基于InSAR的地表同震形变获取及震源参数反演研究

摘要

在各种自然灾害中,地震的破坏力最强。通过长期以来的地震研究发现,地震的发生通常是由于地壳运动使地壳应力不断积累,从而引起断层的错动,造成地表不同程度的破坏和形变。利用大地测量技术观测到的形变来研究断层的错动情况,作为模拟地震和预测地震的依据,对于减少地震灾害的影响具有非常重要的现实意义。合成孔径雷达干涉测量(InSAR)是近三十年来发展起来的一种对地观测新技术,它能够获得地震引起的大范围地表形变,非常适合于地震形变的监测,利用获取的InSAR同震形变数据,可以反演发震断层的滑动情况。本文首先对InSAR形变测量的原理进行了介绍,并分析了其主要误差源,然后利用InSAR技术获取了地震同震形变场,并基于同震形变场进行了断层参数反演的研究,主要的研究内容和创新如下:
　　1)通过两次求解,利用多平台升、降轨InSAR数据获取了拉奎拉地震地表的三维同震形变场。获取各数据InSAR视线方向的形变场后,根据雷达成像几何关系,分考虑和不考虑南北方向形变贡献进行求解:考虑南北方向形变的贡献,求得初始三维形变;忽略南北方向形变的贡献,再次求解东西方向和竖直方向形变,将初始的南北方向形变与第二次求解的东西方向和竖直方向形变作为最后的三维形变结果,并与地表的GPS结果进行比较,三个方向的均方根差以竖直方向的最小为1.5cm,竖直方向为2.7cm,最大的是南北方向为96.4cm,结果表明,得到的拉奎拉地震三维同震形变较可靠,且东西和竖直方向的形变具有较高的精度。
　　2)对地震形变模拟时地壳介质分层的影响,进行了系统定量的分析,结果发现,地壳介质分层的影响对走滑、斜向断层的水平位移影响较大,对倾向断层的竖直形变影响较大。研究中,参考经验公式,确定出不同震级、不同断层结构所对应的断层参数,然后分别基于均匀模型和分层模型,对地表三维形变及ASAR升轨视线向形变进行了模拟,并比较了两种模型下形变模拟的差别,考虑该差别的大小,如果能被GPS和InSAR技术检测到,在进行同震形变模拟和断层参数反演时,则需要考虑介质分层的影响。
　　3)利用PALSAR数据获取的玉树地震同震形变场,对发震断层进行了滑动分布反演,反演结果显示,断层滑动以左旋走滑为主。首先利用最小二乘多项式拟合的方法去除了PALSAR形变干涉图中的轨道残余相位的影响,获得了玉树地震雷达视线方向的同震形变场,通过同震形变场的分布特征以及实地的地质调查结果,初步确定了玉树地震发震断层的几何参数,据此,将断层分成五段,基于弹性半空间均匀介质模型,利用最小二乘方法对断层的非均匀滑动分布进行了反演,由反演的结果可知,断层的最大滑动量为2.084m,出现在隆宝滩地表以下14km处,该次地震产生的地震矩为3.4×1019Nm,矩震级为。Mw7.0。利用蒙特卡洛方法对反演的结果进行了不确定性分析,并将断层错动在地表的偏移量与实地调查结果做了比较,结果表明,反演结果可靠。
　　4)将GPS形变、ASAR升降轨InSAR形变和PALSAL升轨InSAR形变数据作为反演拟合值,分两步对拉奎拉地震断层的同震滑动分布进行了反演研究,结果表明,该断层为具有少量右旋走滑的正断层。首先基于均匀模型,利用遗传算法对断层几何参数进行非线性求解,在求解之前,通过分析三维地表同震形变场和地质背景资料,将走向角、长度和倾向滑动量的取值设定在一个较小的范围,从而加快了搜索速度,最优断层几何参数显示断层为一个13.7km×14.1km的矩形断层、走向角139.3°、倾角50.2°;然后将断层的几何参数进行固定,基于介质分层模型,再利用线性反演的方法反演了断层的非均匀滑动分布,结果表明,断层的最大滑动量为1.01m,位于8.28km深处,断层的平均滑动角为-100.9°,地震所产生的地震矩比利用均匀模型计算的结果稍大,与USGS结果更接近具体为3.3×1018Nm,对应矩震级为Mw6.3。