GNSS地壳异常形变信息探测理论与方法研究

地震、火山喷发等构造运动前后常伴随地壳的非线性运动,其状态异于板块和断层的长期运动趋势.其中,断层慢滑移等瞬态蠕滑事件虽然滑动速度慢,但能够释放巨大能量,对周边岩石的应力分布具有较强的调整作用.因此,慢滑移等地壳异常形变信息的探测和分析对探索断层滑动机制,评估区域地震危险性意义重大.自20世纪90年代以来,随着观测资料日渐丰富,GNSS以其高精度、高时空分辨率的特点在地壳形变监测、地球动力学研究等领域凸显了强大的优势.本文基于GNSS坐标时间序列,从噪声特征分析、小尺度时空滤波方法对比、共模误差提取、地壳异常信息探测和地壳形变特征分析等方面系统地研究了地壳异常形变信息的探测理论与方法.     

芦山地震前后川滇地区地壳水平形变特征研究

为获取芦山地震前后川滇地区地壳的形变特征,利用陆态网2009—2013年和2014—2016年两期全球卫星导航系统(GNSS)水平速度场资料分别计算并对比分析了地震发生前后主应变率场、最大剪应变率场、面膨胀率场及基线长度的变化情况。结果显示芦山地震之前龙门山断裂带主要以压缩应变为主,面压缩应变和最大剪应变均处于高值区,震后能量部分释放,压缩形变程度减弱,但其西南方向的安宁河断裂带和鲜水河断裂带南段出现明显的压缩应变高值区,同时南汀河断裂带附近也呈现较明显的压缩应变。岷江断裂带附近区域的压缩应变虽然减弱,但仍然没有改变它的应变状态,这可能促使了2017年九寨沟Ms7.0地震的发生。     

GNSS网形变化的区域地壳形变信息提取方法

针对GNSS三维无约束平差不依赖基准且拥有高精度几何网形的特点,以GNSS监测网作为一个整体的时空观测单元,由GNSS网测站间相互关联的所有基线长度和基线夹角变化综合衡量网形的变化,用网形的变化集中反映区域地壳形变信息。利用地壳形变高空间相关性的特点,采用主成分时空响应分析的方法实现了区域地壳形变信息的快速提取。通过对2013年芦山Ms7.0地震近场区域陆态网GPS基准站2010—2014年观测数据的解算,提取并分析了对应地震前后近场区域地壳形变时空分布特征及形变的动态演变过程。     

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     

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。     

InSAR同震地表三维形变反演：一种顾及形变梯度的联合解算方法

同震地表三维形变场是对地震引起的地表形变在真实空间中最直观的描述,在地震形变研究中,同震地表三维形变场的恢复具有重要意义。针对目前地表三维形变解算方法存在的不足和缺陷,提出了一种顾及形变梯度的同震地表三维形变场联合解算方法。该方法利用形变梯度信息将合成孔径雷达干涉（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）观测的形变区域分解成形变梯度近似相等的互不相交的子区域,然后根据子区域内观测值数量选择加权最小二乘法（weighted least square,WLS）或基于应力-应变模型（stress-strain model,SM）和方差分量估计（variance components estimation,VCE）的InSAR三维形变解算方法（SM-VCE）获取同震地表三维形变场。模拟实验和实际震例研究结果表明,相比于传统的WLS和SM-VCE方法,通过形变梯度信息能有效恢复地震破裂带的地表三维形变,得到更加完整和可靠的同震地表三维形变场。     

基于多源SAR数据的2022年门源Ms 6.9地震同震破裂模型反演研究

2022年1月8日青海省海北州门源县发生Ms 6.9地震,震中位于青藏高原东北缘祁连-海原断裂中段,属历史地震空区,基于多源合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）遥感数据研究该地震的破裂模式对理解青藏高原东北缘构造变形机制、应变释放过程以及地震危险性评估具有重要意义。首先利用Sentinel-1数据和合成孔径雷达差分干涉测量（differential interferometry synthetic aperture radar,D-InSAR）技术获取了门源地震的同震形变场,视线（line of sight,LOS）向形变场显示此次地震造成了约20 km长的地表破裂,最大形变约0.75 m;然后基于Sentinel-2卫星数据,利用光学影像配准和相关技术获取了本次地震的东西向同震形变场,最大同震位移达2.5 m;最后基于均匀弹性半无限位错模型,以LOS向形变场为约束反演了断层的滑动分布模型。结果显示,门源地震是一次典型的左旋走滑型地震,地震破裂主要集中在0~10 km深度范围,最大滑动量3.25 m,滑动角10.44°,对应深度4.89 km;反演给出的矩震量为1.07×1019 N·m,对应矩震级Mw 6.6。结合野外考察和地质资料,初步判定发震断裂为冷龙岭断裂,并引起托莱山断裂发生同震滑动。同震库仑应力结果显示,冷龙岭断裂东段和托莱山断裂西段应力状态为加载,未来具有发生强震的风险。     

利用断层自动剖分技术的2008年青海大柴旦Mw6．3级地震InSAR反演研究

2008-11-10青海大柴旦地区发生了Mw6．3级地震,其发震断层位于青藏高原东北缘的大柴旦一宗务隆山断裂带。利用欧空局Envisat／ASAR卫星雷达影像数据,采用二通差分干涉技术获得了地震的同震地表形变场,基于1D协方差函数估计InSAR同震形变场的中误差为0．52cm,方差一协方差衰减距离为5．9km。在此基础上,采用弹性半空间矩形位错模型进行断层几何参数反演,并利用断层自动剖分技术确定了地震的最佳同震滑动分布模型。结果表明,该地震的震源机制解为走向107．19°,倾角56．57°,以逆冲为主兼具少量右旋走滑分量;滑动分布主要发生在10-20km深度范围内,最大滑动量为0．51m,释放的能量为4．3×10^18Nm。     

2013年芦山Ms 7.0级地震断层参数模型反演

2013年4月20日四川芦山地区发生了Ms 7.0级地震。利用GPS三维同震形变数据获取地表形变场,基于位错模型反演芦山地震的断层几何参数及滑动分布。首先采用多峰值颗粒群算法（multiple peak particle swarm optimization,MPSO）得到断层几何参数,其中断层走向206.47°,倾角44.11°,长度21.94 km,离地表最浅处为7.66 km,最深处为17.84 km。为了反演断层面的精细滑动分布,分析地震所在的龙门山断裂西南段破裂面具有的铲状型特征,将芦山地震破裂面确立为铲状模型,即将断层的倾角预设为上陡下缓,倾角变化范围为21°~50°。结果显示,断层破裂面在不同深度区域出现了两个滑动峰值,其中最大滑动量为0.68 m,深度位于13 km。地震释放的能量为1.47×1019 N·m,对应的矩震级为Mw 6.74,与地震学的研究结果一致。     

基于升降轨ASAR的于田Ms 7.3级地震同震形变场信息提取与分析

升降轨干涉测量可以更好地反映地震同震形变场特征。利用欧空局ASAR数据通过二轨法差分干涉测量提取了新疆于田县Ms 7.3级地震升降轨同震形变场信息。结果显示:升轨同震形变场最大视线向(LOS)隆升形变量约+13.3 cm,沉降形变量约-83.9 cm;降轨同震形变场最大LOS向隆升形变量约+36.5 cm,沉降形变量约-66.5 cm。于田地震以NNE向正断层破裂为主,并伴随左旋走滑运动,西北盘为正断层破裂的上盘(沉降盘),东南盘为正断层破裂的下盘(隆升盘)。升降轨同震形变场存在一定差异,但其变化趋势与特征非常相似,其差异主要是由于两种不同观测模式所造成的。