顾及抗差性的GNSS多尺度地壳运动场构建方法

精准提取应变率场是利用GNSS(Global Navigation Satellite System)观测资料开展区域地震危险性分析工作的重要环节,而其中的关键点是构建精确的地壳运动场模型.本文提出一种顾及抗差性的多尺度地壳运动场构建方法,在多尺度球面小波方法的基础上,考虑到测站观测数据质量不优或观测环境不好等因素产生的局部非构造变形对提取地壳形变场的影响.通过在实际观测资料中加入粗差的模拟分析验证本方法具有好的抗差性.通过对观测数据高精度统一解算,获取川滇地区最新的震间GNSS速度场,抗差迭代算法从中检测出20%的降权站点和2%的除权站点,而这些测站的观测标墩均建设在土层上,且数据解算的误差较大,表明存在明显的局部非构造变形,如果在解算应变率场时与其他测站作等权处理或基于解算的形式误差确定权重,必然会在解算的应变率场产生显著粗差,进而影响到地震趋势判定或危险性分析等重要工作.     

基于多尺度球面小波解算GPS应变场的方法及应用

提出了利用多尺度球面小波解算GPS应变场的方法,该方法通过建立不规则分布的小波基函数以凸显测站非均匀分布的特征,获取不同空间尺度的应变场.通过对模拟数据进行对比分析验证该方法的有效性,模拟结果显示,多尺度球面小波应变计算方法稳健性较好.在位移场中加入高斯随机误差(均值为0.0mm,标准差为0.5mm)对应变计算结果的影响可忽略不计.从原有位移场随机抽取的60%的数据解算应变场时,仍然能够获取比较可靠的结果,但如果出现大范围的数据空缺,则会对应变结果产生明显影响.基于华北地区GPS测站原始观测数据,通过高精度数据处理方法解算了该区域GPS速度场,根据多尺度球面小波方法,解算了该区域的应变率场及其误差,并分析了其空间分布特征.     

利用多种地形变资料联合求解华北地区水平应变场

阐述了以不同类型不同尺度的地形变资料联联合解算应变场的方法。利用华北地区1995－1996年GPS观测与首都圈跨断层水平形变流动测距资料进行联合解算，所得边长变化率的尺度统一归化，获得了华北地区水平奕变场的分布图像。     

固体潮应变各向异性研究

钻孔应变仪的观测过程中发现潮汐应变响应存在方向各向异性, 推测是受到台站附近断层影响导致的。 我们对此展开数值模拟研究, 讨论软弱断层对潮汐变形传播的影响。 我们的研究结果证实了软弱断层的存在确实能够产生能够观测到的各向异性现象。 同时我们还发现其各向异性变化对断层弹性参数较为敏感。 观测到的部分地震震前反映固体潮应变各向异性的潮汐因子"玫瑰图"变化有可能是由于台站附近断层在震前的性质变化引起的。     

粘滑过程中的多点错动

在实验室利用分布式多通道瞬态信号采集系统,从近场条件下研究了岩石粘滑过程中沿断层的声发射信号的初动到时和初动方向空间分布,并结合瞬态高频应变记录系统观测沿断层的应变分布特征,对粘滑过程中的震源错动行为进行了研究。实验在双轴伺服加载系统上进行。分析表明,一次突发应力降对应的瞬时震源滑动过程是由多次更短暂的微小错动组成的,每次短小错动都产生自己的声发射事件,并依次对应不同的应变值快速改变。而每一次的微小错动也可能不止一个位错点,而是对应空间上多个启动点,从振动波初动信号的空间分布形式与沿断层应变场不均匀分布中可以找到证据。近场条件下观测到的粘滑过程多点错动现象对于理解震源过程的复杂性,解释现场地震震源不确定性与震源机制解的高矛盾比现象提供了可能的依据。     

2016年青海门源MS6.4地震震前应变积累及同震变形特征

2016年1月21日青海省门源县发生了M_S6.4地震, 发震断裂为冷龙岭北侧断裂, 震中位置与1986年门源6.4级地震相同。 本文收集了本次地震震中及其周边区域1999—2015年GPS观测资料, 解算了GPS速度场、 跨断裂连续观测站基线时间序列和应变率场。 结果显示, 祁连山断裂带为一条宽度约60 km的连续变形带。 在断裂带南侧地壳运动以顺时针旋转为主, 运动量值没有显著差异; 跨过断裂带到达其北部之后, 地壳运动量值明显减小, 显示出该断裂带的强烈活动特征。 冷龙岭断裂左旋走滑速率为6.17±0.41 mm/a, 挤压速率为1.83±0.38 mm/a, 断层闭锁深度为22.1±3.1 km。 利用GPS连续观测站数据解算的地震同震位移显示, 震中西南侧26.8 km处的青海门源(QHME)测站记录到了明显同震位移, 其水平运动方向为北东向, 与逆冲为主的震源机制解一致。     

基于GNSS资料分析漾濞MS6.4地震前应变时空演变特征

基于云南省内及邻区2009—2020年GNSS观测数据解算结果,在各个测点时间序列和速度场的基础上,采用克里金插值方法估计区域应变率场;以连续基准站时间序列为约束,获取漾濞M_S6.4地震近场区域的块体应变时间序列。分析发现:漾濞地震发生在前期最大剪应变高值区以及面应变高梯度带的张压转换区,发震的时间处于区域应变积累速率逐渐降低的过程之后。震中近场区域均以NW向断层的右旋走滑应变积累为主,且大多呈现持续增强趋势,与漾濞地震的发震断层走向及其破裂特征一致。震前震区东部块体出现了短期应变趋势转折及反向加速的异常现象,反映了应力-应变积累在接近临界破裂状态时的非线性调整。     

GPS坐标时间序列中大气质量负荷最优改正方法分析

大气负荷会造成显著的测站坐标时间序列垂向季节性变化,其量级可以达到10~20 mm.本文通过对全球58个IGS基准站2007—2011年期间观测数据的解算,比较分析了不同大气负荷改正策略下的修正效果,确定了最优大气负荷改正方法.结果表明,在观测值层面对潮汐、非潮汐大气负荷进行统一改正是最优的改正方法,可以使80%以上测站的RMS值减小,日均值改正效果较差,只能改正约20%的测站.     

多通道动态应变观测系统在地震模拟实验中的应用

为了研究实验变形失稳过程中的应变场快速调整阶段和岩石结构破坏过程中的复杂变形场,将高速、高分辨率、多通道的应变观测技术引入构造物理实验,搭建了用以观测瞬态变形场的多通道动态应变观测系统,形成了16Bit分辨率、96通道、3.4kHz采样速度、1με分辨率且连续记录的应变观测系统。通过观测断层失稳过程高速滑动阶段和裂纹扩展过程的力学场时空变化,发现断层粘滑失稳过程的演化具有3个特征阶段:预滑动阶段、高频震荡阶段和低频调整止滑阶段。每个阶段的持续时间、应变速率、频率特性、振幅等都具有自身特点;三维断层扩展模型的实验结果显示,岩桥区断层贯通是一个快速过程,先多点局部扩展,后跳跃式连接。在断层贯通之后,样品整体崩垮之前,存在一个相对稳定的阶段,持续时间为几十ms。多通道动态应变观测系统填补了在地震模拟与岩石力学实验中应变观测频带的空缺,可以获得高密度、高精度的动态应变场,进一步研究瞬态应变场演化与应变波时空过程,为理解从缓慢递进变形到突发失稳释放过程提供了技术支持。     

陆态网络GNSS连续站分区解算方案的对比分析

针对陆态网络GNSS连续站分区设计了三种方案,其中方案1(区域方案)将测站按区域划分为6个子网,每个子网包含55个测站;方案2(大网方案)分为3个测站全国分布的子网,每个子网包含100 个测站;方案3(小网方案)分为8个测站全国分布的子网,每个子网包含55个测站。按照上述三种方案分别处理了陆态网络2010年第110天至2013年第103天的观测数据,从测站时间序列、点位水平速度场、两点间基线长度三个方面对比分析了三种方案解算结果之间的差异。结果表明,不同的方案解算结果存在差异但差异量值较小。综合.上述分析结果和计算耗时等因素,讨论了陆态网络GNSS连续站分区方案的选取。     

观测应变阶在地震应力触发研究中的应用

对中国钻孔应变台网观测到的昆仑山口西MS8.1大地震的应变阶资料的研究结果表明:① 很多观测值与静力位错理论计算值不符合；② 北方地震较活跃地区的很多台站观测到异常大的应变阶，而南方构造运动较不活跃地区的台站虽然也观测到地震波动，但是应变阶不明显. 由此推断，地震的触发（可能是动态触发）作用对远场的实际地震应变变化具有重要影响. 也就是说，远场的构造活动（可能是断层活动）是否曾被地震触发，可能决定当地的应变场变化的主要特征. 进一步对昌平台1999年3月11日张北地震与1999年11月1日大同地震的观测资料对比分析表明:断裂带的分布情况对实际地震应变变化有直接影响. 这证明观测到的异常大的地震应变阶可能是地震触发了当地的断层活动的表现.      

基于GNSS数据的河北地区形变特征

利用河北及周边地区的GNSS观测数据,得到河北地区2010—2021年水平运动速度场;根据GNSS测站分布和地震危险性对河北地区进行分区,分别计算各分区的应变时序结果,总结河北地区应变结果的时空变化特征,并与其他前兆观测手段进行分析对比.结果表明:①在水平运动方向上,省内8个测站在全球参考框架下运动方向均为东南向运动,...     

地震的应变张量观测与应用前景

地震发生时的动态应变场,在研究地震触发、地震破裂、地面破坏、水文和岩浆变化等方面都具有重要应用意义.地震的应变张量观测和现有的惯性地震仪观测的物理量不同.前者可以直接记录到地震发生时震源辐射的应变(应力)波,而后者记录到的是位移、速度或加速度.地震频率的应变测量在地震学中的应用前景主要表现在:①测量震源机制解理论预言的辐射4象限分布;②测量库仑应力变化;③换算成动态应力以评估地震烈度;④测量地震波的能量密度;⑤测量地震断层形变加速和形变局部化过程.用惯性地震仪的记录虽然在理论上也可以解算出动态应变值,然而种种原因导致计算结果的误差很大,往往不可接受.应变张量地震仪若能与现有的惯性地震仪配套起来,形成大规模台阵,则有可能推动应变地震学的诞生,在地震观测和地震学科领域引起重大革新.     

借助最小二乘配置整体解算地壳视应变场

研究利用多手段（ＧＰＳ、跨断层等）形变资料,结合定点应变数据解算地壳视应变场的方法,包括利用间接平差法求单元内部的均匀视应变及借助最小二乘配置求水平视应变连续分布。对华北地区ＧＰＳ监测网１９９２年、１９９５年和１９９６年３期成果进行计算分析,得到其视应变场动态图像。     

相互作用断层失稳的前兆变化的分析

本文从理论上研究贯通地壳的两条相互平行的具有滑动—弱化型本构律的断层的相互作用。采用有限单元—松驰迭代方法,分别对走滑断层,正断层和逆断层三种不同情况的断层相互作用问题进行了模型计算,并对位移场、应力场、应变场以及弹性应变能随时间的变化进行了数值分析。结果表明,在所讨论的几种情况下,两条相互作用的断层相继发生失稳,从动态角度反映出断层的相互作用。断层失稳前,在不同区域有截然不同的前兆变化,而同一区域对不同断层失稳的前兆响应也不相同,有些区域为“前兆灵敏点”,而有些地方则为“前兆盲点”。这些结果对于研究合理的观测条件和最佳观测布局有一定的理论意义,对于分析大震的前兆异常也有所裨益。     

耦合形变—扩散对蠕动传播事件引起的水位变化的影响

本文利用线性弹性饱水多孔介质中平面应变剪切位错以速度V平隐运动时产生孔隙压力的耦合形变-扩散解,研究了与间歇性蠕动有关的井水位变化。对于大的Vr/2c(其中r是距位错的距离、c是扩散率),其解接近于Wesson(1981)分析由蠕动事件引起的水位变化所使用的去耦弹性解的形式。这两个解之间的差在距断层平面10个扩散长度内(20c/V)是显著的。更准确地说,耦合解预示着位错后面的孔隙压力改变符号,并在数量上比去耦解预期的要小的多。对于泊松比是0.3、Skempton系数为0.8以及剪切模量为30GPa的非泄漏介质,在V=1公里/天、C=1.0米~2/秒时,耦合解预示每滑动一毫米,最大孔隙压力变化13.7kPa(173毫巴)。耦合解的频谱被限制在一个中心值与V成正比和与从观测点到断层的距离大约成反比的频带上。因此,接近断层平面,耦合解占用的频带可能超过了水井反应的范围。耦合解能用来解释Johnson(1973)观测到的和由Wesson(1981)用去耦解模拟的同一与蠕动有关的水位变化。尽管在岩石材料特性和蠕动事件速度方面存在着不确定性,但耦合解预报的水位变化在幅度上可与实际观测到的变化相比。     

唐山台跨断层基线破年变和趋势转折异常的数值模拟分析

唐山地震台多条短基线测线自2012年以来出现的破年变和趋势转折异常现象得不到合理解释。经核实,潜在干扰因素为观测场地附近的大型建筑施工。为定量分析建筑施工对趋势转折现象和年变消失现象的影响,本文基于多年跨断层数据,利用二维线弹性模型有限元方法,对断层运动进行模拟分析。结果显示:场地附近的大型建筑施工会造成断层水平张性运动趋势的转缓,且在时间上与观测异常现象匹配,但不会导致由张性转为压性的运动;同时,建筑施工会造成跨断层基线年变振幅减小,但不会引起年变消失。唐山台基线的短期快速变化和年变消失的异常变化具有较高的可信度,与区域构造运动和应力场改变有关。     

GPS数据解算过程中相关问题研究

基于2011和2012年陆态网GPS连续观测数据,分析了GPS水平速度场数据解算过程中,不同对流层延迟参数个数与初始坐标偏差对解算精度的影响;利用重采样方法模拟生成多组不同时间间隔的流动数据,分析了不同时间间隔的流动观测模式下的解算精度。通过实验证实,为了得到高精度的GPS单日松弛解,必须进行对流层延迟估计,对流层参数个数设置为2,7,13时解算精度存在少量差别,表现为随着参数增多解算精度有所提高;初始坐标误差在10m时可以得到精度较高的时间序列结果,误差在30m及50m时不能得到可用的时间序列;当流动观测时间间隔大于1年时,可以获得较为可靠的水平速度场结果;时间间隔短于1年时,水平速度场解算精度较低。     

识别断层活动和失稳的热场标志——实验室的证据

利用一套双向伺服系统对含压性和张性雁列断层的标本进行变形实验,实验中应用红外热像仪和接触式测温仪同步记录岩石变形过程中热红外辐射的亮度温度场和温度场的变化;使用数字CCD相机同步采集标本表面的数字图像,并利用数字散斑方法对采集到的图像进行分析得到位移场和应变场的演化过程。实验结果表明:1)在断层贯通前压性雁列岩桥区温度最高,而张性雁列岩桥区温度最低;数字散斑结果显示压性岩桥区平均应变最高,而张性岩桥区平均应变最低。温度场对两类雁列断层在岩桥区相反的受力状态有清晰的响应,可以为判断断层应力状态提供标志。2)雁列断层经历了从岩桥区应力积累、破坏到断层失稳错动两个变形阶段,升温机制也由应变升温变为摩擦升温;伴随升温机制的转变,在岩桥区观测到断层失稳错动前的破坏降温、温度快速起伏以及升温脉冲等现象,是观测失稳前兆的最佳部位。3)在雁列岩桥区裂纹端点附近观测到升温脉冲,表现为温度快升快降,随后即出现断层带的快速升温。升温脉冲现象可能与裂纹端部的应力奇异集中和破裂扩展引起的应力释放有关。裂纹端部的扩展是断层失稳错动的条件,随后断层带的升温正是断层失稳错动造成的。断层带开始升温发生在失稳前2～3s内,岩桥区的降温发生在失稳     

地电台址构造条件的三维有限元数值模拟

本文应用粘弹性三维有限元程序,模拟了在定常速率加载边界条件下,断层对于层状介质应力、应变场的影响,并进而通过应力—应变场与地电阻率变化的关系,最终揭示出断层对地电观测的影响。计算结果表明,断裂所处位置、断裂的力学性质及类型对地电台址的选择有重要意义。破碎且较宽的平行断层对地电信息有一定的阻隔作用,而久不活动的被压实的断裂、垂直断层的中段、雁列式断裂端点对地电信息却有增强作用。另外本文还讨论了发震构造的类型对地电观测的影响,结果表明断错型地震的前兆信息强,而走滑型地震的前兆信息弱。