Geodetic evidence on segmentation of Cascadia subduction zone based on episodic tremors and slips using multivariate harmonic analysis of GPS time series

Episodic tremor and slip (ETS) events with different recurrence intervals have been observed in abundance all along the Cascadia subduction zone margin. Analysis of seismic records as well as Global Positioning System (GPS) time series of the Pacific Northwest Geodetic Array (PANGA) has suggested three distinct coherent zones for the occurrence of these events. In this paper multivariate harmonic estimation has been deployed for further analysis of the segmentation in this area. Raw time series of 43 permanent GPS stations have been used for this purpose. The GPS stations have been geographically divided into three distinct groups including those in the northern, middle and southern parts of the study area. After the reduction of time series for the linear trend as well as annual and semiannual effects, the data series of each group has been analyzed using the multivariate harmonic estimation technique. Subsequently, different combinations of GPS stations including the stations located in the southern, northern and middle zones have been analyzed. Furthermore, the northern and middle, southern and middle as well as the northern and southern zone pair combinations have also been analyzed. The statistical measure devised for identifying the significant frequencies suggests common periods that are consistent with the recurrence intervals of the ETS events already reported for each of the above three geographic zones. Moreover, the method can provide geodetic evidence, in addition to geophysical ones, on the segmentation of ETSs, provided that the adopted time series are of a sufficient length. The geodetic evidence obtained in this research is consistent with the recurrence intervals as well as the boundaries obtained by the analysis of seismic records. Contrary to univariate harmonic estimation, multivariate approach using spatio-temporal correlation of the GPS time series is capable to detect those ETSs whose impacts on the time series are weak.     

GPS观测到的智利及其邻区多次大地震前后地壳运动

2001年以来,智利及其邻区发生了3次7.1—7.7级和4次8级以上大地震,其震中附近至少有一个甚至多个GPS连续观测站观测到地震前后的地壳运动。从http://geodesy.unr.edu网站可获得GeoffreyBlewitt教授用GIPSY软件处理得到的南美大量GPS连续观测站南美板块（SA）区域参考框架位移时间序列,获得的这些大地震同震、震前位移积累和震后位移,特别是同震水平位移和震前水平位移积累,为探索地震预测,增添了更多有意义的震例。研究表明,这些大地震的同震水平位移也是震前水平位移积累的回跳或弹性回跳,同样也证明了震前存在前兆地壳形变;这些大地震前震中及其附近也无明显的垂直位移积累,由此证明了板块运动或地壳水平运动就是地震成因。尽管东日本和智利近海大地震的构造环境不同,日本2011年9级和智利2010年8.8级巨大地震前的地壳运动都清楚显示太平洋海底扩张。这些地震的同震水平位移回跳或弹性回跳的规律一致,地震成因都是水平挤压。智利多次大地震GPS观测到的最特殊现象是,在2015年8.3级地震震中以北,2010年8.8级地震的同震水平位移量值偏小,且方向异常一致向北,可认为是8.3级地震的前兆形变现象。临近智利的南美地区应是全球最利于地震预测探索的地区之一。      

中国大陆GPS连续观测站基线时间序列分析

本文根据中国地壳运动观测网络基准站1999年初至2010年9月底的资料, 对中国大陆90条GPS基线时间序列进行了分析, 讨论了这些基线在正常情况下的趋势性运动特征, 总结了2001年昆仑山口西和2008年汶川两次8级大震前GPS基线时间序列的异常变化, 并在此基础上分析了GPS基线近期变化情况。     

Geodynamic pattern of the West Bohemia region based on permanent GPS measurements

In West Bohemia in the period of 2003–2005 five permanent GPS stations were established to detect local movement trends. Their mutual position changes were determined from time series of GPS observations and were associated with seismic, gravity, and geo-scientific data related to the geodynamics of the West Bohemian region. Knowledge of local physical processes based on spatial and time earthquake occurrences, focal mechanisms of main events, stress and strain fields set up a tool for recent seismotectonic analyses. The permanent GPS measurements bring independent effective phenomenon, direct monitoring of site movements. The movements detected by our GPS stations evidenced WSW-ENE extension with subsiding trends in the western part of the Cheb Basin and the Smrčiny Mts. Besides, there were monitored dextral movements along the Mariánské Lázně tectonic fault zone (MLF). A comparison of results with previous data formed a presumption that an antithetic stress pattern has to exist inside the inner part of the MLF tectonic zone. This antithetic stress can explain the coexistence of dextral and sinistral movements on individual tectonic elements in the West Bohemian area.     

利用地基GPS观测数据研究与地震有关的电离层异常

利用中国大陆GPS连续站观测数据, 根据电离层单层模型, 计算得到中国大陆上空电离层电子总含量TEC(Total Electron Content)值的时间序列。 选取2001—2008年发生在中国大陆地区的11个M_S≥6.0地震, 分析了这11个地震前后TEC值时间序列的变化特征。 分析结果显示, 地震活动期间距离震中700 km以外的GPS连续观测站上空TEC值的异常现象不明显, TEC值变化基本在0.5 TECU之内。 11个震例中有6个震例TEC值出现了负异常现象, 主要表现在震前1～5 d, 并且观测站距离震中越近, TEC值变化越明显, 少数震例在地震发生期间TEC值明显增加。 研究认为, 利用GPS连续观测数据研究与地震有关的电离层前兆是可能的。     

基于多通道奇异谱分析的GNSS坐标时间序列共模误差的提取

共模误差是区域连续GNSS网中存在的一种与时空相关的主要误差源.为了有效的剔除共模误差,提高坐标时间序列的精度,本文提出了利用多通道奇异谱分析（Multi-channel Singular Spectrum Analysis,MSSA）提取共模误差的新思路,并利用实验区域18个测站9年（2002年到2010年）的GPS坐标时间序列进行实验,分析了共模误差对时间序列的影响和测站噪声特性的影响,并对共模误差序列进行周期探测,结果显示：通过MSSA能够有效的剔除共模误差,提高坐标时间序列的精度.     

连续观测站的噪声分析

分析了中国地壳运动观测网络在全国布设的27个GPS连续站开始运行以来至2005年11月的站坐标时间序列. 在对数据进行清理的基础上， 分析了各站坐标分量噪声的功率谱密度， 计算了表征各分量的噪声特性的谱指数. 谱指数显示， 大部分站的各坐标分量时间序列的噪声可以用白噪声+闪烁噪声的模型来描述， 少部分则可用白噪声+闪烁噪声+随机漫步噪声的模型来描述. 采用最大似然估计准则， 定量估计了模型中的各噪声分量. 结果表明， GPS站坐标时间序列中白噪声甚至不是噪声的主要成分. 因此， 仅顾及白噪声得到的测站运动参数的误差估计， 实际上是过高的， 或者说是过于乐观的. 相应地， 对这些运动参数作出解释时， 如果不充分考虑这一因素， 有可能会对读者产生误导.      

Analysis on the noises from continuously monitoring GPS sites

In this paper,we analyze the time series of site coordinates of 27 continuously monitoring GPS sites covered bythe Crustal Movement Observation Network of China over the whole country.The data are obtained in the periodfrom the beginning of the observation to the November of 2005.On the basis of data processing,we analyze thepower spectrum density of coordinate component noise at each site and calculate the spectral indexes manifestingthe noise property of each component.The spectral indexes indicate that for most sites,the noise of time series ofeach coordinate component can be addressed by the model of white noise flicker noise;and for a small amountof sites,it can be described by the model of white noise flicker noise random walk noise.We also quantita-tively estimate each noise component in the model by using the criterion of maximum likelihood estimation.Theresult shows that the white noise in the time series of GPS site coordinates does not constitute the main part ofnoise.Therefore,the error estimation of site movement parameters is usually too small,or too optimistic if weconsider the white noise only.Correspondingly,if this factor is not fully considered in explaining these movementparameters,it might mislead the readers.     

小地震与人工爆破记录的时频分析

基于Matlab软件,编制了对近震记录进行时-频分析试验研究的程序,搜集2006—2008年间首都圈地区震级介于ML2.4~2.7的5次天然地震和5次人工爆破的27个台站的宽频带记录,根据震中距离的相似性挑选5组天然地震和人工爆破地震,分析其时频特征。对于所有的数据都给出其三分向的时频图、原始波形图和频谱图,以及水平向和三分向的叠加图。分析结果表明,天然地震和人工爆破的记录具有明显不同的时频特征,天然地震的时频呈现出"多峰"特征,而人工爆破的时频分布则相对"少峰";天然地震的时频峰值分布在较宽的频率范围内,人工爆破的峰值则分布在频率较低的相对狭窄的范围内。通过以上实践,发现时频分析在分析不同时间点的频谱信息以及整个数据的时频分布特点时比傅里叶变换具有优势。     

华北地磁感应矢量时空特征分析

在验证了Robust方法求取地磁转换函数的可靠性之后,将之应用于华北13个台站超过5年的地磁数据中,得到了地磁感应矢量的时间变化序列.结果发现,在各个台站及其不同周期的地磁感应矢量时间变化序列中,都不同程度地存在明显的年变背景特征;使用谐波拟合法提取了其中的长期背景(大于6个月)成分.重点分析了640s周期的地磁感应矢量时间变化序列,结果发现大多数台站的长期背景变化相位一致,显示出较明显的季节性变化特征;根据对其统计分析得到的特征量在空间上的分布特征推断,华北盆地在壳内可能存在一相对高导层;去掉其长期背景成分后的频谱分析显示,地磁感应矢量存在大约一个月的周期特征,这可能与地磁活动的太阳自转周期(27天)变化有关.     

Determining the focal mechanisms and depths of relatively small earthquakes using a few stations by full‐waveform modelling

Determining the focal mechanism of earthquakes helps us to better define faults and understand the stress regime. This technique can be helpful in the oil and gas industry where it can be applied to microseismic events. The objective of this paper is to find double couple focal mechanisms, excluding scalar seismic moments, and the depths of small earthquakes using data from relatively few local stations. This objective is met by generating three‐component synthetic seismograms to match the observed normalized velocity seismograms. We first calculate Green's functions given an initial estimate of the earthquake's hypocentre, the locations of the seismic recording stations and a 1D velocity model of the region for a series of depths. Then, we calculate the moment tensor for different combinations of strikes, dips and rakes for each depth. These moment tensors are combined with the Green's functions and then convolved with a source time function to produce synthetic seismograms. We use a grid search to find the synthetic seismogram with the largest objective function that best fits all three components of the observed velocity seismogram. These parameters define the focal mechanism solution of an earthquake. We tested the method using three earthquakes in Southern California with moment magnitudes of 5.0, 5.1 and 4.4 using the frequency range 0.1–2.0 Hz. The source mechanisms of the events were determined independently using data from a multitude of stations. Our results obtained, from as few as three stations, generally match those obtained by the Southern California Earthquake Data Center. The main advantage of this method is that we use relatively high‐frequency full‐waveforms, including those from short‐period instruments, which makes it possible to find the focal mechanism and depth of earthquakes using as few as three stations when the velocity structure is known.     

小波分析在GPS位移时间序列特征中的应用

使用福建GPS台网2004年3月—2008年10月的连续观测资料,对各基准地震站原始数据进行处理,得到位移时间序列,进行初步分析。在此基础上,采用小波分析方法提取时间序列的时频特征,从而得到非线性变化信息,为GPS在大地震前获取前兆资料提供探索方向,进而通过对位移时间序列异常变化与区域地壳运动关系的研究,探讨两者间的内在联系。     

印尼8.7级大震前后GPS观测站的地壳水平与垂直位移时间序列结果

利用IGS及中国地壳运动观测网络GPS连续观测站6年多时间的观测结果, 以中国大陆东部的稳定点组作为水平位移与垂直位移解的参考基准, 得到了2004年12月26日印尼苏门答腊8.7级与2005年3月28日8.5级大震前后GPS观测站的地壳水平及垂直位移时间序列的结果。 尽管所采用的GPS站点少, 且分布范围大, 但仍可看到在如此大的地震震前、 同震与震后地壳运动的特征, 为今后观测研究提供了十分有意义的结果。 文中所采用稳定点组基准有效消除水平位移场的平移与旋转, 而局部椭球面的不平性对计算区域地壳运动结果, 特别是对垂直位移的影响很小, 说明了位移解所描述的大范围区域位移场是合理的。 这两次地震的同震水平位移及震后的垂直位移影响量级达数厘米, 范围达远离8.7级地震震中4500 km之外, 甚至更远。     

地壳形变与地震前兆探索回顾和展望

本文回顾了我国地震预报中地壳形变观测技术、 数据处理方法和软件及地壳形变前兆观测研究进展。 1966年邢台地震后, 我国地震预报工作经历了难得的成功、 更多惨痛失败和“地震不可预报论”等干扰, 发展曲折。 尽管2008年汶川和2011年东日本大地震预报失败,但这两次和其他大地震前后GPS和其他观测得到的地壳形变表明, 大地震是有前兆的, 是可以预报的。 比较了我国地震预报所采用的主要的地形变观测技术和分析方法, 讨论了观测和数据处理方法的特点, 简要介绍了地壳形变地震前兆新近的研究结果, 重点阐述了GPS观测技术多方面的优势。 事实证明, GPS观测得到的汶川大地震前的形变异常或前兆, 是我国地壳形变观测与地震前兆探索最突出的成果。     

利用GPS与GRACE监测陆地水负荷导致的季节性水平形变：以喜马拉雅山地区为例

地表陆地水负荷变化是引起重力场和地壳形变呈现季节性特征的主要因素,并且能够利用地表及空间大地测量技术对其进行有效的监测.本文通过对质量负荷形变效应的理论模拟,描述了水平分量的形变指向以及垂直与水平分量的幅值比可以提高对负荷区域的辨别程度,并且联合GPS坐标时间序列及GRACE模型对喜马拉雅山地区的季节性负荷形变进行了详细对比分析,研究结果显示两者垂直分量的季节性变化具有较好的一致性,且GPS周年项幅值要大于GRACE.而由GRACE解算得到的水平分量结果表明该地区季节性形变主要受东南亚及印度东北部地区的陆地水负荷控制,位于喜马拉雅山地区多数GPS台站的垂直分量及北向分量的初相位与GRACE模型解算结果相近,而部分GPS台站的东向分量与GRACE模型存在明显不同,由此导致GPS与GRACE监测到的形变指向存在差异.通过对GRACE估算精度以及GPS垂直与水平分量幅值比的深入分析,发现GPS对局部周边地区的河流、谷地及农田灌溉等负荷变化造成的形变效应较为敏感,而GRACE由于截断阶次及平滑滤波等影响因素,不仅造成在水平分量上的分辨率远低于垂直分量,而且整体估算精度要低于GPS观测得到的形变信息.     

1904-1980年全球浅源地震能量释放的隐含周期性探讨

本文求取了1904—1980年全球浅源地震释放能量时间序列的付氏谱、布莱克曼—图基谱和最大熵谱。由不同的取样方式和功率谱的计算方法,确定其地震能量释放较为可信的隐含周期约为9.1年、14.4年、45.4年和128年,且这些主要周期成份之间存在整数因子3和5。用互功率谱法求取了这些主周期成份的初相,从而确定了这些周期成份取最大值的时间,并与地震能量释放时间序列进行了对比,推测下一个全球浅源地震能量释放高潮期约在1990—1994年左右。     

安徽地区震源参数的相关性研究

基于安徽数字地震台网2010年1月至2017年12月记录到的ML2.5~5.0级地震,根据中小地震震源参数测定原理,利用多台多地震联合反演Atkinson方法和Moya方法分别计算了安徽地区地壳平均非弹性衰减因子Q值和安徽24个省属专业地震的台站场地。在此基础上,运用遗传算法求得安徽地区96个地震事件的震源谱参数,进而根据Brune中小地震圆盘模型计算其拐角频率、地震矩、应力降、矩震级、震源尺度等震源参数,并分析其特征及相互之间的关系。研究结果表明:安徽地区中小地震的ML震级与其他震源参数之间存在一定相关关系,而地震矩M0与应力降Δσ、震源尺度r和拐角频率fc之间并未表现出明显的相关关系。     

长白山天池火山区的震群活动研究

2002和2003年夏季流动地震观测揭示,天池火山口附近存在大量的微震活动和一系列震群活动.地震定位结果表明地震主要发生在火山口附近,以震群形式发生的地震全部集中在天池火山口西南部,东北部地震密集区没有观测到震群活动.在夏季以外的其他季节,天池火山区只有一个固定地震台站（CBS）用于地震监测.利用CBS台不同时间的观测纪录,通过波形相关分析发现其他季节的主要震群活动仍然集中在天池西南部.震群的高精度相对定位揭示震源位置沿北西－南东向分布,倾向西南,倾角约80°. 2003年7月13日的震群发生期间,地震震源位置出现从深到浅的迁移现象,同时震源深度较大的地震在不同台站的地震波初动方向几乎全部向上,表明震源具有明显的膨胀分量.考虑到长白山天池火山2002年以来出现明显的地表形变、地球化学异常和谐频地震等现象,我们认为震群活动可能与5 km深度附近存在岩浆热液活动和岩浆增压有关.     

Application of wavelet analysis to crustal deformation data processing

Introduction The study mainly focused on tidal information, i.e. earth tide in the continuous deformationdata processing and analysis before. And the analysis methods used were specially for earth tideonly. As to the medium-long period and non-tidal information, fitting and filtering are not the bestmethods. Because they are not able to reflect the variation process of frequency information withtime and to distinguish and extract more earthquake information, although they can eliminateyea…     

新疆帕米尔东北侧地区现今地壳运动的GPS监测研究

通过加密帕米尔东北侧地区的GPS监测网并进行复测,结合周边地区的IGS站数据,计算得到了该地区40多个GPS点位运动速率,由此得到了该地区的现今地壳形变速率图及GPS基准站的时间序列。结果表明：各GPS站主要运动方向为北北西,基本上与天山褶皱带走向正交,即形成对天山的正向挤压。伽师附近及其西南区的运动形态与周邻测站有所不同,表明伽师地区的构造变形与近几年地震活动有某种关联。环塔里木盆地周边点在各区内的速率变化较小,方向也基本一致,说明塔里木盆地内部变形较小或基本不变形。