三峡库区地质环境变化的大地测量综合监测分析

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1、三峡库区地质环境变化的大地测量综合监测分析国家自然科学基金资助项目（41374081）党亚民①章传银①鲍李峰②邹正波③甘卫军④王伟①梁诗明④胡敏章③冯伟②①中国测绘科学研究院，100830，北京②中国科学院大地测量与地球动力学研究所，武汉③中国地震局地震研究所，武汉④中国地震局地质研究所，北京摘要：受地球动力学因素特别是地球表层大气、地表水及地下水动力环境影响，地面站点位置、地球重力场及大地水准面随时间变化。本文以三峡地区CORS站网为主，少量重力台站为辅，采用负荷形变与地球重力场严密组合方法，

2、综合确定了2011年1月至2015年6月三峡地区环境负荷驱动的地壳形变与重力场月变化，结果显示：⑴CORS站网具备地壳垂直形变、大地水准面及地面重力变化监测能力；⑵三峡地区地壳垂直形变年变化幅度36.1mm，大地水准面年变化幅度28.2mm，地面重力年变化幅度117.4μGal；⑶CORS站网地面重力变化监测精度水平不低于流动重力场重复测量；CORS站网地壳垂直形变与地面重力变化监测具有一定的外推预报能力。关键词：GNSSCORS站；环境负荷形变；区域重力场变化一、引言三峡库区地形陡峻、地貌形态

3、多样，河岸地层稳定性差，岸坡问题严重；三峡水库蓄水后，库岸两侧岩石周期性地浸泡在水中，库岸山体吃水比重加大，两岸坡地稳定性减弱；三峡地区降雨充沛，三峡水库河道狭窄，江水流量变化大，水位涨落悬殊，这些典型的动力环境变化都容易诱导各种地质灾害。受地表及地下水变化（包括江河湖库、冰川雪山、土壤水和地下水等变化，也称大陆水变化）大气变化、海平面变化以及日月引潮天体等地球动力学影响，地面站点位置和地面重力场随时间变化，可见，高精度大地测量监测成果中蕴含丰富的大陆水等地球表层质量迁移信号。正因为如此，卫星重

4、力场时变监测也极大地推动了地球水循环与海洋、大气、水资源环境及相关地球科学的发展。本文综合三峡地区多源GNSS、地面重力和卫星重力等大地测量监测手段，多尺度、多角度地监测三峡库区地壳形变及重力场时空变化，结合典型灾害案例分析三峡库区地质灾害演变情势，二、监测原理与方法1.三峡地区地壳形变与重力场时空变化监测方法综合三峡地区CORS站（全球卫星导航定位系统连续运行基准站）、重力台站、卫星重力、流动GNSS及重力复测等资料，采用卫星精密定位、地球负荷形变与地球重力场严密组合方法，精确分离地壳构造运动

5、、环境负荷形变和地下水均衡垂直形变，实现三峡地区地面大地测量全要素、全区域、全过程的变化监测，包括地壳水平与垂直形变，地面重力、垂线偏差及大地水准面等时空变化（基本空间分辨率10km，时间分辨率1月）。2.三峡水库蓄放水过程中地壳形变及地质环境变化监测方法利用三峡地区地壳形变及重力场时空变化实际监测成果，结合水库水位观测与水环境负荷形变方法，全程跟踪监测三峡水库蓄放水过程中地壳形变及重力场变化的时空分布演变情况，将卫星重力场水环境负荷形变监测与GNSS地壳构造运动监测成果相结合，对比地下水变化数

6、据，定量分离102003年三峡大坝长江截流及三峡水库蓄水前后的水文地质环境变化和构造地质环境变化，实现三峡水库蓄放水过程中地质环境变化监测。3.三峡库区地质环境稳定性变化的大地测量监测及评价将三峡地区地壳形变及重力场时空变化等大地测量监测成果与各种环境变化（水库蓄放水、固体潮大潮、气候异常等）及地质灾害事件进行全区域、全过程对比，建立确定性的监测准则，实现地质环境稳定性变化的大地测量监测；通过跟踪大量地质灾害事件，说明地质环境稳定性变化监测流程及地质灾害大地测量情势分析方法，验证其监测能力；基于

7、地壳及重力场时空变化和地质环境稳定性动态变化的统计性质，顾及重力地形影响，定量估计2011至2015年三峡库区地质环境的总体稳定性，揭示其空间分布结构与时空演变态势。地球表层环境负荷变化可用等效水高变化（或面密度变化）表示。这里的等效水高变化通常是指某一时刻等效水高相对于参考时刻等效水高的差值，或相对于某一段时间等效水高平均值之差。等效水高变化有时也称为等效水高异常。地面等效水高变化∆hwφ,λ的规格化负荷球谐展开式为：Δhw(φ,λ)=Rn=1Nm=0nΔCnmqcosmλ+ΔSnmqsinm

8、λPnmsinφ⑴由地球负荷形变和地球重力场理论，地面等效水高变化引起的大地水准面变化为：ΔN(φ,λ)=3ρwρeGMγRn=2N1+kn'2n+1m=0nΔCnmqcosmλ+ΔSnmqsinmλPnmsinφ⑵引起的地面重力变化为：gt(φ,λ)=-3ρwρeGMR2n=1Nn+2hn'-n+1kn'2n+1m=0nΔCnmqcosmλ+ΔSnmqsinmλPnmsinφ⑶引起的地面站点大地高变化（负荷垂直形变）为：∆r(φ,λ)=3ρwρeGMγRn=1Nhn'2n+1m=0nΔCnmq