基于高精度時序GPS處理的區(qū)域速度場及地殼形變特征研究.pdf

1、GPS技術(shù),以其觀測精度高、大尺度、全天候、準實時等優(yōu)點愈來愈得到廣大地學工作者的重視。特別是隨著世界各國大量的 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已被廣泛應用于地球動力學、地震學、地球物理學和地質(zhì)學等領(lǐng)域的研究。
　　經(jīng)過多年的GPS連續(xù)觀測,已積累了豐富的GPS觀測數(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)觀測資料提取地殼形變信息的最基本的方法是:通過對監(jiān)測網(wǎng)絡基準站長年

2、連續(xù)觀測得到的 GPS數(shù)據(jù)進行精密處理和分析,獲得基準站的坐標時間序列,進而獲取研究區(qū)域高精度速度場,并以其作為檢驗基礎(chǔ)或約束條件,通過對研究區(qū)域動力學模型的正、反演數(shù)值模擬或計算,可進一步分析其地殼位移、應力、應變場等動力學特征,探討其構(gòu)造運動的驅(qū)動力源和動力學演化模式。
　　因此,如何正確認知與分離 GPS時間序列中各種信息(如趨勢項、周期項、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時間序列的精度,進

3、一步獲取高精度的 GPS速度場是認識和理解研究區(qū)域運動及變形的基礎(chǔ);而基于獲取的 GPS速度場選擇適當?shù)姆椒ㄇ笕^(qū)域地殼應變特征參數(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,本文的研究內(nèi)容主要分為兩大部分:一是針對如何獲取高精度的GPS速度場,討論了高精度GPS數(shù)據(jù)處理模型與方法以及GPS坐標時間序列中非構(gòu)造因素的影響。二是在獲取得到高精度的 GPS速度場的基礎(chǔ)上,進一步對求取研究區(qū)域應變特征的方法進行了探討。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,重點探討了GPS時間序列中非構(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)量負荷改正等方法。
　　(2)以北美中南部區(qū)域站點2006~2011五年的觀測資料為例,利用PCA有效地提取并剔除了研究區(qū)域 GPS站點坐標時間序列的共模誤差,改善了測站坐標的精度和可靠性,進而討論了共模誤

5、差對板塊速度場的影響,為利用 GPS技術(shù)提取更準確地殼運動速度場進而獲取微動態(tài)形變信息提供了重要保障。
　　(3)針對北美中南部區(qū)域GPS站點坐標時間序列,基于地球物理模型對質(zhì)量負荷(大氣、積雪、土壤水)進行了改正。實驗結(jié)果表明,地球物理模型改正質(zhì)量負載對于消除非構(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。由對質(zhì)量負載疊加序列的譜分析可以看到,地表質(zhì)量負荷引起的測站位置變化高程(U)方向大于平面(N、E)方向

6、,而負荷改正主要在對年周期項的影響上。
　　(4)針對國際研究熱點地區(qū)—北美板塊邊界(PBO)區(qū)域進行了形變場獲取與分析。在獲取了該區(qū)域高精度GPS速度場的基礎(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)域的應變特征參數(shù),并與國內(nèi)外對該區(qū)域的研究成果進行對比分析,驗證了球面小波方法的可靠性。因為,小波提供了一個多尺度的估計,其可根據(jù)站點的疏密程度,選取相應的框架函數(shù)來估計速度。因此,將其用于范圍較大且站點分布不均

7、勻區(qū)域的速度場估計中,可以更真實的反應不同地區(qū)的應變情況。
　　(5)針對中國地殼運動觀測網(wǎng)絡 GPS站點最新數(shù)據(jù)(2011~2013)進行了精細數(shù)據(jù)處理,獲取得到中國區(qū)域在ITRF框架下速度場,以及相對于歐亞板塊的速度場,分析了現(xiàn)今中國地殼水平運動特征。結(jié)果表明,速度場整體是以南北構(gòu)造帶為界,西部大于東部,滇、緬、藏一帶水平運動的方向、大小變化最為劇烈。此外,青藏地塊東南部的水平速度場呈現(xiàn)繞阿薩姆角順時針偏轉(zhuǎn)的趨勢。
　　

8、(6)基于本文獲取的中國地區(qū)的高精度地殼水平速度場,進一步利用球面小波法求取了中國區(qū)域的應變特征參數(shù)。從結(jié)果可以看到,由于球面小波方法能夠適應測站點的疏密變化,多尺度估計速度場,除少量站點外,絕大多數(shù)站點的實測速度場與估計速度場的殘差小于2mm/a,說明球面小波估計得到的速度場與實測的速度場有較好的一致性。從獲取的中國區(qū)域地殼面膨脹率、應變率等應變特征參數(shù)可以看到,中國大陸中西部構(gòu)造變形強烈,應變速率值高,以南北活動構(gòu)造帶為界以東的應變