为期3年(1989~1991)的 测地合作计划。UTI的测定结果与国际射电干涉网(IRIS)的加强观测结果基本相符,其平 均测定的形式误差约为0.1 ms。
中国学者采用傅里叶变换反卷积方法研究了极移运动,发现张德勒(Chandler)摆动的周期是 稳定的,但振幅是变化的,张德勒摆动的Q值为60左右;周年极移的振幅及周期 都是变化的,周年极移的谱峰很宽。中国学者还对大气与地球自转中的近50天周期振荡的关 系进行了研究,发现地球南北回归线一带的环流变化对地球自转变化有较大的影响。证明了 中国及中亚地区的气候季节变化对极移有很大影响。此外,中国学者还发现,由于参考极改 变及自转形变引起地球引力场参数C21、S21有数量级为109的变化,地球质 心有0.5 mm量级的变化。上海天文台根据1983年以来全球SLR、 VLBI、GPS观测资料,建立了CTRF系列SSC(协议参考 框架)。

3 大地水准面和海平面变化

夏哲仁对动态大地测量边值问题——重力和高程的时间变化的确定进行了系统详尽的研究,对地壳垂直运动和地球重力场的时间变化作联合处理,并给出了动态大地测 量边值问题的椭球解,估计出大地水准面时间变化的椭球改正可达到0.35 mm的极限; 计算结果表明,在京、津、唐地区,从1980年11月至1983年11月的3年时间内,大地水准面 或高程异常的时间变化在-2~-5 mm之间。20世纪90年代在滇西和华北地震区也进行了大地 水准面时间变化的数字实现;在滇西还进行了利用重复重力和重复水准的资料推算地球内 部密度随时间变化的尝试。

海平面变化是全球变化的重要监测内容之一。我国拥有近300万km2的领海 。中国沿海布设有40多个验潮站和50多个水文观测站,且已有30多年连续观测资料。近年来利用验潮资料、水文资料和精密水准测量结果研究中国海平面变化的初步结果表明中国海平面总体呈上升趋势,年平均上升约1.4 mm,上海、天津分别为1.8 mm/a和0.9 mm/a;海平面地形从北向南随纬度减小而增高,南北最大差66cm,即平均海平 面向南倾斜;黄渤海区海面地形较为一致,变化平缓;华南沿海海面地形较一致;东海海区 海面地形变化较大。

回复
wnb
2005年12月29日 15:14:24
4楼
王海瑛等联合处理了T/P及ERS—1卫星测高数据,得到如下初步结论:我国东 海上升1.0 mm/a,黄海上升2.2 mm/a,南海下沉4.0 mm/a。即我国的海域各处海平面的升降 是不规则的。

近年来,我国学者李国营地球对几种不同特征驱动力的响应〔博士论文〕武汉:中国科学院测量 与地球物理研究所,1988在前人工作的基础上对冰后回升问题进行了有益的研究 。汪汉胜对南极地区冰川消融的计算结果表明:各个洋区的海平面均有不同程度的上升,其 极值分别出现在赤道和北极附近,基以每50年南极冰盖消融最大极值达31 cm;靠近各大陆 上升幅度 相对较小,特别是接近南极大陆,海平面上升数值减少更加明显,在南极沿岸,海平面上升 小于5 cm。对冰融对大地水准面的影响也进行了计算,发现在南极冰原区大地水准面降低, 最大降低量为26 cm,由南极大陆向北大地水准面逐渐上升,到北极上升达到最大值。

4 板块运动和地壳形变

1988~1992年间用VLBI技术测定出中国上海—日本鹿岛站以及中国—澳大利亚间两条基 线明显地分别以27.3±1.3 mm/a和59.2±4.3 mm/a的速率缩短 。表明太平洋板 块与菲律宾板块与欧亚板块之间存在着挤压。孙付平 等分析研究了位于北 美、南美、太平洋、印澳和欧亚板块上主要SLR站间30多条基线的变化率,并将上海天文台 研究的实测板块运动模型SPMM与NUVEL—1作了比较,指出两者大部分符合。吴斌等 根据1984~1992年全球15个站的SLR资料及IGG模型软件求得了各站的水平与垂直运动 的结果。经归算后求得上海SLR站与澳大利亚SLR站间的基线变率-6.7±0.6 cm/a,上海站至 夏威夷SLR站的基线变率为-9.8±0.6 cm/a,为板块运动提供了最新的观测数据,孙付平等 和朱文耀等 根据SLR基线结果都指出:位于欧亚东部的上海站正 以10~20 mm/a速率向东偏南方向运动。

上述结果还表明,在同一板块内也存在着相对地壳运动,但量级明显小于板块间的运动 ,如太平洋板块区的7110站对7210站有2.0 cm/a位移速率,印澳板块内的7843站对7090站有 1.1 cm/a的位移速率。吴斌等还指出可利用SLR资料建立全球高程基准以监 测海平面的变化。

中国的地壳形变测量工作与地震预报紧密相连。至20世纪90年代,在全国已建立了20 个垂直形变重点监测区,如青藏高原、华北(首都圈)、滇西等地区。通过1991~1993年拉 萨—日喀则之间GPS基线变化和青藏高原内部及边缘6个GPS观测点的两期实测资料对比分析,确定拉萨块体近南北方向受挤压缩短,其形变速率为7.4±1.6 mm/a。而 且形变速率南强北弱。位于青藏高原中东部的8条基线变化显示该区呈右旋转动图像。位于 川滇菱形块体内的虾拉沱、大理两点的位移矢量表明,该菱形块体相对于温泉测点作向南偏 西运动,速率不足10 mm/a。华北地区87个GPS观测点,复测结果表明华北地区地壳水平位 移的年速率平均为4~5 mm,方向向东。

对上述重点监测区中大部分皆同时进行重复精密水准测量。此外,根据1950~1991年全 国26万余公里的精密水准复测资料编绘并于1991年正式出版了《中国现代地壳形变图集》, 内容包括全国和分省的地壳垂直形变图和垂直形变速率图等。

回复
wnb
2005年12月29日 15:14:57
5楼
另外,20世纪90年代综合利用GPS、水准、重力、导线、天文测量,初步测得世界第一高峰 (珠峰)的水平位移速率15 mm/a,方位角253°,高程上升10 mm/a。

5 地球内部物质运动及其与地表变化的关系

地球内部的物质在热应力或重力的作用及其它因素的激发下处于不断的运动之中,一般 这种运动必然以各种形式反映到地球表面,目前大地测量的精度已有可能检测出某些响应。

5.1 地球的冰后回升运动与粘滞性

(1)时变负荷的响应问题。汪荣江等根据Premzschau分层模型已 计算出海平面及重力格林函数Gξ、Gg 值,并解出时间域勒夫数hn 、kn及简正模snj。

(2)探讨地球自转对解的影响。这方面,韩大仲等导出了相应改正 公式并就Laurentide冰区作了估算,结论是,对于海平面变化,自转的影响可达米级,对空 间异常则仅为2×10-5ms-2。

(3)冰川消融、粘滞性与地壳升降运动。汪汉胜以青藏为例进行了实际 计算,他首先假设地球具球对称、非自转、Maxwell线性 粘弹性和各向同性,它对表面冰盖负荷的均衡动态响应,可由负荷(这里不含海水负荷)和 相应格林函数的卷积获得。计算结果表明,由于顾及了地幔的流变性特征,垂直位移在冰进 期和冰退期随着时间发生非线性变化。计算结果还表明:由于粘弹地球在冰后存在粘滞性松 弛效应,使冰盖围绕其中心产生隆升,周边则伴生沉降,同时分别发生重力减少和增加的现 象。珠穆朗玛峰由于位于冰盖边缘,其冰后隆升速率非常小,在青藏地区即使采用库勒的大 冰盖模型,冰盖中心的最大隆升率也仅为0.4 cm/a和0.3 cm/a。

关于南极冰盖部分消融对海平面的影响,由汪汉胜根据PREM1(1981)地球模型计算的最新结 果可知。全球海平面上升平均约为23.6 cm,这与IPCC(政府间气候变化委员会)报告中据 温室气体的排放量预测到2050年海平面上升的最佳估算值20~30 cm相吻合。

5.2 大地水准面与大尺度地幔对流

李国营将Hager等发展的内部负荷响应理论推广到不可压缩地球的情况并 与可压缩地球的结果进行比较,其结论是两种结果总的变化趋势非常相似,但由于可压缩影 响,核函数的振幅将增大。

回复
wnb
2005年12月29日 15:15:27
6楼
近年来国内许多学者对全地幔与分层地幔对流作了进一步的研究,叶正仁 、傅容珊等在地幔对流体本身的理论研究及数值模拟或以此为基础用以解释表 面观测(板块运动、水准面异常、大地热流、海底地形等)等方面都取得一定进展。许厚泽 等根据动态大地水准面的理论,利用地震层析资料,对青藏地区的大地水准面 作了正演数值模拟。

在反演方法上叶正仁等考虑到热力学过程的作用,将温度、密度和流动场统一起来。近 来年小尺度地幔对流模拟的研究也受到人们的重视,例如:熊熊对青藏地区开展了数学模拟工作。傅容珊等导出了均衡异常与小尺度对流的相关方程。

5.3 具液核地球的近周日自由摆动及其检测

在地极运动中,除去张德勒摆动(CW)外,人们还检测到近周日自由摆动(NDFW)。我国 利用武汉及其它超导重力仪观测资料推算得出近周日自由摆动的周期为1+1/432 天左右,这一数值与由流体静力平衡测量得到的理论周期有一系统偏差,一种可能 的解释是核的极半径应比流体静力平衡状态减小250~350 m,换言之,核幔边界应更扁一些 。

5.4 重力变化与地球自由振荡

近年来我国一些学者如傅承义、方俊、方明 等也开展了对地球自 由振荡的研究,傅承义等在其著作中对研究自由振荡的原理、方法及研究方向等都作了详尽 的论述。方俊通过对地球模型B(布伦)、BH(布哈)和GD1066A的比较,认为内核的密 度应该似乎相应增大才行。

方明研究了球对称简正模计算方法,并指出在顾及地球固核时应该用四个边值条件来确 定简正模为宜。在反演计算中引入了剥皮方法以消除浅部构造对深部构造反演的干扰,并导出了不带长期项并计及横向不均匀性的理论地震完整解的公式。

6 国际合作

我国参加了国际上动力大地测量研究领域的各项合作计划,我国的VLBI、SLR、GPS不但广泛 参加了国际联测和国际合作,而且组织了自己的CDP计划,如1991年启动的叶 叔华院士主持的国家攀登计划项目“现代地壳运动和地球动力学研究”和1996年开始的“亚 太空间地球动力学研究计划”以及1999年启动的国家大型科学工程重大项目“中国地壳运动 观测网络”。
同时我国的超导重力仪还参加了由SEDI倡导成立的国际地球动力学合作项目GGP(1997~200 3)。并且正在开展如合作观测、理论研究、仪器研制、观测资料对比分析和地 球动力学 应用等方面的双边合作项目,合作的有美、日、德、意等10多个国家。1997年我国还主持了由IUGG、IAG和我国一起组织召开的“东亚和东南亚地壳形变和减灾国际学术讨论会
回复

相关推荐

APP内打开