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    院級平臺:構造大地測量研究中心

    時間:2017-04-19 來源:未知 點擊:
    一、平臺信息
    平臺名稱:構造大地測量研究中心
    領    域:動力大地測量學
    學科分類:測繪科學與技術;地球物理學;地質學
    建設單位:武漢大學測繪學院
    負 責 人:許才軍
    設立時間:2017年4月
    二、建設平臺的目的和意義
    1、科學目標
    研究中心緊緊圍繞國家防災減災領域和“一帶一路”的迫切需求,針對目前我國大陸變形精細化監測的瓶頸問題,進行技術攻關,為地理國情監測和重大工業工程和項目提供技術支持。此外,中心還將瞄準國際科學前沿,利用變形精細監測結果對國際研究熱點問題,如青藏高原和華北地區運動變形機制、活動斷層中長期地震危險性評估理論與方法、流(氣)體開采與抽取的致災機制等,進行深入研究,力爭取得高水平的研究成果,為學校“雙一流”建設貢獻力量。
    具體來說,研究中心擬解決的主要科學問題有:
    (1)    多源數據高時空分辨率的精細監測
    目前,構造大地測量的監測手段主要有全球衛星定位系統(GPS)、合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)、精密水準測量、衛星重力、地面重力等。各類觀測數據有自身的優缺點,或對幾何變化信息敏感,或對物理變化信息敏感,或時間分辨率高,或空間分辨率高等,F有精細監測理論和技術尚無法很好地融合各類數據的優勢。為此,迫切需要研究高精度、高時空分辨率、多源地表形變監測的相關理論、方法和技術,實現各類數據的科學、同化融合,突破高噪聲背景下形變信號提取的關鍵技術,探測并剔除非構造信號,提取構造形變信號,解決制約多源大地測量成果應用于我國大陸變形精細化監測的瓶頸問題。
    (2)    青藏高原和華北地區運動變形機制
    青藏高原是世界地學界研究大陸變形機理的獨特天然實驗室,也是我國用于研究大陸碰撞、巖石圈動力學過程和地震孕育發生機理及斷層相互作用的獨特構造區域。盡管青藏高原大陸構造研究已有近半個世紀的歷程,但是大陸變形機理仍然眾說紛紜,例如大陸變形模式的連續變形說和大陸逃逸說仍然紛爭不休;青藏高原東南緣的下地殼流通道的存無也互有證據支撐。更為重要且迫切的是:在近年來全球災害性強震頻發的大背景下,青藏高原上頻發的災害性強震動力學機理研究任務愈發緊迫。近年來青藏高原發生了若干次強震,尤以巴顏喀拉塊體周緣的強震序列格外顯目,這些強震相繼發生的時空分布表明地震序列可能存在相繼觸發的因果聯系。
    青藏高原運動變形機制研究對闡明陸-陸碰撞過程、巖石圈深層動力學過程和深大主要活動斷裂運動模式及其上強震相繼觸發發生機理都具有重要意義。青藏高原運動變形模式的精細劃分有助于厘清其青藏高原北部、中部和南部區域不同構造背景下的震源破裂機制的差異性,并可用于檢驗連續變形說和大陸逃逸說。形變模式的運動學反演有助于深化對大范圍內的大陸地殼應力應變場空間分布及其時變微動態過程和特征的認識,也有助于提升對巖石圈深層動力學響應過程及深部巖石圈與淺部孕震層的耦合關系的認識水平。形變模式的力學驅動機制的回溯性研究將從系統論的理性高度認識大陸板內地震孕震過程,通過邊界力和主要活動斷層摩擦狀態及背景構造場模擬復現序列地震的相繼發生。
    華北地區的地殼應變速率較青藏高原而言低很多,地表跡線受人類活動遭受破壞,晚第四紀變形動力學條件也模糊不清。郯廬斷裂帶南起江西九江,向北經安徽廬江、山東郯城,跨越渤海進入東北三省,在中國境內長達2400km,是可與美國西海岸圣安德列斯斷裂相媲美的中國東部規模巨大斷裂帶,是華北、東北地區Ⅱ塊體的主控邊界斷裂,地震災害十分嚴重,歷史上曾發生過公元前70年安丘7級左右地震,1668年郯城8.5級地震、1888年渤海灣7.5級地震、1969年渤海灣7.4級地震和1975年海城7.3級地震等,與青藏高原東緣和太平洋板塊向西俯沖帶等地震活動性存在著時空相關性。
    (3)    活動斷層中長期地震危險性評估理論與方法
    由于地殼結構具有不均勻性,在內力與外力的作用下會產生不均勻的地殼形變,導致在某些地殼特殊部位上出現應變—應力積累。當這一累積應變達到地殼的極限應變值或已有斷層上的應力積累達到斷層的抗剪強度時,地殼便突然破裂,發生地震。換句話說,當斷層面所受的剪切應力大于阻礙其滑動的摩擦力時,斷層面就會發生摩擦滑動;另外若斷層面法向應力為拉張正應力,則斷層上下兩盤易于張裂。
    根據研究中心已有的研究成果,認為造成斷層面上應力積累(釋放)的因素有二:(1)由于板塊運動引起的構造(背景)應力積累;(2)地震和火山等地質活動產生的應力積累(釋放)。由于板塊運動是一種可認為是隨時間有規律變化的運動,而地震和火山等地質活動基本上是一種不隨時間規律變化的事件。第一個因素可以歸為系統因素,而第二個因素則歸為隨機因素。通過準確計算這兩種作用方式引起的應力積累(釋放),就能根據庫侖破裂準則計算出斷層面上的庫侖應力變化,進而可以評定活動斷層破裂(發震)可能性的變化。進一步研究斷層破裂的臨界應力,就可以估計發震的時間。
    (4)    流(氣)體注入與抽取的致災機制
    在國家“一帶一路”重點戰略中,能源問題尤為重要;趹鹇孕枨,我國目前正在大力建設油(氣)庫。在油(氣)注入與抽取過程,常常會引起地表變形,并伴隨著小微震的發生。對于流體注入誘發地震的解釋為:流體的注入會增加地下介質的孔隙壓力,從而引起有效正應力減小,導致斷層的滑動產生地震。相對流體注入誘發地震,氣體注入的情況更加復雜。流體注入誘發的地震活動已經在很多地區被廣泛觀測到(Ellsworth,2013),而氣體注入誘發的地震卻鮮見報道,也沒有較好的機理解釋。中心擬同時從地殼形變和小微震監測兩個方面出發,對流(氣)體注入與抽取的致災機制進行深入全面的研究。
    2、對學校學科建設、人才培養、科學研究等方面的貢獻
    學科建設:研究中心將構造大地測量精細變形監測的技術手段、以及其科學和工業應用作為主要研究內容,不僅把握了測繪學科的研究熱點與前沿領域,還可以推動和拓展學科的發展和應用領域,使得學校繼續保持測繪以及相關學科在國內外的領先地位,進一步提升學校的學術影響力與科研實力。
    人才培養:研究中心將為本科生開設《大地形變測量學》、《構造大地測量學》、《雷達干涉測量》等課程;為研究生開設《地球物理大地測量學》、《地球物理反演理論》等課程,使他們對構造大地測量這一學科方向的基本理論和方法、應用領域和應用前景等有充分的認識和掌握。在研究生培養方面,預期未來五年將培養該領域碩士研究生10名,博士研究生3名,為我國測繪、地震以及油氣行業的發展提供必要的人才支撐。
    科學研究:結合我國地理國情監測和“一帶一路”發展戰略,積極參與國家重點研發任務、以及國家自然基金委員會重大研發計劃,促進測繪學科與地震、地質和地球物理學科的深度交叉融合,力爭解決國家重大迫切需求中的瓶頸問題,在構造大地測量領域中的難點和熱點問題中取得突破,提升研究中心和我校測繪學科在國內外的影響力和聲望。
    三、研究方向和主要研究內容
    建設初期,中心將設置多源數據高時空分辨率的精細監測與融合、青藏高原和華北地區運動變形機制、地震周期理論與活動斷層地震危險性評估和流(氣)體注入/開采的力學過程與誘發地震、基于GIS的行業應用軟件研發等五個研究方向。主要研究內容:
    (1)多源數據高時空分辨率的精細監測與融合
    (2)青藏高原和華北地區運動變形機制
    (3)地震周期理論與活動斷層地震危險性評估
    (4)流(氣)體注入/開采的力學過程與誘發地震
    (5)基于GIS的行業應用軟件研發
    研究方向一的突破有助于實時動態提取與地震發生過程相容的大范圍活動背景構造應力場的時空分布特征,為闡明地震孕育發生的內在力學過程提供力學邊界約束條件。研究方向三則利用研究方向一反演的構造背景場為約束條件,直接運用庫侖應力工具研究地震發生的內在力學驅動過程,并進行地震復發概率的動態定量評估。
    四、主要建設規劃、預期目標及水平
    1、建設規劃
    中心建設分4個階段:
    第一階段進行系統平臺建設。利用現有設備或購買相關設備,通過集成改造,建立精細變形監測數據實時傳輸和存儲系統,以及高效的多源數據據處理系統。
    第二階段以現今的地殼運動速度場和活動構造體系為基礎,逐步建立我國大陸地殼變形以及局部區域快速變形的實驗平臺。
    第三階段在現有32位開發活動斷層地震危險性評估系統基礎上,開發64位版本,提高系統進行地球物理反演的能力。此外,還將建立青藏高原活動斷層應力積累數據庫;顒訑鄬討Ψe累數據庫是地震危險性評估工作的一項基礎設施。應力積累數據庫主要存儲:(1)活動斷層的構造應力積累速率及其計算時間段;(2)歷史地質活動對活動斷層的應力擾動。由于巖石圈和軟流圈的運動和變形的時間尺度遠遠大于人類對其的認識時間,因此很多地震的復發周期也遠遠超出我們目前的知識面。預測地震的發生、評估地震的危險性不是一件一蹴而就的事,需要我們很堅實地一步步走下去,警惕超近道、走捷徑。這正是建立活動斷層應力積累數據庫的目的和意義所在。
    第四階段積極開展行業應用示范。通過與測繪、地震和油氣行業合作,開展地殼精細變形監測的應用研究,力爭解決實際應用中的瓶頸和難點問題,逐步實現科技成果的產業化。
    2、預期目標及水平(5年內目標)
    十三五期間,力爭主持或參與科技部國家重點研發任務、國家自然基金委員會以及省部級項目2-4項,承擔科研經費400萬元,在國內外學術刊物發表論文15-20篇,精細變形監測技術手段達到國內領先水平,科學和行業應用達到國際先進水平,形成1-2套可市場化的高端行業應用裝備及軟件產品。
    3、科研條件
    通過中心建設,利用已經積累的科研經費及軟硬件條件,在學科建設經費、中心運行經費、校企合作平臺、以及其他項目的支持下逐步建立形變監測數據實時傳輸和處理系統、活動塊體和斷層運動變形耦合試驗平臺、64位活動斷層地震危險性評估軟件平臺、和油(氣)儲存數值模擬平臺等。
    4、人才隊伍
    通過引進或選留國內外優秀人才2-3名,建立起8-10名固定研究人員,和2-4名博士后研究人員的科研團隊;同時聘請國內外著名專家,成立中心學術顧問專家組,為中心持續健康發展建言獻策、保駕護航。
    5、研究成果
    十三五期間,力爭主持或參與科技部國家重點研發任務、國家自然基金委員會以及省部級項目2-4項,承擔科研經費400萬元,在國內外學術刊物發表論文15-20篇,其中SCI、EI論文10-15篇。

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