Γεωδαιτική και γεωφυσική προσέγγιση του πεδίου βαρύτητας της γης και εφαρμογές στον ελληνικό χώρο

Abstract

The present dissertation focuses in the study of the earth’s gravity field in the Hellenic region from a geodetic and geophysical perspective. One of the main objectives of this study is the optimum combination of heterogeneous data, such as geopotential models, gravity and height data, for the development of a new high accuracy and resolution gravity database. The other two objectives are the determination of new high resolution and accuracy geoid models and the geophysical study of the gravity field by determining the crust’s thickness and investigating correlations among various quantities of the gravity field and different potential fields. In the first chapter, the objectives, the main results and the contents of this thesis are pointed out. In the second chapter, the newly developed gravity database for the Hellenic area is described in detail. First, a review of the necessary theoretical background is provided. Following, a detailed discussion is given regarding the suggested methodology for the development of gravity databases. Next, all the available data are presented. The last part of this chapter focuses in the calculations carried out including the development of a new DTM and DBM, the applications of visual inspection through GIS and LSC prediction method for the detection of gross-errors and outliers and the assessment of the new gravity database. The third chapter deals with the calculation of new geoid models for the Hellenic area and local scale solutions in selected subareas, by employing methodological procedures such as the classical Stokes convolution integral solved by efficient FFT techniques, the spectral method of input-output theory systems and the classical and parametric LSC method. Following, the new geoid models are presented and comparisons carried out with geoid heights from independent measurements and between the new geoid models are commented. In the fourth chapter, a geophysical investigation of the earth’s gravity field for the Hellenic region is carried out. First, a theoretical background and a review of previous studies dealing with the calculation of the thickness of the crust are provided. Following, the effect in the gravity field of the subduction of the African plate beneath the Eurasian plate is given along with the calculated Bouguer anomalies for the area under study. Next, the gravity inversion methodology employed for the calculation of the thickness of the crust is presented and a detailed discussion towards the results and comparisons with previous studies is provided. In the next part of this chapter, comparisons are made between isostatic anomalies calculated in the frame of this thesis with those of previous studies and correlations between the compensated geoid and the topographic/isostatic effects are investigated, while geotectonic characteristics are traced with the aid of the new geoid models of the area. Last, an investigation is carried out towards the revealing of geotectonic characteristics through a spectral analysis of the geoid as well as a correlation study between geoid heights and density values of the upper lithosphere. The fifth chapter reviews the results and conclusions of this thesis and provides suggestions for future scientific research.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη του πεδίου βαρύτητας της Γης από γεωδαιτική και γεωφυσική άποψη και επιχειρεί να δώσει απαντήσεις σε ορισμένα σχετικά προβλήματα μέσω αριθμητικών εφαρμογών στην ευρύτερη περιοχή του ελληνικού χώρου. Η διατριβή έχει τρεις στόχους. Ο πρώτος στόχος είναι η δημιουργία μιας νέας, ενημερωμένης βάσης δεδομένων βαρύτητας, η οποία να καλύπτει την ευρύτερη περιοχή μελέτης, να εμπεριέχει δεδομένα από τις σύγχρονες δορυφορικές αποστολές αλτιμετρίας και βαρύτητας και να χαρακτηρίζεται από υψηλή ακρίβεια και χωρική ανάλυση. Η ανάγκη για τη δημιουργία αυτής της βάσης πηγάζει από το γεγονός πως οι διαθέσιμες έως σήμερα βάσεις για τον ελληνικό χώρο είτε καλύπτουν μέρος αυτού είτε δεν έχουν ενημερωθεί με πρόσφατα στοιχεία. Για τον σκοπό αυτό συγκεντρώθηκαν όλα τα διαθέσιμα δεδομένα βαρύτητας και αναπτύχθηκε σε ένα πρώτο στάδιο κατάλληλη μεθοδολογία και λογισμικό για την ομογενοποίηση, τον έλεγχο και την αξιολόγησή τους. Σε ένα δεύτερο στάδιο δημιουργήθηκε μια νέα βάση δεδομένων βαρύτητας για την Ελλάδα και την ευρύτερη περιοχή, τόσο σε επίπεδο σημειακών τιμών όσο και σε γεωγραφικό πλέγμα, η οποία και αποτελεί τη βάση για την επίτευξη των δύο επόμενων στόχων της παρούσας μελέτης. Δεύτερος στόχος της διατριβής είναι η γεωδαιτική προσέγγιση του πεδίου βαρύτητας μέσω του υπολογισμού της ισοδυναμικής επιφάνειας του γεωειδούς. Ο υπολογισμός ενός υψηλής και ενιαίας ακρίβειας και διακριτικής ικανότητας μοντέλου γεωειδούς για τον ελληνικό χώρο, καλύπτει ευρύ φάσμα εφαρμογών του συνόλου των γεωεπιστημών. Πρωτεύοντα ρόλο μεταξύ των εφαρμογών αυτών έχει η αξιοποίηση των απόλυτων ή σχετικών υψομέτρων του γεωειδούς σε εφαρμογές χωροστάθμησης με GPS/GNSS, ο καθορισμός επιφάνειας αναφοράς βαθών στη θάλασσα για εφαρμογές ωκεανογραφίας, ο εντοπισμός ανωμαλιών της λιθόσφαιρας μέσω των συσχετίσεων με διάφορα άλλα δυναμικά πεδία, κ.λπ. Στην παρούσα μελέτη υπολογίζεται μια νέα λύση για το γεωειδές στον ελληνικό χώρο, η οποία είναι η πιο πρόσφατη και ακριβέστερη περιφερειακή λύση έως και το χρόνο συγγραφής της. Στο πλαίσιο αυτό διερευνώνται οι δυνατότητες φασματικών και στοχαστικών μεθοδολογιών για βέλτιστους συνδυασμούς των ετερογενών δεδομένων και των σφαλμάτων τους. Τρίτο στόχο της διατριβής αποτελεί η γεωφυσική προσέγγιση του πεδίου βαρύτητας της Γης, όπου μελετάται ο ανώτερος φλοιός της Γης στον ελληνικό χώρο. Για πρώτη φορά υπολογίστηκε με ενιαίο τρόπο το πάχος του φλοιού της Γης για ολόκληρη την περιοχή μελέτης, τόσο στη θάλασσα όσο και στην ξηρά, από αντιστροφή δεδομένων βαρύτητας, που προέρχονται από τη νέα βάση δεδομένων βαρύτητας. Επίσης για πρώτη φορά εντοπίστηκαν γεωτεκτονικά χαρακτηριστικά μέσω του νέου μοντέλου βαρύτητας για την περιοχή μελέτης, που οφείλονται κατά κύριο λόγο στην υψηλή ανάλυση της νέας βάσης και εκτιμάται ότι θα αποτελέσουν ένα αξιόλογο υπόβαθρο για μελλοντικές γεωφυσικές και γεωδαιτικές μελέτες στη χώρα μας. Στο πλαίσιο του ίδιου στόχου μελετήθηκε η συσχέτιση δυναμικών πεδίων που προσδιορίστηκαν και πυκνοτήτων των στρωμάτων της ανώτερης λιθόσφαιρας μέσω του νέου μοντέλου γεωειδούς. Το σύνολο των ανωτέρω εφαρμογών βοηθούν στην πληρέστερη κατανόηση των συσχετίσεων που υπάρχουν μεταξύ των διαφορετικών δομών στο εσωτερικό της Γης και των δυναμικών μεγεθών που σχετίζονται με το μετρούμενο πεδίο βαρύτητας.