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.     

首都圈地区现今地壳运动的GPS观测与构造活动模拟

利用首都圈地区1992～2004年间280多个GPS点位复测资料,获得了该地区高精度的地壳形变速度场,相对欧亚板块的水平速度场由北向南由4 mm/a逐渐增加到9 mm/a;采用边界元(BEM)理论及位移不连续的多边形元素构建断层的三维模型,并利用均匀介质且各向同性的半无限线弹性空间模型反演计算了断层滑移量,模拟了GPS点位的位移场,在此基础上获得了主要活动断层和首都圈地区的地表、地表下15 km和25 km剖面的静态位移场、应力及应变场.结果表明,GPS点位的模拟位移场与观测值在南北向和东西向的误差分别为0.68 mm及0.77 mm,各个主要活动断层在1992～2004年间的构造活动较弱,随着深度的增加,剖面的应变逐渐增加.     

基于GNSS/InSAR/GIS的活动断层地震危险性评估系统

本文从GNSS、InSAR、重力、水准等多种大地测量资料联合确定活动断层地壳形变、应变和应力,以及与GIS相结合的角度出发,讨论了基于库仑破裂准则的活动断层地震危险性评估方法,系统阐述了活动断层地震危险性评估系统的设计。该系统主要利用各种大地测量数据联合确定活动断层区域的位移场,反演计算应变场、应力场、活动断层运动参数以及库仑应力;通过确定活动断层的临界应力值,建立地震危险性评估模型,评估可能发生地震的位置、最大震级、复发时间及其对应的概率;最后借助GIS实现断层区域的地质和构造环境、三维形变数据、应变场、应力场和地震危险性综合评价图的管理与可视化。本文最后讨论了所建系统的具体应用,讨论了汶川地震激发的同震静态库仑应力、应力扰动的持续时间和龙门山地区的地震活动率。     

多核函数法对GNSS大空间域共模误差的识别

根据GNSS时序资料3分量E,N和U误差的构成和地壳微形变分析的需求,提出了基于多核函数大空间域共模误差识别的实用方法。并以川滇地区GNSS连续观测资料为例进行了实际计算与应用,获得了如下看法或结果:1)基于多核函数可有效识别大空间尺度GNSS时序3分量中的共模误差;2)进一步明确了GNSS连续站水平向时序观测值中共模误差是其误差的主要组成部分;3)通过对共模误差白噪声的剔除性处理可以更有效地分辨微形变或弱动态变化信息。     

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     

基于块体模型的青藏高原及邻区地壳三维构造形变分析

2020珠峰高程测量,获得了丰富的青藏高原及邻区的GNSS监测数据。本文收集了陆态网、尼泊尔CORS网GNSS长期观测数据,计算了该地区20多年GNSS三维速度场,利用GRACE模型精化了垂直速度场,通过活动块体模型,从地壳运动、块体运动与应变、块体相对运动等多个方面研究了青藏高原地壳运动与构造形变特征。研究表明,青藏高原地壳形变具有明显的分区特征,南北向收缩主要表现在拉萨块体,东西向伸展主要表现在巴颜喀拉块体,中部羌塘块体没有明显水平挤压,但地壳隆升速率最大,且水平面积有扩大趋势,本文研究能够在一定程度上支持青藏高原地壳增厚学说。     

地壳形变分析中几个问题的讨论

在有关地壳形变分析的文献中,存在着一些值得商讨的问题。本文从理论上並通过实例回答了1)直接用观测值来估计变形参数还是用位移来估计;2)监测网的平差方法是否影响所估计的变形参数;3)现有的方法把位移场投影到断层线上来计算变形模型参数是否合理。     

小区域地壳变形监测与分析研究

介绍了小区域GPS地壳形变监测网建立、观测和数据处理方法,提出了一种平面直角坐标下位移—应变关系计算模型,得到监测区的位移场、应变场及断层活动方式,进一步得到主应变及方向、最大剪应变、面膨胀等应变参量及应力。     

强震时空统计分析及InSAR同震形变场空间分布特征

收集整理了全球1976年至2022年初的198个强震（Mw≥7.5）信息,统计分析了强震发生的时空分布、震源深度分布和强震发震类型占比,并结合公开发表的典型强震的合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）同震形变场图,分析了强震同震形变的空间分布特征。研究表明,强震空间分布呈条带状聚集,主要位于环太平洋地震带和喜马拉雅-地中海地震带,强震大多发生在各大板块交界处,与现代大地测量观测到的地壳强应变区域重合;强震时间分布存在活跃期和平静期交替出现的现象,1976―1992年为相对平静期,1992年至今为相对活跃期,强震发生频率有逐年增加趋势;在收集的全球198个强震中,发生在海洋中的强震占大多数,陆地强震仅有44个,且绝大多数强震属于逆冲断层地震,按震源深度统计,浅源强震最多且分布广泛,占比达81.3%;InSAR卫星对地观测新技术可以捕获强震的全域同震形变场,详细呈现强震同震形变的空间范围和分布特征,其中陆地强震同震形变波及的范围主要集中在发震断层两侧附近的条带状区域,离断层越远,形变衰减越快,而且形变关于断层呈不对称性。运用全球覆盖的InSAR和全球导航卫星系统地壳形变监测技术,拼接全球不同位置的活动断层形变信息片段,有可能揭示陆地强震的全周期孕震形变过程。     

利用小波域多尺度模糊MRF模型进行纹理分割

针对小波域多尺度马尔科夫随机场模型(Markov random field,MRF)对信息利用不充分的特点,在模型中引入模糊理论,提出了一种新的小波域多尺度MRF模型。新模型定义了相应的模糊概率场,通过模糊概率场描述每个小波域各尺度上像素的类别隶属度;根据模糊概率场估计了对应的特征场模型参数,参数的估计考虑了同尺度所有位置的特征信息;根据特征场模型导出了对应的示性场模型,用其反映每个像素的类别能量。利用贝叶斯准则给出了3步交互迭代算法,获得了分割结果。     

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。     

汶川地震孕育过程中变形场变化特征研究

揭示与地震孕育过程相关的变形场特征是判别地震孕育阶段及地震危险性的一个重要途径。收集汶川Ms 8.0地震震中区汶川台自2002年10月至汶川地震前的地倾斜观测数据,利用小波分析方法和分段拟合方法,提取了震前地倾斜变化的阶段性特征;利用2001年以来全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）站坐标日解数据,计算了震中附近的泸州GNSS站与周围GNSS站间基线,通过基线变化与区域地震的Benioff蠕变结果的对比,发现了二者的协同性特征。分析结果表明,2004年底汶川台地倾斜速率出现显著下降,西向倾斜速率由230 ms/a减少到130 ms/a;2007年初至发震前减少到60 ms/a;2007年底至发震前未出现指数型加速变化。广州-泸州GNSS基线在2005年初开始的加速缩短异常与Benioff蠕变亏损异常具有较高的相关性,相关系数为0.89;该基线加速缩短持续时间约2.5 a,对应地震的震级估计为7.9级,与汶川地震震级相当,反映了其与汶川地震的应变积累具有一定的相关性。2004年苏门答腊Ms 8.9地震的发生对川滇地区应力应变场影响较为显著,对汶川地震的孕育发生起到了加速作用。研究结果对于认识地壳形变观测的意义及创新地震预测思路具有参考价值。     

利用GNSS基线分析芦山Ms7.0级地震前后应变演变特征

利用中国地壳运动观测网络6个GNSS基准站2011~2014年的观测数据,解算了芦山Ms7.0级地震近场区域的GNSS基线长度变化时间序列。从投影后的平面基线出发,给出了由基线长度变化求解面应变的方法。利用基线线应变、基线所得的最大剪应变、最大面应变和第一、第二剪应变等5个物理量分析了地震前后地壳运动的动态演变过程。线应变序列结果显示,整体地壳形变表现为NW-SE向挤压,S-N向拉张状态,震前线应变异常并不明显,震后经过调整又恢复为原线性变化趋势,总的线应变仍在持续积累。面应变序列结果显示,震前出现了不同程度的非正常偏离,尤其出现了明显的闭锁状态和反向加速过程,整个变化曲线类似抛物线的弧形,与岩石力学形变理论相吻合。由第一剪应变的显著异常变化,推断发震断层南缘在这次地震活动中产生了强大的左旋剪切构造力。     

基于球面最小二乘配置的福建省地壳水平形变研究

利用GPS实测数据解算区域地壳应变率分布是现今地壳水平形变研究的一个重要手段。本文研究采用基于球坐标的最小二乘配置应变率计算公式,结合GPS实测速度场解算福建省东南沿海及其邻近区域应变率场。结果显示,福建东南沿海地壳形变主要受到来自印度板块与菲律宾板块对欧亚大陆的共同作用。区内主压应变率趋势强于主张应变率趋势。以九龙江断裂为界,以北地区地壳形变特征较为一致,断裂以南地区,自北东向西南,区域地壳形变逐渐变化,呈现离散化、多样化的特征。     

欧亚大陆东南缘弧-陆碰撞带现今地壳水平变形特征研究

在收集中国福建省、台湾省及菲律宾吕宋岛现有GPS观测成果的基础上,统一归算了欧亚大陆东南缘弧-陆碰撞带现今地壳水平运动速度场。针对该区域超过1 000 km的超长跨度,建立了基于椭球坐标的最小二乘配置模型,计算了弧-陆碰撞带GPS应变分布。结果显示,研究区域地壳变形在中国台湾岛最强,菲律宾吕宋次之,中国福建省最弱。菲律宾海板块在中国台湾岛东侧与欧亚大陆被动型大陆边缘的陆缘构造楔强烈碰撞,在台湾岛内通过中央山脉的隆起、逆冲推覆以及西南部地壳的构造逃逸等形式被剧烈消耗。中国台湾地壳变形特征与中国台湾东侧菲律宾海板块的构造形态变化密切相关,而菲律宾吕宋的地壳形变则以菲律宾大断裂及其分支构造的相对滑动为主。     

GNSS自动化监测系统的大坝变形预测方法研究

以GNSS自动化监测系统的大坝变形预测方法为主要研究目的,针对大坝GNSS自动化监测数据大样本、高采样率、连续等特点,提出了一种结合小波分析与BP、NAR神经网络预测大坝变形的新方法。利用多尺度小波分析对GNSS大坝变形数据序列进行分解与重构,对重构后的低频近似序列采用BP神经网络进行建模预测,对重构后的高频细节序列采取NAR动态神经网络进行建模预测,最后叠加各尺度下预测结果获得大坝变形预测值。应用结果表明,该方法预测精度高、泛化性能好,可广泛应用于采用GNSS自动化监测系统的大坝变形预测。     

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。     

球坐标下数值流形方法有限单元覆盖的单元矩阵表达式

为将数值流形方法从平面扩展到球面,推导了球面上数值流形方法的有限单元覆盖的应变矩阵及刚度矩阵、初应力矩阵、点荷载矩阵、体荷载矩阵、惯性力矩阵和固定点矩阵的具体公式。     

球面坐标系非连续变形分析折数学模型

从球面坐标系的弹性力学基础方程出发，推导出球面上块体的位移与6个位移不变量之间的数学关系，进一步建立了联立方程式的球面坐标形式，为大范围现代地壳运动的非连续形变形下了数学基础。