联合多源数据反演全球及区域Moho面深度

Moho depth is one of the most important geophysical parameters, which is essential for the the crust deformation investigation, reveal the trigger mechanism of the earthquake, determination of the earth heat flux and thermal evolution as well as study the plate tectonics. In this proposal, in order to improve the precision and reliability of the Moho solutions we improved the currently Moho inversion algorithms. Moreover, the proposal will provide the global (large scale) and Chinese mainland (detail scale) Moho depth digital maps. Firstly, we combined multi-source data to refine the crustal model which can be used to model the gravity anomaly not related to the Moho discontinuity. Then, we derived the rigours gravity forward modeling methods incorporating ellipsoid approximation as well as three dimensional density models. The rigours gravity forward modeling methods will be applied to compute gravity quantities not caused by the Moho discontinuity. In addition, we will combine GRACE satellite observations, GNSS time series data and hydrological model to investigate the Moho depth variation caused by the crust deformation as well as the relationship between them. Finally, we provide to way to improve the gravimetric algorithms and the idea of combined gravimetric-seismic inversion algorithms.

Moho面深度是一种重要的地球物理参数之一，其对于研究地壳形变、揭示地震触发的机制、确定地热的流向和热平衡演化、探究板块构造等地学过程具有重要的研究价值。本项目拟对当前Moho面反演算法缺点进行改进，进而提高Moho面反演的精度和可靠性，并提供全球（大尺度）和中国大陆区域（精细）的Moho面深度图。首先，联合多源数据精化地壳模型，从而为分离非Moho面所引起的重力异常信号提供数据保障；其次，推导顾及椭球近似和地形密度三维变化的重力场正演的区域和全球广义算法，从而能够严密的计算非Moho面所引起的重力场参量的大小；同时，为了量化地壳形变对Moho面深度所产生的大小，本项目拟联合GRACE卫星重力观测值、GNSS时间序列数据和水文模型对地壳形变与Moho面变化之间的模式进行探讨；最后，给出了改进重力反演算法的途径和联合重力-地震反演算法的思路。

莫霍面（Moho）为地壳与地幔（地球中间层）之间的分界面，从地球表面到该界面的距离定义为Moho面深度。确定Moho面深度是地球物理反演领域的一个经典问题。随着新一代卫星重力探测技术（GRACE & GOCE）的成功实施，其提供了（几乎）全球高分辨率、高精度和均匀分布的重力场信息，因此可以在一定程度上有效克服地震数据分布不均匀和分辨率低的缺点，尤其是在地震数据稀疏或完全缺失的区域。具体内容如下： .（1）研究了空域和谱域两种形式的重力场正演（Gravity Forward Modeling，GFM）的理论与方法。 （2）本文借助于地形、CRUST1.0模型和滤波方法获得了精化的重力场数据（扰动位、重力异常、重力梯度等）。数值研究结果显示该精化的重力数据与Moho面之间具有很强的相关性，其中精化的重力异常与Moho面的线性相关性高达0.98。 （3）通过分析已有的重力方法反演Moho面深度的优缺点，本文提出了三种形式的数学模型。第一，提出了以球谐分析和球谐综合为基础的Parker-Oldenburg扩展算法，该算法联合FFT技术快速反演全球Moho面深度；另一方面本文以该算法为基础研究了横向变化的Moho面密度差对反演结果的影响，研究结果表明该方案能够有效的提高位于洋中脊下面的Moho面反演精度。第二，对于第一类非线性Fredholm积分方程，本文提出了在平均Moho面深度展开的泰勒线性化模型从而推导了基于重力异常和重力梯度两种数据输入形式的积分方程。最后，借鉴凝聚法的思想，本文将Moho面相对于平均Moho面的起伏压缩到平均Moho面所对应的球层上然后导出了相应的球谐系数和积分方程形式的六种反演公式。 （4）最后，反演了全球和青藏高原区域Moho面深度。