基于GPS和地表負荷模型的青藏高原及周邊地區垂向速度場

印度板塊和歐亞板塊的持續碰撞和向北推擠所形成的青藏高原,至今仍是世界上構造活動最為活躍的地區之一。中國大陸超過三分之二的7級以上強震都發生于此,青藏高原巖石圈三維構造變形及其地球動力學演化機制一直是地球科學領域研究的重要前沿課題,對我國地震災害的預測和評估具有重大的現實意義。隨著近幾十年來GNSS技術的快速發展和觀測數據的不斷累積,可靠的三維地殼運動信息極大地推動青藏高原及其周緣的構造變形研究。

目前基于GNSS數據獲得的地殼水平運動速度場已經能夠很好的展示區域構造的差異性運動特征,但受限于GNSS連續站點位稀疏等原因影響,精細的地殼垂向構造運動特征還存在著較大的不確定性。針對這一問題,中國地震局地震預測研究所趙倩研究員與其合作者開展了深入研究,利用中國陸態網絡工程Ⅰ期和Ⅱ期的113個GPS連續站和969個GPS流動站觀測數據(圖1),采用區域最優地表質量負荷模型(SML),獲取了青藏高原及其周緣高精度高空間分辨率的垂向速度場。

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圖1.GPS連續站和流動站位置

研究發現,不同機構提供的SML產品在不同區域對GPS時間序列的修正效果不盡相同,我們根據地質地貌和構造活動板塊差異,分區域構建最優地表負荷模型,再利用區域最優地表負荷模型來修正數千個GNSS流動站時間序列中所包含的非構造信號影響,重構時間序列中的構造形變信號。結果表明,采用區域最優SML對數千個GPS流動站時間序列進行修正后,超過75%的測站的RMS減?。▓D2),且大部分GNSS流動站的垂向速度場都能與其周圍的連續站保持一致,表明了利用最優SML來修正非構造信號的可行性和可靠性。

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圖2.SML修正后的GPS垂向時間序列的RMS減小量

基于GNSS數據提取的青藏高原及周緣地區垂向構造形變場(圖3),精確地刻畫了了青藏高原地區地殼垂向形變的運動學特征,同時也為區域構造運動的地球動力學機制研究提供了更全面的約束。此外,申請人還結合高精度高空間分辨率的GNSS垂向速度場,初步分析了青藏高原及其周緣地區垂向構造變形的動力學來源(地幔動態地形、均衡調整和撓曲負荷),結果表明不同構造單元的垂向構造運動存在迥異的動力學驅動源。

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圖3.ITRF2014框架下的GPS垂向速度場

上述研究成果發表在地學領域Nature Index著名學術期刊《Earth and Planetary Science Letters》(EPSL,中科院1區Top,IF:5.785)。論文第一兼通訊作者為趙倩研究員,合作作者包括盧森堡大學陳強博士后、美國猶他大學Tonie van Dam教授、地震預測研究所佘雅文副研究員和吳偉偉助理研究員。論文第一署名單位為中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室(Key Laboratory of Earthquake Prediction, Institute of Earthquake Forecasting, CEA)。該研究受到了國家自然科學基金項目(41974012)的資助。

論文信息:Qian Zhao*, Qiang Chen, Tonie van Dam, Yawen She, Weiwei Wu, 2023. The vertical velocity field of the Tibetan Plateau and its surrounding areas derived from GPS and surface mass loading models. Earth and Planetary Science Letters 609, 118107, https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118107.

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