青藏高原GRACE卫星重力长期变化研究

刘 杰

河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454003

青藏高原隆升是地球上新生代以来最壮观的地质事件之一，对东亚乃至全球大陆动力学研究具有举足轻重的作用，一直是国际地球科学研究的热点区域。随着近年来现代大地测量技术(如GPS、卫星测高、绝对重力、雷达干涉测量等)的蓬勃发展，特别是2002年GRACE重力卫星的成功发射，为研究全球物质分布和季节性变化提供了重要参考依据，同时也为研究青藏高原动力学提供了可靠的观测数据和便捷的观测手段。GRACE卫星发射至今已超过13年，随着资料的累积和数据处理方法的改进与成熟，用GRACE卫星资料研究长期性变化成为新的热点。

论文首先介绍了现代大地测量技术在青藏高原地区的应用研究进展，然后结合球谐函数理论系统阐述了卫星重力数据处理的基本理论和方法。以此为基础得到2003—2013年中国及周边地区长期性重力变化，重点对青藏高原内陆祁连山地区明显的重力增加信号进行了相关研究，最后对青藏高原南部地壳形变进行了相关分析。论文主要内容如下：

(1) 发展和完善了GRACE时变重力场解算的处理流程和方法。处理过程包括：低阶项的替换，去平均，多项式去相关，高斯(扇形)滤波，最终由Stokes球谐系数解算得到大地水准面起伏或重力异常变化。

(2) 将CSR、GFZ、JPL 3家机构提供的最新RL05 Level-2球谐系数产品进行对比分析，通过平均得到全球重力2003—2013年长期性变化趋势。通过水文模型GLDAS和CPC扣除土壤水和雪水的影响，利用Paulson提供的冰川模型结果扣除GIA的影响，通过尺度因子的方法来恢复数据处理过程中误差的影响，基于最小二乘计算方法得到2003—2013年中国及周边地区长期性重力变化。发现青藏高原内陆地区有明显重力上升信号，认为湖水位上升引起的质量增加(8 Gt/yr)不能很好地解释该质量增加信号(12.5±3 Gt/yr)，并认为可能是由印度板块俯冲欧亚板块引起。

(3) 从构造的角度来进行解释青藏高原内陆地区明显的质量增加信号，依据GPS结果和艾黎均衡假说构建了简单的地壳形变模型，并通过直立长方体模型予以正演模拟分析。以班公湖—怒江断裂带为界将青藏高原划分为南北两大区块，结果显示青藏高原内陆地区重力大致以0.2 μGal/a的速率递增，小于GRACE得到的0.3±0.08 μGal/a的增长速率，剩余未解释部分可能与湖水、冰川因素及冻土等因素有关。同时GRACE结果(扣除GIA及水文因素影响)显示青藏高原南部地区重力大致以-0.62±0.06 μGal/a的速率在变化，该结果是包括构造及地下水等因素的综合影响。而正演模型得到青藏高原南部重力约以0.1 μGal/a的速率在递增，说明构造因素造成的重力变化较地下水、冰雪等因素的影响处于次要地位。结果还显示青藏高原地壳底部增厚速率约为2.1 cm/a。

(4) 联合GRACE卫星重力与GPS、绝对重力技术对青藏高原南部地区地壳形变状况进行相关探讨分析。采用南加州综合网络构建的远程连续GPS站服务网，基于GAMIT/GLOBK软件分析得到拉萨测站1999—2015年的垂向隆升速率为1.5 mm/a，显示拉萨测站一直在隆升。接着分析了该网络中其余3个测站TPLJ、CHLM、JMSM，然后对GPS和GRACE的结果进行比较，GPS结果显示这4个测站近10年来的平均上升速率为2.3±0.11 mm/a，GRACE得到的垂向位移时间序列显示2003—2013年除了季节性变化外有轻微的上升趋势。最后基于绝对重力资料在考虑诸多因素(地壳隆升，侵蚀，GIA等)之后得到了拉萨测站近些年重力变化约为-0.97 μGal/a，估计青藏高原拉萨测站地壳底部增厚速率约为4.4 cm/a，揭示了青藏高原南部地区的地壳形变特征—地壳隆升与底部增厚。