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地球物理学报 2019年第07期杂志 文档列表

地球物理学报杂志空间与大气物理学重力与大地测量学

2002年10月Millstone Hill地区电离层暴时特性研究2355-2365

摘要：磁暴期间电离层行为是电离层物理的重要研究内容.本文利用美国Millstone Hill非相干散射雷达以及GPS-TEC数据资料,分析了2002年10月13-17日和22-26日磁暴事件期间电离层电子密度响应在不同高度存在的差异.结果表明:正、负相暴电子密度的变化幅度随高度变化趋势相同,但不同高度上响应的时间、相位和幅度存在差异;负相暴最大变化幅度所在高度值同静时峰高值非常吻合,二者有很好的线性关系,但正相暴最大变化幅度所在高度值同静时峰高值无关,波动较大,意味着电离层正相暴响应更易到达各个高度上;特别地,22-26日负相暴在能量初次耦合进入电离层时高高度有极小的变化,其最大绝对变化量仅为低高度的4%.大气成分和风场的共同作用是两次负相暴发生的主要原因,但前者成分效应明显,后者动力学作用明显,有时甚至700km以上电离层的贡献也是不可忽略的.

不同非感应起电及感应起电参数化方案对青海东部一次雷暴云电荷结构影响的数值模拟研究2366-2381

摘要：本研究利用加入起电、放电参数化方案的数值模式(Weather Research and Forecasting Model(Version 3.7.1),WRF3.7.1_ELEC),通过设计五组不同非感应起电及感应起电参数化方案敏感性试验,对发生在青藏高原东北部青海大通地区的一次雷暴过程进行模拟研究,对比分析了不同非感应起电机制及感应起电机制对雷暴云电荷结构的影响.结果表明:在雷暴云发展旺盛阶段,Saunders(S91)、Riming Rate(RR)、和Saunders和Peck(SP98)三种非感应起电方案模拟的雷暴云最低层均为负电荷区,而混合方案(Brooks and SP98,BSP)模拟的雷暴云最低层为正电荷区,主电荷区自下而上为“+-+-”排列的四层电荷结构.与甚高频辐射源定位法推算的结果对比,BSP方案模拟的本次高原雷暴云电荷结构更接近实际情况;几种不同非感应起电方案模拟的主电荷区与主电荷区电荷结构不同,说明在雷暴发展的不同阶段雷暴云的电荷结构是不同的;几种非感应起电方案模拟的电荷结构不尽相同,主要是由于霰、冰和雪粒子在不同高度所带电荷的极性及电量的大小不同,霰粒子的电荷密度对低层的影响较大,冰粒子和雪粒子的电荷密度对中上层的影响较大;加入感应起电机制后,雷暴云电荷结构分布几乎没有变化,但能使雷暴云发展旺盛阶段低层和中层的正负电荷区电荷密度有所加强.

利用谱元法计算SNREI地球的表面负荷变形2382-2393

摘要：谱元法作为一种基于变分原理的数值方法,已经成为地球动力学数值模拟的重要手段.本文旨在对Martinec(2000)正演模拟表面负荷问题的谱-有限元方法进行改进.简单地介绍了谱元法计算负荷边值问题的相关理论,并推导了中性分层液体中的平衡方程以及其对应的弱形式解.在地球半径方向上,采取高阶样条函数作为负荷解的基函数,并利用高斯-勒让德方法进行数值积分.均质地球模型数值试验表明,相较于Martinec的方法,本文方法可以有效地加快数值解的收敛速度.最后,利用PREM模型计算了SNREI地球的负荷勒夫数.数值计算结果表明本文方法的收敛性和稳定性都非常好.本文方法获得的负荷勒夫数与采用传统龙格-库塔积分方法获得的结果相对误差在0.01%的量级.

海域流动点外部扰动引力无奇异计算模型2394-2404

摘要：针对海域重力场变化特征和远程飞行器机动发射保障应用需求,本文分析研究了地球外部空间扰动引力三类传统计算模型的技术特点及其适用性,指出了采用表层法作为海域流动点扰动引力计算模型的合理性及需要解决的关键问题,分析论证了空中扰动引力计算对地面观测数据的分辨率和精度要求,提出通过引入局部积分域恒等式变换、局域泰勒级数展开和非网格点内插方法,消除表层法计算模型积分奇异性固有缺陷的研究思路,进而推出了适合于海域流动点应用的扰动引力无奇异计算模型,较好地满足了全海域和全高度段对局部扰动重力场快速赋值的实际需求.以超高阶全球位模型EGM2008作为标准场,通过数值计算验证了无奇异计算模型的可行性和有效性,在重力场变化比较剧烈的海沟区,该模型的计算精度优于2×10^-5m·s^-2.

基于新型分层邻域阈值搜索法提高水下潜器重力匹配导航的匹配效率2405-2416

摘要：本文开展了水下潜器重力匹配导航的匹配效率改善研究.第一,为克服传统TERCOM算法逐点遍历搜索效率较低的缺点,提出新型分层邻域阈值搜索法.其原理如下:首先,利用4格网间隔数进行粗搜索匹配;其次,为提高初始匹配点的选取标准设置4mGal阈值(基准图上重力值与实测重力值之差),对选取的若干粗搜索行最佳匹配点周围24邻域点进行取舍并匹配比较;最后,获得搜索范围内最佳匹配点.第二,综合考虑了重力场标准差、峰度系数、坡度标准差、粗糙度、信息熵等重力场主要特征参数,将其作为适配区优劣的分析依据.第三,在适配性良好的区域内,在保证水下导航精度的前提下,基于分层邻域阈值搜索法,以本文参数设置为例,水下潜器重力匹配导航的匹配效率提高约14.14倍.

利用ICESat数据确定格陵兰冰盖高程和体积变化2417-2428

摘要：两极冰盖消融是造成海平面上升的重要原因,作为世界第二大冰盖,格陵兰冰盖消融速度在进入21世纪以后明显加快,引起了广泛关注.本文利用ICESat卫星激光测高数据,探讨了坡度改正的方法,通过改进平差模型解决了病态问题,并采用重复轨道方法计算了2003年9月至2009年10月间格陵兰冰盖的体积和高程变化趋势,对格陵兰冰盖各冰川流域系统的变化情况进行了详细分析.结果表明,格陵兰冰盖在这6年间平均高程变化趋势为-16.79±0.84cm·a^-1,体积变化速率为-301.37±15.16km^3·a^-1,体积流失主要发生在冰盖边缘,其中DS1、DS8等流域的体积损失正在加剧,而高程在2000m以上的冰盖内陆地区表现出高程积聚的状态,但增长速度明显减缓.与现有研究成果的对比表明,算法优化后的本文结果更具可靠性.

利用GRACE数据反演东海沉积物变化2429-2440

摘要：GRACE卫星的成功发射为海底沉积物的监测提供了新的方法.利用2003-2014年间的GRACERL05数据,采用同期的测高数据对海面高变化进行改正,使用水文模式数据和基于均一假设的尺度因子估计方法处理泄漏误差,反演了东海地区的沉积物变化情况,并对GIA效应进行了改正.结果表明:东海入海口处沉积物的平均变化速率为5.44±0.88mm·a^-1,最大值出现在浙江沿海地区,变化速率为6~7mm·a^-1;在空间分布上,呈现河口处沉积速率大,远离河口的大洋地区沉积速率小的特征.在时空分布上均与实测数据很好的吻合.沉积物变化时间序列的周年项振为6.8cm,周年变化主要与东海泥沙扩散路径相关的海洋环流模式有关;半周年项和两周年项振幅分别为0.6cm和0.7cm,这两项变化主要与长江流域降水引起的土壤侵蚀变化有关.最后,分析讨论了本文沉积物监测方法推广到其他地区的适用性和局限性.

基于Sentinel-1SAR数据的黑河上游冻土形变时序InSAR监测2441-2454

摘要：多年冻土活动层变化导致冻土区大范围地面变形,严重破坏区域内基础设施和水文地质条件,亟需加强活动层季节冻融过程的观测研究.本文提出一种基于分布式目标的小基线集时序InSAR(DSs-SBAS)的冻土形变监测方法.该方法采用分布式目标提取和特征值分解算法,并结合基于地温-形变约束关系的参考点选取新策略,提高了冻土形变监测结果的时空分辨率和可靠性.以祁连山黑河西支源头的野牛沟为研究区域,通过对27景Sentinel-1SAR影像进行时序InSAR分析,获取了2014-2016年该区多年冻土的形变时间序列和年均形变速率,并利用Stefan模型联合地温数据估算其季节性形变幅度.实地踏勘和结果分析表明:(1)研究区大部分多年冻土处于稳定状态(-1.0~+1.0cm·a^-1),在地形陡峭的南坡边缘及含冰量丰富的野牛沟河上游两侧沟底部分区域存在较大形变;(2)区域内冻土形变时间序列呈现年周期变化,冻土冻融形变存在季节性周期形变和季节性波动下沉两种形变特征,形变幅度和速率最大可达6.0cm和-3.0cm·a^-1;(3)不同区域的活动层冻结/融化始日和冻土形变存在明显差异,主要和冻土地貌、土壤类型以及活动层厚度有关.本文提出的方法在青藏高原多年冻土区大范围冻融监测和活动层厚度反演研究方面具有很大的应用潜力.

地球物理学报杂志地球动力学地震学海洋地球物理学

上地幔俯冲板块的动力学过程:数值模拟2455-2465

摘要：大洋板块俯冲到地幔转换带,进而可形成不同的形态:板块可以停滞在660km不连续面,抑或穿过地幔转换带进入下地幔.这些不同的俯冲模式可进一步影响到海沟的运动.为更好地理解上地幔中俯冲板片的变形行为以及俯冲过程与海沟运动之间的关系,本文通过建立一系列高精度二维热-力学自由俯冲的数值模型,揭示了俯冲板块在上地幔中的变形方式及其与地幔转换带之间的相互作用过程.模拟结果显示,在俯冲板块与地幔转换带的相互作用过程中,其动力学过程可以分为以海沟后撤主导、海沟前进主导以及稳定型海沟等三种主要动力学类型.对于年龄较老,厚度较大的俯冲板块容易形成海沟后撤型俯冲,俯冲板块停滞在660km不连续面.相反,年龄较小,塑性强度较小的板块容易形成海沟前进型俯冲,俯冲板块穿越660km不连续面.

褶皱冲断带时空演化动力学过程的数值模拟2466-2476

摘要：利用库仑临界锥角理论和沙箱物理模拟进行褶皱冲断带的研究时,通常忽略了楔形体介质的内聚力.岩石力学实验结果表明,岩石内聚力通常在几到几十兆帕范围内变化.楔形体介质强度的变化是否会影响褶皱冲断带的时空演化?针对这一问题,我们建立了岩石内聚力分别是10MPa、20MPa和50MPa的3个二维弹塑性有限元模型,模型包含了楔形体介质的弹塑性材料非线性和底部滑脱带的接触非线性.该模型考虑了不同介质强度、底部滑脱带摩擦、重力和边界构造加载的影响,更为符合实际.计算结果表明,岩石内聚力为10MPa时,楔形体内的断坡首先在楔形体近端产生,从近端依次向远端发展;岩石内聚力是20MPa时,断坡开始在楔形体近端产生,随后在远端也开始形成,最后由两端向中间汇聚;岩石内聚力是50MPa时,断坡先从楔形体远端形成,从远端向近端依次发展.我们还讨论了底部滑脱层倾角对褶皱冲断带演化的影响,结果表明较低的底部滑脱面倾角易产生由近端向远端演化的样式,中等滑脱面倾角易产生两端向中间演化的样式,较高滑脱面倾角易产生由远端向近端演化的样式.我们得到了三种不同的褶皱冲断带时空演化的模式,其结果可以用来解释青藏高原东北缘依次向北东方向发展的海原-六盘山断层、天景山断层、烟筒山断层系统的时空演化.

南岭-武夷交汇区的深部背景及地壳泊松比2477-2489

摘要：为研究南岭-武夷交汇区深部动力学过程提供深部背景资料和科学依据,本文利用远震P波接收函数H-κ叠加和共转换点(CCP)叠加两种方法获取了研究区66个宽频带流动台站及24个固定台站下方的地壳厚度、泊松比和Moho面起伏形态,揭示了扬子地块与华夏地块地壳结构及泊松比变化特征,给出了南岭和武夷之间一条莫霍凸起带的高分辨图像.结果显示:(1)研究区内地壳厚度平均值为31.2km,泊松比平均值为0.23,总体呈现薄地壳、低泊松比的特点.地壳厚度从西北往东南由厚变薄,与区域地壳伸展特征相一致.(2)在韶关-赣州-吉安-南昌一线存在条带状薄地壳结构,平均值为28km,呈南西-北东向展布,对应的泊松比值略微升高.推测地壳减薄带的形成可能与来自南海方向的地幔热流上涌有关.(3)江南造山带的泊松比整体偏低,存在两处平均值小于0.21的区域.华夏地块内地壳厚度与泊松比之间存在弱的负相关,表示随着地壳厚度的增大,铁镁质的下地壳厚度在整个地壳厚度中所占的比例减小.

基于背景噪声成像方法研究郯庐断裂带中南段及邻区地壳速度结构与变形特征2490-2509

摘要：郯庐断裂带是贯穿我国东部北北东走向的一条深大断裂,其中南段及其邻区(115°E-121°E,29.5°N-35°N)穿过了大别造山带、苏鲁造山带、长江中下游成矿带及合肥盆地.为了研究该区域地壳速度结构及变形特征,我们使用安徽省和江苏省及其周边地区105个台站(固定台站98个,流动台站7个)的垂向连续波形数据,时间范围从2014年5月到2015年7月,共计14个月.利用背景噪声互相关方法,从垂直分量互相关函数中最终提取了2590条瑞利面波相速度频散曲线,反演得到周期范围为5~30s的瑞利波方位各向异性相速度分布图,再反演每个网格点瑞利面波相速度频散得到一维层状横波速度模型,然后拼合起来组成三维横波速度模型.根据本文反演结果并综合已有资料,我们得出如下结论:(1)在北大别、蚌埠隆起、长江中下游成矿带、合肥盆地北部大桥凹陷区域存在中地壳横波高速体,可能与岩石圈和下地壳拆沉以及中生代中国东部大范围岩浆活动有直接关系,更深层原因可能与古太平洋俯冲相关;(2)苏鲁造山带南缘,垂直于嘉山响水断裂,从南向北中上地壳低速体深度变浅,这个低速体可能是高压/超高压变质岩与扬子板块接触处的破碎带,是扬子板块与华北板块接触的边界;(3)郯庐断裂合肥-嘉山段两侧以及大别造山带东缘短周期瑞利面波相速度快轴方向与郯庐断裂带走向基本一致,可能是三叠纪碰撞期与白垩纪时期的大规模左旋走滑活动的结果;(4)合肥盆地南部15~20s周期的瑞利波相速度快轴方向为北西-南东向,反应该区域中下地壳快波方向为北西-南东向,推测是大别造山带折返的痕迹;(5)郯庐断裂带的结构和地震活动性存在明显的分段性,嘉山-郯城段郯庐断裂带现今地震活动性弱,但发生过较强的古地震,推断现今郯庐断裂带宿迁段可能处于闭锁状态,从长远来看要注意该地区发生大震的�

利用剪切波分裂研究内蒙古阿巴嘎地区上地幔各向异性2510-2526

摘要：内蒙古阿巴嘎地区壳幔经历强烈变形,岩石圈变形机制尚不明确.利用布设在研究区的32个流动地震台站所记录到的远震剪切波数据,测量得到120对各向异性参数和113个无效分裂结果.结果表明,研究区快慢波延迟时间变化范围为0.4~1.4s,平均0.77±0.21s;各向异性快波方向变化范围为N101°E-N45°W.其中一组快波偏振方向为N82.0°E±12.3°,与区域内断裂走向平行,反映地幔矿物晶格定向排列;另一组快波方向集中位于华北克拉通内部,平均为N146.8°E±9.5°,平行于早白垩纪岩石圈伸展变形方向,推测由残留在岩石圈中的化石各向异性所引起.在研究区北部部分台站,只观测到无效分裂而没有观测到有效分裂结果,可能存在局部热地幔物质上涌.

首都圈地区Pb震相典型特征与康拉德界面研究2527-2548

摘要：Pb震相是近震震相中的一个重要震相.关于Pb震相典型特征的总结和分析,对指导区域台网工作人员如何识别该震相,丰富台网观测报告震相产出,提高地震定位精度和确定康拉德界面等相关研究具有重要意义.但由于识别困难,国内很少有系统进行有关Pb震相的识别和研究工作.本研究采用首都圈地区高密度台网2009-2015年记录到的369个ML≥2.5地震事件的波形资料,重新分析震相并识别出1153条Pb震相.基于震相资料,利用时频分析、多项式拟合、射线分析、最小二乘法、联合反演、理论走时计算等方法进行研究,并在结合前人研究结果的基础上,我们得出:在首都圈及邻区,在肉眼可识别时频域内的特征来看,通常容易识别的Pb的振幅或频率高频部分相对比初至Pn和Pg大或高,也有振幅变小或者频率变化不明显的情况,这可能与震源机制、台站方位、场地响应、仪器类型等方面有关.时频分析、功率谱密度和肉眼识别分析的结果表明,P波的主要能量集中在相对低频部分,Pn,Pb,Pg,PmP四种震相(本研究以后提到的震相顺序只考虑这四种震相)有很强的共性,区别在于传播路径上的不同,频率或观测记录周期上的小幅度差别.在Pg作为初至波时,Pb震相的低频主频部分与Pg震相的低频主频部分带宽差不多(受到包含Pg震相的影响),但是高频主频部分频率更高,Pb到时在Pg之后,PmP之前.Pn作为初至波时,Pn震相低频主频部分带宽比Pb宽,但是Pb高频主频部分频率相对更高,Pb在Pn之后,在Pg之前.鉴于震源深度对Pb到时顺序的影响,及其在定位结果中精确度最差的情况,在震中距约在80~140km范围内时,得考虑区域地壳厚度横向不均匀、震中距、震源深度等情况并结合波形特征,来判定Pb是否为初至震相.Pb震相在康拉德界面的平均传播速度约为7.0km·s^-1,康拉德界面平均深度约为23km.Pb射线的分布情况直接证明

2017年西藏米林MS6.9地震发震构造初探2549-2566

摘要：2017年11月18日在西藏米林发生了MS6.9地震,目前尚未发现地表破裂带,发震构造尚不明确.震源机制解表明该次地震为逆冲型地震.精定位结果显示余震集中在加拉白垒东北坡上一个NW走向的长约36km、宽约8km的狭长条带之内.余震条带的走向及长度严格受到派乡构造岩片NE边界走向及长度的控制,垂直于该条带的地震剖面清晰地揭示出一条倾向NE的低倾角逆冲断层面,结合震源机制解及GPS同震位移场的已有结果,初步推断它可能就是发震断层面.雅鲁藏布江大拐弯上游加拉-米林河段两岸的湖相基座阶地面和山脊线在南迦巴瓦、加拉白垒脚下都发生了倾向SW的翘起变形,发震断层面构成了其上盘加拉白垒、南迦巴瓦强烈隆升区与其下盘地貌发生翘起变形的弱隆升区的分界面,推断加拉白垒峰沿着这一断层面不断地逆冲、隆升,以此来调节其两侧的不均匀挤出,而下盘近断层处的褶皱、拖曳等作用逐渐造成了阶地面、山脊线的翘起、弯曲变形.基于夷平面的区域变形分析,认为雅江缝合带作为主干断裂带从整体上控制着印度板块与欧亚板块在东构造结地区的碰撞-挤压格局.印度板块东北犄角的强烈顶撞引起了东构造结附近强烈的断块运动,嘉黎断裂带北侧的地壳显著增厚,主夷平面随之发生裂解.与此同时,由于碰撞带来的强烈挤压,派乡构造岩片、多雄拉变质穹隆沿着缝合带大拐弯内侧不均匀地挤出,南迦巴瓦、加拉白垒随之隆升.此次的米林地震仅仅是该不均匀挤出过程所引发的一次具体的事件,是派乡构造岩片内部的一条次级断层发生的一次逆冲运动造成的.此外,紧邻此次余震条带的南迦巴瓦NEE边界以及SE边界是一个潜在的地震空区,其未来地震危险性值得关注.

九寨沟MS7.0地震强地震动模拟及漳扎镇地震动强度预测2567-2581

摘要：破坏性地震强度预测可用于工程领域抗震设防以及地震危险性分析评估,是防震减灾中一项很重要的基础工作.为了再现九寨沟地震的地震动强度,评估缺失强震记录的九寨章扎台站的地震动强度,本文用经验格林函数法对九寨沟地震进行了数值模拟.选取了震源周边地震动峰值加速度超过10Gal的10个强震台站进行模拟.因未得到九寨沟地震的余震,初次尝试将汶川地震和定西地震的余震作为格林函数模拟九寨沟地震.模拟结果整体上可以反映各台站地震动的强度特征,尤其是地震动高频成份拟合较好.模拟值的地震动峰值加速度、时程数据、反应谱等与观测值拟合较好.预测结果显示漳扎镇的地震动峰值加速度值约为180~200Gal.预测结果也表明在缺少大震的余震记录时,经验格林函数法使用其他大震的余震同样可以再现目标地震的强度特征.本研究也为经验格林函数方法在缺乏小震记录地区的使用积累了经验.最后总结了格林函数的选取标准,为经验格林函数方法来预测未来强震动特征积累了经验.

基于高阶双渐近透射边界的重力坝-层状地基动力相互作用分析2582-2590

摘要：时域高阶双渐近透射边界能够同时模拟层状介质中行波和快衰波的传播,具有很高的计算精度和计算效率.本文将高阶双渐近透射边界推广应用到多层层状地基系统弹性波传播问题的模拟,采用广义特征值分解分析该透射边界的数值稳定性,通过移谱法消除导致数值不稳定的虚假模态.将高阶双渐近透射边界以超单元的形式直接嵌入到近场有限元方程,建立了有限元-高阶双渐近透射边界时域耦合分析模型,并将其应用到重力坝-层状地基动力相互作用分析.数值算例分析结果表明,该时域耦合分析模型具有很高的精度和计算效率,适用于实际重力坝工程的地震响应分析.

新疆和田台阵PSD与PDF分析2591-2606

摘要：和田台阵是我国第一个自主建成并运行至今的小孔径台阵,承担着监测印巴地区核试验以及我国西部地震活动的重要使命.台阵波形数据中充斥着背景噪声,直接影响着数据质量.为了评估台阵噪声水平,本文利用Welch平均周期法对9个子台记录的数十万条噪声样本进行功率谱估计,对出现的谱异常进行了总结归纳,通过绘制概率密度函数图以及单频曲线来研究背景噪声变化范围和规律,最后针对台阵降噪提出了建设性意见.研究结果表明,中心台长周期噪声功率谱密度随季节变化显著,具有周期性;受温度和气压影响,水平分量长周期噪声变化幅度较大,局部频段超出新高噪声模型,建议改善仪器安装条件,或者利用数学方法进行校正.所有子台短周期噪声变化规律与长周期相反,受到采石场影响,谱密度曲线在4~8Hz之间出现形态规则的高频尖刺,A1、B3、B4子台最为明显,可以通过窄带滤波或者聚束予以压制.本文取得的研究成果为台阵运维提供重要依据,除此之外,总结出的不同地震频谱特征也为地震解释工作提供重要参考.