利用GNSS基线分析芦山Ms7.0级地震前后应变演变特征

利用中国地壳运动观测网络6个GNSS基准站2011~2014年的观测数据,解算了芦山Ms7.0级地震近场区域的GNSS基线长度变化时间序列。从投影后的平面基线出发,给出了由基线长度变化求解面应变的方法。利用基线线应变、基线所得的最大剪应变、最大面应变和第一、第二剪应变等5个物理量分析了地震前后地壳运动的动态演变过程。线应变序列结果显示,整体地壳形变表现为NW-SE向挤压,S-N向拉张状态,震前线应变异常并不明显,震后经过调整又恢复为原线性变化趋势,总的线应变仍在持续积累。面应变序列结果显示,震前出现了不同程度的非正常偏离,尤其出现了明显的闭锁状态和反向加速过程,整个变化曲线类似抛物线的弧形,与岩石力学形变理论相吻合。由第一剪应变的显著异常变化,推断发震断层南缘在这次地震活动中产生了强大的左旋剪切构造力。     

利用GNSS历元间差分测速方法反演地震三要素

利用高频全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）记录监测地震可有效弥补传统地震仪近场观测量程饱和、基线偏移等问题。相比于GNSS精密单点定位（precise point positioning, PPP）,历元间差分测速方法可避免PPP收敛时间较长、需要外部改正数的问题,且测速方法获取的地震波形具有更高的信噪比。以2021年5月21日青海玛多MS 7.4地震为研究对象,提出利用载波相位历元间差分方法对该地区1 Hz高频GNSS数据进行处理,得到测站速度波形,并确定出玛多地震的震中位置、震级和发震时刻等参数。与中国地震局公布的结果比较,震中位置平均值相差约2.07 km;震级平均值相差约0.06个震级单位;发震时刻平均值相差4 s。结果表明,高频GNSS历元间差分测速方法反演地震三要素具有非常好的准确性与实用性。     

芦山Ms 7.0级地震震前及同震地表形变

对四川地区GNSS观测数据进行处理,获得如下结果:①汶川Ms8.0级地震之前龙门山断裂带及其以北近150km的范围内几乎不存在可分辨的右旋走滑活动和压性形变,四川盆地以西-鲜水河安宁河断裂带以东约100km的范围内几乎也不存在可辨的形变;②汶川Ms8.0级地震之后芦山Ms7.0级地震之前,龙门山断裂带中、北段存在约5mm/a右旋走滑活动,芦山震源及附近地区的三维形变一直处在闭锁状态,鲜水河安宁河断裂带及其以东的左旋形变有所增强;③芦山地震可变的同震形变场基本分布于以震源为中心的数十km范围内,大致以震中为界东侧呈右旋形变,西侧呈左旋形变;④距震中较近约12km的LS05震时"永久性"垂向位移量约7cm,水平向逆冲量约4cm,走滑量约5cm。     

GNSS揭示的汾渭盆地及周缘现今地壳运动与应变差异

利用汾渭盆地及周缘地块2011—2017年高精度GNSS (global navigation satellite system)监测资料,分析了区域现今地壳运动差异性与形变特征,并基于球面最小二乘配置法构建了区域运动变形模型,反演获得了区域应变场,定量解译了不同区块间的应变差异特征。结果表明,区域地块间现今拉张或压缩速度约为1～2 mm/a;区域整体表现出北西-南东向拉张应变特征,且典型域应变剖面定量揭示出汾渭盆地在周边地块差异性变形中的"调节带"作用;2008年汶川地震与2011年日本宫城地震后,汾渭盆地的地震活动率在短时期内有所下降,且最大剪应变呈减小趋势,其原因可能与同震及震后效应减缓区域的应变积累有关。     

PPP网解UPD模糊度固定技术监测尼泊尔Ms8.1级地震对中国珠峰地区及周边地震同震位移

利用UPD模糊度固定技术无需顾及基线解算基站地震所带来的影响,可以进行高精度非差PPP解算,"真实"获取地震周边地区GNSS站点高精度同震位移变化。为此,本文利用"国家基准一期工程""中国大陆构造环境监测网络"以及国家测绘地理信息局在珠峰周边所观测的GNSS观测资料,基于UPD模糊度固定技术高精度非差解算2015年4月25日尼泊尔Ms8.1级地震对我国珠峰地区及周边地震同震位移影响。首先,本文选取全国及周边IGS均匀分布、站点稳定、远离震区的GNSS连续观测网络数据计算卫星端的宽、窄巷UPD,采用PPP网解UPD模糊度固定技术,对解算地震区域内的GNSS测站的载波相位模糊度进行固定,得到无模糊度的精确相位观测值,进行高精度非差PPP解算;通过对平静日IGS测站数据处理与ITRF2008历元坐标对比分析,验证了该方法的精确性;最后,对2015年4月25日、5月12日地震以及地震前后数据,进行了UPD模糊度固定技术的非差PPP解算,分析了中国珠峰地区及周边GNSS站的同震位移;同时也分析了中国珠峰地区在2005—2015年10年的位移变化情况。UPD模糊度固定技术整网解算的方法也证实了能够为GNSS用于监测地震同震位移等,提供了一种精确、可靠的技术手段。     

天津地区的水平形变特征

根据天津及周边地区GNSS连续观测站资料,在计算得到各站三维站坐标时间序列结果的基础上,文章分析了天津地区GNSS基线时间序列的变化情况和水平形变变化特征.结果显示,天津地区总体呈现压扭变化,不同地段存在差异.天津地区NE-SW向和NW-SE向GNSS基线的伸长和缩短变化呈北西向条带状相间分布.日本3·11地震使天津地壳出现近东西向拉张为主的活动,一定程度上释放消减了天津地区的挤压应变.     

GNSS网形变化的区域地壳形变信息提取方法

针对GNSS三维无约束平差不依赖基准且拥有高精度几何网形的特点,以GNSS监测网作为一个整体的时空观测单元,由GNSS网测站间相互关联的所有基线长度和基线夹角变化综合衡量网形的变化,用网形的变化集中反映区域地壳形变信息。利用地壳形变高空间相关性的特点,采用主成分时空响应分析的方法实现了区域地壳形变信息的快速提取。通过对2013年芦山Ms7.0地震近场区域陆态网GPS基准站2010—2014年观测数据的解算,提取并分析了对应地震前后近场区域地壳形变时空分布特征及形变的动态演变过程。     

基于GNSS/InSAR/GIS的活动断层地震危险性评估系统

本文从GNSS、InSAR、重力、水准等多种大地测量资料联合确定活动断层地壳形变、应变和应力,以及与GIS相结合的角度出发,讨论了基于库仑破裂准则的活动断层地震危险性评估方法,系统阐述了活动断层地震危险性评估系统的设计。该系统主要利用各种大地测量数据联合确定活动断层区域的位移场,反演计算应变场、应力场、活动断层运动参数以及库仑应力;通过确定活动断层的临界应力值,建立地震危险性评估模型,评估可能发生地震的位置、最大震级、复发时间及其对应的概率;最后借助GIS实现断层区域的地质和构造环境、三维形变数据、应变场、应力场和地震危险性综合评价图的管理与可视化。本文最后讨论了所建系统的具体应用,讨论了汶川地震激发的同震静态库仑应力、应力扰动的持续时间和龙门山地区的地震活动率。     

利用HHT-EEMD方法分析云南区域GNSS应变时序孕震信息

地震的孕育和发生本质上都是地壳内部应力、应变能逐渐积累并突然或缓慢释放的结果,研究应变的变化过程对于地震危险性的判定具有重要意义。本文基于云南区域2013—2019年GNSS格网应变时间序列,利用专门适用于非线性非平稳信号处理的热门时频分析方法—整体经验模态分解（ensemble empirical mode decomposition,EEMD）的希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang transform,HHT）分析方法,探索云南区域中强地震前GNSS应变时序的时-频-能量分布特征,尝试挖掘应变时频信号中所携带的孕震信息。利用23号、42号格网对应的地震进行震例分析,结果显示：EEMD具有分频剖面的类似特征,它能够依据数据的时间特征尺度进行信号分解,较好地剖析信号在不同频率尺度上的变化特征;Hilbert变换能够通过瞬时频率、瞬时振幅等方式突出信号的局部瞬时特性,在固有模态分量（intrinsic mode functions,IMF）异常曲线识别无效的情况下仍能凸显异常;通过EEMD、残差趋势项分析、IMF异常识别和Hilbert变换综合动态分析应变时间序列的分析方法,能够在部分地震前夕发现一些潜在异常信息,为未来云南区域强震危险地点的判定提供一定的参考。     

基于单历元方法研究汶川8.0级地震对中国大陆的同震变形影响

本文基于BERN5.0软件的动态计算功能,首先验证了GPS连续运行站观测数据单历元计算的可靠性,将其应用到汶川地震当天的观测数据,计算了全国29个连续运行站在地震前后30分钟的瞬时变化,获得了相应的同震变形,重点研究了泸州、西安、北京房山等站的变化情况,计算结果表明,在地震前后,各连续运行站监测到了明显的震间变形.     

珠峰及周边地区强震影响垂直形变特征研究

2015年尼泊尔地震对珠穆朗玛峰高程的影响,近年一直受到全世界关注.2020年珠穆朗玛峰高程测量在珠穆朗玛峰及周边地区布设了高精度的全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)形变监测网,收集了1999-2020年跨喜马拉雅山脉的32个连续运行参考站(continu...     

武汉九峰地震台重力变化与地壳垂直形变分析

长期的重力变化和地壳形变观测是研究地下物质运动的重要手段。基于武汉九峰地震台2013—2020年的绝对重力和全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）观测数据,计算了长期的重力与地壳垂直形变的变化趋势,并以1年、2年和3年的时间间隔分段,进行线性趋势拟合,分别获得不同时间段的绝对重力年变化率、地壳垂直形变速率以及对应的比值。研究结果表明,武汉九峰地震台长期的重力年变化率为0.479 9 μGal/a,地壳垂直形变速率为-1.2 mm/a, 两者的比值为-0.399 9 μGal/mm,与理论值存在一定的偏差,可能与该区域的地下水活动有关。将不同时间段的重力变化与地壳垂直形变的数据展布在一张图中,发现数据点离散分布在不同区域,由此可初步判断地下物质运动过程,为区域动力学机制解释提供参考。     

联合地震位错模型和ESISTEM方法提取地震同震三维形变场

高精度同震三维形变场对于研究地震变形模式、震源机制等具有重要意义。设计并实现了一种联合地震位错模型和扩展融合大地测量、卫星形变观测、应变张量估计(extended simultaneous and integrated strain tensor estimation from geodetic and satellite deformation measurements, ESISTEM)方法的新方法,以2021年Ms 6.4漾濞地震为例,利用哨兵1号A、B星(Sentinel-1A/B)升、降轨影像获得该地震的合成孔径雷达干涉测量形变场,利用地震位错模型正演得到的南北向形变分量进行约束,成功提取了该地震完整的同震三维形变场及应变场。结果表明,漾濞地震断层西南侧主要向西、向北运动,最大形变分别为4.8 cm、9.5 cm;东北侧主要向东、向南运动,最大形变分别为7.4 cm、4.6 cm;垂直向抬升、沉降的最大值分别为3.6 cm、3.4 cm;发震断层以右旋走滑运动为主,兼有少量正断分量;发震断层区域受到显著的膨胀、剪切和旋转作用。     

唐山7.8级地震三维地表形变和断层运动特征

通过系统收集整理1976年唐山7.8级地震前后区域水准和边角网观测资料,在研究发展动态平差程序的基础上,解算得到了唐山地震震前和同震三维形变定量结果与误差分布,并反演得到了断层面同震滑动分布。结果显示,震前阶段丰润-唐山-唐海-昌黎-迁安一带整体隆升,隆升高值区位于唐山附近,震中区的水平形变量不大,唐山菱形地块相对于周围地块逆时针扭转;同震阶段唐山断裂以右旋错动为主,并呈现西升东降的垂向变形特征;反演结果表明多段断层参与了唐山7.8级地震的应变释放,主震发震断层的南段破裂主要发生在深度约6~18 km、长轴约50 km范围,北段破裂主要发生在深度约7~17 km、长轴约30 km范围,滦县地震断层也发生了少量滑动;主震断层最大水平位错为7.82 m、最大垂直位错为2.04 m,等效震级为Mw 7.58。挖掘得到的唐山震前和同震三维形变场定量结果为深入研究该地震的孕育发生机制及地震影响提供了珍贵资料。     

北斗三号与超高频GNSS同震形变监测:以2021年青海玛多Mw 7.4地震为例

随着北斗三号完成全球组网以及硬件技术发展,地壳形变监测网络的全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）接收机正朝着多系统、超高频（≥50 Hz）更新升级。基于陆态网络和中国青海省连续运行参考站的GNSS观测数据,获取2021年青海玛多Mw 7.4地震的同震位移波,并进行了震前精度统计和功率谱密度分析。结果表明,北斗三号在本次地震中的位移拾取精度比全球定位系统(global positioning system,GPS)更优;采样率提高到50 Hz对削弱位移时间序列混叠效应作用不显著,在10 Hz左右达到饱和;对50 Hz同震位移波差分获取到的速度和加速度序列噪声较大,难以利用。综合应用场景和成本考虑,GNSS地震监测的采样率最高设置在5~10 Hz即可。     

SMAG2000:一体化GNSS强震仪及其地震监测性能分析

地震监测可以帮助人们了解地震形成的机制,对地震预警也有着重要意义。结合加速度计和全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）高精度数据处理方法,利用嵌入式开发技术,研制了一体化GNSS强震仪SMAG2000用于实时地震监测。该仪器具有以下特点:（1）将GNSS与加速度计数据融合,仪器没有量程限制,并可以获得永久位移。（2）通过振动台测试,对不同频率的正弦波和模拟的地震波信号,仪器测量的结果与参考值残差的标准差优于0.4 cm,相关系数大于0.99。（3）所使用的核心组件与配件均为国产,成本可控,可以在中国地震监测网实施布设,实现地震台网和大地测量台网的深度融合,响应《国家地震科技创新工程》。     

EMD在GNSS时间序列周期项处理中的应用

全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）位置时间序列蕴含有丰富的构造和非构造变形信息,具有成分复杂、建模困难、非构造信息难以有效分离等特点,利用自适应的经验模态分解（empirical mode decomposition,EMD）方法对川滇地区24个GNSS连续站时间序列作周期项修正。结果表明,周期项的修正十分必要,EMD方法能够根据每个台站信号的自身特性,自适应地提取不同频率、振幅的周期成分,这也更符合实际情况;相较于谐波模型,EMD方法对原始时间序列在N、E、U方向的改正均更加精确有效。使用修正后的连续站时间序列模拟流动观测,发现经过5～6 a/期观测即可得到相对可靠的台站运动速度,并通过距离较近的实际连续观测站对流动观测站周期项改正,验证了EMD方法的稳定性和可靠性,这也为流动GNSS观测实施、周期修正和资料使用提供了参考意见和理论依据。     

基于多源SAR数据的2022年门源Ms 6.9地震同震破裂模型反演研究

2022年1月8日青海省海北州门源县发生Ms 6.9地震,震中位于青藏高原东北缘祁连-海原断裂中段,属历史地震空区,基于多源合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）遥感数据研究该地震的破裂模式对理解青藏高原东北缘构造变形机制、应变释放过程以及地震危险性评估具有重要意义。首先利用Sentinel-1数据和合成孔径雷达差分干涉测量（differential interferometry synthetic aperture radar,D-InSAR）技术获取了门源地震的同震形变场,视线（line of sight,LOS）向形变场显示此次地震造成了约20 km长的地表破裂,最大形变约0.75 m;然后基于Sentinel-2卫星数据,利用光学影像配准和相关技术获取了本次地震的东西向同震形变场,最大同震位移达2.5 m;最后基于均匀弹性半无限位错模型,以LOS向形变场为约束反演了断层的滑动分布模型。结果显示,门源地震是一次典型的左旋走滑型地震,地震破裂主要集中在0~10 km深度范围,最大滑动量3.25 m,滑动角10.44°,对应深度4.89 km;反演给出的矩震量为1.07×1019 N·m,对应矩震级Mw 6.6。结合野外考察和地质资料,初步判定发震断裂为冷龙岭断裂,并引起托莱山断裂发生同震滑动。同震库仑应力结果显示,冷龙岭断裂东段和托莱山断裂西段应力状态为加载,未来具有发生强震的风险。