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(gòu)造運(yùn)動(dòng)等存在差異,巖石圈磁場攜帶著豐富而復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(yù)警中發(fā)揮著重要作用,而且對(duì)于認(rèn)識(shí)區(qū)域大地構(gòu)造及其演化、探索地球深部物質(zhì)結(jié)構(gòu)、理解地殼內(nèi)部物質(zhì)與能量耦合機(jī)制等方面具有重要的科學(xué)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(dú)一無二的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。CHAMP任務(wù)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(yīng)的空間分辨率也得以大幅度地提升。然而,盡管早期國內(nèi)外學(xué)者基于CHAMP衛(wèi)星數(shù)據(jù),對(duì)各種場源的分離和模型參數(shù)化進(jìn)行了相關(guān)理論分析,但由于單顆衛(wèi)星難以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)地球主磁場和變化磁場的準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)地磁場進(jìn)行1小時(shí)到數(shù)天時(shí)間尺度上變化磁場的全球觀測,為構(gòu)建地球各圈層磁場模型注入了新的活力。Swarm星群的高時(shí)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?qū)崟r(shí)變化磁場觀測提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐�；诖�,本文在回顧、消化和總結(jié)國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)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(hào)的分離方法,設(shè)計(jì)了一套完整的衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)預(yù)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(shí)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(gòu)造、巖石圈熱狀態(tài)和地震活動(dòng)的角度對(duì)磁異常的分布進(jìn)行了初步的地學(xué)解釋。論文的主要工作及研究結(jié)果如下:(1)結(jié)合衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)和地磁場模型所涉的時(shí)空參考系統(tǒng),給出了不同時(shí)空參考系統(tǒng)的定義及相互轉(zhuǎn)換的實(shí)用計(jì)算公式;分析了站心坐標(biāo)系、J2000慣性坐標(biāo)系、地磁坐標(biāo)系、地心極坐標(biāo)系和球冠坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系;研究了日下點(diǎn)經(jīng)度、磁世界時(shí)的計(jì)算方法;實(shí)現(xiàn)了從觀測值、內(nèi)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(gè)地磁基準(zhǔn)臺(tái)站2015年1月～9月磁靜日的觀測數(shù)據(jù),結(jié)合高精度的地殼磁場模型EMM2015(16～720階),評(píng)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(hào)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(dá)�；诘卮艌龅奈粍堇碚�,詳細(xì)推導(dǎo)了地球主磁場的高斯球諧表達(dá)式,給出了電離層—磁層及其感應(yīng)磁場的計(jì)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(xué)表達(dá),討論了非整數(shù)階Schmidt半標(biāo)準(zhǔn)化締合勒讓德函數(shù)的計(jì)算方法。(4)系統(tǒng)分析了衛(wèi)星地磁擾動(dòng)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(shí)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(yàn)法、標(biāo)量檢校法、虛假觀測值篩選法、數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)識(shí)(Quality/Flags)和短弧軌道剔除等方法實(shí)現(xiàn)矢量觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)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(shè)計(jì)并編制了數(shù)據(jù)各功能模塊的處理流程及相應(yīng)的程序。(5)研究了磁靜期非巖石圈磁場信號(hào)的分離方法。采用MCO_SHA_2D模型對(duì)主磁場實(shí)施改正;對(duì)于外源場及其感應(yīng)磁場的改正,提出了基于Hamming窗函數(shù)法的沿軌高通濾波對(duì)磁靜期大尺度的外源場信號(hào)實(shí)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(yàn)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(shè)計(jì)提供參考。(6)基于分區(qū)修正球冠諧分析構(gòu)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(dá)150km。考慮到小球冠在保證模型精度的同時(shí)能提供更佳的空間分辨率,為此,在實(shí)際建模過程中,本文將中國大陸分成三個(gè)子區(qū)域獨(dú)立建模,同時(shí)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(yīng)的實(shí)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(duì)WHU-MLI01模型在水平和垂直方向上的精度及穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估和檢驗(yàn),結(jié)果表明模型擬合誤差較小,相對(duì)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(duì)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(yīng),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(yīng)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(guān)物理屬性之間的對(duì)應(yīng)性關(guān)系。巖石圈磁異常強(qiáng)度及形態(tài)分布與大陸區(qū)域的主要構(gòu)造單元、大地?zé)崃饕约暗卣鸹顒?dòng)之間存在明顯的相關(guān)性。巖石圈磁異常的展布與區(qū)域大地構(gòu)造基本吻合,能清晰地反映出大陸主要構(gòu)造單元的走向和特點(diǎn),磁異常強(qiáng)度可以較為準(zhǔn)確地反映地殼深部的熱平衡狀態(tài)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。巖石圈的正異常主要對(duì)應(yīng)著古老的、穩(wěn)定的陸塊和陸核,且這些區(qū)域的大地?zé)崃飨鄬?duì)較低,地震活動(dòng)偏少;負(fù)磁異常則主要分布在相對(duì)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(dòng)頻度相對(duì)較高。分析認(rèn)為,巖石圈的弱磁性可能與巖體本身的弱磁性物質(zhì)廣泛分布有關(guān),如揚(yáng)子準(zhǔn)克拉通(除四川盆地)大面積的負(fù)磁異�？赡芘c揚(yáng)子板塊內(nèi)部的沉積作用密切相關(guān);也可能與巖石圈的熱退磁過程有關(guān),如華北克拉通在漫長的地質(zhì)演化過程中遭受到了破壞與改造。巖石圈強(qiáng)負(fù)異常和高熱流狀態(tài)則暗示著地殼深部物質(zhì)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(zhì)對(duì)流,并伴隨著熱物質(zhì)不斷向上遷移,從而導(dǎo)致居里等溫面向上抬升。此外,強(qiáng)負(fù)異常和高熱流狀態(tài)還意味著深部地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可能比較活躍。
【學(xué)位單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：P318.6
【部分圖文】：

圖１．１?ＣＨＡＭＰ衛(wèi)量結(jié)構(gòu)示意圖??

?６７０４?６７０８??圖１．２?ＣＨＡＭＰ衛(wèi)星２４小時(shí)內(nèi)軌道分布圖??１．２丄２?ＳＷＡＲＭ衛(wèi)星??２０１３年１１月２２日，歐空局Ｓｗａｒｍ對(duì)地觀測任務(wù)成功發(fā)射。Ｓｗａｒｍ星群采??用３星組網(wǎng)的運(yùn)行�？诵l(wèi)星預(yù)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(wù)后期將逐漸降至３００ｋｍ）的近極軌道上編隊(duì)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(gòu)成不同地方時(shí)的空間Ｈ維磁場觀測系統(tǒng)。Ｓｗａｒｍ搭載的與??地磁場測量相關(guān)的關(guān)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(jī)，絕對(duì)標(biāo)量磁力儀（Ａｂｓｏｌｕｔｅ?Ｓｃａｌａｒ??Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ

１．２丄２?ＳＷＡＲＭ衛(wèi)星??２０１３年１１月２２日，歐空局Ｓｗａｒｍ對(duì)地觀測任務(wù)成功發(fā)射。Ｓｗａｒｍ星群采??用３星組網(wǎng)的運(yùn)行模克衛(wèi)星預(yù)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(wù)后期將逐漸降至３００ｋｍ）的近極軌道上編隊(duì)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(gòu)成不同地方時(shí)的空間Ｈ維磁場觀測系統(tǒng)。Ｓｗａｒｍ搭載的與??地磁場測量相關(guān)的關(guān)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(jī)，絕對(duì)標(biāo)量磁力儀（Ａｂｓｏｌｕｔｅ?Ｓｃａｌａｒ??Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ，?ＡＳＭ），矢量場磁力儀（Ｖｅｃｔｏｒ?Ｆｉｅｌｄ?Ｍａｇｎｅ１；ｏｍｅｔｅｒ，ＶＦＭ）?（：＾及電??場儀化ｌｅｃｔｒｉｃＦｉｅｌｄ?虹ｓｔｒｕｉｎｅｎｔ，ＥＦＩ）等。??１．?ｙｅａｒ?２．?ｙｅａｒ?３．?４?ｙｅａｒ?５．?ｙｅａｒ??ｌ＾ｉＱｏｐｈｅｉｆｅ?－?＇?＇?＇?Ｉ?ｒ??ｍｄｉｍ－＇々ｅ＊?化ｆｄ?ａｎｄ?ｆ??＾?ＥｘｉｗｋｍＭ??ＨｘＭｐｈｅｒｉｅ??＾??＾?４００??６?Ｇ?巧?Ｗ?３０?泌侶?４８?５４?說??Ｔｉｆｏｅ?｜ｍ〇ｎ?化！??圖１．３?Ｓｗａｒｍ衛(wèi)星星座及衛(wèi)星軌道高度隨時(shí)間的變化（Ｈａａｇｍａｎｓ巧ａｌ．
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2870534