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。     

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。     

珠峰及周边地区强震影响垂直形变特征研究

2015年尼泊尔地震对珠穆朗玛峰高程的影响,近年一直受到全世界关注。2020年珠穆朗玛峰高程测量在珠穆朗玛峰及周边地区布设了高精度的全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)形变监测网,收集了1999—2020年跨喜马拉雅山脉的32个连续运行参考站(continuously operating reference stations, CORS)的GNSS连续观测数据。利用GNSS数据监测了珠穆朗玛峰周边地区地壳三维形变特征,定量获取了2015年尼泊尔强震对珠穆朗玛峰周边CORS同震位移,以及地震对区域地壳三维形变长期趋势的影响,特别是对该地区垂直形变的影响。研究结果表明,该区域地壳垂直形变由南至北跨喜马拉雅山脉呈明显的阶梯型分布特征;震后印度板块与欧亚板块存在加速汇聚趋势,导致震后地壳隆升速率同步增大。     

2015年尼泊尔地震同震滑动及震后余滑的三角位错模型反演

2015年尼泊尔Mw 7.9级地震发生在印度板块向欧亚板块低角度俯冲的喜马拉雅断裂带上。对该地震的滑动模型进行精化,对于理解喜马拉雅断裂带的孕震模式具有重要意义。采用三角形位错元构建主喜马拉雅断裂“双断坡”几何模型,联合全球定位系统（Global Positioning System,GPS）和合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）资料反演2015年尼泊尔地震同震滑移及震后余滑。结果表明,尼泊尔地震最大同震滑移达到7.8 m,深度为15 km,位于中地壳断坡和浅层断坪的接触部位。不考虑中地壳断坡结构会使反演的最大滑移量偏低。震后余滑主要分布在同震破裂区北侧,释放的地震矩为1.02×1020 N·m,相当于一次Mw 7.3级地震,约占主震释放地震矩的12%。同震库伦应力变化和震间断层闭锁分布均表明,尼泊尔地震破裂区南部宽约60 km的区域仍具有较高的地震危险性。     

不同卫星导航系统组合监测的玛多地震同震形变与精度分析

为全面分析不同卫星导航系统(GNSS)组合监测地震形变的精度,本文首先基于青海玛多地震(Mw 7.4)周边近场及远场共8个区域CORS站的高频(采样率为1 Hz)GNSS观测数据,采用精密单点定位技术进行高频数据解算,初步分析了多系统组合相对单GPS系统的同震形变精度提升,然后对具有相同卫星系统数/不同卫星系统组合的同震形变误差进行对比分析,最后基于GREC2(GPS/GLONASS/Galileo/BD-2)和GREC3(GPS/GLONASS/Galileo/BD-3)两种组合情况分析了北斗二号与北斗三号的同震形变精度差异。研究结果表明,多系统组合观测同震形变的精度优于单系统,其中GEC2+3(GPS/Galileo/BD-2/BD-3)组合观测同震形变精度最优,相对于单系统GPS而言,在水平方向上的精度提升可达30%～60%,在垂向上的精度平均提升可达30%;在三系统卫星导航系统组合中,含北斗的多系统组合在水平方向上的精度提升最高可达38.75%,垂向上的精度提升最高可达41.46%;北斗三号观测的同震形变精度比北斗二号精度更高、效果更好。     

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。     

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。     

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。     

日本2011 Tohoku-Oki Mw 9.0级地震的同震形变及其滑动分布反演:GPS和InSAR约束

利用覆盖整个日本东北部的3个条带的Envisat/ASAR降轨数据和6个条带的ALOS/PALSAR升轨数据,通过二通差分干涉处理,首先得到了2011年日本Tohoku-Oki Mw 9.0级地震的初步同震形变干涉结果,然后,利用GPS同震观测值对InSAR结果进行校正和基准统一。在此基础上,采用弹性半空间矩形位错模型,联合GPS和InSAR观测结果对同震滑动分布进行反演,获取了发震断层的断层滑动分布。结果显示,此次地震的滑动分布主要发生在40～50km深度范围内,最大滑移量为50.3m,释放的能量为3.20×1022 N·m(相当于Mw 8.94级)。     

尼泊尔Mw 7.8地震前后西藏西南部地区GPS时序特征演变分析

为了探索尼泊尔地震前后中国西藏西南部地区全球定位系统(Global Positioning System,GPS)时序特性的变化,选取位于西藏西南部7个GPS站2013—2018年的坐标时间序列进行分析。区域GPS网的共模误差利用主成分分析法(principal component analysis,PCA)进行提取。在垂直分量上,PCA第一主成分的贡献率由震前的48.87%上升到64.39%,共模误差的振幅也有一定的增大。噪声分析以白噪声与幂率噪声为主,采用极大似然估计法(maximum likelihood estimation,MLE)进行噪声量级的估计。尼泊尔地震之后,XZAR站、XZZB站和XZZF站出现了量级较大的随机游走噪声,与此同时,大部分站白噪声+闪烁噪声+随机游走噪声模型中白噪声量级减小,闪烁噪声+随机游走噪声的量级增大。GPS坐标时序3个分量的谱指数估值的均值也由—0.98、—1.07、—0.98变为—1.27、—1.15、—1.03。噪声分析表明,震后GPS坐标时序中白噪声成分减弱、幂率噪声占据了更加主导的地位。部分GPS站的水平速度场则出现向南偏移的现象,突出表现在离震中较近的3个站(XZAR站、XZZB站和XZZF站),且运动速率也有相应的降低。对于周期项振幅,仅LHAZ站略有减小外,其余6个GPS站均有不同程度的增大。以上结果表明,尼泊尔地震改变了西藏西南部GPS站的时序特征与运动特性,进而可能改变了青藏高原西南缘原有的地壳运动状态。     

融合多平台DInSAR数据解算拉奎拉地震三维同震形变场

针对单一平台DInSAR技术仅能获取雷达视线方向同震形变场的问题,根据雷达成像的几何条件,融合不同轨道、不同平台的DInSAR数据解算了拉奎拉地震的三维同震形变场。三维形变结果反映的拉奎拉地震发震断层的特征与地质调查的结果较吻合。将得到的三维形变场数据与该地区GPS观测站数据进行比较,结果表明,得到的拉奎拉地震的三维同震形变场比较可靠且精度较高。     

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。     

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。     

昆仑8.1级地震对青藏块体东北缘地壳水平运动的影响初探

为了探讨昆仑8.1级地震引起的同震形变是否影响了青藏块体东北缘的地壳水平运动,以震后GPS观测资料为数据源,依Okada位错模型原理,计算了地震引起的同震水平位移场,分析了地震对区域地壳水平运动的影响。结果表明:垂直于断层沿震中方向的GPS点受地震影响大,远离断层的测点的同震位移受断层位错的影响小。     

利用InSAR和GPS数据分析台湾西南两次Mw＞6地震的触发关系及应力影响

利用InSAR和GPS进行地震研究具有很大的优势,InSAR能够在较大范围内快速地获得连续的同震形变观测,而GPS测量精度高,可迅速获得稳定的测量结果。随着SAR卫星的增多、重返周期的缩短,利用InSAR和GPS联合进行地震触发关系及应力影响研究也变得更为有力。2010年3月4日和2016年2月6日台湾西南部接连发生两次M_w 6.0以上地震,分别被称为甲仙地震和美浓地震。本文利用GPS和InSAR同震形变场联合反演了甲仙地震的滑动分布模型;结合之前的研究成果,基于静态库伦应力改变对甲仙地震与美浓地震的关系进行了分析;还为台湾西南部7个主要断层构建了断层格网并获取了它们的应力改变模型。结果表明,甲仙地震的发震断层表现为逆冲倾滑兼一定走滑分量的断层。甲仙地震的主要滑动区域处于12~16 km深度之间;最大滑动量为0.61 m位于约14 km深处。本文线性反演得到的甲仙地震地震矩为2.27×10¹⁸ Nm,相当于M_w 6.20。甲仙地震后美浓地震的发震断层上应力增值达4.0 MPa,应力增加的面积约占推断断层总面积的74%,表明甲仙地震对美浓地震的发生具有十分明显地加速作用。甲仙和美浓地震共同作用下,西侧的左镇断层和新化断层产生了较明显地应力积累。根据应力改变结果,本文认为甲仙地震和美浓地震后,台湾西南部的左镇断层和新化断层都具有较高的危险性,值得持续关注和进一步研究。     

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。     

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...     

利用GPS资料反演汶川Mw7.9级地震滑动分布

2008年5月12日,青藏高原东缘龙门山断裂带发生Mw 7.9级汶川地震,该地震使得北川-映秀断裂、灌县-江油断裂和汉旺-白鹿断裂带发生了同震破裂。本文主要利用“中国地壳运动观测网络”项目组提供的GPS同震位移资料,采用基于敏感度迭代拟合法(SBIF)及分段发震断层模型,分别应用均匀半空间和分层地壳结构两种方法反演分析了该次地震的精细同震滑动分布。结果表明：（1）SBIF反演方法应用于相对较小的GPS数据集仍然可以获得理想的同震滑动分布;（2）采用考虑分层地壳结构模型的反演结果整体上要优于均匀半空间模型的结果;（3）同震滑动主要发生在10-19千米深度以上,且存在五个滑动峰值区域及北川断裂南西端存在明显的深部滑动区,与震后野外考察结果及余震分布相吻合,同时能够较好地解释GPS观测数据;（4）青川断裂存在明显的右旋走滑分量,其平均滑动量为1.99米,北川断裂主要发生逆冲滑动,平均滑动量为3.35米,灌县断裂的平均滑动量为0.65米;（5）反演得到的地震矩为8.74×1020Nm(Mw 7.90),与地震学结果吻合。     

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。     

GPS动态监测形变信息提取技术

采用GPS技术对矿区地表移动进行动态监测,针对长距离差分动态定位精度受多因素残余误差的影响,利用主成分分析法(PCA)进行空间滤波,分离区域站点相关的共模误差,以提高坐标序列精度。为进一步分析矿区地表移动受多源影响,采用解决盲信号分离问题的独立分量分析法(ICA),提取各测站形变信息。通过实例与仿真分析,结果表明,利用PCA空间滤波可提高3个分量坐标序列精度分别为46.1%,71.0%及36.8%;基于特征矩阵联合似对角化算法(JADE)进行ICA分解,能够实现各测站形变信息的提取。