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福建东南沿海地区三维形变场监测及动力学机制研究

作　者: 龚云
导　师: 杨志强
学　校: 长安大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: 断裂带 D-InSAR 大地测量反演位错模型有限元数值模拟
分类号: P227
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

福建地区属于华南褶皱系武夷－戴云隆折带，该地区紧连环太平洋地震带，属于中国地震活动较活跃的地区之一。从板块构造角度看，福建地区位于亚欧板块的东南缘，地处太平洋板块（菲律宾板块）向亚欧板块俯冲、碰撞带的内侧。因受到太平洋板块（菲律宾板块）、亚欧板块运动的联合影响，在长期的构造演化环境下，福建地区的构造活动带不断变迁，地质构造活动极为复杂。特别是福建东南沿海地区受到来自几大板块相互碰撞产生的作用，如印度板块、太平洋板块、欧亚板块和菲律宾板块，这几大板块中，相互之间会因为不同的运动形式产生挤压作用、侧压作用和扩张等产生不同的板块作用。具体来说，印度板块、欧亚板块、太平洋板块和菲律宾板块之间的相互作用，其中有来自菲律宾板块和太平洋板块向欧亚板块的挤压，以及在印度板块的挤压下青藏高原强烈隆起所派生的向东侧压以及冲绳海沟的扩张等联合作用。大地测量学的快速发展，使得高精度和高稳定性的观测、大信息量的获取、快速准实时的信息处理成为可能，从而为地球动力学的定量研究，提供了极其重要的新手段，具有极其重要的意义。在地壳运动的三维形变监测方面，利用高精度的全球定位系统技术（GPS）、合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）、甚长基线干涉测量技术（VIBL）、人卫测距技术（SLR）等现代大地测量手段，给出的对于地壳大范围长期变化、地壳运动时空密集的运动观测数据，这些形变数据都支持对于地球科学研究具有定量的作用。利用大地测量手段获取大范围和时空密集的三维地壳形变场，对于地壳形变运动趋势的研究、深部动力学机制的推断是极为重要的。由于随着地学研究的进一步深入，地壳板块构造运动的特征、断层活动特性、构造应力场特征、断裂发震危险性评价等深部机制的研究成为重点。因此，结合大范围和时空密集的三维地壳形变场，利用地球物理反演、三维数值模拟等方法，多角度、多学科、多领域的深入研究引发地壳运动的地球内部动力学机制是当前地学研究的重要形式及热点。近年来，地质学家对福建东南沿海及其邻近地区的运动进行了比较广泛的研究，尤其对相邻板块碰撞机制、地球动力学过程、地质构造深化规律和环境迁变这些运动进行了更为深入、全面的研究。通过对福建东南沿海地区运动性的研究，提出了研究对象在形变和相对运动、活动断裂地壳活动三者之间存在的动力关系。为该地区的地质学研究和地震研究提供了重要的数据凭证，为福建东南沿海地区大陆动力学的研究提供了很重要的理论指导，除此之外，还可以影响这个地区在数据模拟过程、运动动力学研究的进行。这些问题的探讨对于发展福建东南沿海地区地球科学理论、认识福建东南沿海地区构造运动、论述该地区在东南沿海地区内部构造变形机制、讨论推测环境变迁、防灾减灾这些方面都有着很现实的理论指导意义和现实应用价值。本文以福建东南沿海地区三维形变场监测、特征分析以及其动力学机制为主要研究目标，在总结福建东南沿海地区地质构造特征、断层活动特性、地质钻孔勘察、地球物理勘探等资料的基础上，综合利用GPS、水准、InSAR等大地测量技术手段，对福建东南沿海地区块体活动趋势、内部形变特征、应力应变关系等进行细致研究比较；综合利用大地测量反演、三维数值模拟等处理技术，对其细部、深部特征进行进一步分析研究，综合区域外围的华南板块、台湾地区的地壳运动特征，提出合理的福建东南沿海地区深部构造机理，针对上述的研究目的，本文研究的主要内容及取得结论如下：一、系统收集整理福建东南沿海地区的地质构造、物理探测、地壳形变资料，详细掌握该地质单元的演化规律及构造背景，并对福建东南沿海地区区域构造应力场与动力背景进行初步研究。地质资料表明：大型断裂系统对于区内运动的影响是不可忽视的，区内断裂构造是造成区内不均匀运动的重要原因。福建东南沿海的构造格局主要由北东向断裂带(长乐一诏安断裂带和滨海断裂带)和北西向断裂带(九龙江断裂带，晋江一永安断裂带，兴化湾断裂带和闽江断裂带)两组第四纪断裂带控制；在重心基准下(扣除块体内的整体运动)，区内地壳形变运动比较小，结果表明福建地区形变是南强北弱，东强西弱。二、优化改造研究区域的现有地壳形变监测网络，设计GPS及水准监测方案，对城市群、国家重点项目所在区域进行重点布设，为研究区域的地壳三维形变场及城市规划提供依据。本章主要介绍了福建东南沿海地区现有水准、GPS监测网的成果，并对现今监测网络进行优化改造，并研究设计完善监测方案。大地测量数据表明：福建东南沿海地区现今表面运动的总体格局取决于周边大型构造块体的相对运动状态，从GPS资料分析处理结果来看，区内运动基本沿SE方向运动，且具有较强的整体一致性，同时又具分区变化特征，存在着差异运动。三、在传统大地测量手段基础上，进一步研究了InSAR和D-InSAR技术获取大尺度、高精度垂直形变的技术可行性，论文重点探讨了SBAS-InSAR技术应用于福建东南沿海地区城市群地面沉降形变监测，采用最小二乘和小基线集的多基线距D-InSAR方法，采用多平台对获取的影像进行处理，将InSAR干涉数据与水准测量数据相结合，描述了福州盆地、泉州盆地及漳州盆地的沉降速率及其特征。InSAR技术获取福州盆地处于沉降状态，厦漳地区处于抬升状态，泉州地区升降不明显，这一结果与精密水准测量结果基本吻合。四、根据地球表面监测到的形迹资料对地球内部的空间变化以及地球内部介质物理状态进行反推，这就是大地测量反演问题，在地球科学的研究体系中，占据着很重要的地位，大地测量学和地震学、地球物理学紧密结合、相互联系，并不是一个独立的学科，其中联合反演是地球物理数据分析的理想工具。论文结合多类数据联合反演断层参数，选用OKADA位错模型，利用该区域的GPS、水准、及部分InSAR成果，通过粒子群算法对断层的三维滑动速率进行反演，重点对长乐-诏安断裂带断层特性进行了分析。利用GPS、水准、InSAR等资料联合反演断层参数得出：断层运动速率较低，每年变化量仅1mm/a左右，从形成性质及特点来看，长安-诏安断裂带体现出以压性逆断为主要的运动方式，在形成受力方面成因相同，从运动速率来目的地，从南到北，速率依次变弱，南段层运动比北段大。五、通常在地球物理和大地测量反演领域进行运用的方法有很多，其中较为重要的有有限元法，这种方法最根本的数值计算方法是变分原理和部分插值计算法，它可以将偏微分方程的求解问题由难变易，变成一个线性方程的求解过程。论文结合采用有限元方法，基于粘弹性本构关系，采用三维数值模拟得到应力应变场，进行了应力应变场数值模拟。利用三维粘弹性模型模拟：1）主压应力为主张应力的3～4倍，区域应力场主压应力方位为NW(NWW)-SE(SEE).在此应力场作用下， NE向断层呈压性运动， NW向断层呈张性运动。地壳运动速度和应力变化的规律，表明福建地区在地震发生时具有一定的特征：地震发生前后应力都会突然增加。积蓄弹性应变能。在地震发生时包括震后，应变能都会得到释放，最终基本恢复到原来的状态。2）长乐一诏安断裂带和滨海断裂带和北西向断裂带(九龙江断裂带，晋江一永安断裂带，兴化湾断裂带和闽江断裂带)附近应力较为集中，现今构造运动活跃，影响着周围区域的形变特征。六、在获取了大地测量地壳运动监测的前提下，结合已经取得基础成果的基础上，论文在前面研究的基础上，分析研究了地壳形变的变形特征，推断地壳变形的原因，找出产生地壳变形的力源，研究了福建东南沿海地区地壳形变的动力学机制。区域构造动力学机制研究：控制东南部现代地壳应力场和地壳运动的主要力源是来自菲律宾板块和太平洋板块向欧亚板块的挤压，以及在印度板块的挤压下青藏高原强烈隆起所派生的向东侧压以及冲绳海沟的扩张等联合作用，这说明对于福建东南沿海及邻区而言，其现今地壳运动及区内形变状态是多种驱动力共同作用的结果。

全文目录

摘要  4-8
Abstract  8-15
第一章绪论  15-28
  1.1 引言  15-17
  1.2 福建东南沿海地区地质背景  17-18
  1.3 福建东南沿海地区地壳形变监测及动力学机制研究进展  18-24
  1.4 本文研究意义及主要内容  24-28
    1.4.1 论文研究意义  24-25
    1.4.2 主要研究内容及方法  25-28
第二章福建东南沿海地区的地质环境背景  28-47
  2.1 福建地区地质概况  28-29
  2.2 福建东南沿海地区区域地质构造概况  29-32
  2.3 新构造运动及主干断裂构造特征  32-39
    2.3.1 新构造运动基本特征  32
    2.3.2 新构造分区  32-35
    2.3.3 主干断裂构造特征  35-39
  2.4 区域地壳结构与深部构造背景  39-45
    2.4.1 重力异常特征  39-41
    2.4.2 区域航磁特征  41-43
    2.4.3 区域地壳结构与莫霍面形态  43-45
  2.5 福建东南沿海地区区域构造应力场  45-47
    2.5.1 地壳形变场特征  45-46
    2.5.2 区域构造应力场  46-47
第三章福建东南沿海地区大地测量监测系统设计及实施  47-59
  3.1 福建省地壳形变观测台网建设  47-50
  3.2 中国地壳运动观测网络介绍  50-52
  3.3 福建东南沿海地区地壳形变监测成果介绍  52-55
  3.4 GPS 控制网优化  55-57
  3.5 监测方案  57-59
    3.5.1 监测目的  57-58
    3.5.2 GPS 监测实验方案  58-59
第四章合成孔径雷达技术在地表沉陷监测中的应用  59-91
  4.1 合成孔径雷达干涉测量概述  59-62
  4.2 合成孔径雷达技术原理  62-77
    4.2.1 合成孔径雷达原理  62-68
    4.2.2 差分干涉雷达技术  68-71
    4.2.3 D-InSAR 的关键算法  71-77
  4.3 基于相干目标的小基线集方法  77-80
    4.3.1 基于最小二乘的多基线距 D-InSAR 方法  77-79
    4.3.2 基于小基线集的多基线距 D-InSAR 方法  79-80
  4.4 福建地区的实际处理  80-89
    4.4.1 地理位置  80
    4.4.2 数据的选取  80-82
    4.4.3 数据的预处理  82-85
    4.4.4 数据的处理  85-89
    4.4.5 结果分析  89
  4.5 实验区域监测结论  89-91
第五章多类数据联合反演断层参数  91-110
  5.1 引言  91-93
  5.2 反演的一般理论模型  93-94
  5.3 位错模式理论  94-101
    5.3.1 位错引起的位移、应斜和应变  95-99
    5.3.2 位错引起的重力变化  99-101
  5.4 多类数据联合反演的目标函数  101-102
  5.5 最优解算法  102-106
    5.5.1 粒子群算法  102-103
    5.5.2 粒子群算法 Matlab 实现  103-106
  5.6 多类数据联合反演断层参数  106-107
    5.6.1 区域的选取  106
    5.6.2 数据的选取  106-107
    5.6.3 联合反演的步骤  107
  5.7 长乐-诏安断裂断层参数反演结果及其分析  107-110
第六章基于 GPS 速度场的粘弹性的有限元数值模拟分析  110-133
  6.1 引言  110-113
  6.2 有限单元方法的基本理论  113-118
    6.2.1 有限单元方法的基本思想及流程  113-114
    6.2.2 有限单元方法理论模型  114-117
    6.2.3 有限单元方法步骤  117-118
  6.3 几种本构模型  118-125
    6.3.1 线弹性材料  118-122
    6.3.2 粘弹性材料  122-125
  6.4 有限元粘弹性模拟分析  125-127
  6.5 三维有限元数值模型计算结果及分析  127-133
    6.5.1 福建东南沿海地区现今速度场的数值模拟结果及分析  127-131
    6.5.2 福建东南沿海地区应力应变场的数值模拟及分析  131-133
第七章福建东南沿海地区构造应力场分析  133-139
  7.1 华南块体的现今构造运动与内部形变  133-135
  7.2 福建东南沿海地区的初始动力源  135-136
  7.3 福建东南沿海地区的构造应力场成因分析  136-139
结论与展望  139-142
参考文献  142-151
攻读学位期间取得的研究成果  151-153
致谢  153

福建东南沿海地区三维形变场监测及动力学机制研究

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