利用GRACE重力和重力梯度变化估计2012年苏门答腊地震断层参数

2012年4月11日苏门答腊北部附近海域发生M_W=8.6地震,国际上采用不同数据获得了该地震的断层滑动模型,但断层走滑性质存在较大差异.卫星重力GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）观测覆盖震中区域,可以提供很好的断层参数估计约束.本文采用GRACE月重力场模型数据提取了此次地震同震重力和重力梯度变化,表明了北向分量的优越性.并与断层模型理论计算结果进行了比较,分析了T_xx（北-北向重力梯度）分量对断层参数的敏感性,以及基于粒子群算法以及Okubo位错模型反演了该地震断层参数.结果表明GRACE观测到的同震重力梯度变化在空间形态分布上与断层模型模拟结果符合较好,但振幅差异较大.重力和重力梯度的北向分量可以很好地压制条带误差,其中g_N（北向重力变化）和T_xx的误差最小,其次是T_xz（北-上向重力梯度）,误差最大和对条带误差抑制效果最差的是T_xy（北-东向重力梯度）.T_xx对断层的深度不敏感,对其余断层参数较敏感.基于GRACE反演得到的断层的走向角为113.63°,倾角为89.99°,滑移角为175.26°,平均滑移量为28.18 m,相应的矩震为8.71级,且此次地震的走滑性质为右旋走滑.

     

利用独立分量分析进行火山灰云遥感检测

火山灰云不但引起全球气候和环境系统的重大变化,而且还会威胁航空安全。热红外遥感技术为检测火山灰云提供了新手段,但是遥感数据自身的冗余和波段相关性大大降低了火山灰云的检测精度。独立分量分析(Independent Component Analysis,ICA)能够实现遥感数据的去相关和消除冗余,在火山灰云检测中具有一定的潜力。通过探索火山灰云的物理、化学性质,文中以2010年4月19日冰岛艾雅法拉(Eyjafjallajokull)火山灰云MODIS图像为数据源,在对MODIS数据进行主成分分析处理的基础上,利用ICA进行火山灰云检测。结果表明:ICA能够较好地从MODIS图像中获取火山灰云信息,所得结果与美国地质调查局标准光谱数据库和火山灰云SO2浓度分布具有较好的一致性,取得了较好的检测效果。     

利用主成分方法分析2013年岷县—漳县MS 6.6地震前地磁日变化异常

<正>1研究背景地磁场的日变化属于变化磁场,一般受2种因素控制,一部分为空间电流体系,是地磁日变化的外源场,外源场的影响范围较广,在几百千米范围内相关性较好;另一部分为内源场,是由外空电流体系在地球内部形成的感应磁场,能够反映区域及观测台附近地下电性结构的信息。研究表明,地磁场日变化第一主成分对应于电离层中的太阳日变化,具有季节性和逐日变化特征;第二主成分属于人类活动产生的信号;第三主成分可能是与地震相关的震磁信号,具有一定的区域性和局部性。     

基于主成分分析的GRACE重力场模型等效水高

本文使用主成分分析在空间域提取GRACE重力场模型的等效水高,假设信号与噪声之间统计不相关,把由CSR、GFZ和JPL的GRACE重力场模型计算得到的等效水高值作为统计量,通过线性变换来分离信号和噪声.选择2007年3月份GRACE重力场模型作为实验,在直接分离没有取得预期结果后,对GRACE作半径为300km、400km和500km的高斯平滑,然后利用主成分分析得到了3个模式.结果显示,3种平滑半径下,主成分的第1模式的贡献率分别为79%、90%和93%.从主成分3个模式的统计结果以及等效水高图判断,第1模式对应于水文变化信号,其他2个模式为南北条带状噪声.由主成分的第1模式估算了CSR、GFZ和JPL的等效水高,与经验去相关方法进行了对比,结果较为一致.2010年12个月的结果显示,第1模式的贡献率不仅与平滑半径有关,而且与时间有关.     

利用主成分分析法研究东北地震活动异常

选择与地震强度有关的地震频次N(ML≥3.0)、b值、η值、Mf值、A(b)值和AC值共6个参量进行主成分分析,实现对上述参量的有效约简。这6个参量之间有一定的相关性,在不同时段各参量的变化各有所异。根据主成分分析可以得到反应地震强度特征的综合指标W。1970年以来东北14次5级以上浅源地震前W都出现明显的异常变化,震后恢复。这表明综合指标W可以较好地反映地震活动的异常特征。     

利用震后黏弹性位错理论研究苏门答腊地震(M_w9.3)的震后重力变化

本文利用2003—2011年的GRACE RL05数据提取了苏门答腊地震(Mw9.3)引起的震后重力变化,发现断层两侧震后重力变化速率存在明显差异,断层下盘总体变化率为0.55μGal/yr,断层上盘为0.16μGal/yr.基于子断层叠加的编程思想,本文将Tanaka的黏弹球体位错理论配套计算程序(简称黏弹位错程序)加以改造,克服了其近场计算精度不足(甚至错误)的缺陷,可用来研究大地震引起的近场震后位移与重力变化.本文利用改造后的黏弹位错程序计算了2004年苏门答腊地震(Mw9.3)产生的同震重力变化,计算结果在空间分布和量级上均与利用弹性位错程序计算获得的结果一致,验证了我们对黏弹位错程序进行改造的正确性.最后,结合GRACE卫星观测数据,本文利用Tanaka的黏弹位错理论研究了苏门答腊地区的地幔黏性因子.结果表明,该地区地幔黏滞性具有显著的横向差异,当发震断层上下两盘的地幔黏滞性系数分别取8×1018 Pa·s和1×1018 Pa·s时,模拟的震后重力变化在总体空间分布和变化趋势上与GRACE卫星观测结果更接近.     

GRACE卫星观测到的与汶川Ms8.0地震有关的重力变化

利用GRACE卫星重力资料,计算了中国大陆及周边的卫星重力时变场和地表密度变化分布,获取了具有代表性的点位区域的每月重力变化时间序列.同时获得了WUSH、LHAS、KUNM、LUZH站相对于区域参考框架的GPS位移时间序列.卫星重力观测结果显示喜马拉雅弧形带的重力在2004年苏门答腊M_w9.3地震后快速下降, 2006~2008年尤为明显,西域地块西北边界带上震后重力下降也较为显著;而沿青藏高原北至东边界2007年出现明显的重力上升沿构造边界的弧形分布,且2008年南北地震带中南段重力上升变化显著.这些苏门答腊地震后的重力变化趋势到汶川地震发生后才开始改变.GPS位移结果显示四个台站均记录到苏门答腊大地震的同震信号,震后WUSH、LHAS、KUNM站水平位移向量出现明显的运动趋势改变,且一直持续到2008年汶川M_s8.0地震的发生.GRACE卫星揭示的青藏高原及周边地表质量的变化为解释汶川地震的动力机制提供了新的观测途径和资料.本文结合区域构造运动的特点和GPS位移,对GRACE观测的时变重力场特征及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论.     

2004年苏门答腊-安达曼地震图小波分析及其在海啸早期预警中的应用

试图利用小波变换在地震图开始部分检测长周期成分。分析了2004年12月6日苏门答腊—安达曼M_w9.2级地震和2005年3月28日尼亚斯M_w8.7级地震的位移地震图。小波分析能够在S波到达台站前清楚地区分两次地震的长周期W震相的振幅。结果显示,2004年地震W震相的振幅明显更大。这一方法可以用于快速识别具有引发海啸可能的巨大地震。     

运用声纳信号估算2004年12月26日苏门答腊特大地震的破裂长度和速度

位于印度洋由5个小声纳台阵构成的台网无先例地记录到了与2004年12月26日苏门答腊特大逆断层地震相关的声纳信号，这些声纳台阵距离震中约2800～7000km。每个台阵都记录到由这次地震产生的声波（也称为T波）。通过在T波尾波持续时间内用短时间窗分析后表明，作为时间函数的源方位角接收器变化缓慢。这一分析也表明了视T波波源并不是静止的。视T波波源以2km／s的平均速度沿着巽他海沟向北移动，与这次地震的破裂轨迹很相似。声纳数据说明了地震破裂过程明显地分为2个阶段，刚开始是以大约2．4km／s沿着巽他海沟朝西北方向破裂。到了距离震中600km附近破裂速度下降至大约1．5km／s，但仍朝着西北继续扩展。     

重力卫星GRACE检测出2010年智利Mw8.8地震的同震重力变化

本研究通过对重力卫星GRACE观测数据的处理,采用去相关加300 km半径的高斯平滑,成功地提取了2010智利M_w8.8地震所产生的重力变化信号,最大变化幅度达到7 μGal,并且与位错理论计算结果具有较好的一致性.这是继GRACE检测出2004苏门答腊M9.3地震重力变化后的又一个卫星观测地震的例证,说明GRACE具有检测出M<9.0量级地震的能力,为利用GRACE研究地震以及其更广泛的应用提供了可靠的依据.     

The 26 December 2004 Sumatra Tsunami: Analysis of Tide Gauge Data from the World Ocean Part 1. Indian Ocean and South Africa

The M_w = 9.3 megathrust earthquake of December 26, 2004 off the northwest coast of Sumatra in the Indian Ocean generated a catastrophic tsunami that was recorded by a large number of tide gauges throughout the World Ocean. Part 1 of our study of this event examines tide gauge measurements from the Indian Ocean region, at sites located from a few hundred to several thousand kilometers from the source area. Statistical characteristics of the tsunami waves, including wave height, duration, and arrival time, are determined, along with spectral properties of the tsunami records.     

基于经验模态分解及独立成分分析的微震信号降噪方法

针对微震信号具有高噪声、突变快、随机性强等特点,基于经验模态分解(EMD)及独立成分分析(ICA)提出一种微震信号降噪方法.首先,对含噪信号进行EMD分解,获得一系列按频率从高到低的内蕴模态函数(IMF),利用原信号与各IMF之间的互相关系数辨识出噪声与信号的分界,将分界之上的高频噪声滤除;其次,为有效去除分界IMF中的模态混叠噪声,基于ICA算法对分界IMF进行盲源分离,提取其中的微震有效信号,并将其与剩余的IMF累加重构,从而得到降噪后的微震信号;最后,利用快速傅里叶变换(FFT)时频谱对比分析降噪前后的信号特征,定性说明本文方法的有效性;引入信噪比和降噪后信号占原信号的能量百分比两个参数,定量说明本文方法能充分保留微震信号的瞬态非平稳特征,降噪效果明显.     

GRACE detection of the medium- to far-field coseismic gravity changes caused by the 2004 MW9.3 Sumatra-Andaman earthquake

Large earthquakes cause observable changes in the Earth's gravity field, which have been detected by the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Since most previous studies focus on the detection of near-field gravity effects, this study provides the results from the medium- to far-field gravity changes caused by the 2004 Sumatra-Andaman earthquake that are recorded within GRACE monthly solutions. Utilizing a spherical-earth dislocation model we documented that large-scale signals predominate in the global field of the coseismic gravity changes caused by the earthquake. After removing the near-field effects, the coseismic gravity changes show a negative anomaly feature with an average magnitude of -0.18×10^-8 m·s^-2 in the region ranging ~40° from the epicenter, which is considered as the "medium field" in this study. From the GRACE data released by Center for Space Research from August 2002 to December 2008, we retrieved the large-scale gravity changes smoothed with 3 000 km Gaussian filter. The results show that the coseismic gravity changes detected by GRACE in the medium field have an average of (-0.20€±0.06)×10^-8 m·s^-2, which agrees with the model prediction. The detection confirms that GRACE is sensitive to large-scale medium-field coseismic gravitational effects of mega earthquakes, and also validates the spherical-earth dislocation model in the medium field from the perspective of satellite gravimetry.     

基于独立分量分析的多次波自适应相减技术

针对多次波自适应相减这个关键问题,文中首次提出利用独立分量分析技术来实现多次波和一次波的分离（简称ICAAMS）. 现有的多次波自适应相减技术大都是采用输出信号（一次波）能量最小准则,基于二阶统计量的技术. 本文提出的ICAAMS采用了输出信号非高斯性最大准则,并利用高阶统计量来表征非高斯性. 简单的褶积模型和复杂的有限差分模型资料处理结果表明, 本文提出的方法可以有效地分离一次波和多次波.     

Independent component analysis for UXO detection in highly cluttered environments

Statistical signal processing techniques have shown progress in discriminating UXO from clutter when the objects occur in isolation. Under this condition, only a single object contributes to the measured sensor data. For multiple closely spaced subsurface objects, however, the unprocessed sensor measurement is a mixture of the responses from several objects. Consequently, the unprocessed measurements cannot be used directly to discriminate UXO from clutter. In this paper, we implement independent component analysis (ICA), a well-established blind source separation (BSS) technique, to recover the unobserved object signatures from the mixed measurement data obtained by simulating electromagnetic induction (EMI) sensor data, and then use the recovered signatures for UXO/clutter discrimination. Discrimination performance depends on multiple factors, including the number of clutter objects in proximity to the UXO, the separation distance between the UXO and clutter, and the number of mixed measurements available. Simulation results are presented illustrating the impact of these factors on discrimination performance.     

用主成分分析方法综合分析首都圈跨断层形变资料

基于主成分分析方法,对大同6.1、张北6.2和文安5.1级地震前后首都圈地区的跨断层形变资料进行了综合分析,计算了断层垂直形变速率及其各个主成分和能够反映断层总体活动水平的综合指标W.结果表明,主成分分析方法能够最大限度地保留原始信息,去除相关干扰信息,有助于对前兆资料的分析研究;综合指标W可以较好地反映前兆资料的异常变化,能够代表一个地区前兆观测资料的总体映震水平;首都圈跨断层流动形变资料对大同6.1、张北6.2、文安5.1级地震都有较好的映震能力,从中可以捕捉到中强地震孕育、发展、发生过程中的前兆异常信息.     

Seismic Records of the 2004 Sumatra and Other Tsunamis: A Quantitative Study

Following the recent reports by Yuan et al. (2005) of recordings of the 2004 Sumatra tsunami on the horizontal components of coastal seismometers in the Indian Ocean basin, we build a much enhanced dataset extending into the Atlantic and Pacific Oceans, as far away as Bermuda and Hawaii, and also expanded to five additional events in the years 1995–2006. In order to interpret these records quantitatively, we propose that the instruments are responding to the combination of horizontal displacement, tilt and perturbation in gravity described by Gilbert (1980), and induced by the passage of the progressive tsunami wave over the ocean basin. In this crude approximation, we simply ignore the island or continent structure, and assume that the seismometer functions de facto as an ocean-bottom instrument. The records can then be interpreted in the framework of tsunami normal mode theory,and lead to acceptable estimates of the seismic moment of the parent earthquakes. We further demonstrate the feasibility of deconvolving the response of the ocean floor in order to reconstruct the time series of the tsunami wave height at the surface of the ocean, suggesting that island or coastal continental seismometers could complement the function of tsunameters.     

印尼苏门答腊西8.7级地震的几个特点及由其引发的一些思考

分析总结了印尼苏门答腊西8．7级地震的几个特点：(1)板缘特大地震;(2)引发海啸,受灾范围特别大,成灾的瞬间突发性却不如内陆地震明显;(3)在远处出现“湖面波动”等同震现象突出;(4)震前全球地震活动出现异常图像;(5)安达曼弧一带与川滇地区强震活动存在相关性。并由此提出了：尽快加紧地震海啸预警机制研究及其技术系统的建立;加强地震预测预警机制研究;要重点研究川滇地区的地震危险性;强化防震减灾科普宣传等建议。