鹤岗煤矿区地面沉降时空特征InSAR时间序列监测研究

随着煤矿资源的开采,鹤岗地区地面沉降现象逐渐加剧。以鹤岗煤矿区作为研究对象,收集2019年8月31日—2021年8月20日的59景Sentinel-1B SAR影像,采用SBAS时间序列InSAR技术提取煤矿开采引起的地面沉降。对鹤岗煤矿区地面沉降在空间上的演化过程进行分析,重点研究了鹤岗南部富力煤矿、兴安煤矿和峻德煤矿地表形变的时空演化特征,结果表明:鹤岗煤矿区的地面沉降呈现出不均匀、漏斗式的运动特征,提取的19个沉降漏斗全部对应鹤岗煤田开采区,最大形变位于新陆煤矿开采区,形变速率约370mm/a。在研究期内,自相对于第一景影像的沉降漏斗形成后,后续矿井开采沉降漏斗的空间形态基本保持不变。鹤岗南部富力煤矿和兴安煤矿4号形变点所在工作面的地表形变仍然处于快速下沉状态,有必要持续跟踪。     

利用GRACE卫星重力资料解算气候驱动的地表周年垂直形变

卫星重力和GPS测量技术可以监测地表流体(大气、海洋和陆地水)质量季节性迁移引起的地表周年形变;与陆地水等地表流体模型综合模拟的地表形变相比,卫星重力的形变监测结果避免了模型的精度不确定性带来的误差.本文利用前60阶GRACE卫星时变重力资料和“去相关”、组合滤波两类滤波方法分别解算了中国及邻区的地表季节性垂直形变,并与区内42个GPS台站上观测到的季节性信号进行了比较,发现采用“去相关”滤波方法处理后的结果优于采用组合滤波处理后的结果.文中采用“去相关”滤波方法,GRACE解算的周年垂直形变的振幅、相位和GPS结果总体上一致;少数站上GRACE和GPS得到的振幅或相位相差较大,主要因素可能与GPS解算策略、GPS观测资料的连续性或局部大气、水文过程等地球物理因素有关.在中国及邻区的陆地上GRACE解算的周年垂直形变的振幅最小值出现在TASH台站东南,约1×10^-3 m;最大值出现在恒河-澜沧江流域,可达10×10^-3 m.文中的结果证实了在中国及邻区可以用GRACE卫星重力这种新手段监测大尺度的地表周年垂直形变.     

中国大陆典型沉降区垂直形变图数据集

2015—2019年,由中国地震局第一监测中心牵头,自然资源部大地测量数据处理中心和武汉大学等单位共同完成科技部科技基础性工作重点专项,系统拯救、整编共享20世纪50年代以来全国垂直形变测量数据,编制不同时空尺度的地壳垂直形变图,为强震中长期预测、地壳动力学研究、地形变灾害研究与防控及相关的国民经济建设服务。本数据集内容为中国大陆典型沉降区垂直形变图,展示特定沉降区的地表垂直形变分布,为制定地面沉降防控措施提供依据。本文对数据集的数据采集和处理情况、数据要素项和时空范围、数据输出质量和准确度,以及数据的应用前景进行了介绍。     

西安市地热水开采与地面沉降、地裂缝关系的分析

西安市地面沉降和地裂缝在空间分布上有明显的一致性 ,它们的发展过程和强度变化在时间上也有明显的同步性。诱发地面沉降的主因是过量开采承压水导致承压水位下降 ,含水层介质的孔隙压力减小 ,黏性土层释水压密导致地面永久性的沉降 ,而且浅层的释水压密量大于深层 ;不均匀的地面沉降又诱发了地裂缝。无论是地热井水位或热水开采量的变化 ,还是分层沉降量的观测资料都表明 ,目前西安市深层热水开采还没有加剧西安市的地面沉降和地裂缝活动。控制并减少承压水的开采量 ,是减弱西安市地面沉降和地裂缝活动的最有效的方法     

北京平原区地面沉降水准监测网参考基准稳定性研究

地面沉降水准测量参考基准的合理选取对获取真实地表形变场信息至关重要.文中在充分收集、整理北京平原区7座深层基岩标历年水准测量资料基础上,系统分析了基岩标历年水准形变特征;探讨了水准测量累计误差对基岩标微小形变的影响;采用秩亏自由网平差算法联合平均间隙法和单点检验法,对7座深层基岩标稳定性进行定量评价,查找每期观测中位移变化显著点和相对稳定点,构建变形函数模型.研究表明:(1)7座深层基岩标所呈现出的微小形变量,受到多种复杂因素综合影响,基岩标形变量是其自身形变与测量误差耦合作用的结果,特别是长距离水准测量所产生的累计误差效应对其结果影响较大.(2)基岩标稳定性评价中,王四营站基岩标J_1、望京J_2、天竺J_3、平各庄J_5和张家湾J_6这5座基岩标均呈相对稳定状态,可以作为区域地面沉降水准测量稳定参考基准点.(3)将评定的5座稳定基岩标纳入水准网中,联合玉渊潭水准原点,构建北京平原区地面沉降附合水准监测网,其平差结果与站内分层标之间Pearson相关系数均高于自由水准网,说明利用具有多个稳定起算基准的附合水准网代替以往自由水准网,可以有效降低自由网中沉降量不正常跳跃现象,使测量成果更符合地面沉降客观形变规律,提升监测精度.     

基于PS-InSAR的蓟运河断裂震间形变监测研究

采用2014年10月22日至2019年4月11日之间的26景Sentinel-1升轨数据,基于PS-InSAR技术对蓟运河断裂这一隐伏断裂进行形变监测试验。结果表明：(1)研究区受地面沉降干扰强烈地区在南部宁河一带,向北地面沉降逐步减弱,在蓟运河断裂北段以北一带基本无地面沉降现象。(2)研究区北部的视向线形变速率在蓟运河断裂北段一带在0 mm·a^-1左右,向北随远离断裂形变速率增大,表明研究区北部受近东西向燕山隆起控制,有向南掀斜运动的趋势。(3)蓟运河断裂北段活动方式为黏滑,其两盘的视线向相对形变速率差约为1.83 mm·a^-1,蓟运河断裂南段两盘形变速率差小于2.96 mm·a,与2005—2012年的水准测量结果相近,表明蓟运河断裂2005年以来活动速率较为稳定。(4)在受到地面沉降影响下,隐伏断裂的InSAR形变场包含更多的非构造信息,无法获取断裂的具体形变速率。但断裂活动会导致断裂两盘含水层厚度不同,地下水超采造成的地面沉降幅度也不同,相应的其InSAR形变场在断裂两盘出现突变,对隐伏断裂的位置判定有一定意义。     

地下水超采区承压井水位变化机理探讨

通过研究河北平原区地下水超采区第四系第三承压含水层水位的变化机理,依据上覆地层的荷载效应、非稳定流抽水中弱透水层的释水和越流过程,阐明地下水超采区内地下水位大幅下降的内在规律,为科学合理地提取地震前兆信息提供科学依据。     

GPS与PS-InSAR联网监测的台湾屏东地区三维地表形变场

联合高精度的GPS水平位移观测和高密度的PS-InSAR雷达视线位移测量,实现地表三维形变的精确反演.本文在准确计算卫星轨道方位角基础上,使用GPS观测位移与星载雷达LOS方向形变的投影转换模型,将雷达LOS方向形变转换为垂直方向位移,并基于地面GPS与SAR影像PS目标联合构建形变监测网,采用参数平差算法估计区域地表形变场.以地质构造活动极其活跃的台湾岛及其西南屏东高雄地区为例,联合屏东地区48个GPS监测台站与雷达PS目标,监测该地区从1995-1999年间由于板块构造挤压运动和地下水抽取导致的三维地表形变.结果表明,该地区年均水平位移量为向西30~50 mm/a,高雄沿海地区发生明显的逆时针西偏南的逐渐增大的水平位移;垂直位移为屏东平原南部呈现-10 mm/a~-15 mm/a的地面沉降,而平原北部和高雄地区呈现约+5 mm/a~+10 mm/a的地面抬升.     

京津高铁北京段地面沉降监测及结果分析

京津高铁是我国第一条高速运行的城际铁路,其安全运行对轨道变形有着严格的要求.京津高铁北京段经过平原区的沉降区域.地面沉降,尤其是不均匀地面沉降已经引起了部分地段路基和桥梁变形,威胁着高铁的运营安全.因此,需要高精度监测铁路路基和桥梁沉降,分析其原因,进而才能提出缓解沉降灾害的合理措施,保证京津高铁安全运行.本文采用时序干涉测量技术、水准测量技术和分层标监测、地下水分层监测手段相结合,对京津高铁北京段地面沉降进行监测,并利用监测结果分析其差异性沉降成因.结果表明:沿线区域地面沉降发展一定程度上受到来广营凸起、南苑—通县断裂和大兴隆起构造控制;地下水超采是区域地面沉降的主要驱动因素,同时第四系沉积环境、地层岩性和补给条件等共同作用,使得地面沉降发展在空间上存在一定差异性,可以分为微小沉降区(DK0-DK9段)、严重沉降区(DK9-DK27段)和一般沉降区(DK27-DK50);沿线区域地面沉降主要贡献层为中深部地层(50~147.5m),该层黏性土厚度较大,且主要呈现弹塑性形变,占总沉降量的76%左右,是未来地面沉降调控的主要层位.     

遗传有限元法反演西安地区的地层密度变化

结合1992—1994年的重力变化资料和1988—1991年的水准资料,运用遗传有限元方法计算西安地区的重力变化和对应的地层密度变化,然后计算重力变化梯度场进一步分析西安地区重力变化的原因。结果表明,过量抽取承压地下水引起承压水位下降、黏土层释水压密和两者共同作用导致的地面沉降是西安地区的重力变化的主要原因。大部分地区承压含水层系统中黏土层的压密产生正的剩余地层密度,而在如小寨、铁炉庙区的局部区域,抽取潜水导致潜水位下降、水体流失是产生负的地层密度变化的主要原因,但不排除其与地裂缝活动相关的可能性     

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.     

区域网GPS观测得到的汶川大地震前后的地壳垂直运动

中国地壳运动观测网络1000个观测站的GPS非连续观测区域网分别在1999年、 2001年、 2004年、 2007年和2009年作了5次观测。 2008年5月12日汶川8.0 级地震震中(31.0°N, 103.4°E)恰好在区域网GPS观测站密集的地区。 区域网长期、 多期GPS观测可降低年周期变化影响, 有利于获取此次地震前后的垂直位移趋势变化。 简要讨论了GPS垂直位移观测的精度。 分析了垂直位移观测的主要干扰地面沉降, 特别是华北地区因大量抽取地下水产生的严重地面沉降。 为获取汶川地震前垂直运动信息, 首先剔除因大量抽取地下水产生的大幅度沉降干扰结果, 通过趋势面分析中国大陆垂直位移空间分布, 显示了3个垂直位移沉降最显著区域。 对比分析表明, 临近汶川震区的沉降区, 未见大量抽取地下水干扰影响。 汶川地震前1999—2007年区域网GPS观测站得到的垂直位移表明, 汶川地震紧临显著沉降区的西北侧, 龙门山断层北段垂直运动闭锁。 该沉降区与另两个沉降区的时空变化明显不同, 也与区域网水平应变异常区的空间分布不同, 但该沉降区与区域网水平应变异常区同时出现。 大幅度同震垂直位移集中在龙门山断层北段震前垂直位移闭锁区。 这些事实表明, 汶川地震前GPS观测到的紧临震中的沉降区及垂直运动闭锁区与汶川地震的发生存在密切关系。     

呼图壁地下储气库部分区域地表垂直形变机理研究

利用在呼图壁地下储气库开展的2013~2015年7期二等水准测量获得的高差数据,对由于地表气井压力变化影响而发生的地下储气库地表垂直变形进行了分析。研究表明,呼图壁地下储气库区的地表变形除了构造成因引起的盆地下沉以外,其他主要形变成因来源有2个方面：一个是呼图壁地区的地下水超采影响着该地区的地表垂直变化;另一个是储气库集采气期间井口压力变化影响下的地表沉降,根据计算,储气库每MPa气井压力变化影响到的地表变化约为0.625~1.125mm。     

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.     

武汉九峰地震台超导重力仪观测分析研究

连续重力观测和GPS的技术结合能够监测到物质迁移和地壳垂直形变之间的量化关系.和相对重力测量以及绝对重力测量技术相比,其避免了时间分辨率和观测精度低,无法精细描述观测周期内的物质迁移过程问题.本文利用武汉九峰地震台超导重力仪SGC053超过13000 h连续重力观测数据;同址观测的绝对重力仪观测结果;气压数据;周边GPS观测结果;GRACE卫星的时变重力场;全球水储量模型等资料,采用同址观测技术、调和分析法、相关分析方法在扣除九峰地震台潮汐、气压、极移和仪器漂移的基础上,利用重力残差时间序列和GPS垂直位移研究物质迁移和地壳垂直形变之间的量化关系.结果表明:在改正连续重力观测数据的潮汐、气压、极移的影响后,不仅准确观测到2009年的夏秋两季由于水负荷引起的约(6~8)×10^-8m·s^-2短期的重力变化.而且在扣除2.18×10^-8(m·s^-2)/a仪器漂移和水负荷的影响后,验证了本地区长短趋势垂直形变和重力变化之间具有一致的负相关性规律.同时长趋势表明该地区地壳处于下沉,重力处于增大过程,增加速率约为1.79×10^-8(m·s^-2)/a.武汉地区重力梯度关系约为-354×10^-8(m·s^-2)/m.     

基于GPS观测研究2010年青海玉树MS7.1地震震后地壳形变特征及其机制

2010年4月14日青海玉树M_S7.1地震发生在青藏高原东南部甘孜-玉树地震带,在震后7~10天内,我们快速建立了由15个GPS测站组成的跨地震破裂带观测剖面,包括1个连续站,3个半连续站和11个流动站,对所有站进行了240多天的观测,获取了该次地震的震后形变时空特征.采用欧拉矢量和位错模型解算了背景速度场,并从GPS观测的形变场中扣除该分量.采用分层黏弹性位错模型计算余震引起的地表形变,结果表明余震对部分测站的位移造成不可忽视的影响.采用对数模型拟合位移时间序列,表明特征衰减时间为6.7±1.2天.利用最速下降法反演震后余滑时空分布,反演结果表明震后断层活动以左旋滑动为主,断层南盘具有少量的抬升.在空间分布上,余滑主要位于同震破裂区的两侧,西北侧的余滑几乎达到地表,而东南区的余滑基本在同震破裂区的下方,余滑最大的区域位于结古镇东南下方10~20 km的深度范围.随着震后离逝时间的增加,2个余滑区在空间上保持不变,余滑区的面积逐渐扩大.余滑的矩释放为（1.5~5.1）×10¹⁸Nm,相当于1个M_W6.1~6.4地震释放的能量.分层岩石圈黏弹性模型计算的地壳孔隙弹性反弹形变与地表观测值相差较大,不能解释观测到的震后变形.采用麦克斯维尔流变体模型计算下地壳和上地幔松弛引起的地表形变,显示出其对地表形变的贡献较小.GPS观测得到的震后形变所具有的快速衰减特征,以及余滑模型能够较好地拟合GPS地表形变,表明2010年玉树M_S7.1地震后早期阶段的地壳形变主要是由余滑机制决定的.     

天山北部强震活动对区域应力扰动的分析以2012年伊犁M6.6地震和2017年精河M6.6地震为例

天山地区为典型地震活跃区, 为定量分析该构造活跃区强震对周边构造变形和地震活动的影响, 本文基于地震位错理论和岩石圈分层模型计算了天山北部近期发生的2012年伊犁和2017年精河两次M6.6地震对周围地壳形变和应力的影响。 计算结果显示伊犁地震和精河M6.6地震引起震中附近地表同震位移达数厘米, 地表同震应变量级约为10^-7; 对比天山北部地区年平均构造形变特征, M6.6强震释放了震中附近近十年的构造主压应变积累; 地震引起震中附近(80 km内)同震库仑应力变化大于1 kPa, 而距震中较远区域活动断层上库仑应力变化微弱。 结合天山北部现今地壳变形特征及区域地震分布, 初步推测两次M6.6地震的发生对震后余震有显著的触发作用, 而对区域后续微震活动的影响微弱。     

利用PS-InSAR技术监测山西北部地表形变场

选用10景RADARSAT-2降轨宽幅雷达干涉数据,利用相干点目标PS-InSAR技术进行时间序列处理,获取了山西断裂带北部特定区域内2011—2014年地表形变场。结果表明:(1)断裂带中段的定襄县平原区域有较好的相干性,沿卫星视线向(LOS)的年形变速率最小值为-5±2 mm/a,最大值为-14±2 mm/a,显示断裂带附近以拉张正断层活动为主兼具逆时针差异运动特征;(2)地表形变特征的空间分布表明城市工业生产和生活抽取地下水是地表形变的主要诱因,最大沉降区域沿NNE向展布与研究区内断裂一致表明形变趋势受断裂带的影响明显;(3)利用已有的GPS复测资料对识别的PS点目标进行可靠性验证,结果表明两者的观测结果能够很好的吻合,证明该方法在监测面状区域形变场运动趋势的有效性。     

利用GPS数据分析四川“Y”型构造区地壳运动状态

四川地区地质构造复杂,地壳活动剧烈,为了深入揭示该区“Y”型构造区地壳1999年以来近20年的动态演化规律,基于1999—2017年7期GPS数据,解算各周期网格速度场、应变率场,研究地壳应变场演化过程。结果表明：①2008年以前的3期GPS速度场相对稳定,汶川地震后,速度场变化最大的龙门山断裂带由4.0—5.0 mm/a增至8.0—10.0 mm/a;②汶川震后,“Y”型构造区最大剪应变高值区出现在汶川以东,由2.0×10^-8/a增到22.0×10^-8/a;龙门山断裂带以SE或SEE向主压应变为主,变化速率约5.0×10^-8/a—12.0×10^-8/a,鲜水河断裂由震前NS向主拉应变转为震后EW向主压应变,安宁河断裂东侧由震前SE向主压应变6.0×10^-8/a减至震后的2.0×10^-8/a;面膨胀结果显示,由震前低密度梯度带瞬间变为平行于龙门山断裂带走向的高密度变化区,且存在以金川至都江堰、北川至青川为条带的2个正负交替过渡区;③汶川地震发生压应力释放后,该区SEE向压性特征又逐渐增强,且持续至2017年,释放了龙门山断裂带地壳内部SEE向压应力多年累积能量,但汶川地震对鲜水河断裂与安宁河断裂的整体运动状态则无明显触发作用。     

高级时序InSAR地面形变监测及地震同震震后形变反演

差分干涉测量技术(differential interferometry technique,D-InSAR)是在InSAR技术基础上发展起来的,主要应用于测量地表微小形变。该技术在监测地震形变、火山活动、冰川运动、城市地面沉降以及山体滑坡等领域得到广泛应用,但实际研究中存在很多局限性,例如轨道参数误差、地形数据误差、大气延迟误差、时空去相关引起的相位解缠误差以及系统噪音误差等。这些因素成为InSAR高精度形变探测应用的主要限制。InSAR时序分析方法是目前解决常规D-InSAR处理过程中各种精度制约因素的主要方法之一。本文以InSAR时序分析中几个关键技术问题为研究目标,开展InSAR时序关键技术研究。本文取得的创新点如下:(1)在传统相干点提取方法的基础上,提出了一种新的提取方法:满秩相干点。该方法将干涉冗余网络图中节点和边结合起来构建满秩矩阵,并依此作为相干点提取指标。实验结果表明,满秩相干点提取法不仅能有效提高相干点的空间分布密度,而且能保留相干点的最优测量精度。(2)将大气延迟相位分成3种分量,即长波长大气相位、短波长大气相位以及地形相关的大气相位。在此基础上,利用网络法分别对3种类型大气延迟相位进行校正。网络法可以估算出每个时刻的大气延迟误差,再重构每一幅干涉图的大气延迟误差。实验结果分析表明,采用网络法能精确模拟出每个时刻大气延迟误差和每幅干涉图中的大气延迟相位。(3)离散点相位解缠误差是时序分析过程中主要误差源之一,直接影响后续时序分析结果的精度。本文提出一种利用网络闭合环残差方法,对离散相干点相位解缠误差进行检测和校正。该方法可以有效识别出离散相干点解缠相位中相位跳变;同时,本文也介绍了离散相干点解缠相位跳变校正的方法。(4)基于相干矩阵满秩条件,提出一种新的InSAR时序反演策略。利用干涉冗余网络图中各条边和节点之间的关系,采用最小二乘方法解算各个时刻点的形变特征,以有效解决传统InSAR时序反演过程中的秩亏问题。通过Bam地震震后时序形变场提取,在羊八井电站地热开采地下水引起地面沉降监测以及北京市地面沉降监测等几种典型应用中,验证了该方法的有效性和精确性。在关键技术突破的基础上,本文利用提出的新方法,获取了2008年10月6日西藏当雄MW6.3地震同震形变和震后地表形变时序,研究发震断层参数和震后运动过程的动力学机制。利用同震形变反演得到断层几何参数及滑动分布模型为先验知识,以InSAR时序方法获得震后形变时序资料为约束,分别利用震后余滑模型和震后黏弹性松弛模型,研究当雄地震震后断层的运动过程,同时对青藏高原南部中低地壳或者上地幔的黏性系数进行估计,并给出了最优拟合解。