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院级平台:构造大地测量研究中心

时间:2017-04-19 来源:未知 点击:
一、平台信息
平台名称:构造大地测量研究中心
领    域:动力大地测量学
学科分类:测绘科学与技术;地球物理学;地质学
建设单位:武汉大学测绘学院
负 责 人:许才军
设立时间:2017年4月
二、建设平台的目的和意义
1、科学目标
研究中心紧紧围绕国家防灾减灾领域和“一带一路”的迫切需求,针对目前我国大陆变形精细化监测的瓶颈问题,进行技术攻关,为地理国情监测和重大工业工程和项目提供技术支持。此外,中心还将瞄准国际科学前沿,利用变形精细监测结果对国际研究热点问题,如青藏高原和华北地区运动变形机制、活动断层中长期地震危险性评估理论与方法、流(气)体开采与抽取的致灾机制等,进行深入研究,力争取得高水平的研究成果,为学校“双一流”建设贡献力量。
具体来说,研究中心拟解决的主要科学问题有:
(1)    多源数据高时空分辨率的精细监测
目前,构造大地测量的监测手段主要有全球卫星定位系统(GPS)、合成孔径雷达干涉测量(InSAR)、精密水准测量、卫星重力、地面重力等。各类观测数据有自身的优缺点,或对几何变化信息敏感,或对物理变化信息敏感,或时间分辨率高,或空间分辨率高等。现有精细监测理论和技术尚无法很好地融合各类数据的优势。为此,迫切需要研究高精度、高时空分辨率、多源地表形变监测的相关理论、方法和技术,实现各类数据的科学、同化融合,突破高噪声背景下形变信号提取的关键技术,探测并剔除非构造信号,提取构造形变信号,解决制约多源大地测量成果应用于我国大陆变形精细化监测的瓶颈问题。
(2)    青藏高原和华北地区运动变形机制
青藏高原是世界地学界研究大陆变形机理的独特天然实验室,也是我国用于研究大陆碰撞、岩石圈动力学过程和地震孕育发生机理及断层相互作用的独特构造区域。尽管青藏高原大陆构造研究已有近半个世纪的历程,但是大陆变形机理仍然众说纷纭,例如大陆变形模式的连续变形说和大陆逃逸说仍然纷争不休;青藏高原东南缘的下地壳流通道的存无也互有证据支撑。更为重要且迫切的是:在近年来全球灾害性强震频发的大背景下,青藏高原上频发的灾害性强震动力学机理研究任务愈发紧迫。近年来青藏高原发生了若干次强震,尤以巴颜喀拉块体周缘的强震序列格外显目,这些强震相继发生的时空分布表明地震序列可能存在相继触发的因果联系。
青藏高原运动变形机制研究对阐明陆-陆碰撞过程、岩石圈深层动力学过程和深大主要活动断裂运动模式及其上强震相继触发发生机理都具有重要意义。青藏高原运动变形模式的精细划分有助于厘清其青藏高原北部、中部和南部区域不同构造背景下的震源破裂机制的差异性,并可用于检验连续变形说和大陆逃逸说。形变模式的运动学反演有助于深化对大范围内的大陆地壳应力应变场空间分布及其时变微动态过程和特征的认识,也有助于提升对岩石圈深层动力学响应过程及深部岩石圈与浅部孕震层的耦合关系的认识水平。形变模式的力学驱动机制的回溯性研究将从系统论的理性高度认识大陆板内地震孕震过程,通过边界力和主要活动断层摩擦状态及背景构造场模拟复现序列地震的相继发生。
华北地区的地壳应变速率较青藏高原而言低很多,地表迹线受人类活动遭受破坏,晚第四纪变形动力学条件也模糊不清。郯庐断裂带南起江西九江,向北经安徽庐江、山东郯城,跨越渤海进入东北三省,在中国境内长达2400km,是可与美国西海岸圣安德列斯断裂相媲美的中国东部规模巨大断裂带,是华北、东北地区Ⅱ块体的主控边界断裂,地震灾害十分严重,历史上曾发生过公元前70年安丘7级左右地震,1668年郯城8.5级地震、1888年渤海湾7.5级地震、1969年渤海湾7.4级地震和1975年海城7.3级地震等,与青藏高原东缘和太平洋板块向西俯冲带等地震活动性存在着时空相关性。
(3)    活动断层中长期地震危险性评估理论与方法
由于地壳结构具有不均匀性,在内力与外力的作用下会产生不均匀的地壳形变,导致在某些地壳特殊部位上出现应变—应力积累。当这一累积应变达到地壳的极限应变值或已有断层上的应力积累达到断层的抗剪强度时,地壳便突然破裂,发生地震。换句话说,当断层面所受的剪切应力大于阻碍其滑动的摩擦力时,断层面就会发生摩擦滑动;另外若断层面法向应力为拉张正应力,则断层上下两盘易于张裂。
根据研究中心已有的研究成果,认为造成断层面上应力积累(释放)的因素有二:(1)由于板块运动引起的构造(背景)应力积累;(2)地震和火山等地质活动产生的应力积累(释放)。由于板块运动是一种可认为是随时间有规律变化的运动,而地震和火山等地质活动基本上是一种不随时间规律变化的事件。第一个因素可以归为系统因素,而第二个因素则归为随机因素。通过准确计算这两种作用方式引起的应力积累(释放),就能根据库仑破裂准则计算出断层面上的库仑应力变化,进而可以评定活动断层破裂(发震)可能性的变化。进一步研究断层破裂的临界应力,就可以估计发震的时间。
(4)    流(气)体注入与抽取的致灾机制
在国家“一带一路”重点战略中,能源问题尤为重要。基于战略需求,我国目前正在大力建设油(气)库。在油(气)注入与抽取过程,常常会引起地表变形,并伴随着小微震的发生。对于流体注入诱发地震的解释为:流体的注入会增加地下介质的孔隙压力,从而引起有效正应力减小,导致断层的滑动产生地震。相对流体注入诱发地震,气体注入的情况更加复杂。流体注入诱发的地震活动已经在很多地区被广泛观测到(Ellsworth,2013),而气体注入诱发的地震却鲜见报道,也没有较好的机理解释。中心拟同时从地壳形变和小微震监测两个方面出发,对流(气)体注入与抽取的致灾机制进行深入全面的研究。
2、对学校学科建设、人才培养、科学研究等方面的贡献
学科建设:研究中心将构造大地测量精细变形监测的技术手段、以及其科学和工业应用作为主要研究内容,不仅把握了测绘学科的研究热点与前沿领域,还可以推动和拓展学科的发展和应用领域,使得学校继续保持测绘以及相关学科在国内外的领先地位,进一步提升学校的学术影响力与科研实力。
人才培养:研究中心将为本科生开设《大地形变测量学》、《构造大地测量学》、《雷达干涉测量》等课程;为研究生开设《地球物理大地测量学》、《地球物理反演理论》等课程,使他们对构造大地测量这一学科方向的基本理论和方法、应用领域和应用前景等有充分的认识和掌握。在研究生培养方面,预期未来五年将培养该领域硕士研究生10名,博士研究生3名,为我国测绘、地震以及油气行业的发展提供必要的人才支撑。
科学研究:结合我国地理国情监测和“一带一路”发展战略,积极参与国家重点研发任务、以及国家自然基金委员会重大研发计划,促进测绘学科与地震、地质和地球物理学科的深度交叉融合,力争解决国家重大迫切需求中的瓶颈问题,在构造大地测量领域中的难点和热点问题中取得突破,提升研究中心和我校测绘学科在国内外的影响力和声望。
三、研究方向和主要研究内容
建设初期,中心将设置多源数据高时空分辨率的精细监测与融合、青藏高原和华北地区运动变形机制、地震周期理论与活动断层地震危险性评估和流(气)体注入/开采的力学过程与诱发地震、基于GIS的行业应用软件研发等五个研究方向。主要研究内容:
(1)多源数据高时空分辨率的精细监测与融合
(2)青藏高原和华北地区运动变形机制
(3)地震周期理论与活动断层地震危险性评估
(4)流(气)体注入/开采的力学过程与诱发地震
(5)基于GIS的行业应用软件研发
研究方向一的突破有助于实时动态提取与地震发生过程相容的大范围活动背景构造应力场的时空分布特征,为阐明地震孕育发生的内在力学过程提供力学边界约束条件。研究方向三则利用研究方向一反演的构造背景场为约束条件,直接运用库仑应力工具研究地震发生的内在力学驱动过程,并进行地震复发概率的动态定量评估。
四、主要建设规划、预期目标及水平
1、建设规划
中心建设分4个阶段:
第一阶段进行系统平台建设。利用现有设备或购买相关设备,通过集成改造,建立精细变形监测数据实时传输和存储系统,以及高效的多源数据据处理系统。
第二阶段以现今的地壳运动速度场和活动构造体系为基础,逐步建立我国大陆地壳变形以及局部区域快速变形的实验平台。
第三阶段在现有32位开发活动断层地震危险性评估系统基础上,开发64位版本,提高系统进行地球物理反演的能力。此外,还将建立青藏高原活动断层应力积累数据库。活动断层应力积累数据库是地震危险性评估工作的一项基础设施。应力积累数据库主要存储:(1)活动断层的构造应力积累速率及其计算时间段;(2)历史地质活动对活动断层的应力扰动。由于岩石圈和软流圈的运动和变形的时间尺度远远大于人类对其的认识时间,因此很多地震的复发周期也远远超出我们目前的知识面。预测地震的发生、评估地震的危险性不是一件一蹴而就的事,需要我们很坚实地一步步走下去,警惕超近道、走捷径。这正是建立活动断层应力积累数据库的目的和意义所在。
第四阶段积极开展行业应用示范。通过与测绘、地震和油气行业合作,开展地壳精细变形监测的应用研究,力争解决实际应用中的瓶颈和难点问题,逐步实现科技成果的产业化。
2、预期目标及水平(5年内目标)
十三五期间,力争主持或参与科技部国家重点研发任务、国家自然基金委员会以及省部级项目2-4项,承担科研经费400万元,在国内外学术刊物发表论文15-20篇,精细变形监测技术手段达到国内领先水平,科学和行业应用达到国际先进水平,形成1-2套可市场化的高端行业应用装备及软件产品。
3、科研条件
通过中心建设,利用已经积累的科研经费及软硬件条件,在学科建设经费、中心运行经费、校企合作平台、以及其他项目的支持下逐步建立形变监测数据实时传输和处理系统、活动块体和断层运动变形耦合试验平台、64位活动断层地震危险性评估软件平台、和油(气)储存数值模拟平台等。
4、人才队伍
通过引进或选留国内外优秀人才2-3名,建立起8-10名固定研究人员,和2-4名博士后研究人员的科研团队;同时聘请国内外著名专家,成立中心学术顾问专家组,为中心持续健康发展建言献策、保驾护航。
5、研究成果
十三五期间,力争主持或参与科技部国家重点研发任务、国家自然基金委员会以及省部级项目2-4项,承担科研经费400万元,在国内外学术刊物发表论文15-20篇,其中SCI、EI论文10-15篇。