基于多源观测信息融合的地壳粘弹性形变反演模型研究

Elastic models are widely used to study crustal deformation though sometimes it is hard to fit all the observations. Here we propose an advanced model based on the thoeries of multi-source data fusion,visco-elastic continuum mechanics, robust estimation, mixed total least squares and geodetic inversion. The new model is capable of fitting well with data from seismic, geophysical, GPS, gravity and levelling methods observed over many years. The key tasks include: (1) Developping a proper geophysical model to fit the observed data and the criteria to combine multiple datasets; (2) Studying the probability distribution functions and random process of the multi-source data, physical chacteristics of the visco-elastic materials, determination of the design matrix and the state vector of the dynamic robust inversion model; (3) Studying on the improvement of apriori information for ill-posed problems, and the method to make weight matrix for new regulation algorithms. A dynamic visco-elastic inversion model will finally be developped to combine data from multiple sources. The models and methods will be tested using data in Sichuan-Yunnan area. All the achievements will be integrated and released as a software package. The results will be able to provide basic theories and technological support for some relative directions, and will be widely used in both scientific and application studies in the future.

课题突破地壳形变分析的刚、弹性力学假设，针对地壳形变分析问题，利用我国长期积累的地震、地球物理、GPS、重力、水准测量等多种观测资料，基于多源数据融合理论、粘弹性介质力学理论、抗差估计、混合最小二乘理论和大地测量反演理论及方法，主要研究：（1）考虑观测信息时序特征的各类观测数据与模型参数之间的数学物理描述及多源数据的融合准则；（2）多源观测信息分布特征及粘弹性介质性质，观测向量随机过程，动态抗差反演模型的状态向量和设计矩阵的确定；（3）先验信息对不适定问题改善的影响，及新的正则化算法权阵的构造。研究出多源数据融合模型、粘弹性动态反演模型、不适定问题的新解法、多源数据的反演分析方法及川滇地区粘弹性形变规律及时空变化特征，并形成一套切实可用融合多源观测信息的地壳粘弹性形变反演分析研究及应用软件，为该方向的相关研究提供理论基础和技术支持，具有重要的科学意义和较大的应用价值。

地壳运动、形变及其动力学成因的研究一直是地球科学领域的热点和难点。项目主要基于多源大地测量数据，针对地壳构造应力场及模型、板块刚体运动模型、弹塑性形变模型及其应用开展深入研究。其主要内容包括：.（1）开展了重力构造机制的研究，研究了基于球壳模型假设的重力构造应力场计算方法，以华北地区为例，计算得到华北地区不同地层构造应力场数值模型。.（2）研究了重力构造应力场与密度异常关系，结合360阶的地球重力场模型 和中国大陆 数字高程模型分别计算了重力异常 和大地水准面高 的值，计算了研究区地面以下不同深度处的密度异常和平均构造应力值。利用有限单元数值算法研究了华北地区有关地球动力学问题。.（3）利用中国“陆态网”最新GPS观测数据，建立了环渤海区域整体以及内部各块体的整体旋转与均匀应变模型和整体旋转与线性应变两种弹性运动模型。.（4）提出利用最小二乘配置反演地壳弹塑性形变参数的两步法，即最小二乘配置拟合模型构建，利用最小二乘滤波方法提取块体内部不规则形变。第二步，基于第一步形变量建立地壳弹塑性形变应变模型，估计出板内应变参数。并研究了环渤海区域地壳运动模式及形变。.（5）针对块体的整体旋转与均匀应变模型中的“均匀”和“线性”假设在复杂构造区域难以适用的问题，提出地壳的半参数弹塑性运动应变模型，实例进行了验证。.（6）基于混合最小二乘方法，利用中国大陆长期积累的地震矩张量和GPS观测资料联合反演了中国大陆各主要块体（7个）的欧拉运动参数。提出两类观测数据的相对权比反演新算法，新方法具有普适性。.（7）利用地震矩张量和GPS数据构建联合反演模型，建立了中国大陆各主要褶皱带的运动变形模型，研究了中国大陆块体（14个构造块体）的整体运动矢量和各块体间褶皱带缩短速率矢量及其滑动规律，给出了中国大陆各主要块体边界的相对运动速率矢量图。