高频GPS和强震仪数据在汶川地震参数快速确定中的初步应用

高频GPS可以实时获取地表位移数据,在地震学中有十分重要的现实应用,比如快速获取震中、震级、地震烈度甚至震源破裂过程.本文以汶川地震为例,首先利用近场7个GPS台站数据反演震中位置,由于高频GPS和测震学确认的震相不一致,两种震中结果相距约15.7 km.然后对高频GPS和强震动数据进行了比较分析,我们的统计结果表明,尽管由于工作原理不同,高频GPS数据中的地震动峰值与强震记录相比存在明显差异,但是高频GPS记录的PGA、PGV和PGD同样可以作为计算地震烈度的指标.进而,使用SMBLOC程序对强震记录进行事后的基线偏移校正,得到与实时高频GPS精度相当的地表位移序列.最后,采用移动平均窗口对这些位移数据作平滑,基于最速下降法和OKADA模型,对汶川地震断层破裂的过程进行了回溯性准实时反演.结果表明,汶川地震主断层由西南向东北方向破裂,以14∶28∶04为基准,在震后20 s提供初始震级M_W7.0,震后70 s震级稳定在M_W7.8,但断层仍在破裂,在震后159 s根据位移波形判断事件基本结束.研究表明,实时地表位移数据可以快速准确获取强震震级和破裂方向,从而使得高频GPS将对现有地震预警系统提供很好的补充.     

利用同震和震后位移数据联合反演2011年日本MW9.0地震同震断层滑动

基于黏弹性球体位错理论, 联合陆地和海底同震GPS数据以及日本本岛330个陆地GPS站点5~10年的震后数据, 反演了日本M_W9.0地震的断层滑动模型, 提升了断层滑动分布在细节上的合理性。 首先, 基于日本本岛330个陆地GPS站点震前2年和震后10年的连续观测数据, 获取了日本M_W9.0地震震后5~10年的年平均位移, 该时段的位移几乎完全由地幔黏弹性松弛效应引起; 接着, 利用黏弹性球体位错理论对震后5~10年的位移进行反复拟合, 确定了日本M_W9.0地震震源及周边地区的地幔黏滞性系数最优解(9.0×10¹⁸ Pa·s)。 然后, 联合同震和震后位移数据, 引入黏弹性位错格林函数, 反演了2011年日本M_W9.0地震的断层滑动分布。 结果表明, 该地震同震破裂的最大值达到了62.72 m, 同震滑动的总地震矩为4.48×10²² Nm, 相应的矩震级为M_W9.03。 由于黏弹性松弛效应引起的震后位移中包含了同震破裂的信息, 基于黏弹性球体地震位错理论, 联合同震和震后位移数据反演断层同震破裂, 有效提高了日本M_W9.0地震断层滑动分布的可靠性。 最后, 本文提出的反演方法为同震观测结果缺乏的大地震震后科考提供了理论支撑: 在大地震发生之后, 即使在同震期间没有足够的观测数据, 也可以在震后通过对震源区的加密观测积累的震后数据, 使用本文提出的反演方法优化同震断层滑动模型。     

2011年日本MW9.0地震震后形变机制与震源区总体构造特征

本文利用较为完备的球体位错理论,结合4.5年的震后位移数据,优化了2011年日本M_W9.0地震震源区岩石圈弹性层厚度与地幔黏滞性因子,更新了该强震断层余滑时空演化过程.首先,基于日本列岛215个均匀分布的GPS连续观测站震前2年与震后4.5年的观测数据,提取了2011年日本M_W9.0地震引起的震后位移时空变化;接着,依据断层余滑衰减相对较快的特点,利用黏弹性球体位错理论对震后3~4.5年的GPS观测数据进行反复拟合,确定2011年日本M_W9.0地震震源区地幔黏滞性系数和岩石圈弹性层厚度的最优解分别为6×10¹⁸ Pa·s和30 km;然后,从震后3年内GPS观测数据中剔除地幔黏滞性松弛效应,获取了断层余滑对应的震后位移场;最后,利用基于球体位错理论的反演算法,反演了2011年日本M_W9.0地震断层余滑的时空演化过程.结果表明,2011年日本M_W9.0地震引起的断层余滑在震后半年内变化显著,震后2年主震区域余滑基本停止,断层的两端存在一定的余滑效应,断层余滑的累计矩震级达到8.59;地震后4年,地幔黏滞性松弛效应对震后位移场的贡献在总体上超过断层余滑的贡献.     

2008年10月西藏当雄MW6.3地震震后形变提取与余滑反演

2008年10月6日西藏当雄发生M_W6.3地震.本文利用震后2008年10月26日至2010年8月22日的16期ENVISAT ASAR数据,通过小基线集干涉测量、误差校正与MInTS（Multiscale InSAR Time Series）技术提取高精度的震后形变场,利用SDM（Steepest Descent Method）方法反演断层震后余滑演化过程,并分析震后余滑与同震滑动的关系.结果表明：当雄M_W6.3地震的近场震后形变场主要位于断层西侧,在时间演化上具有明显的对数函数衰减规律;震后余滑主要集中于断层中南段深0~15 km区间,最大的余滑量约0.07 m,位于断层深约9.28 km处,滑动角约-103°;震后余滑引起的地震矩能量M₀与矩震级M_W在时间演化上具有指数函数递增规律;当剪切模量μ=32 GPa,震后665天余滑释放的地震矩能量约为1.92×10¹⁷N·m,约占同震滑动释放地震矩的4.8%,相当于矩震级M_W5.46;虽然震后余滑已经延伸到断层浅部0~5 km区间,但由于余滑量相对较小,没有改变同震滑动在断层浅部区域的滑动亏损现象,这可能是2010年11月30日该区域又发生M_W5.3级余震的主要原因之一.     

2017年伊拉克MW7.3地震的类型界定及其震后趋势分析

2017年伊拉克地震发生在我们划分的巴格达地震区,鉴于不同机构提供的该震震级参数相差较大,本文利用孕震断层多锁固段脆性破裂理论,分情况讨论了该震所属地震类型,并分析了巴格达地震区地震趋势.结果表明：若2017年伊拉克地震为M_W7.3,则该震为第3锁固段向峰值强度点演化过程中发生的1次显著前震,该区未来将发生M_W7.7~8.2（双震型为M_W7.5~8.0）标志性地震,目前已接近临界状态;若2017年伊拉克地震为M_W7.5,除可能为显著前震外,还可能为标志性地震（双震）之一,若如此两年内该区将发生另一次M_W7.5地震;若2017年伊拉克地震为M_S7.8,则该震为第3锁固段峰值强度点对应的标志性地震,与我们对该震的前瞻性中长期预测结果相符.我们判断该震不为主震,预测该区未来还将发生M_W7.8~8.3（双震型为M_W7.6~8.1）标志性地震,目前该区远离临界状态.     

2016年台湾美浓MW6.4地震震源参数的InSAR和GPS反演

2016年2月6日台湾西南部高雄市美浓区发生了M_W6.4地震.本文结合ALOS2卫星升降轨、Sentinel-1A升轨SAR数据,采用两轨差分干涉技术获取了该区域的同震形变场,形变结果表明震中西北部以抬升为主,最大视线向形变量约为11.2 cm.基于均匀位错模型和多峰值粒子群（MPSO）算法,利用InSAR和GPS形变数据联合反演了美浓地震的断层几何参数,结果表明震源中心位于22.920°N,120.420°E,深度约12 km,发震断层长度约15 km,走向角307°,倾角16.5°,平均滑动角为51.5°,此次地震是以逆冲倾滑兼左旋走滑的破裂模式.利用格网迭代搜索法得到最优倾角为15.7°,GPS和InSAR最优权比为18：1,最优平滑因子为0.06.基于非均匀位错模型,利用非负最小二乘方法进行线性反演,结果显示最大倾滑和走滑量分别为51.7 cm和55.3 cm,对应矩震级为M_W6.38,略小于GCMT （M_W6.4）的结果.通过与已有文献的比较和对该区域断层构造的分析,发现美浓地震的发震断层为单一断层的解释更为合理,我们推测发震断层是位于左镇、后甲里等断层之间的一条东南-西北走向往东北倾斜的盲断层,并初步推测2010年M_W6.3甲仙地震也同该断层有关.     

2008年于田MW7.2地震滑动分布反演及三维同震形变场解算

基于ENVISAT ASAR升降轨数据, 利用InSAR获取2008年于田M_W7.2地震同震形变场; 采用SDM反演本次地震断层滑动分布; 使用PSCMP正演获取于田M_W7.2地震南北向模拟形变量, 并结合升降轨同震形变场, 解算三维同震形变场。 同震形变场分析表明, 2008年于田M_W7.2地震以正断为主, 且带有走滑运动特征, 破裂带走向为NNE向。 同震滑动分布反演结果显示, 断层沿走向被分为4段F1、 F2、 F3、 F4, 其滑动分布集中在0~14 km区间, 以F2、 F3段为主, 最大滑动量约5.31 m, 位于F2段深部2.76 km处; 沿破裂带走向, 左旋走滑位移与垂直位移比值有增大的趋势; 反演获得的地震矩M₀=5.58×10¹⁹N·m, 相当于矩震级M_W7.1。 三维同震形变场解算结果显示, 断层上盘整体表现为沉降, 断层下盘整体表现为隆升, 且沉降量明显大于隆升量, 表明地震以正断破裂为主; 除靠近断裂带中上部表现为向东南运动外, 上盘整体上表现为向西南运动; 断层下盘则整体表现为向东北运动, 证明破裂兼有左旋走滑运动。 滑动分布反演、 正演与三维同震形变场解算结果皆表明, 于田M_W7.2地震破裂以正断为主, 且带有一定的左旋走滑。     

2015年尼泊尔地震破裂过程的统一模型

模拟2015年尼泊尔地震（主震M_W7.8及最大余震M_W7.3） GPS/InSAR同震位移、远震体波、高频GPS位移波形和强震加速度记录,构建统一震源模型.统一模型分布特征主要由InSAR观测决定,地震矩释放过程则与P波模型相似,静态与高频GPS观测增加了对破裂时空特征的约束强度;各种比对表明,该模型对各基于单一类型反演模型具有很好的兼容性,棋盘测试展现其具有更优空间分辨率,最小可恢复20 km×20 km尺度的空间特征,压缩了非同震信号或误差导致的零散瑕疵,主、余震破裂具有更好的空间对应关系.主震展布范围为140 km×80 km;4 m以上破裂集中在加德满都以北30 km、深度15 km的狭长区域内,最大滑动量为7.4 m;破裂持续总时长为60 s,破裂速度为3.3 km·s^-1,子断层上升时间在10 s内.M_W7.3余震破裂区域位于主震东侧边缘,滑动量围绕震中扩散,扩展范围为30 km×20 km,最大滑动量约为4.4 m,总破裂持续时间为35 s.本次地震中静态和高频的GPS观测亦具备独立约束主震破裂扩展过程的能力.     

基于高频GPS峰值地动位移的震级标度探讨

综合地震学地震震级公式和目前连续GPS研究震级标度的成果,使用国内外M_W5.9～9.1的17个地震事件的高频GPS测站的峰值地动位移数据,构建了新的基于GPS峰值地动位移(PGD)的震级标度关系。依据新建立的关系和实际数据分析认为,GPS峰值地动位移的震级标度关系适用于M_W5.6以上大地震的震级计算,并得到不同震级的地震使用该标度关系的震源距适用范围,提出使用场地校正项和震源辐射与传播路径校正项修正基于GPS峰值地动位移的震级标度关系。     

日本海沟俯冲带MW9.0地震震源区应力场演化分析

于2011年3月11日发生在日本东北部的M_W9.0级逆冲型板间地震是日本有地震记录以来震级最大的一次地震.本研究基于NIED F-net矩张量解目录中的震源机制解,选取两个长轴相互垂直的矩形区域进行应力场2D反演,获取了日本海沟俯冲带地区应力场的空间及时间分布图像.结果表明：主震前,俯冲带地区应力状态在空间上大体趋于一致,即应力轴（P轴、σ₁轴及S_Hmax轴）系统性地倾向板块汇聚方向,P轴、σ₁轴倾角整体偏缓（<30°）,且远离震源区及日本海沟东侧区域内的应力轴倾角普遍大于主震震源区内应力轴倾角;主震前,受2003年5月26日在宫城县北部发生的M_W7.0地震影响,位于M_W9.0地震震源区西北侧的应力场出现明显扰动,σ₁轴倾向顺时针偏转150°~180°,并于之后大体恢复至震前状态,同期其他地区没有明显变化,这种情况可能和主震断层局部（深部）的前兆性滑动有关;主震后,距离震源区较远处应力场变化不大,主震震源区内应力场发生显著改变,P轴及σ₁轴均以大角度（>60°）倾伏于板块汇聚方向,S_Hmax轴顺时针偏转60°~90°且在日本海沟附近普遍平行于海沟轴.这项研究以时空图像的方式展示了大地震前应力场变化的特点,反映了大地震孕震过程中构造与地震的相互作用,对于理解大地震孕震过程有重要意义.     

2011年日本MW9.0地震对沂沭断裂带及其两侧地区地壳运动的同震影响研究

2011年日本M_W9.0地震（简称日本地震）后沂沭断裂带及其两侧地区地震活动显著增强,研究日本地震对该地区地壳运动及地震潜势的影响十分必要.为此,本文通过112个连续GPS观测站获取了研究区高空间分辨率的日本地震同震形变场并得到如下认识：（1）8个定点地球物理观测的同震响应验证了本文同震形变场的可靠性;日本地震的东向拉张使研究区整体上处于张性同震应变状态,但存在局部挤压区域,其中莱州湾至海州湾的挤压条带穿过沂沭断裂带并对断裂带南北两段产生了不同的同震作用,对南段具有拉张作用,对北段产生挤压作用;（2）同震形变场在鲁东隆起和鲁西断块产生了显著的剪应变,地震b值显示上述区域的构造应力在日本地震后增强,因此同震形变场可能改变了这些区域的应力特征;（3）地震矩张量叠加分析显示,同震形变场短期内对鲁西断块、鲁东隆起区和沂沭断裂带南段累积了地震矩,可能有助于上述区域在日本地震以后的地震活动增强;日本地震对沂沭断裂带北段的地震矩具有释放作用,或许是该区域地震活动减弱的原因.     

2014年新疆于田MS7.3地震同震位移及位错反演研究

利用于田震中300 km范围内的1个GPS连续站和12个GPS流动站数据,解算得到了2014年新疆于田M_S7.3地震地表同震位移,并反演了发震断层滑动分布,探讨此次地震对周边断裂的影响.地表同震位移结果显示,GPS观测到的同震位移范围在平行发震断裂带的北东-南西向约210 km,垂直发震断裂带的北西-南东方向约为120 km,同震位移量大于10 mm的测站位于震中距约120 km以内;同震位移特征整体表现为北东-南西方向的左旋走滑和北西-南东方向的拉张特征,其中在北东-南西方向,I069测站位移最大,约为32.1 mm,在北西-南东方向,XJYT测站位移最大,约为28.1 mm;位错反演结果表明,最大滑动位于北纬36.05°,东经82.60°,位于深部约16.6 km,最大错动量为2.75 m,反演震级为M_W7.0,同震错动呈椭圆形分布,以左旋走滑为主并具有正倾滑分量,两者最大比值约为2.5：1,同震错动延伸至地表,并向北东方向延伸,总破裂长度约50 km,地表最大错动约1.0 m;同震水平位移场模拟结果显示贡嘎错断裂、康西瓦断裂和普鲁断裂等不同位置主应变特征具有差异性,这种差异特征是否影响断裂带以及周围区域的应力构造特征,值得关注.     

基于球体位错理论的地震形变分析

地震形变分布特征主要取决于地震断层破裂特征, 不同震级的地震引起的形变响应范围存在差异。 本文中, 我们基于球体位错理论, 以5 mm的形变测量值为基准, 针对逆冲型和走滑型地震断层, 分析了M_W6.0~M_W8.5地震在跨断层法方向上的形变响应范围, 提出了地震震级和响应范围的经验公式, 并与实际地震(2001年昆仑山口西地震、 2013年芦山地震等)结果进行了比较。 比较结果显示, 经验公式计算结果和实际观测值相符合, 可以用于估算M_W6.0~M_W8.5地震在跨断层法方向的形变响应范围, 同时为地震远场形变特征分析与同震、 震后形变测量点布设等方面提供参考数据。     

2013年岷县漳县6.6级地震同震位移及震中区现今地壳形变特征研究

利用中国大陆构造环境监测网络在甘肃省及周边区域的GPS观测资料, 通过高精度数据处理, 获得基准站的位移时间序列, 给出该区域现今地壳形变特征, 并计算得到2013年甘肃岷县漳县6.6级地震同震位移。 结果表明: 该区域的陆态网络连续站中, 只有GSMX站观测到了较为明显的水平同震位移, 大小约18.7 mm, 由此推断此次地震的影响范围在距离震中30～50 km以内。 研究区内的地壳水平运动较活跃, 同时具有一定的规律性和连续性, 西部的运动速率高于东部, 东南区域的运动速率较小, 最小值为4.4 mm/a, 西南运动速率较大, 最大值为18.4 mm/a。 GPS连续应变率结果显示, 研究区存在近NE—SW向的压缩应变, 近NW—SE向的拉张应变, 并且主压应变明显高于主张应变。     

GPS测定的2020年阿拉斯加MW7.8地震震时地表动态变形及永久同震形变场

以UNAVCO公布的阿拉斯加地区GPS 1 Hz和30 s采样观测数据为基础,采用双差定位方法分别对两种采样率的数据进行处理分析,获得2020年7月22日阿拉斯加M_W7.8地震震时地表动态变形及同震三维形变场。结果显示,震中270 km范围内高频GPS震时波形明显,最大振幅达600 mm。根据各个GPS站的动态形变波形振幅及响应时间认为,其振幅和响应时间受地震的破裂传播方向和场地效应影响较大。静态同震位移矢量指向震中,同震位移大小基本符合随震中距离增大而减小的特征,除站点AC13外,其中距离震中最近站点的最大水平位移达26.7 cm。GPS测定的同震形变表明,2020年阿拉斯加地震是发生在阿拉斯加阿留申俯冲大断裂的一次逆冲型地震。     

2016年11月13日新西兰凯库拉(Kaikoura)MW7.8地震同震位移和应力数值分析

2016年11月13日新西兰南岛北端凯库拉（Kaikoura）发生了M_W7.8大地震,造成了强烈的地表变形并引发大面积滑坡和海啸的发生.基于美国地质调查局（USGS）断层滑动模型,建立全球同震横向不均匀并行椭球型地球模型,计算了此次新西兰凯库拉大地震产生的同震形变和应力及库仑应力变化.初步计算结果表明：新西兰凯库拉M_W7.8地震造成断层上盘东北向抬升,下盘西南俯冲;引起发震区域同震位移较大,从凯库拉到坎贝拉（Campbell）以及首都惠灵顿（Wellington）整体上东北向抬升,最大同震水平位移1.2 m,垂直位移1.1 m.此次大地震释放了发震断层上积累的压应力,但增加了发震断层两端的挤压力;同时,同震剪应力变化增加了NE-SW向断层发生右旋滑动的危险性;采用此次地震发震断层参数计算得出的最大库仑应力变化增加区域集中在发震断层两端,可达到MPa量级.当分别采用新西兰北岛Awatere断裂系和南岛Wellington断裂系参数计算库仑应力变化时,发现新西兰北岛和南岛震中以南区域的库仑应力均增加,可触发部分余震的发生.     

联合强震记录和InSAR/GPS结果的四川九寨沟7.0级地震震源滑动分布反演及其地震学应用

2017年8月8日我国四川九寨沟发生里氏7.0级地震.本研究利用基线校正方法获得距震中100km范围内9个强震台站同震位移,基于Sentinel-1卫星干涉SAR影像对获取了InSAR同震形变场.结合GPS形变数据,本研究进行了震源滑动模型联合反演,结果显示此次地震整体以走滑运动为主,释放地震矩约为7.60×1018 N·m(～MW6.52).通过对比模拟形变场和观测值显示,联合反演结果优于单独基于InSAR形变场的反演结果.静态应力变化计算结果显示断层平均静态应力降为1.07MPa.反演滑动模型沿走向和倾角方向拐角波数值分别为0.99×10-4和1.10×10-4.同震静态库仑应力变化计算结果显示共有83.6%的余震位于库仑应力增加的区域,被主震所触发的余震占总数的77.9%,主震对后续余震具有显著触发作用.强地面运动模拟结果显示模拟结果在烈度分布范围和等级方面与调查烈度符合度很高,模拟结果能够很好地反映断层破裂的方向性效应等特征.本研究计算结果显示九寨沟地震无论是平均静态应力降还是拐角波数均低于同类型地震的平均水平,这可能是造成本次地震强地震动水平相对不高的原因.     

基于方差分量估计的2015年尼泊尔MW7.8地震同震滑动分布

基于三角位错的断层自动剖分方法,联合ALOS-2 InSAR和GPS同震位移数据反演了2015年尼泊尔M_W7.8地震的发震断层参数及滑动分布.反演中基于赫尔默特方差分量估计方法确定InSAR、GPS水平向与垂直向的3种观测位移数据的相对权比.反演结果显示,方差分量估计方法定权得到的最大滑动量5.5 m,大于验前方差定权给出的5.1 m的结果,同时前者显示同震破裂沿东南方向传播至接近M_W7.3最大余震区域,然后分别继续向北和东南传播约30 km,并形成一个滑动空区（slip gap）,而后者的结果没有表现出这种显著的滑动空区特征.方差分量估计定权得到的滑动模型能更好地解释观测到的InSAR同震形变场,其拟合残差标准差较验前方差定权的结果减小了2.5 cm,GPS的东和北分量的残差标准差分别减小了0.4 cm和0.9 cm.与两种不同的基于矩形位错的方法相比,利用方差分量估计的三角位错断层自动剖分方法的滑动误差均值和标准差相对最小,其中均值为0.037 m,标准差为0.028 m,表明该方法得到的滑动模型具有相对更好的无偏性和有效性.     

基于InSAR和GPS观测数据的尼泊尔地震发震断层特征参数联合反演研究

利用日本ALOS-2和欧空局Sentinel-1A卫星获得的尼泊尔地震同震形变场,结合GPS同震位移数据,联合反演了断层滑动分布特征和空间展布.结果表明:尼泊尔地震的同震形变场主要集中在150km×100km的范围内,且分为南北两个相邻的形变中心,南形变中心的视线向抬升量约为1.2m,北形变中心的视线向沉降量约为0.8m,均位于发震断层上盘.位于形变抬升区的KKN4和NAST两个GPS站,抬升量和南向运动量均达到了m级,而远离震区的其他GPS台水平和垂直观测量均在1cm以内.联合反演得到的断层位错分布主要集中在沿走向150km,沿倾向70km的范围内,最大滑动量为5.59m,平均滑动量为0.94m.断层面倾角在浅部约为7°,随着深度增加,倾角逐渐变大,到垂直深度20km时倾角接近12°;5月12日MW7.2级余震位于主震破裂区的"凹"型滑动缺损区域;主震破裂区的上边界与MBT空间位置十分吻合,主震破裂区主要集中的MBT以北50~60km处,垂直深度为8~9km,倾角为9°,继续向北时主震破裂面以10°~12°的倾角向深延伸,在18~20km可能与MHT交汇.因此,初步判定MBT为此次地震的发震断层.