利用全球GPS潮汐位移观测数据研究地球内部结构

Observation and investigation of tidal deformation, which is an important research topic in Geodesy, will provide new insights into Earth’s interior structure. Previous attempts to infer interior structure using conventional tidal observations from instruments such as gravimeters, strainmeters and tiltmeters have been largely unsuccessful because of limitations in accuracy, sensitivity and spatial coverage. Our latest study shows that Global Positioning System (GPS) can provide 3-D tidal displacement field accurate to the level of 0.1 mm (horizontal) and 0.3 mm (vertical), providing an opportunity to understand the physical structure of Earth’s interior. Furthermore, GPS observation with its low environmental impact, low cost, ever-increasing accuracy and resolution is poised to augment this knowledge by providing independent constraints on Earth’s interior structure. This project proposes to develop the theory and method of inferring the properties in the Earth’s deep interior (by body tide modeling) and the crust and uppermost mantle structure (by ocean tidal loading modeling) using observations from GPS tidal displacements. The project will not only provide important constraints to the structure of Earth’s interior, but also refine tidal displacement models for global geodetic research.

对地球潮汐形变的观测与研究是了解地球内部结构的重要依据，也是大地测量学的基础研究课题。受观测资料的精度、空间分辨率和对地球内部结构参数不敏感等因素制约，传统大地测量手段（如重力仪、倾斜仪和应变仪等）在研究地球内部结构方面均未获实质性突破。我们的最新研究表明，全球定位系统（GPS）观测技术能提供水平精度达0.1mm和垂直精度达0.3mm的三维地球潮汐位移场，这为深入了解地球内部结构提供了契机。同时，GPS观测具有空间分辨率高、对观测环境要求低和成本低廉等优势，在研究地球内部结构方面极具潜力。本项目首次尝试利用全球三维GPS潮汐位移观测资料，建立和发展利用GPS潮汐观测数据反演地球深内部（固体潮部分）和上地幔（海潮负荷部分）的理论与方法。本项目的研究不仅对认识地球深内部和上地幔结构具有重要的科学意义，而且可为全球大地测量提供精化的潮汐位移改正模型。

对地球潮汐形变的观测与研究是了解地球内部结构的重要依据。本项目发展了用于估计GPS台站地球潮汐位移参数的自动数据处理算法，建立了利用GPS潮汐观测数据反演地球深内部（固体潮部分）和上地幔（海潮负荷部分）的理论与方法，为全球大地测量提供了精化的潮汐位移改正模型；利用台湾密集GPS台站观测序列精密测定了莫拉克台风引起的负荷位移形变；联合GPS和GRACE观测数据研究了由地表质量负荷引起季节性地壳垂直形变；利用GPS观测技术研究了2008年Mw 7.9汶川地震、2015年Mw 7.8 廓尔喀和2016年新西兰Mw 7.8 凯库拉地震的同震和震后形变。本项目的研究成果为进一步认识固体地球潮汐、地表质量负荷形变、地震同震和震后形变等地球物理机制提供重要的观测约束。