青藏高原GRACE衛(wèi)星重力長(zhǎng)期變化研究

劉 杰

河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454003

青藏高原隆升是地球上新生代以來最壯觀的地質(zhì)事件之一，對(duì)東亞乃至全球大陸動(dòng)力學(xué)研究具有舉足輕重的作用，一直是國(guó)際地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)區(qū)域。隨著近年來現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)(如GPS、衛(wèi)星測(cè)高、絕對(duì)重力、雷達(dá)干涉測(cè)量等)的蓬勃發(fā)展，特別是2002年GRACE重力衛(wèi)星的成功發(fā)射，為研究全球物質(zhì)分布和季節(jié)性變化提供了重要參考依據(jù)，同時(shí)也為研究青藏高原動(dòng)力學(xué)提供了可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)和便捷的觀測(cè)手段。GRACE衛(wèi)星發(fā)射至今已超過13年，隨著資料的累積和數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)與成熟，用GRACE衛(wèi)星資料研究長(zhǎng)期性變化成為新的熱點(diǎn)。

論文首先介紹了現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)在青藏高原地區(qū)的應(yīng)用研究進(jìn)展，然后結(jié)合球諧函數(shù)理論系統(tǒng)闡述了衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)處理的基本理論和方法。以此為基礎(chǔ)得到2003—2013年中國(guó)及周邊地區(qū)長(zhǎng)期性重力變化，重點(diǎn)對(duì)青藏高原內(nèi)陸祁連山地區(qū)明顯的重力增加信號(hào)進(jìn)行了相關(guān)研究，最后對(duì)青藏高原南部地殼形變進(jìn)行了相關(guān)分析。論文主要內(nèi)容如下：

(1) 發(fā)展和完善了GRACE時(shí)變重力場(chǎng)解算的處理流程和方法。處理過程包括：低階項(xiàng)的替換，去平均，多項(xiàng)式去相關(guān)，高斯(扇形)濾波，最終由Stokes球諧系數(shù)解算得到大地水準(zhǔn)面起伏或重力異常變化。

(2) 將CSR、GFZ、JPL 3家機(jī)構(gòu)提供的最新RL05 Level-2球諧系數(shù)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，通過平均得到全球重力2003—2013年長(zhǎng)期性變化趨勢(shì)。通過水文模型GLDAS和CPC扣除土壤水和雪水的影響，利用Paulson提供的冰川模型結(jié)果扣除GIA的影響，通過尺度因子的方法來恢復(fù)數(shù)據(jù)處理過程中誤差的影響，基于最小二乘計(jì)算方法得到2003—2013年中國(guó)及周邊地區(qū)長(zhǎng)期性重力變化。發(fā)現(xiàn)青藏高原內(nèi)陸地區(qū)有明顯重力上升信號(hào)，認(rèn)為湖水位上升引起的質(zhì)量增加(8 Gt/yr)不能很好地解釋該質(zhì)量增加信號(hào)(12.5±3 Gt/yr)，并認(rèn)為可能是由印度板塊俯沖歐亞板塊引起。

(3) 從構(gòu)造的角度來進(jìn)行解釋青藏高原內(nèi)陸地區(qū)明顯的質(zhì)量增加信號(hào)，依據(jù)GPS結(jié)果和艾黎均衡假說構(gòu)建了簡(jiǎn)單的地殼形變模型，并通過直立長(zhǎng)方體模型予以正演模擬分析。以班公湖—怒江斷裂帶為界將青藏高原劃分為南北兩大區(qū)塊，結(jié)果顯示青藏高原內(nèi)陸地區(qū)重力大致以0.2 μGal/a的速率遞增，小于GRACE得到的0.3±0.08 μGal/a的增長(zhǎng)速率，剩余未解釋部分可能與湖水、冰川因素及凍土等因素有關(guān)。同時(shí)GRACE結(jié)果(扣除GIA及水文因素影響)顯示青藏高原南部地區(qū)重力大致以-0.62±0.06 μGal/a的速率在變化，該結(jié)果是包括構(gòu)造及地下水等因素的綜合影響。而正演模型得到青藏高原南部重力約以0.1 μGal/a的速率在遞增，說明構(gòu)造因素造成的重力變化較地下水、冰雪等因素的影響處于次要地位。結(jié)果還顯示青藏高原地殼底部增厚速率約為2.1 cm/a。

(4) 聯(lián)合GRACE衛(wèi)星重力與GPS、絕對(duì)重力技術(shù)對(duì)青藏高原南部地區(qū)地殼形變狀況進(jìn)行相關(guān)探討分析。采用南加州綜合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的遠(yuǎn)程連續(xù)GPS站服務(wù)網(wǎng)，基于GAMIT/GLOBK軟件分析得到拉薩測(cè)站1999—2015年的垂向隆升速率為1.5 mm/a，顯示拉薩測(cè)站一直在隆升。接著分析了該網(wǎng)絡(luò)中其余3個(gè)測(cè)站TPLJ、CHLM、JMSM，然后對(duì)GPS和GRACE的結(jié)果進(jìn)行比較，GPS結(jié)果顯示這4個(gè)測(cè)站近10年來的平均上升速率為2.3±0.11 mm/a，GRACE得到的垂向位移時(shí)間序列顯示2003—2013年除了季節(jié)性變化外有輕微的上升趨勢(shì)。最后基于絕對(duì)重力資料在考慮諸多因素(地殼隆升，侵蝕，GIA等)之后得到了拉薩測(cè)站近些年重力變化約為-0.97 μGal/a，估計(jì)青藏高原拉薩測(cè)站地殼底部增厚速率約為4.4 cm/a，揭示了青藏高原南部地區(qū)的地殼形變特征—地殼隆升與底部增厚。