地球巖石圈磁場起源于地殼及上地幔的磁性巖石,它反映了巖石磁性的三維空間分布。由于巖石的磁性載體、磁化環(huán)境、溫度與壓力狀態(tài)以及構造運動等存在差異,巖石圈磁場攜帶著豐富而復雜的地質構造和構造運動信息。巖石圈磁場不僅在礦產(chǎn)資源勘探、地震火山監(jiān)測預警中發(fā)揮著重要作用,而且對于認識區(qū)域大地構造及其演化、探索地球深部物質結構、理解地殼內部物質與能量耦合機制等方面具有重要的科學意義。CHAMP在軌十年的高精度連續(xù)觀測,為開展地球主磁場及其長期變化研究提供了獨一無二的數(shù)據(jù)基礎。CHAMP任務期間,國際上先后發(fā)布了一系列高精度的巖石圈磁場模型,其相應的空間分辨率也得以大幅度地提升。然而,盡管早期國內外學者基于CHAMP衛(wèi)星數(shù)據(jù),對各種場源的分離和模型參數(shù)化進行了相關理論分析,但由于單顆衛(wèi)星難以在全球范圍內實現(xiàn)地球主磁場和變化磁場的準同步觀測,這無疑成為了制約地球各種場源有效分離的瓶頸。Swarm星群的成功發(fā)射,不僅為地磁場提供了迄今為止的最高精度磁場測量,而且首次實現(xiàn)了對地磁場進行1小時到數(shù)天時間尺度上變化磁場的全球觀測,為構建地球各圈層磁場模型注入了新的活力。Swarm星群的高時空覆蓋采樣、差分梯度測量以及優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理流程,為各種場源的完整分離和地球實時變化磁場觀測提供了強有力的數(shù)據(jù)和技術支撐。基于此,本文在回顧、消化和總結國內外研究成果的基礎上,深入討論了衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)的精化與巖石圈磁異常信號的分離方法,設計了一套完整的衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)預處理流程和模型反演軟件系統(tǒng),研究了局部磁異常模型的反演理論與實用算法,建立了中國大陸區(qū)域巖石圈磁異常模型,并從大地構造、巖石圈熱狀態(tài)和地震活動的角度對磁異常的分布進行了初步的地學解釋。論文的主要工作及研究結果如下:(1)結合衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)和地磁場模型所涉的時空參考系統(tǒng),給出了不同時空參考系統(tǒng)的定義及相互轉換的實用計算公式;分析了站心坐標系、J2000慣性坐標系、地磁坐標系、地心極坐標系和球冠坐標系之間的轉換關系;研究了日下點經(jīng)度、磁世界時的計算方法;實現(xiàn)了從觀測值、內源場到外源場模型參考框架的統(tǒng)一。(2)分析了國際上常用的地球主磁場模型在中國大陸區(qū)域的精度。論文基于中國大陸區(qū)域31個地磁基準臺站2015年1月～9月磁靜日的觀測數(shù)據(jù),結合高精度的地殼磁場模型EMM2015(16～720階),評估了 IGRF12/EMM2015/POMME10/MCO_SHA_2D模型在中國大陸區(qū)域的精度及其適用性,為主磁場信號的分離提供可靠的參考背景場。(3)研究地磁場建模的基本理論與解析表達�；诘卮艌龅奈粍堇碚�,詳細推導了地球主磁場的高斯球諧表達式,給出了電離層—磁層及其感應磁場的計算模型;深入剖析了在Neumann和Dirichlet兩種不同邊界條件下,局部地磁異常的球冠諧分析(SCHA)與修正球冠諧分析(R-SCHA)的數(shù)學表達,討論了非整數(shù)階Schmidt半標準化締合勒讓德函數(shù)的計算方法。(4)系統(tǒng)分析了衛(wèi)星地磁擾動觀測數(shù)據(jù)和粗差數(shù)據(jù)的剔除方法。論文首先利用Dst/Kp地磁指數(shù)條件、Sq地方時條件和地磁緯度條件提取磁靜期的觀測數(shù)據(jù),然后分別采用模型檢驗法、標量檢校法、虛假觀測值篩選法、數(shù)據(jù)質量標識(Quality/Flags)和短弧軌道剔除等方法實現(xiàn)矢量觀測數(shù)據(jù)的質量控制,提出了數(shù)據(jù)分層格網(wǎng)化的思想,給出了不同高度界面數(shù)據(jù)格網(wǎng)均衡化方法,設計并編制了數(shù)據(jù)各功能模塊的處理流程及相應的程序。(5)研究了磁靜期非巖石圈磁場信號的分離方法。采用MCO_SHA_2D模型對主磁場實施改正;對于外源場及其感應磁場的改正,提出了基于Hamming窗函數(shù)法的沿軌高通濾波對磁靜期大尺度的外源場信號實施有效分離,并借助于最新的MIO_SHA_2D和MMA_SHA_2C電離層—磁層磁場模型驗證了該方法的可行性,給出了濾波器窗口長度的確定方法,為濾波器的參數(shù)設計提供參考。(6)基于分區(qū)修正球冠諧分析構建了中國大陸區(qū)域巖石圈磁場WHU-MLI01模型,在衛(wèi)星高度處,WHU-MLI01模型空間分辨率達150km。考慮到小球冠在保證模型精度的同時能提供更佳的空間分辨率,為此,在實際建模過程中,本文將中國大陸分成三個子區(qū)域獨立建模,同時提出了相鄰球冠之間無縫拼接的迭代反演方法,給出了削弱模型邊界效應的實用方法。通過聯(lián)合使用衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)資料、MF7和MLI_SHA_2D高精度的巖石圈磁場模型,對WHU-MLI01模型在水平和垂直方向上的精度及穩(wěn)定性進行了評估和檢驗,結果表明模型擬合誤差較小,相對于衛(wèi)星觀測值和MF7模型,WHU-MLI01模型XYZ地磁分量的均方根誤差分別優(yōu)于0.3nT、0.3nT和0.25nT;相對于MLI_SHA_2D模型,WHU-MLI01模型地磁分量的均方根誤差均優(yōu)于0.5nT。模型在垂直方向上能提供穩(wěn)定的空間延拓,在水平方向上存在邊界效應,但可通過適度放大球冠半角,借助邊界外部觀測數(shù)據(jù)充分消除邊界效應的影響。(7)深入分析了中國大陸區(qū)域巖石圈磁異常展布特征與相關物理屬性之間的對應性關系。巖石圈磁異常強度及形態(tài)分布與大陸區(qū)域的主要構造單元、大地熱流以及地震活動之間存在明顯的相關性。巖石圈磁異常的展布與區(qū)域大地構造基本吻合,能清晰地反映出大陸主要構造單元的走向和特點,磁異常強度可以較為準確地反映地殼深部的熱平衡狀態(tài)和構造運動狀態(tài)。巖石圈的正異常主要對應著古老的、穩(wěn)定的陸塊和陸核,且這些區(qū)域的大地熱流相對較低,地震活動偏少;負磁異常則主要分布在相對活躍的造山帶(縫合帶)或斷陷盆地,這些區(qū)域的熱流值和地震活動頻度相對較高。分析認為,巖石圈的弱磁性可能與巖體本身的弱磁性物質廣泛分布有關,如揚子準克拉通(除四川盆地)大面積的負磁異�？赡芘c揚子板塊內部的沉積作用密切相關;也可能與巖石圈的熱退磁過程有關,如華北克拉通在漫長的地質演化過程中遭受到了破壞與改造。巖石圈強負異常和高熱流狀態(tài)則暗示著地殼深部物質流可能正處于熱改造過程,如在青藏高原地區(qū),印度板塊持續(xù)向北俯沖,板塊之間摩擦生熱加速了上地幔和深部地殼物質對流,并伴隨著熱物質不斷向上遷移,從而導致居里等溫面向上抬升。此外,強負異常和高熱流狀態(tài)還意味著深部地殼構造運動可能比較活躍。
【學位單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：P318.6
【部分圖文】：

圖１．１?ＣＨＡＭＰ衛(wèi)量結構示意圖??

?６７０４?６７０８??圖１．２?ＣＨＡＭＰ衛(wèi)星２４小時內軌道分布圖??１．２丄２?ＳＷＡＲＭ衛(wèi)星??２０１３年１１月２２日，歐空局Ｓｗａｒｍ對地觀測任務成功發(fā)射。Ｓｗａｒｍ星群采??用３星組網(wǎng)的運行�？诵l(wèi)星預期壽命５年，如圖１．３所示。其中Ｓｗａｒｍ?Ａ／Ｃ星??在４６０虹１高度（任務后期將逐漸降至３００ｋｍ）的近極軌道上編隊飛化軌道傾??角８７．４°，東西向經(jīng)度間隔１°？１．５°，南北向最大差分延遲約１０ｓ，主要用于地磁??場東西向的梯度測量。Ｓｗａｒｍ?Ｂ星同樣采用近極圓形軌道，軌道高度約為５３０ｋｍ，??傾角８８。，Ｓ顆衛(wèi)星構成不同地方時的空間Ｈ維磁場觀測系統(tǒng)。Ｓｗａｒｍ搭載的與??地磁場測量相關的關鍵荷載包括：激光后向反射器（ＬａｓｅｒＲｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ，ＬＲＲ），??恒星敏感器（Ｓｔａｒ?Ｔｒａｃｋｅｒ，?ＳＴＲ），?ＧＮＳＳ接收機，絕對標量磁力儀（Ａｂｓｏｌｕｔｅ?Ｓｃａｌａｒ??Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ

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【參考文獻】

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本文編號：2870534