【摘要】：中國地震局在2008年以來的多次重大工程中,陸續(xù)新建改造了 78個站84套連續(xù)重力觀測儀,利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成了連續(xù)重力觀測臺網(wǎng)。該監(jiān)測網(wǎng)為地震監(jiān)測和預(yù)測提供了一類有效的觀測手段。同時,國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,水資源變化規(guī)律的認識也日益得到重視。為了克服水循環(huán)過程中各圈層相互耦合規(guī)律的復(fù)雜性,并發(fā)揮連續(xù)重力觀測對水資源監(jiān)測的作用。本文利用4類連續(xù)重力觀測儀所采集的超過3-4年的觀測數(shù)據(jù),利用GRACE、GLDAS和同址觀測的水井資料,基于重力場負荷理論、敏感場理論以及水負荷季節(jié)性變化規(guī)律,利用SSA方法研究連續(xù)重力觀測序列中周期變化的水負荷重力效應(yīng)。最后利用華北地區(qū)6期流動重力觀測數(shù)據(jù)、53個水井資料采用EOF分析方法比較主要模態(tài)相關(guān)性,并利用敏感場理論研究京津地區(qū)的重力變化、孔隙度、敏感場、地下水位之間關(guān)系。本文簡略闡述重力儀的基本構(gòu)成和工作原理,總結(jié)和分類了目前連續(xù)重力觀測臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)中各種干擾因素,提出這些干擾因素的改正方法和推薦使用的工具。利用彈簧重力儀和超導(dǎo)重力觀測數(shù)據(jù)比較了 ETERNA和VAV調(diào)和分析方法,兩者的潮汐分析結(jié)果相當(dāng)。超導(dǎo)重力儀的潮汐參數(shù)最優(yōu)觀測精度可優(yōu)于0.0001,彈簧重力的只有0.0007,總體都能夠達到0.005。對臺網(wǎng)重力儀觀測數(shù)據(jù)進行分析認為VAV調(diào)和分析方法更適合彈簧重力儀的潮汐分析和改正。在非潮汐分析方法中,影響重力儀觀測的的影響因素除氣壓、極潮、海潮外,最突出的是重力儀的零漂。本研究分別分析了 4種類型的連續(xù)重力觀測數(shù)據(jù),結(jié)合臺站鄰區(qū)水井資料、降雨資料以及全球陸地水模型等水文資料,利用4種零漂模擬的方法提取了和水負荷有關(guān)的重力信號。該信號的振幅在5-15× 10-8m/s2,并具有春冬季重力信號微弱,夏秋季重力信號明顯的季節(jié)性變化特征。同時本研究還利用4類5套重力儀超過4年的連續(xù)觀測資料和同址觀測的氣壓數(shù)據(jù),利用相關(guān)分析方法研究非線性零漂的變化特征,發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)重力儀(SG)氣壓導(dǎo)納規(guī)律和理論結(jié)果一致,其它重力儀只能在有限的時間段內(nèi)(PETgPhone為100-200天)認為并不是所有重力儀都能夠利用上述信號分離方法獲得水負荷重力信號,觀測時間序列還受到臺站類型以及儀器的控溫系統(tǒng)的影響。在解釋和分析地面重力(5-15×10-8m/s2)和衛(wèi)星重力觀測到的水負荷信號(2-6×10-8m/s2)差異前,先利用京津地區(qū)水井觀測資料從時間域和空間域兩個方面驗證了 GLDAS提供的陸面模型、SBH發(fā)布的GLDAS月重力球諧系數(shù)模型、GRACE的重力球諧系數(shù)模型數(shù)據(jù)處理的正確性以及有效性。再選用和地下水井資料更為一致的的數(shù)據(jù)模型(GRACE和SBH發(fā)布的GLDAS月重力球諧系數(shù)模型)在時間域和空間域進行相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)系數(shù)在空間上存在著差異。京津地區(qū)兩者(40%-60%)相關(guān)性較周邊地區(qū)低。該結(jié)果表明GRACE和GLDAS模型在京津地區(qū)有差異,也進一步證明了在京津地區(qū)除地表水活動外,存在較周邊地區(qū)明顯的地下水變化信息。在解釋和分析地面重力(5-15 X10-8m/s2)和衛(wèi)星重力觀測到的水負荷信號(2-6×10-8m/s2)差異時,首先利用華北地區(qū)53 口井的觀測資料,采用小波、SSA分析方法,研究華北地區(qū)地下水井資料的水位速率特征。結(jié)果顯示,在京津地區(qū)的水位下降速率較大約為1m/yr的變化。同時發(fā)現(xiàn)京津地區(qū)的水位變化還具有區(qū)域特征,北京城區(qū)內(nèi)水位下降變化不明顯,而遠城區(qū)水位下降變化超過了1m/yr。其次利用3臺連續(xù)重力觀測儀超過2年的觀測資料以及同址觀測的水井觀測資料采用SSA分析方法研究周期變化特征。發(fā)現(xiàn)2階信號和水井資料的周年信號的周期和振幅一致。張家口、北京和太原3個站點該頻段的振幅約為4-8×10-8m/s2。再次利用上述水井觀測資料(選擇周期信號信噪比優(yōu)于0.16的站點)以及2011-2014年的7次測量得到的6期華北地區(qū)流動重力觀測結(jié)果(采用正態(tài)分布95%的置信區(qū)間檢驗),以及GRACE和GLDAS的在該區(qū)域的數(shù)據(jù),分別進行正交經(jīng)驗函數(shù)(EOF)的分析,分別比較京津地區(qū)18個水井觀測資料處的模型數(shù)據(jù)和陸地觀測數(shù)據(jù)的第一模態(tài)和第二模態(tài)之間的相關(guān)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)水井結(jié)果和地面重力觀測結(jié)果的第一模態(tài)有14 口井觀測到的振幅變化相同。模型數(shù)據(jù)兩者完全一致。這表明,第一模態(tài)的地面重力分析結(jié)果能夠反映京津地區(qū)水井變化的空間分布特征。最后,基于上述的GRACE、GLDAS、地面重力觀測的和水井資料觀測的第一模態(tài)觀測數(shù)據(jù),提出重力負荷理論以及敏感場方法計算評估水井資料的影響范圍以及孔隙度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)水井觀測資料僅僅能夠反映水井周邊2-5km范圍內(nèi)的地下水位變化特征,孔隙度也和巖性評估的理論值具一致性。差異不足±10%。本文的工作改進了連續(xù)重力觀測資料數(shù)據(jù)處理方法,提出了彈簧重力儀的非線性零漂改正并給出了實例。同時利用包括SSAM分析方法和EOF分析方法提取地面重力觀測資料中的和水負荷信號有關(guān)的重力信號。在利用地面水井資料驗證GRACE、GLDAS等全球模型正演的水負荷重力信號有效性的基礎(chǔ)上,比較研究華北地區(qū)地面重力、地下水井觀測資料在周年頻段的一致性。利用地面重力觀測資料重點研究了京津地區(qū)水井水位埋深處的孔隙度。為后期利用地面觀測資料進一步研究本地區(qū)的水儲量變化奠定基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P315.7
【圖文】：

邐武漢大學(xué)博±學(xué)位論文ＧＲＡＣＥ和超導(dǎo)重力儀殘差時間序列之間年季變化的振幅差異，不同地區(qū)兩變規(guī)律出現(xiàn)的相位滯后現(xiàn)象等。中國地震局研究小組不僅利用數(shù)字地震觀測的連續(xù)重力觀測儀獲得到和ＧＧＰ計劃類似的結(jié)果（Ｋａｎｇ，邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１１；等，２０１２ａ；韋進等，２０１２ｂ），而且在用流動重力觀測數(shù)據(jù)分析華北地區(qū)地殼形征時，考慮了水變化對重力的影響（郝洪濤，２０１５）。在進行衛(wèi)星重力和地面觀據(jù)融合比較時，兩者存在極大的差異。因此中國地震局和ＧＧＰ計劃的科學(xué)方面在觀測技術(shù)上改進嘗試融合衛(wèi)星重力和地面重力的。例如在臺站周邊進表水觀測。另一方面通過衛(wèi)星重力向下延拓、精化處理地面重力、地下水位資料對比和正交經(jīng)驗函數(shù)巧0巧等方法來理解衛(wèi)星和地面重為的差異原因（等，２００５；邋Ｅｏｍ，ｅｔａｌ．，２０１７）。在送個方面取得了一定的進展，而由于地下水資缺乏和模擬模型簡單導(dǎo)致兩類數(shù)據(jù)的融合問題依然存在。逡逑

－－全國流動網(wǎng)邐全國邐Ｉ邐每２年期次邐１００－１５０逡逑青藏東緣邐１逡逑區(qū)域流動網(wǎng)邐東北邐１邐每年期次邐３０－５０逡逑其它地區(qū)邐２逡逑連續(xù)重力觀測臺網(wǎng)邐全國邐＾邐分鐘欣邐３０（Ｍ５０注：本統(tǒng)計為２０１６年的臺網(wǎng)觀測統(tǒng)計結(jié)果。逡逑１．２．２時變重為信號逡逑地球時變重力場包含地球各圈層物質(zhì)運移的豐富信息，直接反映了地球最本物質(zhì)變化及其物性特征，是各種環(huán)境變化導(dǎo)致地球動力學(xué)特征最基本、最直和最重要的物理量之一（孫和平等，２００６；王迪晉等，２００９；a側(cè)勢嫻齲玻埃鼻傘Ｔ謚謚亓Φ氖北湫藕胖校渲寫笥冢

本文編號：2744240