强震时空统计分析及InSAR同震形变场空间分布特征

收集整理了全球1976年至2022年初的198个强震（Mw≥7.5）信息,统计分析了强震发生的时空分布、震源深度分布和强震发震类型占比,并结合公开发表的典型强震的合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）同震形变场图,分析了强震同震形变的空间分布特征。研究表明,强震空间分布呈条带状聚集,主要位于环太平洋地震带和喜马拉雅-地中海地震带,强震大多发生在各大板块交界处,与现代大地测量观测到的地壳强应变区域重合;强震时间分布存在活跃期和平静期交替出现的现象,1976―1992年为相对平静期,1992年至今为相对活跃期,强震发生频率有逐年增加趋势;在收集的全球198个强震中,发生在海洋中的强震占大多数,陆地强震仅有44个,且绝大多数强震属于逆冲断层地震,按震源深度统计,浅源强震最多且分布广泛,占比达81.3%;InSAR卫星对地观测新技术可以捕获强震的全域同震形变场,详细呈现强震同震形变的空间范围和分布特征,其中陆地强震同震形变波及的范围主要集中在发震断层两侧附近的条带状区域,离断层越远,形变衰减越快,而且形变关于断层呈不对称性。运用全球覆盖的InSAR和全球导航卫星系统地壳形变监测技术,拼接全球不同位置的活动断层形变信息片段,有可能揭示陆地强震的全周期孕震形变过程。     

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。     

GPS测定的2011年日本9.0级地震的中国大陆地区同震位移场

利用陆态网络东北地区的6个GPS基准站地震期间的观测数据反演了日本本州东海岸9.0级强震区域地表的瞬时形变过程,应用160多个陆态网络基准站以及IGS跟踪站的GPS观测数据解算获得中国大陆地区的远场同震位移。将测站按照中国大陆主要构造带(区)进行分配统计可知,东北地区同震位移最大,平均接近20mm;首都圈与郯-庐带及周围地区平均同震位移也在10mm左右;距离震中比较远的鄂尔多斯及周围、阿尔金-祁连山-阿拉善、新疆等地区也受到了该地震的影响,在东方向发生了5mm左右的位移,并且以上地区的优势方向都为东方向;而本次地震对中国的华南(包括南海)以及青藏等地区基本没有影响。这些解算结果对进一步研究地震动力学特征及判定未来地震趋势提供了详实的实测依据。     

基于ALOS PALSAR数据进行雷达差分干涉提取玉树地震同震地表形变场

本文针对2010年4月14日玉树地震引起的地表形变,使用日本ALOS卫星PALSAR L波段雷达影像数据,应用两轨雷达差分干涉(DInSAR)处理得到了以玉树为中心11 000km2范围内的同震形变场,空间分辨率为8m,并在此基础上对玉树地震的震源机制和发震机理进行了分析。研究结果表明L波段雷达数据适合在地形起伏较大的地区进行DInSAR形变探测。该同震形变场信息可为玉树地震的同震形变反演提供参考数据。该研究进一步证实DInSAR技术在大规模地表形变探测和地学研究领域具有广阔的应用前景。     

单幅干涉图像提取震间形变场模拟研究

针对活动断层震间InSAR形变场提取中存在SAR观测数据不足、轨道误差难以合理去除的问题,该文进行了利用单幅InSAR图像提取震间形变场的模拟研究:考虑到InSAR图像中轨道误差和震间形变场的空间分布特征,利用一次多项式模型和深部滑动模型模拟了100组叠加的InSAR形变场;然后采用直接恢复震间形变场、先分离轨道误差再恢复震间形变场、一步法分离轨道误差与恢复震间形变场3种方法对模拟的震间形变场进行了恢复实验。结果表明,基于单幅InSAR图像,利用一步法能够较为准确地恢复震间形变场。     

多视角InSAR数据解算2017两伊地震三维同震形变场

2017两伊地震是自1900年以来发生在扎格罗斯山脉的最大地震，为了研究此次地震引起的同震形变场，利用覆盖同一地区的3对Sentinel-1A升降轨数据分别进行两通差分DInSAR处理，得到了研究区3个视线向的地表同震形变场，通过直接解算法重建了研究区的三维同震形变场。试验表明：3种视角的升降轨视线向上升与沉降总体趋势基本一致；联合多个视角的观测结果可以实现三维形变场的重建；根据地表视线向和三维同震形变的特征以及地质构造背景推测了发震断层很有可能为扎格罗斯山前断层。     

GPS时间序列中同震和震后形变的自动识别和估计

地震发生时,附近GPS观测站会捕捉到同震和震后形变,同震和震后形变对地学研究和维持动态参考框架具有重要作用,识别和估计同震和震后形变也是GPS时间序列处理的重要内容。提出综合检校法识别和估计GPS时间序列中的同震和震后形变,首先利用该方法对GPS站建模,综合考虑多源的同震阶跃及兼容性和均方根RMS减小率来判断测站是否受到地震影响,然后用试错法搜索最优衰减常数τ后,利用最小二乘估计包含同震和震后形变的所有参数,最后以真实震例验证了该方法的有效性。     

北斗在地壳形变监测中的应用进展

北斗卫星导航系统(BDS)于2020年建成并开始向全球提供服务。如何提高其在防灾减灾领域的应用是目前关注的焦点。本文梳理了国内外采用BDS数据开展地壳形变(包括同震和震间形变获取)研究的现状,总结了BDS数据的定位精度,归纳出基于BDS数据的地壳形变监测需要进一步解决、有待拓展的关键问题:①扩展GNSS地壳形变监测的内涵,采用GPS与BDS双模或多模算法提高形变解算精度;②开展BDS实时形变监测在地质灾害早期识别中的应用;③开发、发布相关数据处理算法与软件系统,切实推进BDS在高精度地壳形变监测领域的应用。     

基于D-InSAR的长宁地震形变场提取与模拟

2019年6月19日四川长宁县发生Ms6.0地震，提取地震同震形变场，反演震源机制，对于地震破裂分析、指导救灾具有重要意义。本文利用两轨差分干涉处理覆盖长宁地震影响区域的两景Sentinel-1A影像，在对D-InSAR关键技术和影像特征研究的基础上，配置处理方法和参数，提取了此次地震的同震形变场，采用Okada模型和正向建模对发震断层的几何参数及形变场进行了反演和模拟。结果表明，长宁地震形变场呈西北—东南走向的次级断层控制的不规则椭圆形，断层的两侧区域特征差异明显，断层左下侧为沉降区，右上侧为隆升区，两者的最大视线向形变分别为8、6 cm。断层的运动主要以左旋走滑为主，平均滑动距离约0.38 m，平均滑动角约55°，正向模拟的形变场与观测结果相符，这表明观测结果较可靠，同时也提高了低相干形变区的观测精度。     

东日本Mw9.0大地震前、同震及震后地壳水平运动

利用“中国地壳运动观测网络(二期)”245个GPS连续观测站及其他站的大量观测结果,采用离震中很远的7个GPS站作为位错参考框架,得到2011年3月11日东日本Mw9.0大地震的同震水平位移和应变。此种参考框架的位移场解,符合弹性位错模型离震中很远且水平位移接近于0的要求,不仅有利于位错模型反演,也有利于合理分析此次大地震同震水平位移的影响范围。地震前后区域参考框架下远场GPS连续观测位移时间序列和同震位移弹性位错模型反演结果表明,东日本大地震同震水平位移既是地震断层破裂的结果,也是远场震前数月或数年水平位移的弹性回跳,据此可以进一步确认这些站震前水平位移前兆异常。由于这些震前异常位移中亦包含了同震位移量(方向相反),因此,弹性位错模型为定量研究大地震前远场地壳运动异常提供了一种理论模型。位错参考框架中的同震位移及其位错模型和区域参考框架的位移时间系列的综合研究有助于对此次大地震地壳运动异常的认识。这种持续时间为数月至数年的弹性形变异常,可以为大地震的中短期预测提供依据。     

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。     

汶川地震孕育过程中变形场变化特征研究

揭示与地震孕育过程相关的变形场特征是判别地震孕育阶段及地震危险性的一个重要途径。收集汶川Ms 8.0地震震中区汶川台自2002年10月至汶川地震前的地倾斜观测数据,利用小波分析方法和分段拟合方法,提取了震前地倾斜变化的阶段性特征;利用2001年以来全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）站坐标日解数据,计算了震中附近的泸州GNSS站与周围GNSS站间基线,通过基线变化与区域地震的Benioff蠕变结果的对比,发现了二者的协同性特征。分析结果表明,2004年底汶川台地倾斜速率出现显著下降,西向倾斜速率由230 ms/a减少到130 ms/a;2007年初至发震前减少到60 ms/a;2007年底至发震前未出现指数型加速变化。广州-泸州GNSS基线在2005年初开始的加速缩短异常与Benioff蠕变亏损异常具有较高的相关性,相关系数为0.89;该基线加速缩短持续时间约2.5 a,对应地震的震级估计为7.9级,与汶川地震震级相当,反映了其与汶川地震的应变积累具有一定的相关性。2004年苏门答腊Ms 8.9地震的发生对川滇地区应力应变场影响较为显著,对汶川地震的孕育发生起到了加速作用。研究结果对于认识地壳形变观测的意义及创新地震预测思路具有参考价值。     

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CGCS2000的中国地壳水平运动速度场模型研究

首先介绍通过数据处理获取CGCS 2000(中国大地坐标系统2000)下点位坐标和速度场的方法,其次研究分析在CGCS 2000下建立满足中国大陆区域无整体旋转条件的中国大陆板块位移基准方法,计算得到的CGCS 2000下中国大陆区域的欧拉角速度是0.2997(°)/Ma,旋转极的位置为(64.77°N,94.093°E),最后利用计算获取的CGCS 2000下的国家高精度GPS网的坐标和速度值,采用有限元插值方法建立中国大陆区域地壳运动速度场模型,并初步分析CGCS2000下的中国大陆地壳运动整体趋势.通过本文的研究可以进一步维护和精化中国CGCS 2000的稳定性、动态性和精确性,也可对CGCS 2000坐标参考框架下的中国区域地壳运动特征的研究提供科学方法和高时空分辨率的基础数据.

Abstract：

Firstly, the processing strategy of obtaining the coordinate and velocity based on the CGCS 2000 (Chinese geocentric 3D coordinate system)is introduced. Secondly, a new plates displacement reference frame of Chinese mainland subjected to the regional No-Net-Rotation (NNR) conditions is researched, The results inferred the position of the Euler rotation pole of the Chinese mainland plates is (64, 77°N,94.093°E) and its rate is 0. 299 7(°)/Ma based on the CGCS 2000. Finally, Crustal movement velocity field of Chinese mainland are inferred through the precise result of CORS and national GPS network, and the model of crustal deformation velocity field has been established based on the adoptions of finite element interpolation method. On which, the regional crustal deformation characters of China mainland have been proximately analyzed. Based on the study of this paper, the precision, dynamics and reliability of CGCS 2000 would be further renewed and maintained, further more the basic data with high spatial-temporal resolution and scientific methods are referred to study characteristics of Chinese mainland crustal movement.     

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。     

卫星大地测量成像地震周期形变研究综述

近年来,卫星大地测量技术的快速发展为精确测量地壳形变和断层行为提供了前所未有的多维观测数据。它与地震学的结合使得地震周期形变监测的时空分辨率大大提升,为更加深入地研究地震周期过程和机理提供了一个窗口,地震大地测量学应运而生。它能够对地壳运动进行定量描述、对断层活动进行精准建模,从而为洞悉整个地震周期过程的应力应变演化提供科学依据,同时为评估地震危险性、实现地震预测预警提供科学指导。以卫星大地测量观测探究断层形变为主线,分析了断层处于地震周期不同阶段的运动学特征（震间、同震和震后）,回顾了地震大地测量学在震源物理方面的一些重要发现。研究表明,利用卫星大地测量数据判定断层所处地震周期的阶段是实现地震预测的可行思路。     

融合GPS与强震仪数据实时监测瞬时地壳形变

针对强震仪与GPS各自的优点与缺陷，以2016年意大利Mw 6.0级地震为例，探讨了利用Kalman滤波融合GPS与强震仪数据实时监测中等强度地震引起的瞬时地壳形变的可行性与优势。Kalman滤波获取的位移波形以GPS数据作为整体趋势，细节部分用强震仪数据进行描述，融合后的位移波形精度较高，能够准确和细致地描述地震引起的地表动态形变；与此同时，Kalman滤波位移波形也能够准确地探测中等强度地震引起的同震永久阶跃；Kalman滤波位移波形的功率谱在低频部分与GPS位移波形的功率谱密度相似，在高频部分与强震仪位移波形的功率谱密度相似，表明Kalman滤波结合了GPS与强震仪各自的优点；交叉小波分析表明，Kalman滤波获取的位移波形与GPS、强震仪数据呈现较强的正相关性，小波相似值均在0.8以上。以上结果表明，融合GPS与强震仪数据可以结合二者各自的优点，弥补各自的缺陷；融合GPS与强震仪数据可以有效探测中等强度地震引起的瞬时地壳形变。     

芦山地震前后川滇地区地壳水平形变特征研究

为获取芦山地震前后川滇地区地壳的形变特征,利用陆态网2009—2013年和2014—2016年两期全球卫星导航系统(GNSS)水平速度场资料分别计算并对比分析了地震发生前后主应变率场、最大剪应变率场、面膨胀率场及基线长度的变化情况。结果显示芦山地震之前龙门山断裂带主要以压缩应变为主,面压缩应变和最大剪应变均处于高值区,震后能量部分释放,压缩形变程度减弱,但其西南方向的安宁河断裂带和鲜水河断裂带南段出现明显的压缩应变高值区,同时南汀河断裂带附近也呈现较明显的压缩应变。岷江断裂带附近区域的压缩应变虽然减弱,但仍然没有改变它的应变状态,这可能促使了2017年九寨沟Ms7.0地震的发生。