地震周期形变的大地测量研究进展和展望

解析地震周期各阶段(震间、同震和震后)形变响应模型是研究地震从孕育、成核、破裂到震后调整整个过程动力学机制和探究区域壳幔流变属性的基础,在地震预测预报、防震减灾和危险性评定等方面发挥着重要作用。首先针对地震的震间形变、同震形变和震后形变的研究现状及进展进行了综述分析,指出了地震形变主流研究方法和模型的特点、不足和使用范围;然后讨论分析了地震周期形变模拟方法在现今数据快速积累情况下的机遇与挑战;最后对地震周期形变研究未来发展方向进行了展望。     

日本3·11特大地震的GPS震时和震后响应

借助PPP软件,利用位于日本及周边国家的IGS跟踪站和国家海洋局GPS业务观测站数据,提取2011年3月11日日本里氏9.0级特大地震的震时、震后地表震动信息和水汽信息。首先采用动态PPP方法得到GPS站点的震时水平运动轨迹、震时三维坐标时间序列以及站点上空大气可降水量的动态变化;然后采用静态PPP方法得到GPS站点震前和震后的单天解坐标。通过对计算结果进行分析和比较,揭示了GPS站点的震时地表三维形变过程和震后地表永久性形变,验证了日本震后灾区的降雪过程,为GPS技术用于地震监测和灾害预警提供有价值的基础资料。     

InSAR同震地表三维形变反演：一种顾及形变梯度的联合解算方法

同震地表三维形变场是对地震引起的地表形变在真实空间中最直观的描述,在地震形变研究中,同震地表三维形变场的恢复具有重要意义。针对目前地表三维形变解算方法存在的不足和缺陷,提出了一种顾及形变梯度的同震地表三维形变场联合解算方法。该方法利用形变梯度信息将合成孔径雷达干涉（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）观测的形变区域分解成形变梯度近似相等的互不相交的子区域,然后根据子区域内观测值数量选择加权最小二乘法（weighted least square,WLS）或基于应力-应变模型（stress-strain model,SM）和方差分量估计（variance components estimation,VCE）的InSAR三维形变解算方法（SM-VCE）获取同震地表三维形变场。模拟实验和实际震例研究结果表明,相比于传统的WLS和SM-VCE方法,通过形变梯度信息能有效恢复地震破裂带的地表三维形变,得到更加完整和可靠的同震地表三维形变场。     

InSAR数据约束下的2023年赫拉特地震序列发震断层探讨及其建筑物损毁评估

2023年10月7日阿富汗西部赫拉特省在不足1 h内接连发生4次Mw 5.5+的地震,称之为“2023年赫拉特地震序列”,此次地震序列是阿富汗境内过去20多年来遭遇伤亡最严重的地震事件,研究该地震序列的发震断层几何和快速分析损坏建筑物的分布状况对理解Herat断裂系统的构造机制、保障高效救援以及灾后规划重建等工作具有重要科学意义。基于欧洲空间局Sentinel-1升降轨合成孔径雷达影像,利用InSAR技术（interferometric synthetic aperture radar）获取2023年赫拉特地震序列的同震形变场,以升降轨InSAR观测为约束,反演确定发震断层几何和断层滑动分布,并对发震构造进行分析;基于多时相InSAR相干性变化探测方法分析并提取本次震后建筑物损毁代理图（building damage proxy map, BDPM）。结果表明,升降轨同震形变场均位于Herat断裂带和Siakhubulak断裂带之间,升降轨数据观测得到的最大视线向形变量分别约为32.3 cm和58.9 cm。反演结果显示,同震位错以逆冲运动为主兼具少量右旋走滑运动,发震断层北倾,倾角约...     

一种新的SAR像素偏移量估计流程及其在同震形变监测中的应用

提出了一种无需外部数据的新同震形变偏移量计算流程。以2003年伊朗巴姆里氏6.6级地震为例,利用两景震前无形变数据证明了新方法的精度较传统方法提高了0.224个像素。利用震前震后两景数据计算了方位向同震形变场,与Okada模型模拟得到的方位向同震形变进行了比较。     

雷达干涉测量技术与地震周期监测

介绍了国内外利用雷达干涉测量技术监测地震周期（同震、震间、震后）各个阶段地表形变的最新研究成果，分析了现阶段利用雷达干涉测量技术研究地震周期存在的主要问题，并展望该领域今后的发展方向和研究重点。     

地壳形变数据反演

本论文旨在研究利用地壳形变数据来研究地壳形变和地震的物理机制。受到板块构造运动的驱使,全球地壳形变最大和地震发生最频繁的区域位于板块的边界处。参照地震孕育的过程,地壳形变可以划分为4个阶段：震间形变、震前形变、同震形变和震后形变。本论文主要研究震间和同震形变,提出了一种刚体运动加断层位错的板块边界断层运动模型。该模型假定板块间的相对运动长期（数千年到数百万年）不变,其大小可以通过数年的VLBI测量和全球板块运动模型来确定。板块间的相对运动在其边界的断层面上受到阻碍,从而引起周围地壳的形变,产生应变和应力累积。当累积的应力超过断层岩石的强度时,就会产生破裂和滑动,即地震。传统的边角测量方法和现代的空间大地测量方法,如GPS、VLBI等,都可以用来监测地壳形变。利用观测到的形变数据可以反演地震时地下断层面上的滑动分布,以便进一步研究地震的物理机制;也可以反演震间形变所对应的断层带上的应变和应力累积速率（通过反演负位错模型参数求得）,从而给出活动断层中长期地震预报。所涉及的形变数据反演一般都是非线性反演问题,其解不惟一。为此论文详细讨论了顾及模型参数先验信息的贝叶斯反演方法,针对大地测量数据反演提出了两种构造先验信息矩阵的方法,经验统计法和物理约束法,较好地克服了反演问题的不惟一性。运用上述刚体运动加位错模型和贝叶     

GPS时间序列分析尼泊尔地震震后位移

利用GAMIT/GLOBK软件包解算了2011～2017年间尼泊尔近场58个GPS连续观测站和41个震后流动观测站,获得了这些站点在ITRF2008下高精度坐标序列。然后利用GRACE(gravity recovery and climate experiment)反演结果对GPS台站时间序列的季节项进行改正,结果显示3分量(E、N、H)的加权均方根误差(weighted root meansquare,WRMS)平均降低了15.52%、26.41%和45.06%。最后利用方差分量估计法定量计算噪声特性,获得精确的同震、震后形变位移场。尼泊尔地区的震后形变主要分布于主震同震破裂分布的北部区域,且最大形变可达60 mm。     

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。     

单历元PPP分析日本Mw9.0地震引起的我国东部沿海同震地表形变

通过对高频GPS观测数据的单历元PPP进行解算,并对定位结果进行恒星日滤波,详细分析了日本Mw9.0地震引起的我国东部沿海的同震地表形变过程。结果显示,震时我国东部沿海基准站发生了显著的水平方向和垂直方向的瞬时形变,幅度约为10cm,震后没有产生大于1cm的永久性位移,与国内外相关研究结果基本一致,验证了PPP技术用于同震地表形变分析的有效性。     

Deriving 3D coseismic deformation field by combining GPS and InSAR data based on the elastic dislocation model

The density of GPS measurements is usually one of the key issues in resolving 3-D coseismic deformation field from integrating GPS and Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) measurements with pure mathematic interpolation methods An approach that combines the elastic dislocation model with the Best Quadratic Unbiased Estimator (BQUE) or a robust estimation method named IGG (Institute of Geodesy and Geophysics) is proposed to reconstruct 3-D coseismic deformation field, in which only a small amount of GPS data is needed to produce a reasonable initial 3-D coseismic deformation. Then the BQUE and IGG are used to weight the InSAR and GPS measurements to avoid computational issues caused by the negative variance problem and to decrease the impact from gross errors. The Wenchuan earthquake is used to test the proposed method. We find that the developed method makes it possible to use only a few GPSs and InSAR data to recover the 3-D coseismic deformation field, which offers extensive future usage for measuring earthquake deformation, particularly in some tectonically active regions with sparse GPS measurements.     

汶川地震震后GNSS形变分析

采用国际通用高精度数据处理软件对1999—2015年汶川地震震后龙门山断裂两侧分布的109个GNSS连续站和区域站资料进行数据处理与分析,得到各测站点水平向坐标时间序列。考虑2013年芦山地震同震位移影响,通过时间序列分析,获取震后该区域109个测站在2010—2015年间累计震后形变场,断裂带上盘靠近震中的近场区域,水平向最大震后位移达到5~7 cm。基于震后黏弹性松弛模型,通过格网搜索,根据3种不同破裂模型分别反演龙门山断裂上盘中上地壳最佳弹性层厚度估值与下地壳/上地幔黏弹性层最佳黏滞系数,获取3种不同破裂模型在2010—2015年间震后形变观测值与模拟值分布。根据模型二反演得到的模型参数,推估汶川地震在未来几十年内对周边区域地壳形变影响,其中仅2018—2058年40年尺度累计震后位移最大能达到19 cm。     

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。     

尼泊尔Mw 7.9级地震同震垂直位移与断层运动模型

2015年4月25日尼泊尔地区发生了Mw 7.9级地震,发震断层位于印度板块与欧亚板块碰撞边界带,此次地震是一次典型的板块逆冲型事件。利用中国境内加密的GPS同震观测资料,融合ALOS-2卫星L波段的InSAR（interferometric synthetic aperture radar）同震形变数据,基于最小二乘方法获得了此次地震的同震垂直位移场。同震垂直位移结果表明,此次地震造成尼泊尔加德满都地区抬升约0.95 m,珠穆朗玛峰地区受地震的影响有所下降,其主峰的沉降量为2~3 cm,中国境内的希夏邦马主峰沉降约为20 cm。地区利用改进的二维弹性半空间位错模型反演了发震断层运动参数,本文模型显示此次地震的断层面破裂宽度约为60 km,平均滑动量达到4 m,相当于Mw 7.89级。     

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。     

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。     

Coseismic surface deformation of the 2014 Napa earthquake mapped by Sentinel-1A SAR and accuracy assessment with COSMO-SkyMed and GPS data as cross validation

ABSTRACT

The new land observation satellite Sentinel-1A was launched on 25 April 2014 with a C-band synthetic aperture radar (SAR) sensor, which has the significant enhancements in terms of revisit period and high resolution. The Mw 6.1 Napa, California earthquake occurring on 24 August 2014, almost 4 months after the launch, is the first moderate earthquake imaged by the Sentinel-1A. This provides an opportunity to map the coseismic deformation of the event and evaluate the potential of Sentinel-1A SAR for earthquake study. Two techniques including the interferometric SAR (InSAR) and pixel offset-tracking (PO) are, respectively, employed to map the surface deformation along the radar line of sight (LOS), azimuth and slant-range directions. The cross comparison between Sentinel-1A InSAR LOS deformation and GPS observations indicates good agreement with an accuracy of ～2.6?mm. We further estimate the earthquake source model with the external COSMO-SkyMed InSAR and GPS data as constraints, and forward calculate the surface deformation as cross validation with the Sentinel-1A observations. The comparison between the observed and modeled deformation shows that the Sentinel-1A measurement accuracy can achieve 1.6?cm for InSAR technique along LOS direction, and 6.3 and 6.7?cm for PO along azimuth and range directions, respectively.     

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。     

汶川地震GPS形变约束的破裂分段特征及滑移

为了解2008年汶川地震破裂分段特征及滑移,采用弹性位错模型和模拟退火算法,数值模拟汶川震区密集的GPS同震形变。结果表明,GPS同震形变场至少需要用铲状的映秀-北川五断裂加上灌县－江油断裂来模拟,该模型对GPS数据的符合程度与汶川地震滑动分布模型相当,基本反映了汶川地震破裂特征。映秀－北川断裂总长255~294km。南段以逆冲为主,分上下两层,最深达30km。中段右旋走滑和逆冲都很大,而北段以右旋走滑为主。映秀段地震周期最短为3000年。破裂上层深度14km可能是龙门山中央断裂的闭锁深度。汶川地震可能源于相邻块体的相对运动和挤压、深部滑脱或浅部闭锁,在薄弱构造处首先爆发地震。     

Trajectory models and reference frames for crustal motion geodesy

We sketch the evolution of station trajectory models used in crustal motion geodesy over the last several decades, and describe some recent generalizations of these models that allow geodesists and geophysicists to parameterize accelerating patterns of displacement in general, and postseismic transient deformation in particular. Modern trajectory models are composed of three sub-models that represent secular trends, annual oscillations, and instantaneous jumps in coordinate time series. Traditionally the trend model invoked constant station velocity. This can be generalized by assuming that position is a polynomial function of time. The trajectory model can also be augmented as needed, by including one or more logarithmic transients in order to account for typical multi-year patterns of postseismic transient motion. Many geodetic and geophysical research groups are using general classes of trajectory model to characterize their crustal displacement time series, but few if any of them are using these trajectory models to define and realize the terrestrial reference frames (RFs) in which their time series are expressed. We describe a global GPS reanalysis program in which we use two general classes of trajectory model, tuned on a station by station basis. We define the network trajectory model as the set of station trajectory models encompassing every station in the network. We use the network trajectory model from the each global analysis to assign prior position estimates for the next round of GPS data processing. We allow our daily orbital solutions to relax so as to maintain their consistency with the network polyhedron. After several iterations we produce GPS time series expressed in a RF similar to, but not identical with   ITRF2008. We find that each iteration produces an improvement in the daily repeatability of our global time series and in the predictive power of our trajectory models.