顾及地球结构的大地测量反演模式与应用

大地测量反演,以大地测量观测信号为基础,结合地质、地震和地球物理资料,利用地球物理学建立的先验地球动力学模型,反推动力学模型参数,修正和提出新的地球动力学模型;也可以根据地表观测结果反演研究活动断层、活动块体的运动情况,探讨地壳运动与地震关系,进行地震、地质灾害的预测预报。 本文将大地测量学与活动块体、地震断层位错模型结合起来,建立了分块体多断层联合反演模式;研究了不同地球结构模型之间的变形差异,建立了顾及地球结构的同震变形反演模式,震后变形反演模式;开发了相关应用软件,并与实际观测数据相结合,进行了具体的反演研究。主要工作如下: 系统总结了弹性半空间位错模型、球体分层位错模型的发展历史,比较两类模型差异,为建立反演模式提供理论基础;指出随着现代大地测量技术的发展,观测精度的大大提高,观测信息完全可以分辨出模型误差带来的变形差异;相对于更真实的球体分层模型,半空间均匀弹性模型对地球实际模型的假设必然会带来模型误差,需要在实际应用中加以考虑。 基于中国地壳运动观测网络提供的大量GPS观测数据,根据半空间均匀弹性位错理论和块体欧拉参数理论,研究和发展了分块体多断层联合反演模式,该模式能同时从大尺度范围分析块体运动和小尺度范围分析断层的活动特性;并联合利用Bootstrap方法以及统计方法对反演参数进行评价,给出解的置信区间;对华北地区和川滇地区分别进行了块体和断层的联合反演,分析了两区域的块体运动状况,活动断层运动量,孕震能力等,反演结果显示活动断层蕴含了5～6级的潜在地震活动能力,需要加强对活动断层的变形监测。 顾及地球结构的非均匀性、分层和球体特性,系统研究了球体分层模型,球体均匀模型,半空间均匀模型分别作用地震断层(走滑断层,倾滑断层)产生的地表同震变形差异。在大尺度(断层长度>100km,影响半径超过100km)、小尺度范围内(断层长度<100km,影响半径<100km),分别讨论了地壳分层特性以及地球曲率的影响。结果显示:在小尺度范围内走滑断层由于地球结构的影响带来的水平、垂直变形差异大约都为10%左右,但垂直变形数值较小,可忽略不计;而大尺度范围内研究的走滑断层由于地球结构的影响带来的水平变形差异大约在20%左右,垂直变形差异远大于20%,且垂直变形数值较大。在小尺度范围内研究的倾滑断层由于地球结构的影响带来的水平变形差异大约为10%左右,垂直变形差异很小;而在大尺度范围内研究的倾滑断层由于地球结构的影响带来的水平变形差异大约在10%左右,垂直变形差异约为10%。小尺度范围内研究的结果表明,变形差异主要源于地球分层的影响;大尺度范围内研究的变形差异结果则更明显的体现了地球分层影响,同时又凸现了地球曲率的影响。分析了不同模型对地表变形的影响异同,定量研究了三类模型之间的地表变形差异;计算结果显示,相对实际地球模型,利用半空间均匀位错模型计算的同震变形差异最大,数值大大超出现有高精度测量值的精度。发展了顾及地壳分层结构的地震断层同震位错模型的反演模式,建立了非线性反演方程,分别对走滑断层、倾滑断层、张裂断层进行了模拟反演分析;反演结果显示,该反演模式可很好地将断层位错参数反演出来,利用该模式可较好地解决实际地震断层同震变形的反演问题。 基于球体粘弹性地球模型,系统研究了走滑断层,倾滑断层,张裂断层顾及不同地壳分层结构的震后变形,定量分析了实际地壳分层模型与模拟均匀模型的地表变形差异。计算结果显示:走滑断层位错因地壳分层对地表震后变形的影响主要集中在水平方向,分别计算10、15年的分层和非分层震后变形差异,结果在水平方向相差分别达到12.2mm、14.1mm;