联合卫星重力和GNSS观测反演地震断层参数的研究EI北大核心CSCD

地震的发生会造成巨大的破坏和损失,大地测量技术能观测地震形变和反演地震断层的错动情况,对于减少地震灾害具有非常重要的现实意义。GNSS技术已广泛用于震源参数的反演工作,但对于发生在海域的地震,由于GNSS站点往往位于陆地一侧,导致对断层的约束 能力有限。卫星重力技术因其全天候、全球覆盖、连续性,以及不受地域地形限制等诸多特点,可弥补海洋一侧常规观测不足。联合GNSS和GRACE两种观测手段反演震源机制,可进一步提高反演海域地震的震源参数。为此,论文基于GRACE和GNSS观测的同震和震后形变,联合反演了断层参数和地幔黏滞性系数等,主要成果如下。     

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。     

华南沿海地区海啸影响数值模拟与分析

应用海啸数值模拟模型（cornell multi-grid coupled Tsunami model,COMCOT）对华南沿海地区可能遭受的海啸进行模拟研究具有现实意义。基于COMCOT模型及马尼拉海沟潜在震源分段及其参数设置,模拟了不同震源引发多场海啸到达华南沿海地区的波高变化和到时特征。模拟分析发现,海啸到达中国福建省南部至广东省西部一带能够产生最大2.5 m波高的海啸波,海南岛东部沿岸也会产生最大1.5~2.0 m的海啸波,海啸传播到广西北部湾地区的最大波高在0.3 m以下;海啸波发生1.9 h后最先到达海南岛东部沿岸,2.6 h后到达香港、澳门及广东的汕尾一带地区,3.6 h后到达福建南部一带及琼州海峡地区,8.9 h以后到达北部湾地区。华南沿海不同地区海啸的首波波高和最大波波高对马尼拉海沟震源位置的敏感性存在差异性,其中广东沿海中段对马尼拉海沟震源位置最为敏感,震源断层2、断层3引发海啸在该地区的首波和最大波高接近2.5 m,而震源断层1、断层6（断层编号依据2006年美国地质调查局资料）引发海啸在该地区的首波和最大波高只在1.0 m上下。     

活断层形变数据反演

本文主要讨论了利用形变数据反演断层运动位错模型参数的贝叶斯方法。利用现代大地测量方法,尤其是空间大地测量方法获得的地壳形变数据,可以用来反演活动断层的位错模型参数,并且利用反演得到的结果,确定断层运动的闭锁区。作为应用,给出了运用地表观测站观测到的速度值反演圣安德烈斯断层运动位错模型参数的结果,并且据此预测了沿圣安德烈斯断层未来最可能发生地震的断层分段。     

基于地壳分层的地震断层同震变形反演分析

顾及地球结构的非均匀性、分层和球体特性,发展了顾及地壳分层结构的地震断层同震位错模型的反演模式,建立了非线性反演方程,对主要的两类地震断层分别进行了模拟反演分析.反演结果显示,该反演模式可很好地将断层位错参数反演出来,利用该模式可较好地解决实际地震断层同震变形的反演问题.     

跨断层形变测量动态数据模型的研究

本文主要讨论了在已知气温、地温、降雨等主要气象参数的前提下,如何运用时间序列分析方法处理跨断层观测数据,其中对混合回归方程的建立,模型方程与地震异常之间的联系以及对可能包含异常信息的观测数据进行计算和分析,结合两个实例做了较系统的探讨。此外还提出了用GM(1,1)模型对残差进行修正的灰色动态数据模型。实际应用表明上述做法是形变数据处理的一个有力工具。     

高频地波雷达风速反演经验模型

通过分析高频地波雷达所在探测海域内浮标观测的有效波高和风速数据,建立了海面风速与有效波高的经验模型。利用二范数最小方法对该模型的参数进行估计,实验结果表明了该模型的稳定性。将所提模型应用到高频地波雷达OSMAR071数据处理中,6个月数据连续反演结果与浮标给出的风速吻合度高,表明了该风速反演经验模型的有效性。     

主喜马拉雅逆冲带的震间与同震重力场变化

为对中国自主重力/重力梯度卫星在陆地地震研究中提供理论依据,本文选取了主喜马拉雅逆冲断层(MHT),模拟了断层在同震和震间滑移产生的大地水准面、重力变化和重力梯度变化。首先给出了大地测量数据反演断层滑动分布的马尔可夫链—蒙特卡洛方法,实际反演中,Markov链的总长度由4×10~7个模型组成,燃烧阶段和采样阶段的长度均为2×10~7个模型,重采样的间隔为1000,初始温度设为100,终止温度为0.1。再次给出了基于反向滑移模型估计震间断层的耦合度。利用GPS和InSAR数据,对2×10~4个重采样的模型取平均后,反演得到MHT的同震滑移和震间耦合分布,结果表明:2015年M_w 7.8尼泊尔地震同震破裂并未达到地表,最大滑移量约为6 m,地震矩为1.02×10~(21) Nm,相当于M_w 7.9,与其他手段得到的结果一致;MHT的震间耦合模型表明MHT在中上地壳以上部分在震间均处于闭锁状态,积累的能量相当于每年一个M 7地震。基于以上反演的断层滑移/滑移亏损模型,模拟了MHT同震和震间的重力场变化。变形地表面的同震重力变化呈南北两极分布,范围为–261—125μgal,理论上能够被陆地重力测量所检测到。长波长的震间空间重力/重力梯度变化信号难以被当前重力卫星观测到;对冰川等大尺度质量效应进行改正后的同震重力/重力梯度变化有望被提高测量精度的下一代重力卫星检测出。本研究成果对中国未来发射的自主重力卫星数据在地震发生和孕育方面的应用研究将提供有益的启示。     

2016年意大利阿马特里切Mw 6.2地震震源机制InSAR反演

2016年8月24日,意大利中部阿马特里切（Amatrice）地区发生Mw 6.2地震。采用ALOS-2条带模式和SENTINEL-1A宽幅模式的合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）数据分别进行SAR差分干涉测量处理,获取了该地震的同震形变场。结果显示,本次地震造成意大利中部地区发生明显的地壳形变,在雷达视线向最大沉降量达19.6 cm。基于合成孔径雷达干涉测量（interferometry synthetic aperture radar,InSAR）和GPS同震形变场数据对此次地震的发震断层进行联合反演,通过改进倾角和平滑系数获取方法,得到了最优滑动分布模型。通过使用单断层模型和双断层模型进行反演可知,双断层模型反演结果优于单断层反演结果,两种模型下反演模型相关系数分别为0.85和0.89,发震断层走向分别为160°和158°,倾角分别为44°和46°,倾滑分布主要位于地下5~7 km,平均倾滑角为-80°,最大倾滑量0.9 m位于地壳深度5 km处,该发震断层是亚平宁冲断带的一部分,为NW-SE向延伸的正断层,断层长约20 km。综合使用地震同震形变场和GPS数据对震源机制进行反演、模拟和分析,获取了高精度的震源参数,可以为分析地震危险性和断层破裂参数等提供数据支持。     

2017年伊朗Mw7.4地震三维同震形变场及滑动分布

针对如何准确分析2017年11月12日的伊朗Mw7.4地震断层属性的问题,该文从三维同震形变场与断层滑动分布角度出发,采用Sentinel-1A升降轨数据获取该地区三维同震形变场,并基于弹性半空间矩形位错模型,结合最速下降法反演得到其发震断层参数、模拟三维形变场。结果显示,地震东西向和南北向最大形变分别为68.8、43.8 cm,竖直方向上最大沉降和抬升分别达到34.4、96.7 cm,均符合逆冲断层的运动特征。地震主要形变特征为抬升,地震矩1.66×10²⁰ N·m,矩震级Mw7.4,断层倾角16°,走向351°。结果表明,Okada模型解算所得地震三维形变场与观测结果总体特征相吻合,并且该地震为西南部板块挤压东北部板块而引发,属于逆冲为主带有右旋走滑的逆冲断层,其与地震学结果一致。     

由卫星测高数据观测到的印度洋海啸波高

本文介绍了利用卫星测高资料测定的印度洋地震引起的海啸波高的研究成果 ,以及卫星测高数据在对海啸灾害进行预测的应用价值。通过卫星雷达测高可观测到沿卫星星下点轨迹的相距几公里的点上的海面高 ,还提供了特别有价值的对海啸波的连续观测结果     

顾及地壳粘弹性结构的地震断层震后形变反演分析

顾及地壳的粘弹性结构特征,建立了基于粘弹性地球模型的地震断层震后反演模型。利用遗传算法重点对走滑断层和逆断层两种主要地震断层进行了震后形变反演研究,并与球体均匀模型反演进行了比较。研究结果表明:遗传算法能在较大范围内搜索出发震断层的位错参数,反演的结果基本可靠;基于粘弹性地球模型特征建立的地震断层震后反演模型,可较好地反演不同类型的地震断层震源位错参数;如果出现模型参数不清楚的情况,需综合考虑衡量反演结果的准则,找寻其他方法来判断,仅以VTPV最小作为反演准则并不可靠。     

断层参数反演的动态惯性因子的粒子群算法

采用大地测量观测数据进行地震断层参数反演是大地测量反演的研究热点,也是研究地震发生机制的重点.针对目前在断层参数反演中所用粒子群算法反演精度较低的问题,分析了地震断层参数反演的非线性特点和基本粒子群算法的特征.考虑到基本粒子群算法在处理高度非线性问题时易陷入局部最优解,且求解过程中局部最优解与全局最优解之间会相互影响,...     

EM算法在p范混合模型参数估计中的应用

针对多种分布形式混合的观测数据,建立了p范混合模型,考虑到模型中混合数属于不完全数据,引入期望最大化(expectation-maximum, EM)算法,对该混合模型的参数进行估计,详细推导了p范混合模型参数估计的迭代公式,并给出了相应的迭代步骤。采用混合高斯分布数据、拉普拉斯分布与高斯分布混合数据及实测GPS观测值残差数据,验证了公式的正确性和适应性。算例结果表明,与单一概率分布相比,p范混合模型能够准确反映数据分布的实际情况,同时利用EM算法估计的模型参数具有较高的精度。     

利用InSAR技术观测台湾花莲地震断层滑动与运动机理分析

基于Sentinel-1卫星升降轨SAR数据,采用D-InSAR技术提取了2018年台湾花莲县Mw6.4地震的同震形变场。结果表明,2018年花莲地震造成的最大地表形变量为38.2 cm,以隆升为主,断层上下盘最大相对位移为50 cm。利用InSAR观测得到的升降轨地表形变数据,分别构建2018年与2021年台湾花莲两次地震的断层三维滑动分布模型。结果表明,2018年花莲Mw6.4地震主震断层为靠近米伦断层的西倾隐伏断层,断层最大滑动量为1.8 m,以左旋走滑为主兼具少量逆冲分量,断层破裂传播至米伦断层西侧,影响了苓顶断层和米伦断层的地震活动性。2021年花莲Mw6.0地震发生在苓顶断层北段,断层最大滑动量为0.38 m,断层滑动以左旋走滑为主,两次地震事件均具有高倾角滑动特征。综合两次地震静态库仑应力的重新分布和M-T图发现,2018年花莲地震对2021年地震起触发作用,应力沿断层从高纬度向邻近低纬度传输累积,花莲地区及近海海域短周期内地震活动性仍强烈,主要表现为小震频发、中强震孕育周期短等特点。     

未知空间参考系大比例尺地形图的坐标转换

针对未知空间参考系的大比例尺地形图测绘成果,通过数值模拟计算得到了各种参数对转换结果的影响,结果表明,三维四参数模型不适用于未知空间参考系的坐标转换,椭球参数对平面四参数转换结果的影响完全可以忽略不计。进而通过高斯投影长度变形公式与高斯投影公式得出了近似中央子午线的计算关系式,并用实际数据进行了算例验证,结果表明本文的...     

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     

系数矩阵误差对地壳应变参数反演的影响

针对地壳应变参数反演模型中系数矩阵含随机和非随机元素及观测数据存在相关性等情况,以部分变量误差（partial-errors-in-variables,PEIV）模型为基础,采用了地壳应变参数反演的加权总体最小二乘算法,该算法不受系数矩阵和权矩阵结构的限制,能够快速、有效解决系数矩阵含有随机误差的模型问题。结合推导得到的最小二乘改正项公式,对地壳反演模型中坐标点误差对反演参数求解的影响进行了分析。通过对模拟数据和川滇地区的实际数据进行处理,得出系数矩阵误差对地壳应变参数反演的影响主要受GPS站点坐标值量级以及应变参数量级的牵制。     

联合地震位错模型和InSAR数据构建2017年九寨沟Mw 6.5地震同震三维形变场

利用哨兵（Sentinel）-1A卫星升、降轨影像,在地震位错模型约束下获取了2017年九寨沟Mw 6.5地震的高质量三维形变场。首先,利用合成孔径雷达干涉测量技术（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）提取九寨沟地震升、降轨同震形变场;然后,通过“两步法”反演获取该地震发震断层的几何参数和分布式滑动模型,以此为约束,采用方差分量估计算法联合解算九寨沟地震三维形变场。结果表明,九寨沟地震同震三维形变场以水平位移为主,垂向形变较弱;南北向形变呈拉张趋势,断层上盘向南、下盘向北滑动,最大位移分别为－19.81 cm和14.38 cm;东西向形变不对称性明显,断层上盘西北部向东水平运动,最大位移为18.37 cm,下盘东南部向西运动,最大位移不足8 cm。将南北、东西向形变与6个全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）台站观测数据进行比较,两者一致性较好且均方根误差较小,分别为1.44 cm和1.77 cm,表明联合升、降轨InSAR观测和地震位错模型约束构建同震三维形变场方法具有较高可行性,显著降低了大地测量数据不足、InSAR观测对南北向形变不敏感等问题的影响。     

升降轨InSAR数据约束下的2007年阿里地震反演分析

2007年5月5日,西藏阿里地区发生了Mw6.1级地震。本文采用Envisat卫星的升、降轨SAR数据获取地震的精确同震地表位移,然后基于弹性半空间位错模型,分别采用MPSO非线性和最小二乘线性反演算法确定了断层几何参数和滑动分布模型。结果表明,分布式滑动分布模型能较好地解释观测到的InSAR地表形变场。地震发震断层为走向158°、倾角43°的西南倾断层,主要的滑动量集中在7~12km的深度,最大滑动量约0.3m,位于9km的深度。反演给出的地震矩为1.24×1018 Nm,与地震学结果相一致。