汶川地震同震模型新解及震后InSAR观测和初步分析

汶川地震的形变观测在一定程度上来说,取得了前所未有的成功,特别是在龙门山这样一个特殊的地质构造单元上。通过干涉雷达(InSAR)手段获得断层上盘的形变观测,用C波段雷达观测几乎是不可能的,因为剧烈的地面起伏和致密的植被覆盖会使得雷达后向散射信号在观测期间变得完全不相干。同时超厚的水汽分布,使得大气对雷达波的延迟作用变强,造成显著的观测误差。然而,利用L波段雷达观测,前面一个问题得到部分解决;同时,日本宇航机构JAXA在震后紧急调整卫星轨道,获得了相当一部分覆盖汶川地震的小基线干涉像对,进一步降低了干涉去相干作用,最终使得我们得到了比较全面的InSAR形变观测结果。     

雷达干涉测量在地震形变研究中的应用

合成孔径雷达干涉测量(DInSAR)以厘米乃至毫米的精度和很大的空间覆盖范围实现地表形变观测,它是进行地壳形变观测的重要手段,在地震形变研究中发挥着越来越重要的作用。本文首先简要给出了微波雷达测量的特征,阐述了雷达图像数据处理的基本方法,分析了InSAR技术的主要影响因素和观测精度。结合较新的研究成果,分析了雷达遥感图像研究地震形变的方法,讨论了DInSAR在震间、同震和震后形变观测研究中的最新进展。同时讨论了目前我国应用DInSAR研究地震形变中面临的主要问题,最后阐述了应用雷达干涉测量研究地震形变的发展趋势。     

星载合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术在形变监测中的应用概述

本文综述了地球表面形变的主要类型(包括开采沉陷、地表沉降、地壳运动、地震形变、火山运动、冰川运动及山体滑坡等)及其在我国的分布状况，结合合成孔径雷达干涉测量(包括InSAR及D-InSAR，统称InSAR技术)的技术原理及特点，介绍了国内外InSAR技术近年来在形变监测领域的应用与发展。通过与传统形变监测及GPS监测技术的对比后指出，由于InSAR特有的技术特点，使其在各类形变监测应用中具有传统方法无可比拟的技术优势，必将对形变监测的发展起到极大的推动作用。     

汶川M_S8.0地震InSAR形变观测及初步分析

2008年5月12日汶川MS8.0地震发生后,通过干涉雷达方法(InSAR)获得了覆盖整个灾区全面的高精度形变观测资料(约500km×350km),为研究该地震的发生机理提供了重要的观测依据。通过分析InSAR成像几何和ALOS PALSAR数据的特点,初步获得了对汶川地震的定性认识,为相关研究提供参考,也为进一步深入定量反演奠定基础。此次地震中InSAR卫星观测的应用,显示了卫星大地测量手段对于地震科学研究的重要意义     

巴姆地震地表形变的差分雷达干涉测量

利用星载合成孔径差分雷达干涉技术和ENVISAT卫星雷达数据, 获得了2003年12月26日伊朗巴姆的里氏6.5级地震引起的同震地表形变场,并详细地介绍了信号处理的过程. 利用地震前后的相干图的差异及形变场的突变棱线, 精确确定了地面上断层裂缝的位置、形状和长度. 这对震源理论模型的参数估计提供了依据. 由雷达干涉技术测量得到的形变场与理论模型模拟的结果一致.      

InSAR相位分解及其在生成DEM和研究地震形变场中的应用

InSAR是极具发展潜力的微波遥感新技术,可应用于数字高程模型的产生、制图和大范围微小地表形变的测量。考虑参考面、地形和地表形变等因素,本文从几何角度分析和讨论了In-SAR的相位分解,并给出了各相位分量的函数表达式,阐述了地表高程和形变信息提取的基本原理。最后以JERS和ENVISAT卫星数据为例,展示了合成孔径雷达干涉测量在生成数字高程模型和提取地震形变场中的应用及其数据处理过程。     

基于方差分量估计的多源InSAR数据自适应融合形变测量

近年来,合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术在地面沉降监测方面展现了巨大的应用潜力,但受其重访周期和一维形变测量能力的限制,仅利用单一轨道卫星观测数据很难揭示真实的地表形变特征及其演化规律.随着在轨运行的SAR卫星系统不断增加,使得融合相同时间段内覆盖同一区域的多源多轨道InSAR数据成为可能.然而目前普遍采用的多源InSAR数据融合方法均为针对大尺度形变监测设计,或者忽略南北向形变甚至水平形变,容易造成误判.为此,本文对经典小基线集(Small Baseline Subset, SBAS)时序InSAR分析方法进行改进,在其形变反演模型中加入东西向和南北向形变参数,采用方差分量估计方法解算多源观测数据验后方差,通过迭代精化确定权重矩阵,从而获得形变参数的最优估值.使用美国南加州地区的ALOS PALSAR和ENVISAT ASAR数据开展实验,利用南加州综合GPS网(SCIGN)位于研究区域内的9个站点观测数据进行验证,结果表明本文方法得到的融合形变测量结果在垂直向上能够准确反映地表形变波动,周期性与GPS观测比较一致;同时,融合得到的三维形变场显示南加州洛杉矶地区存在不可忽略的水平形变,东西向形变测量精度略高于南北向.因此,基于方差分量估计的多源InSAR融合方法在提高形变测量时间序列连续性的同时,能够更准确地反演研究区域三维形变特征.     

长江三峡工程库首区InSAR测量的初步研究

正在进行的长江三峡水利枢纽工程将建成世界上最大的人工水库，已有的研究表明，高坝水库有可能诱发中强地震。合成孔径雷达干涉测量（InSAR)已成为测量地球表面变化极具潜力的技术。对欧洲遥感卫星ERS－1与ERS－2的SAR数据的初步分析表明：只要时间跨度不太长，在有植被覆盖、地形起伏较大的山区亦能获得较为理想的干涉图像。结合三峡地壳形变监测网络，利用InSAR技术完全有希望识别三峡工程蓄水过程的地表变形。     

固体潮位移InSAR相位模拟及对广域地表形变监测的影响初探

固体地球潮汐(Solid earth tide,SET)在地表产生的径向位移可达40～50 cm,形变梯度可达2 cm/100 km,是各种精密大地测量和地球物理观测必须考虑的因素之一.随着星载合成孔径雷达干涉测量(Interferometric synthetic aperture radar,InSAR)地表形变监测范围的不断增大以及对精度要求不断提高,固体潮位移对InSAR观测的影响不容忽视.本文利用固体潮位移理论模型,根据InSAR测量基本原理和Sentinel-1卫星成像参数,模拟了固体潮位移InSAR相位,定量分析了其时空分布特征,并以我国江汉平原和北美大平原的Sentinel-1数据为例,探讨了固体潮位移InSAR相位对广域地表形变监测的影响.结果表明:(1)固体潮位移对InSAR广域地表形变监测存在较大影响,在250 km×250 km范围中,以C波段为例,其相位变化可达12 rad(对应52 mm视线向形变);(2)固体潮位移相位在中低纬度(60°S—60°N)地区变化较大,两极地区较小,且在时间上具有明显的周期性;(3)在Sentinel-1 InSAR观测中,通过固体潮位移相位改正去除了干涉图中的部分低频相位偏差,相比原始干涉图,改正后的解缠相位标准差减小了约29%.本研究对于认识固体潮位移InSAR相位的时空分布特征以及提高星载InSAR广域地表形变监测的准确度与可靠性均具有重要意义.     

ERS卫星雷达干涉测量:1999年台湾集集大地震震前和同震地表位移

1999年集集大地震(Mw=7.6)是20世纪以来台湾岛内最大的地震.在本研究中,5个不同时间获取的ERS-1/2卫星合成孔径雷达图像被组合,并被处理成多个差分干涉图,以此来考查与该地震相关的地表位移场.这些差分干涉图(空间分辨率为50m×50m)详细地揭示了沿台湾西海岸震中附近150km2陆地范围内的震前和同震地表形变.几个具有较长时间(2-3a)跨度的震前干涉图呈现出高度的相关性和一致性,并均显示出约1个干涉条纹,相当于沿kd 雷达视线方向的地表位移在空间尺度上呈相对总量为28.3mm的分布;而具有短时间跨度(0.5-la)的同震干涉图呈现出显著的反映地震形变的干涉条纹(9-10个条纹),相当于沿雷达视线方向的地表位移在空间尺度上呈相对总量为25.5-28.3cm的分布,这些由干涉处理所得到的形变观测结果与GPS测量结果吻合程度很高(相关系数达0.95),证实了干涉形变精度可达1cm.特别地,这些高分辨率的同震形变干涉结果可以为该地震的物理机制解释提供极好的观测数据,同时也展示了使用短波段InSAR监测长时间累积的微小震前地表位移是可能的.     

Effects of sedimentary layer on earthquake source modeling from geodetic inversion

Ground deformation as observed with GPS or InSAR has been broadly inverted in constraining source parameter of earthquakes. However, for earthquakes occurring beneath sedimentary basins, the very slow sub-surface shear velocity (v S , down to 200 m/s) may cause substantial bias to earthquake source inversion if simple crustal models are used. For Bohai basin, Sichuan basin and rock-sites, we test effects of sub-surface shear velocity structure on ground deformation, and find that up to a factor of 2 overest...     

Shallow destructive earthquakes

Depths of earthquake occurrence and large slip distribution are critical for seismic hazard assessment.Numerous examples show that earthquakes with similar magnitudes,however,can result in significantly different ground shaking and damage.One of the critical factors is that whether the large slip was generated near the ground surface.In this article,we reviewed two aspects that are important on this regard,shallow slip deficit and nucleation depth.Understanding how shallow future earthquakes may nucleate in particular regions,such as shale gas fields,is critical for hazard assessment.Whether or not a strong earthquake may slip significantly at shallow depths(less than 3 km)plays crucial rules in seismic hazard preparation and should be further investigated by integrating high-resolution fault zone observations,dynamic rupture simulation,and fault zone properties.Moreover,precisely resolving shallow depth and slip distribution of earthquakes demands InSAR and/or other image data that can better capture the near-fault deformation to constrain the source parameters of earthquakes.     

影响四轨法D-InSAR形变测量精度误差的相关性分析

卫星成像的基线、视角、基线倾斜角、斜距、卫星距离地面径向距离以及地面分辨率等因素严重影响着合成孔径雷达差分干涉测量监测地面形变的能力和形变监测结果的精度。本文在分析四轨法D-InSAR基本原理和数据处理流程基础上,详细给出了相位测量误差对形变测量精度影响的定量关系式;分析讨论了基线长度误差、基线倾斜角误差、斜距误差、卫星高度误差和地形因素误差对形变测量精度的影响。从而在定量分析方面得出了这些误差对四轨法D-InSAR形变测量精度影响的结论。     

Temporal development of the 1999 intrusive episode in the Eyjafjallajökull volcano, Iceland, derived from InSAR images

Eyjafjallajökull volcano, located in southern Iceland, is characterized by its quiet nature. Only about a handful of earthquakes associated with the volcanic system had been detected prior to the 1990s. Earthquake swarms did, however, occur in 1994 and 1999. Here we investigate the spatio-temporal evolution of a magmatic intrusion associated with the 1999 earthquake swarm via analysis of produced surface deformation. A series of interferometric synthetic aperture radar (InSAR) images, spanning various periods of the intrusion, show that in 1999 surface deformation occurred mainly on the southern flanks of the volcano. The deformation amounts to more than 20 cm of range change. Inverse modeling resolves the deformation source to be a sill intrusion at 6.3 km depth. Sill opening was up to 1 m and the total intruded volume amounts to ～0.03 km³. The InSAR data display a migration of the center of deformation through time, enabling us to create time-dependant sill-opening models. Furthermore, we investigate the spatio-temporal distribution of earthquakes and find that the distribution supports the InSAR derived model and additionally provides indications for a possible site of a feeder channel. Magmatic flow-rate estimates indicate an initial intrusion rate of 4–6 m³/s, declining over a few weeks.     

全球油气开采诱发地震的研究现状与对策

人工诱发地震现象已经有很久的历史.水库蓄水、采矿、地热开发、从地下提取液体或气体,或将液体注入地球内部都可能诱发地震.大量地震监测数据与科学分析结果显示:美国俄克拉何马州的地震剧增主要与页岩油气开采的废水回注量相关;加拿大阿尔伯塔省的地震剧增主要与页岩油气开采水力压裂的工作量相关;而荷兰罗宁根天然气田的传统天然气开采也同样诱发了较强的地震活动.在中国四川盆地的页岩油气开发区域,地震活动近几年也大幅度增强,但目前监测与科研工作较少,对某些地震成因尚有争议.目前研究诱发地震问题已成为学术界与工业界的一门专业学科.推断诱发地震,除了分析时空分布与工业活动的相关性之外,本文综述了该领域基于地震学、地质动力学、构造地质学的多种分析方法.如何在油气开采过程中减少诱发地震的灾害影响成为当前相关各界极为关注的科研问题,本文介绍了多个国家或地区建立的控制诱发地震的管理系统、基于地震大数据的诱发地震概率预测方法,以及基于地球物理与地质信息的综合诱发地震风险评估方法,并对我国控制诱发地震问题提出建设性意见.     

呼图壁地下储气库部分区域地表垂直形变机理研究

利用在呼图壁地下储气库开展的2013~2015年7期二等水准测量获得的高差数据,对由于地表气井压力变化影响而发生的地下储气库地表垂直变形进行了分析。研究表明,呼图壁地下储气库区的地表变形除了构造成因引起的盆地下沉以外,其他主要形变成因来源有2个方面：一个是呼图壁地区的地下水超采影响着该地区的地表垂直变化;另一个是储气库集采气期间井口压力变化影响下的地表沉降,根据计算,储气库每MPa气井压力变化影响到的地表变化约为0.625~1.125mm。     

局部区域GNSS地壳形变监测系统设计与精度分析

为探索页岩气开采与地壳形变的关系、地表形变对页岩气压裂的响应等,布设一套GNSS跨断层形变监测系统。该系统综合使用静态和动态测量方法采集地表形变信息,结合多种GNSS定位方式增加监测区域地表动态位移信号探测的可靠性,并利用网络通讯与云服务器实现数据的自动化传输、设备的远程管理和站点的动态监测。考虑到测量误差与形变量之间的可区分度问题,文章从测量精度方面进行详细的分析。静态测量计算结果表明,单日基线解和PPP静态解精度在水平和垂直方向均可达到10 mm以内。四川泸定6.8级地震动态定位计算结果表明,RTK解、PPK解和PPP动态解时间序列中,瞬态地表位移信号的可识别程度也可达到10 mm以内。精度分析结果认为该系统可以较好地反映监测区域的部分长期和瞬态形变信息。     

基于Sentinel-1 SAR数据的黑河上游冻土形变时序InSAR监测

多年冻土活动层变化导致冻土区大范围地面变形,严重破坏区域内基础设施和水文地质条件,亟需加强活动层季节冻融过程的观测研究.本文提出一种基于分布式目标的小基线集时序InSAR(DSs-SBAS)的冻土形变监测方法.该方法采用分布式目标提取和特征值分解算法,并结合基于地温-形变约束关系的参考点选取新策略,提高了冻土形变监测结果的时空分辨率和可靠性.以祁连山黑河西支源头的野牛沟为研究区域,通过对27景Sentinel-1SAR影像进行时序InSAR分析,获取了2014-2016年该区多年冻土的形变时间序列和年均形变速率,并利用Stefan模型联合地温数据估算其季节性形变幅度.实地踏勘和结果分析表明:(1)研究区大部分多年冻土处于稳定状态(-1.0^+1.0cm·a^-1),在地形陡峭的南坡边缘及含冰量丰富的野牛沟河上游两侧沟底部分区域存在较大形变;(2)区域内冻土形变时间序列呈现年周期变化,冻土冻融形变存在季节性周期形变和季节性波动下沉两种形变特征,形变幅度和速率最大可达6.0cm和-3.0cm·a^-1;(3)不同区域的活动层冻结/融化始日和冻土形变存在明显差异,主要和冻土地貌、土壤类型以及活动层厚度有关.本文提出的方法在青藏高原多年冻土区大范围冻融监测和活动层厚度反演研究方面具有很大的应用潜力.     

遥感技术在地震研究中的应用进展

本文介绍了遥感技术在地震监测和研究中的应用和进展,分析了卫星热红外遥感、InSAR技术和气体遥感方法在地震前后地表热红外增温、形变和气体含量改变的研究现状,初步探讨了该方法的成因机制.本文同时分析了该技术在地震预报中存在的问题,提出了未来的研究重点.