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浅谈地壳运动监测方法.doc

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浅谈 地壳运动 监测 方法
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目:浅谈地壳运动监测方法 资源工程学院浅谈地壳运动监测方法【摘要】 基于 GPS 对地表表面的监测的稳定性,长期性,连续性,精度高等特点,从而可以判断地壳的变化情况及趋势,并且与挤压变形的结合,形成一个长期的监测手段。在用卫星热红外影像进行整体区域的蕴藏能量的判断,进行短期的辅判,形成一个长短结合,质变到量变的一体化监测模型。并且结合“中国地壳运动监测网络”与地球板块运动模型,形成整体与部分相结合的地壳运动监测模型。为预测地壳的变动以及在灾害面前保卫人民生命财产争取更多的时间提供更准确更可靠的服务。【关键词】 GPS;中国地壳运动监测网络;雷达与热红外遥感;地壳变形监测;互联网目录1.引言 ..................................................................................11.1 研究背景 ........................................................................11.2 研究现状 ........................................................................11.3 研究目的和意义 ..................................................................12.地壳运动的概述 ........................................................................12.1 地壳运动的原因 ..................................................................12.2 地壳的组成断裂分布 ..............................................................12.3 地壳运动与变形监测的意义 ........................................................23.监测方法的组成 ........................................................................33.1 CORS 系统 ......................................................................33.1.1 CORS 系统原理 ............................................................33.1.2 CORS 数据的作用 ..........................................................53.2 雷达与红外遥感 ..................................................................63.2.1 雷达与红外遥感的原理 ......................................................63.2.2 雷达与红外遥感的作用 ......................................................63.3 应力传感器 ......................................................................93.3.1 应力传感器 ................................................................93.3.2 应力传感器作用 ............................................................93.4 监测方法的流程实现图 ...........................................................103.4.1 坐标系统的转换 ...........................................................103.4.2 坐标系统的精度 ...........................................................104.监测方法特点分析 .....................................................................114.1 优点 ...........................................................................114.2 缺点 ...........................................................................125.结语 .................................................................................12致谢词 .................................................................................13参考文献 ...............................................................................1411.引言1.1研究背景地球生命的演化,就单从人类的发展历史来看,都没有离开过地球表面,一次大的地壳变动将足矣给人们带来灾难性后果。小的震动同样也会夺取千千万万人的生命,就更不要说对人类财产的破坏、社会经济发展的阻碍。特别是今天高科技的发展给人们带来的物质的享受,但与此同时一不小心也会酿成大祸。比如核电站所坐落的地质层变化,放射性物质的泄露将会是一次灾难,这样的例子也不少。不管在生活或者经济建设中,地壳的变形与运动,局部的运动变形导致高楼大厦、路桥隧道的变形,减少其寿命,甚至倒塌给经济建设带来严重的后果,大面积乃至板块的运动将会带来人类灾难。地壳作为人类唯一可以直接观测的地球外部圈层,对地壳的研究和反演研究地球内部运动具有重要意义。作为地球学科一个重要分支,对于地震的研究也不可缺少。1.2 研究现状地壳变形监测可以获取各种地球的运动现象数据,以前的监测从水准测量到激光测距,甚至使用三角测量。随着人类科学技术的发展,空间测量技术空前的发展,大地测量技术也在日新月异的变化。现代板块测量技术,甚长基线干涉测量技术(VLBI),卫星激光测距技术(SLR),全球定位系统(GPS)能以更高的测定精度测量出板块的相对运动速度。用大量的测量数据已经检验的地质学导出的现代板块模型(NUVEL-1)的正确性 [1]。特别是 GPS 技术的成熟为大地测量做出了突出的贡献,观测成本低,全自动化,不受时间的限制,观测精度高,观测距离远。同时随着地球物理学,地质学,地震学,地球动力学都取得了很大的成功,交叉学科的发展为地壳运动提供了更可靠的工具。随着航天事业的发展,对地观测卫星的发射,遥感手段也大大提升了监测的效率,例如InSAR(合成孔径雷达)技术和热红外遥感的的发展日益完善,为地壳监测注入了新的活力。应用 GPS系统数据来连续监测地壳运功状况,结合应力变化大小、方向进一步确认板块长时间的运功趋势和方向速度。并结合热红外影像进行补判,监测一些急促的短时间的运动,为减少灾害而做出努力。1.3 研究目的和意义研究地壳运动意义在于地壳的运动会对于我们认识地震或者预测地震有着重要作用,因为从目前全球来看,是不能预测的,也是科学界的一个瓶颈。地壳运动的原因目前也没有一个权威的说法,对地震的认识还不够。所以地壳运动就成为我们一个重要的表象监测,地壳的运动还会给人类的生命财产带来严重的威胁,对人类的生活带来隐患。通过对地球变形速度场和应变率场的推算,可以得到研究区特定点相对于参考系的变化特征和应变率分布状况。研究地壳应力场可以推算地壳变形的动力源,对地壳构造机制做出合理解释 [2]。2.地壳运动的概述2.1 地壳运动的原因 地球岩石圈层的运动叫地壳运动。地球表面相比较于地球的运动,通常所说的地壳运动,其实是特指岩石圈相对于软流圈以下的地球内部的运动。岩石圈下有一层容易发生塑性变形的较软的地层,这个地层很容易受到外力后就发生变化,相比较于坚硬的地壳外壳有些不相同,我们把这层叫做软流圈。软流圈上面的坚硬外壳层包括地壳和上地幔顶部,地壳可以在软流圈上面运动。 关于地壳运动的原因上述只是大部分人的认可,但是目前没有权威的说法。2.2 地壳的组成断裂分布全球板块的分布如下。板块不仅时刻在运动而且运动具有连锁效应,任何一个的运动都会引起其他的运动,即使没有变化,但也蕴藏了巨大即将要释放的能量。我国地处于大陆地处欧亚、 太平洋、 印度和菲律宾海板块的交汇地带,我国的陆地构造很复杂,同样中国也由小的板块组成,并不是一个2统一的整体,而是由小块拼接而成,形成了一个暂时稳定的状态。但与此同时,环境的变化,自身的土质,自身的构造,人的活动影响,以及全球板块的运动带来的助力也足以让已经稳定小的板块活跃起来,随时都有动的可能性和趋势。对居住在其上的人以及坐落的建筑物都隐藏着巨大的隐患。图 2-1 中国地壳板块图图 2-2 世界地壳板块图2.3 地壳运动与变形监测的意义地壳运功监测模型的重要性和意义基本表现在以下几个方面:1.地壳运动以及即将要变化的趋势如果被监测到或者预测到,这将是人类在面临自然灾又一次伟3大性的突破,也为地球学科的研究提供更为宝贵的数据资料,为人类认识地球及其运动更近了一步。2.如果能提前预测到板块的运动以及趋势,将会为人们生命财产提供了一种更安全的保障 3.地壳的运动同样可以在山体滑坡、大坝变形、铁路等自然灾害面前采取一定的措施,提高弥足珍贵的时间和人力物力的准备。3.监测方法的组成3.1 CORS系统3.1.1 CORS系统原理连续运行卫星定位服务系统,利用计算机和互联网技术实时给请求客户发送定位误差改正和定位数据。CORS 系统具有独特的优势:1.CORS 系统可以事实监测,不受时间和环境的影响,具有连续性,具有单独观测互不影响的优势,并且数值精度可靠高、数据数量足、稳定。2.CORS 系统可以和互联网技术结合进行数据的共享,进行大面积区域进行数据的处理,现实性强,动态太化可观。3.CORS 基准站目前的布设已经取得了进一步的发展,为我们数据的获取提供了可能性。同时随着我国北斗的建设,基准站的建设将会更加的完善,数据获取的丰富性将进一步提,升从而形成一套数据的获取链。4.CORS 系统弥补了中国地壳运动观测网络基准站和基本站密度小的缺点。同时也利于了 CORS系统本身分布的优势,分布在城市,对于人类居住的地质环境变形更为敏感和精确。5.中国地壳运动观测网络数据观测站分布和地壳板块组成相关,提供大框架的运动,CORS 提供城市在地壳宏观运动和各种地质和建筑下相互作用的变形结果。6.例如日本国土地理院筹建的 1000 多个 GPS 连续监测站,从 1994 年 4 月监测到北海道东部近海8.1 级大地震以及地震前后地壳变形。1995 年 1 月 17 日监测到日本阪神 7.2 级大地震 [3]。图 3-1 CORS 系统的原理图4图 3-2 中国地壳运动观测网络基准站(五角星)和基本站(正方块)分布图 [4]图 3-3 中国地壳运动观测网络区域站点分布图 [4]5图 3-4 中国大陆及其邻区地壳运动的 GPS 速度场(相对于稳定欧亚参考框架 )[4]3.1.2 CORS数据的作用 就现在的地面连续监测站数据而言 :1.GPS 系统不仅可以测的基准点的 P(x,y)而且还可以解算基线向量的长度 P1(x1,y1)到P2(x2,y2)的距离,方向 。2.总共有 n 个基准站,总共就可以解的 C2n 条基线向量。3.在 CORS 基线网中,随着数据的更新网形基线向量也在更新变化。4.可以计算出每一条基线向量的长度随时间的变化而变化情况,以及点位变化,从而确定出点位的移动方向及其变形的程度大小。5.每一点的坐标三维变化值,以及联合局域网内的点的变化,从而断定局域板块的运动速度和方向以及扭曲变形的程度。6.结合“中国地壳运动监测网络”以及全球板块运动模型的运动状况对某一板块的趋势影响,在根据具体板块的具体断裂构造以及地质构造和当地地质条件,可以确定运功方向,以及速度,变形程度导致的地壳的起伏还是下沉或者形成新的断裂。6图 3-5 福州、厦门、泉州、莆田、东山至桃园基线的时间序列图 [5]3.2 雷达与红外遥感 3.2.1雷达与红外遥感的原理遥感是指传感器发射电磁波,电磁波经过和目标作用后经过大气后传感器接受的信息,或者直接接受地表电磁波的反射或辐射电磁波信息,通过这些相互作用的信息来提取需要的数据或者信息。红外遥感就是工作波段处于红外波段的遥感。雷达遥感中最成功的一项技术就是 InSAR,属于微波主动遥感的范畴,用两幅天线和观测目标之间位置关系通过接受目标的两个回波之间的相位差来产生图像从而达到提取信息 [6] 。73.2.2雷达与红外遥感的作用雷达遥感以 InSAR 为代表的新一轮技术从真实孔径到合成孔径,通过差分干涉手段可以量测地表变形在厘米甚至毫米级的变形。雷达遥感可以穿透云雾,尘埃,受天气影响比较小可以获得更多的地面信息。可以进行被动的微波遥感搭载在卫星、航空飞、直升无人机进行大面积或者小面积的监测,机动性强、效率高。弥补了热红外遥感的不足之处。热红外遥感,具有对地表温度敏感的特性,从而可以感受地表热异常的信息。地表的热异常是地壳运动或者能量释放的一种前兆,因为地壳的运动或者有运动的趋势都会向外释放大量的能量,这些能量很大部分是辐射或者以热的形式释放的。利用热红外探测仪器就可以探测出来能量异常的片区,从而为预报地壳的变化以及自然灾害提供一种大面积,连续性,宏观的预报,不在是传统的点式测量。随着对微波的特性的认识和遥感技术的发展,热红外影像可以判断地表温度以及蕴藏能量的大小,如果地面的有比较大的变形运功或者趋势,利用热红外影像可以进行区域的判定,从而进行 CORS 判定的不足以及整体的把握。以卫星热红外遥感进行短期监测,可以进行如:地震、泥石流、大坝的安全性的一个大面积的监测。与此同时热红外遥感也有自己的不足就是,受到云雾,天气,尘埃的影响比较大,探测到的信息比较有限。图 3-6 2008 年汶川地震前 5 月 6 日热异常图 [7]
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