论文部分内容阅读
地震发生时，震源区的介质会发生急速破裂、变形和运动，由于地球介质的连续性，这种变形和运动产生的能量就会向地球内部和表层各处传播开来，形成了连续介质中的弹性波，也就是地震波，它为人们揭示地球内部奥秘提供了最直接的观测信息。近年来，随着大地测量技术的快速发展，特别是超导重力仪、gPhone相对重力仪以及高频甚至超高频GNSS接收机等高频仪器的出现，为地震学的研究打开了一扇新的大门。
从地震断层破裂开始到破裂过程结束，震源附近会发生明显的质量和密度变化，根据万有引力定律，这种变化将会引起地面上任意观测台站位置处的重力发生瞬时变化。瞬时重力变化的存在，对于更早的进行地震预警和更准确的估计地震震级有着重要意义。
在利用重力和高频GNSS观测资料进行地震学研究时，其中同震信号包含的非稳态的永久性变形和稳态的地震波信号相互叠加、相互影响，如何快速、准确分离是准确反演震源参数和破裂过程的关键。此外，对于分离得到的高频地震波信号，高频GNSS分离得到的是地面弹性运动位移结果，可以直接与地震计记录的速度的积分结果进行比较、利用，而从重力非潮汐分量中分离得到的高频信号是地面弹性运动引起的重力变化，它与地面弹性运动加速度之间的关系对于能否利用其进行震源破裂过程反演是非常重要的。
基于此，本文选取了近几年国内外发生的几次强震，主要研究了瞬时重力变化信号的理论模拟、连续重力与高频GNSs观测资料的同震信号分离以及重力仪记录的地震波形分析。本论文共有六章内容:第一章为绪论，概述了本文的研究背景、研究目的和意义以及国内外的研究现状;第二章主要介绍了重力、GNSS观测以及地震仪的基本原理及数据处理方法;第三章介绍了瞬时重力变化的理论推导及其理论模拟的方法和工具，选取2011年Tohoku-Oki地震和2015年尼泊尔地震，将理论模拟结果与实测数据进行了对比分析;第四章介绍了同震信号分离的必要性，引入平滑先验信息方法，结合连续重力和高频GNSS的实测数据进行处理和分析;第五章利用昆明台同址观测的gPhone重力仪与STS-1地震仪的观测资料，对近几年国内发生的4次地震进行了波形对比和频谱分析;第六章对本文的主要研究工作进行了总结，并对下一步的研究工作进行了设想。
本文的贡献和创新工作主要集中在以下三个方面:
1.由于瞬时重力变化信号的量级很小，现有的重力观测仪器大都难以观测到，其中观测精度最高的超导重力仪是最有可能记录到该信号的仪器，因此，本文以超导重力仪观测数据为基础，并且利用SPECFEM3D软件包对瞬时信号进行了理论模拟，对比分析了实测数据和理论模拟结果，这对于今后开展进一步的研究奠定了坚实的基础。对于瞬时响应的理论模拟，可以为今后确定实测结果的可靠性提供参考依据，为今后在仪器设计阶段提出相应的精度要求。瞬时重力变化的存在，对于更早的进行地震预警和更准确的估计地震震级有着非常重要的意义。
2.在利用连续重力和高频GNSS观测数据进行地震学研究时，其中所包含的同震重力效应(永久性变形)和高频地震波信号相互叠加、相互影响。传统的信号分离方法，并不适合用于处理这种非稳态信号。本文针对该问题，根据实际物理问题本身的特点(地震波传播频率固定，与震级大小、震中距远近无关)，引入了平滑先验信息方法，实现了两者的快速、准确分离，分离得到的同震重力效应(永久性变形)可用于约束震源参数的反演，地震波可用于反演震源断层的破裂过程。
3.重力仪记录的地震波是由地面弹性运动引起的重力变化，而地震仪记录的地震波是地面弹性运动的速度，经过一次微分，得到的是地面弹性运动加速度的波形。由于重力仪与地震仪的工作原理不完全一致，要想充分利用重力仪记录的地震波，必须对其进行分析讨论。本文针对该问题，选取了近几年国内发生的几次地震，利用昆明台同址观测的gPhone型相对重力仪与STS-1数字地震仪的观测资料，对其进行了对比分析。结果显示，重力仪与地震仪记录的地震波具有很高的一致性，其观测资料可以提供高精度的垂向地震波记录，这也弥补了高频GNSS在垂向解算精度较差的问题，可为震源破裂过程的研究提供新的信息来源。
从地震断层破裂开始到破裂过程结束，震源附近会发生明显的质量和密度变化，根据万有引力定律，这种变化将会引起地面上任意观测台站位置处的重力发生瞬时变化。瞬时重力变化的存在，对于更早的进行地震预警和更准确的估计地震震级有着重要意义。
在利用重力和高频GNSS观测资料进行地震学研究时，其中同震信号包含的非稳态的永久性变形和稳态的地震波信号相互叠加、相互影响，如何快速、准确分离是准确反演震源参数和破裂过程的关键。此外，对于分离得到的高频地震波信号，高频GNSS分离得到的是地面弹性运动位移结果，可以直接与地震计记录的速度的积分结果进行比较、利用，而从重力非潮汐分量中分离得到的高频信号是地面弹性运动引起的重力变化，它与地面弹性运动加速度之间的关系对于能否利用其进行震源破裂过程反演是非常重要的。
基于此，本文选取了近几年国内外发生的几次强震，主要研究了瞬时重力变化信号的理论模拟、连续重力与高频GNSs观测资料的同震信号分离以及重力仪记录的地震波形分析。本论文共有六章内容:第一章为绪论，概述了本文的研究背景、研究目的和意义以及国内外的研究现状;第二章主要介绍了重力、GNSS观测以及地震仪的基本原理及数据处理方法;第三章介绍了瞬时重力变化的理论推导及其理论模拟的方法和工具，选取2011年Tohoku-Oki地震和2015年尼泊尔地震，将理论模拟结果与实测数据进行了对比分析;第四章介绍了同震信号分离的必要性，引入平滑先验信息方法，结合连续重力和高频GNSS的实测数据进行处理和分析;第五章利用昆明台同址观测的gPhone重力仪与STS-1地震仪的观测资料，对近几年国内发生的4次地震进行了波形对比和频谱分析;第六章对本文的主要研究工作进行了总结，并对下一步的研究工作进行了设想。
本文的贡献和创新工作主要集中在以下三个方面:
1.由于瞬时重力变化信号的量级很小，现有的重力观测仪器大都难以观测到，其中观测精度最高的超导重力仪是最有可能记录到该信号的仪器，因此，本文以超导重力仪观测数据为基础，并且利用SPECFEM3D软件包对瞬时信号进行了理论模拟，对比分析了实测数据和理论模拟结果，这对于今后开展进一步的研究奠定了坚实的基础。对于瞬时响应的理论模拟，可以为今后确定实测结果的可靠性提供参考依据，为今后在仪器设计阶段提出相应的精度要求。瞬时重力变化的存在，对于更早的进行地震预警和更准确的估计地震震级有着非常重要的意义。
2.在利用连续重力和高频GNSS观测数据进行地震学研究时，其中所包含的同震重力效应(永久性变形)和高频地震波信号相互叠加、相互影响。传统的信号分离方法，并不适合用于处理这种非稳态信号。本文针对该问题，根据实际物理问题本身的特点(地震波传播频率固定，与震级大小、震中距远近无关)，引入了平滑先验信息方法，实现了两者的快速、准确分离，分离得到的同震重力效应(永久性变形)可用于约束震源参数的反演，地震波可用于反演震源断层的破裂过程。
3.重力仪记录的地震波是由地面弹性运动引起的重力变化，而地震仪记录的地震波是地面弹性运动的速度，经过一次微分，得到的是地面弹性运动加速度的波形。由于重力仪与地震仪的工作原理不完全一致，要想充分利用重力仪记录的地震波，必须对其进行分析讨论。本文针对该问题，选取了近几年国内发生的几次地震，利用昆明台同址观测的gPhone型相对重力仪与STS-1数字地震仪的观测资料，对其进行了对比分析。结果显示，重力仪与地震仪记录的地震波具有很高的一致性，其观测资料可以提供高精度的垂向地震波记录，这也弥补了高频GNSS在垂向解算精度较差的问题，可为震源破裂过程的研究提供新的信息来源。