太原台绝对重力长期变化与解释

作     者：王林海 

作者单位：中国地震局地震研究所 

学位级别：硕士

导师姓名：邢乐林

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 081601[工学-大地测量学与测量工程] 0816[工学-测绘科学与技术] 

主      题：绝对重力 垂直形变 地下水 地幔隆升 

摘      要：地球重力场的时空变化反映了地球表层及内部的物质分布变化与其运动状态。诸多研究结果表明,地球重力场随时间变化主要包括潮汐变化和非潮汐变化,而前者呈现周期性,是地球重力场变化的主要成分,可达300μGal,依据模型可以精确的计算。由于地球重力场的非潮汐变化可分为周期的或者准周期的、长期的和短期的以及突变的,因此,如何精确地、细致地研究非潮汐变化一直存在不同的观点。从20世纪70年代以来,随着重力测量仪器的测量精度逐步提高,尤其是FG5绝对重力仪在稳定测站上观测精度可达到1～2μGal,使得地震灾害、火山孕育与爆发、海平面起伏变化、地壳的垂直形变、地下水水位变化和冰川均衡调整等地球重力场的非潮汐变化得到了较为充分的观测,地球重力场存在非潮汐变化被加以证实,其动力学机制可以归结为地壳垂直形变和构造因素引起的地下物质运移所造成的。太原盆地位于山西断陷带中部地区。构造地质学的研究结果表明太原盆地的莫霍面隆升2～3 km。然而,始终没有量化的数据来证实其下部的莫霍面是否处于持续上升状态。本文获取了2009年016年利用高精度FG5绝对重力仪对山西太原台进行的每年2期的复测数据,而初步计算结果表明,重力变化呈现非常明显的正增长变化趋势,超过10μGal/yr。因此,为进一步消除非构造因素导致的重力变化,获得由构造因素导致的地下物质运移引起的重力变化,本文以绝对重力长期观测时间序列为基础,结合GLDAS水文模型、地下水水位变化、GPS观测与GRACE卫星重力等数据,获得由构造因素导致的地下物质运移产生的重力效应,进而计算太原盆地莫霍面的隆升速率并建立壳幔边界变形模型。1)利用g9软件对绝对重力观测数据进行统一处理,包括固体潮改正、海洋负荷潮汐改正、极移改正、以及大气压力改正和基准高度改正。2)全球陆地水负荷效应是选取2009年016年的GLDAS水文模型提供的四层土壤水数据,考虑地形因素,结合SRTM高程数据,插值水文模型数据格网;同时选取合适的边界阈值,进行局部和非局部的水文负荷改正;拟合分析获得全球陆地水负荷重力效应变化趋势为-0.37±0.03μGal/yr,将其结果与GRACE卫星重力结果进行比较分析,两者变化趋势基本一致。3)收集与太原绝对重力台站同址的BM3水井日观测水位数据,拟合得到地下水水位变化为1.82±0.03 m/yr;根据盆地孔隙介质结构三维模型及岩石性质获得孔隙度为0.1,计算得到地下水水位变化引起的重力效应为7.64±0.33μGal/yr;考虑到地壳垂直形变效应,估算孔隙度与经验孔隙度进行对比分析。4)基于2011年015年GPS观测数据,利用gipsy软件进行精密单点定位解算,得到地壳垂直位移速率为-8.5±0.59 mm/yr,表现为地面缓慢沉降,进而获得地壳垂直形变产生的重力变化为1.62±0.11μGal/yr;在假设不含地下物质运移的条件下,由消除全球陆地水与地下水效应后的绝对重力变化,估算垂直形变速率为-14.52±1.2 mm/yr,与GPS解算结果相差较大,验证了由构造运动产生的地下物质运移的存在。经过全球陆地水负荷改正、地下水改正、垂直形变改正,获得剩余重力变化趋势为0.79±0.63μGal/yr,反映了由构造因素导致的地下物质运移;根据CRUST1模型建立太原盆地的壳幔边界变形模式,获得地幔隆升速率为2.3±1.8cm/yr,建立了太原盆地地幔隆升机制与壳幔边界变形模型;结合地质学、地震学、大地测量学等结果,表明现今太原盆地表现为地面沉降,地壳变薄并向两侧扩张,莫霍面持续隆升。