临汾水准巨幅形变的位错理论模拟与异常性质判定

在假设临汾台水准出现2次巨幅形变异常为断裂错动的情况下,笔者基于矩形断层位错模型模拟了罗云山断裂(土门-峪里段)错动所引起的垂直形变场分布,并通过D-InSAR技术对研究区域内的地面形变场进行了实测。分析结果表明:1从理论上讲,罗云山断裂(土门-峪里段)错动是可以产生长轴与断裂走向平行的椭圆状变形区域,其中,位于断裂上盘的区域中心变形量最大,变形量向外围逐渐衰减为零;2次错动导致的变形波及范围分别约为长轴18km和26km,短轴12km和17km;显著变形幅度分别约为1—3mm和4—14mm。2而同期D-InSAR实测形变场显示,临汾台水准出现2次巨幅异常期间,研究区域内未发现与断裂走向一致的连续变形区域,仅在盆地内部存在可能由于过量开采地下水所导致的地面沉降,其变形范围约为10—12mm和1—5mm。3实测形变场与理论形变场在变形区域和变形幅度上均不一致,说明断裂活动不是临汾台水准出现2次巨幅形变的主要原因,可能为断裂上盘的土层点局部变形所致。4通过断层位错模型的理论模拟与D-InSAR技术的实际监测相结合,可以有效地确定临汾台跨断层水准出现的2次巨幅形变异常的性质,可为重大水准异常的核实提供科学依据。     

临汾水准巨幅形变的位错理论模拟与异常性质判定

在假设临汾水准两次巨幅形变异常为断裂错动的情况下,基于矩形断层位错模型模拟了罗云山断裂（土门-峪里段）错动所引起的垂直形变场分布,并通过D-InSAR技术对研究区域内的地面形变场进行实测,分析结果表明：（1）断裂错动理论上可导致长轴与断裂走向平行的椭圆状变形区域,位于断裂上盘的区域中心变形量最大,变形量向外围逐渐衰减为零,两次错动导致的变形波及范围分别约为长轴18Km和26Km,短轴12Km和17Km,显著变形幅度分别约为1-3mm和4-14mm。（2）D-InSAR实测形变场显示两次异常期间研究区域内未发现与断裂走向一致的连续变形区域,仅在盆地内部存在可能由于过量开采地下水所导致的地面沉降,变形范围约为10-12mm和10-15mm。（3）实测形变场与理论形变场在变形区域和变形幅度上均不一致,说明断裂活动引起临汾水准巨幅形变的可能性不大,可能为断裂上盘的土层局部变形所致。（4）通过断层位错模型的理论模拟和D-InSAR技术的实际监测相结合可以有效地确定跨断层水准巨幅形变异常的性质,为重大水准异常核实提供科学依据。     

二、三维高密度电法在临汾龙祠地震台水准测量巨幅形变异常判别中的研究与应用

2010年1月7日临汾中心地震台龙祠短水准测线Bm3点出现巨幅形变,其日沉降量达10 mm以上.为了查明形变点产生巨幅形变的原因,山西省地震工程勘察研究院承担了Bm3点为中心场地地震地质勘察工作,运用二维高密度电法及三维高密度电法对隐伏断裂进行勘察,并对附近的地质环境和巨幅形变产生的原因进行分析,为地震预报工作提供依据.     

DInSAR与SBAS InSAR矿区地面沉降监测能力对比分析与验证

DInSAR与SBAS InSAR是目前常用于矿区地面沉降监测的两种InSAR技术.以山东济南某矿区地面沉降为研究对象,利用DInSAR、SBAS InSAR对覆盖该矿区的28景Sentinel-1A SAR影像进行处理,获取2018年07月至2019年06月期间的矿区地面沉降信息,利用矿区工作面开采信息与同时期水准监测数据,定性和定量地对比、分析和验证了这两种InSAR技术的矿区地面沉降监测精度和能力.研究发现,在沉降边缘区域,DInSAR和SBAS InSAR的监测结果与水准监测结果之间的差异较小,能较好反映矿区沉降的实际情况,而在沉降中心区域,二者的监测结果与水准监测结果有较大差异,监测能力不足.相比较而言,DInSAR技术在矿区沉降中心的快速大形变监测中更可靠,SBAS InSAR技术在矿区周边缓慢微小形变监测中精度更高.DInSAR和SBAS InSAR监测到的沉降值与水准监测结果之间的绝对差值曲线呈现出沉降漏斗边缘小、中心大的特征,这一发现可为后续研究DInSAR和SBAS InSAR监测结果的校正方法提供重要参考.     

利用InSAR技术研究滇西南镇康—永德地区现今地壳形变特征

基于12景ALOS PALSAR卫星影像,利用InSAR的前沿技术,提取了2007~2010年滇西南镇康—永德一带的平均地壳形变速率和形变时间序列,并结合不同时段的水准和GPS监测结果,从三维角度研究了该区域现今的地壳运动特征。研究结果表明,水准资料显示的镇康—永德一带异常隆起区位于南汀河断裂带附近,范围沿北东—南西方向呈近椭圆形展布。这一地壳形变异常区在数十年尺度上表现为隆升(速率约2~3 mm/a),表明区域具备中强地震孕育的地壳形变背景。而在2007~2013的数年尺度上表现为大幅垂向形变波动,可能反映区域近年来地壳垂直运动比较活跃,应加强跟踪与监视。     

InSAR与概率积分法联合的矿区地表沉降精细化监测方法

结合InSAR与概率积分法的优势,提出一种InSAR和概率积分法联合进行矿区地表沉降的精细化监测方法.该方法首先计算InSAR时序累积沉降盆地,进而建立判别大梯度形变的约束条件,区分沉降边缘与沉降中心.对于形变较小的沉降边缘,保留InSAR结果,而对于大梯度沉降中心,则结合InSAR与概率积分模型建立矿区工作面的沉降盆地,并通过空间插值,获取地理坐标系下连续的地表沉降信息,最终得到完整的矿区地表沉降结果.论文以山东某矿区为研究区域,采用2016年10月16日 2018年3月4日期间的21景SAR影像和工作面水准实测数据对该方法的可行性和精度进行了验证.结果 表明,该方法能够在减少水准监测工作量的前提下,获得与实际情况相吻合的沉降结果,其监测能力明显优于常规InSAR和概率积分法,可有效弥补两种技术单独在矿区地表沉降监测中的不足,获取更为准确、可靠的矿区地表沉降信息.     

山西临汾中心地震台水准异常变化分析

对2009年7月至2010年1月临汾台水准出现的巨幅异常变化进行调查和分析,认为引起变化原因是：（1）由BM3点附近5 m的地方2008年冬天新挖的一个坟墓加之多次农田灌溉引起的;（2）BM3点下方11 m～19.1 m处是低阻体,地下水较丰富,长期地下水运动导致黄土湿陷,在重力作用下引起点位下沉;（3）在BM3点下方有一正断层,上断点接近地表,为全新世活动断裂,35 m以下为一个地下水的疏水通道,断层的活动改变了原来稳定的储水构造,使上部土层结构遭到破坏,地下水的潜蚀作用增强带走了部分土体,而引起地面沉降。     

利用InSAR短基线技术估计洛杉矶地区的地表时序形变和含水层参数

美国南加州洛杉矶地区是自然和人为活动引起的地质构造活跃、石油及地下水抽取和回灌频繁的区域.本文利用19景ENVISAT ASAR降轨影像生成了71幅垂直基线小于300 m、时间间隔小于3年的解缠差分干涉图,并基于短基线集技术(SBAS),GPS和地下水水位数据估计了该区域2003年9月~2009年8月的地表时序形变及含水层贮水系数等物理参数.研究结果表明:(1)在InSAR干涉图中可以清楚的识别多处沉降明显的区域.例如,主要由于含水层地下水的抽取与回灌引起地表沉降的Pasadena盆地(~-2.5 cm/a)、San Gabriel流域(~-2 cm/a)、San Bernardino盆地(~-2.5 cm/a)、Pomona-Ontario盆地(~-4 cm/a)和Santa Ana盆地(~-2.5 cm/a),以及由石油抽取引起地面形变的Santa Fe Springs区域(~-1 cm/a)和Wilmington区域(~-1 cm/a)等;(2)InSAR时间序列形变与GPS投影在雷达视线方向上的形变结果具有较高的一致性,平均形变速率差异的均方差为0.39 cm/a;(3)InSAR时间序列形变与含水层地下水位的变化基本一致,并基于相关理论计算出了含水层的弹性贮水系数和非弹性贮水系数,分析了含水层的形变机理.     

利用InSAR技术研究青藏高原冻土形变特征

由于自然环境的限制,青藏高原的大地测量网络十分稀疏,不能满足区域地壳运动监测的需求。干涉合成孔径雷达(InSAR)是非接触监测地壳运动的一种重要方式,但在高原上受到冻土的影响。本文基于2014～2018年的Sentinel-1卫星C波段雷达数据,采用InSAR时序技术分析了冻土形变的时空特征。针对InSAR位移时间序列,采用空间滤波去除了大气延迟、地形效应等局部公共误差,提高了时间序列的信噪比。结果显示,青藏高原的冻土运动可分为差异较大的两类:在大部分冻土区域,与周边高山(基岩)区域相比,冻土地区显示类似的季节波动或一定的长期沉降;在部分冻土地区存在异常快速下沉区域,例如在西藏中部布若错湖西南侧的沉积盆地内,存在一个直径约2 km的漏斗型沉降区, LOS向沉降速率可达约10±2.1 mm/a。构造运动造就了高原上大量沿断裂线分布的河流、湖泊,河床和沉积盆地等广泛分布着冻土,给准确分析构造形变带来很大挑战,本文所得的结果可作为区分冻土运动与构造变形的一种有效判据,也有益于研究高原冻土的物理特性及变形机理。     

芦山MS7.0地震前远、 近场形变 时空演化特征研究

应用芦山M_S7.0地震震中附近跨断层及连续形变观测资料, 分析了芦山地震前不同阶段地形变变化的特点, 讨论了震中附近区域异常时空演化过程. 结果表明: ① 自2013年1月起, 沿鲜水河断裂带一些跨断层基线观测到显著的加速转折变化, 沿安宁河、 则木河断裂带个别场地的跨断层水准基线, 2010年以来出现的巨幅异常等是突出的场兆变化; 沿龙门山断裂带一些水准观测在汶川M_S8.0地震后持续的调整变化具有近震源区变形特征. ② 鲜水河、 龙门山和安宁河3条主要断裂围成的三叉口地区, 地倾斜、 应变、 重力及断层水准和蠕变观测临震前均未有显著的异常变化, GPS水平、 垂直位移年速率最小, 该地区是形变变化或形变异常分布的“空区”. ③ 在对近场与远场多种连续形变数据通过傅里叶变换提取年周期成分后发现, 临震前2—3年近震源区域的地倾斜、 重力年变化幅度不是增大, 而是减小. 芦山M_S7.0地震前观测到的形变前兆现象特征与汶川M_S8.0地震等震前的前兆现象较为接近. 因此, 芦山地震前近震源区及外围形变异常分布特征不是个别的现象.      

Lithological control of land subsidence induced by groundwater withdrawal in new urban AREAS (Granada Basin,SE Spain). Multiband DInSAR monitoring

Ground subsidence in the southeastern border of the Granada Basin (SE Spain) has been studied using remote sensing techniques. Over the last decades, the region has experienced a huge urban expansion, which has caused a substantial increase in water supply requirements. Water needs are exclusively met by groundwater by means of numerous pumping wells, which exploit a confined detrital aquifer of alluvial fan deposits with a heterogeneous facies distribution. A general piezometric level decline (up to 50 m) has been recorded in the aquifer during the past 30 years that has induced the generation of a subsiding area with oval shape oriented WNW‐ESE just where the new urban areas and pumping wells are located. Subsidence has been monitored by exploiting synthetic aperture radar (SAR) images from ENVISAT (2003–2009) and Cosmo‐SkyMed (2011–2014). A new approach, which combines A‐DInSAR and small‐area persistent scatterer interferometry (PSI) analysis, has been applied obtaining a good accuracy regarding temporal and spatial dimension of the subsidence. ENVISAT data (2003–2009) reveal subsidence rates up to 10–15 mm/year, and Cosmo‐SkyMed (2011–2014) values slightly lower; up to 10 mm/year. Temporal variations in the subsidence velocity are in accordance with the rainfall pattern and piezometric fluctuations in the aquifer. The sector with highest rates of subsidence does not correspond to the area with more intense groundwater exploitation but to the area with greater presence of clays in the confining layer of the aquifer. There is a clear lithological control in the spatial distribution of the ground subsidence. This work integrates detailed geological and hydrogeological data with differential SAR interferometry monitoring with the aim to better understand subsidence processes in detrital aquifers with small‐scale heterogeneity. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

Simulation of regional land subsidence in the southern Yangtze Delta

Investigation of the deformation characteristics of individual hydrostratigraphic units is the key to construct a regional land subsidence model. All of 12 hydrostratigraphic units in the study area were discussed throughout. On the basis of the measured data of groundwater level, five kinds of changing patterns of groundwater level were deduced and the relationship between the deformation characteris-tics of aquifer units and the corresponding changing patterns of groundwater level was discussed. The study area is 1.7×104 km2, where the geological condition is complex. The changing patterns of groundwater level the hydrostratigraphic units have experienced vary from site to site and from time to time. Consequently, the deformation characteristics of units are sophisticated. An identical hydros-tratigraphic unit may exhibit different deformation characteristics, such as elasticity, elasto-plasticity, visco-elasticity, and visco-elasto-plasticity, at different sites or during different periods, not to mention the different units. The existing models are difficult to describe the complex visco-elasto-plastic con-stitutive law under the condition of land subsidence. So the Merchant’s model was modified to depict the visco-elasto-plastic behavior of units. Then a three-dimensional flow model with variable parame-ters and a vertical one-dimensional subsidence model were constructed and coupled. The coupled model was applied in simulating land subsidence in the southern Yangtze Delta and a satisfactory re-sult was obtained. The simulation results show that the new coupled model can depict the complex geological conditions and describe the developing process of land subsidence very well in the south-ern Yangtze Delta. The new model can surely be used to predict land subsidence in the future, which is very helpful to taking measurements to control land subsidence.     

Identification of potential subsidence related to pumping in the Almería basin (SE Spain)

Ground subsidence of detrital deposits in the Almería basin (SE Spain) was studied using the remote sensing technique of Differential Interferometry SAR (DInSAR). This basin is one of the most arid in Europe, receiving an average rainfall of 250 mm per year. Over the last 60 years the region has experienced an enormous agricultural and urban expansion, whose water demand has been largely supplied from groundwater, leading to the current situation of overexploitation of water resources. This paper outlines the likely relationship between groundwater abstraction and subsidence. To this end, 34 ERS and Envisat images, taken between 2003 and 2009, were analysed to estimate ground surface deformations, and hence, compared with water table variations measured in a number of piezometers in the basin. The analysis shows a clear parallelism between the variations in piezometric level and deformation of the ground surface. In addition, the zones of greatest subsidence coincide with those areas where groundwater abstractions are concentrated. Subsidence over the examined period varies from 10 to 30 mm, with extreme values as high as 50 mm, which translates to a rate of between 1·7 and 5 mm/year, reaching maximum rates of 8 mm/year at some points. Given such subsidence rates, damage to urban infrastructures are, for the moment, incipient. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

宁波市地下水位动态与地面沉降预测分析

为了准确预测分析宁波市地下水位动态与地面沉降的发展趋势,建立了宁波市第四纪松散沉积层孔隙地下水流三维数值模拟模型和地面沉降与地下水位多元线性回归模型,预测了2009年底到2020年底的逐月地下水位动态和逐年地面沉降量的变化特征.结果表明,从2013年起,除山区沟谷孔隙潜水地下水位降落漏斗逐渐扩大外,其余孔隙水的地下水流场基本趋于稳定,地下水位年际变化很小,年地面沉降量也逐渐变小,由2012年的5.62 mm/a逐渐下降到2020年的5.54 mm/a,由地下水位下降引起的地面沉降基本得到控制.     

多轨PSInSAR监测华北平原地表垂直形变场

针对PSInSAR技术监测大空间尺度地表垂直形变场的不足,提出通过基准转换与数据拼接、融合不同轨道多个独立片区(Frame)获取大空间尺度地表垂直形变场方法.由于不同轨道主影像选取的参考基准不一致、不同轨道垂直基线不同、不同片区相位解缠的参考PS不同等因素影响,使得PSInSAR获得的不同轨道地表垂直形变场的空间基准存在差异,提取的地表形变信息不具有可比性.利用两个相邻片区重叠区域的PS点集,根据迭代最近点算法提取两片区公共区域内同名点,并兼顾同名点距离的权,精确计算两片区的配准参数,实现两片区的"无缝"连接,最后使各独立片区拼接成一个连续的大空间尺度地表垂直形变场.本文推导了多轨PSInSAR技术获得的不同片区形变场基准转换与数据拼接的数学模型,并以华北平原(115.32°E—118.79°E, 36.81°N—40.58°N)为实验区,解析了3个不同轨道共12个片区PS目标,获取了研究区2006—2010年地表垂直形变速度场.分析表明:(1)研究区大范围处于下沉状态,形成以北京、廊坊、天津、沧州、泊头—德州等城市为中心向外扩展的地表沉降发展态势,几个沉降中心的平均沉降速率分别达到-34.7 mm/a、-26.3 mm/a、-64.2 mm/a、-34.6 mm/a和-37.7 mm/a;(2)地表沉降的空间分布特征表明,城市工业生产和生活抽取地下水是地表沉降的主要诱因,农业灌溉和油气开采是导致华北平原大范围地表沉降的另一个重要因素;(3)研究区最大沉降带沿北北东向展布,与区内断裂分布一致,表明沉降的空间分布受到断裂带控制;(4)利用地表同期一等水准测量成果检验了本研究结果,精度达到4.72 mm,表明本文提出的数据处理策略能够满足大时空尺度地表形变监测的需求.     

首都圈地壳垂直形变与未来强震活动

据首都圈地区精密水准复测资料,分析了近10年来地壳垂直形变状态与特征。结果表明,北京、天津和河北等平原地区,由于过量开采地下水导致了大空间、大量级的地面沉降,从而无法获得这些区域垂直向构造运动信息。在首都圈地区能够获得构造运动信息的区域主要位于该地区的东北端和西区,东北端为唐山—遵化—兴隆以东和以北的区域,西区指太行山以西的区域。东北端区域整体表现为下降,下降速率为2~ 4 mm/a,但“北升南降”的运动格局没有改变。西区为整体隆升,隆升速率最大近10 m m/a,运动的时空分布从具有“南快北慢”特征的总体上升逐步转变为“北升南降”的有升有降。2001年是西区上述运动性质发生变化的分界线,并由此导致了延怀盆地及其附近的区域出现了比较明显的四象限分布的形变图像。尽管从规模和量级上略小于大同地震前孕震体的变形,但两者的运动图像非常相似,所以该区域可能成为未来强震的孕震地区。     

Inverse modelling using PS‐InSAR data for improved land subsidence simulation in Las Vegas Valley,Nevada

Las Vegas Valley has had a long history of groundwater development and subsequent surface deformation. InSAR interferograms have revealed detailed and complex spatial patterns of subsidence in the Las Vegas Valley area that do not coincide with major pumping regions. This research represents the first effort to use high spatial and temporal resolution subsidence observations from InSAR and hydraulic head data to inversely calibrate transmissivities (T), elastic and inelastic skeletal storage coefficients (S_ke and S_kv) of the developed‐zone aquifer and conductance (CR) of the basin‐fill faults for the entire Las Vegas basin. The results indicate that the subsidence observations from InSAR are extremely beneficial for accurately quantifying hydraulic parameters, and the model calibration results are far more accurate than when using only groundwater levels as observations, and just a limited number of subsidence observations. The discrepancy between distributions of pumping and greatest levels of subsidence is found to be attributed to spatial variations in clay thickness. The Eglington fault separates thicker interbeds to the northwest from thinner interbeds to the southeast and the fault may act as a groundwater‐flow barrier and/or subsidence boundary, although the influence of the groundwater barrier to this area is found to be insignificant. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.