基于InSAR数据的川西地区断层活动研究

摘要

常规的断层活动监测手段（如水准测量和全球定位系统等）只能监测有限的离散点，而合成孔径雷达干涉测量是一种基于面观测的形变监测手段，具有空间分辨率高，全天时全天候观测的特点，弥补了基于点观测的低空间分辨率形变监测的不足，为研究地震活动提供了有利条件，也为基于大地测量技术的断层滑动反演研究提供了精细的观测数据。
　　在研究断层活动方面，多采用的是位错理论模型，但此模型对一些观测到的位移场旋转运动不能进行解释。对于具体的断层活动与地面大地形变场问题，向错理论描述了在弹性介质中断层面之间的相互转动与地表面变形之间的理论关系。本文采用一种新的模型向-位错组合模型，以位错理论和向错理论为基础，同时考虑断层的滑动和转动，选择地壳旋转变形的典型区域川西地区，分别以龙门山断裂和鲜水河断裂为例，利用InSAR数据获取汶川同震形变场和鲜水河断裂西北段的时间序列及年平均形变速率，并基于向-位错组合模型对两条断裂的滑动与转动进行反演计算。本文主要研究内容和贡献如下：
　　(1)针对位错理论模型无法描述断层的转动问题，本文采用一种新的模型—向-位错组合模型，模拟断层的滑动和转动，建立了断层滑动和转动与地面变形的关系。该模型结合描述断层滑动的位错模型和描述断层转动的向错模型两大模型的优势，能有效模拟断层的活动方式。该模型成功模拟了单一断层的转动特征。
　　(2)针对汶川同震 C波段的雷达卫星在龙门山上盘山区得到的卫星信号很大程度上不可用的问题，本文选用波长可达23.6cm的ALOS PALSAR L数据，采用覆盖汶川地震前后6个轨道的影像，利用D-InSAR的二轨法进行差分干涉测量；为了确保各轨道之间、轨道内数据的连续性，本文分别采用加权拼接羽化、最底层拼接羽化、基于几何的拼接羽化三种方法进行拼接，最终通过加权拼接羽化方法拼接的汶川同震形变场拼接处形变连续，影像的整体感增强。
　　(3)为了降低 InSAR数据的数据量、数据噪声、冗余数据对反演计算效率的影响，本文提出了一种改进的立方卷积重采样方法，该方法是在主要形变区域采样点密集，在非主要形变区域，采样点稀疏，解决了传统立方卷积方法均匀采样且数据量大的问题，较好地保存了InSAR数据的细节信息。利用该方法实现了汶川同震形变场和鲜水河断裂西北段年平均形变速率图的降采样。
　　(4)针对龙门山断裂在同震过程中发生转动的特点，本文基于向-位错组合模型，采用粒子群算法，首次利用GPS和InSAR数据联合反演龙门山断裂带的滑动和转动，并与GPS数据反演的龙门山断裂带的滑动和转动进行比较，结果表明：基于向-位错组合模型反演的龙门山断裂带活动特征，相比位错模型反演结果，更加符合龙门山断裂带的倾滑面是铲状曲面的特点；GPS和InSAR联合反演相比GPS反演，走滑速率、倾滑速率略微偏小，转动角较大，断层的转动特性表现得更明显。
　　(5)为了研究汶川地震对鲜水河断裂活动的影响，针对鲜水河断裂形变缓慢的特点，本文采用汶川地震后约一年的覆盖鲜水河断裂西北段的8景 Envisat ASAR C波段影像，利用SBAS_InSAR方法，成功获得鲜水河断裂西北段的时间序列，使用Stacking技术成功获得鲜水河断裂西北段的年平均形变速率。
　　(6)针对鲜水河断裂存在转动的特点，本文基于向-位错组合模型，采用粒子群算法，首次利用 InSAR数据实现了鲜水河断裂西北段的滑动和转动反演，结果表明：汶川地震后，鲜水河断裂的张裂速率、走滑速率相比已有结果数值上略微偏大；断层转动的分段性特征较滑动更明显。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3研究目标和内容

1.4论文组织结构

第二章 川西地区地质构造特征

2.1构造演化

2.2龙门山断裂

2.3.鲜水河断裂

第三章 断层活动与地表关系的建立

3.1断层分类

3.2矩形位错模型

3.3向错理论模型

第四章 InSAR技术原理及误差分析

4.1 InSAR基本原理

4.2 D-InSAR原理与方法

4.3时间序列InSAR分析方法

4.4 InSAR形变监测误差分析及减弱措施

第五章 基于D-InSAR技术提取2008年汶川同震形变场

5.1汶川地震概述

5.2数据源

5.3汶川同震形变场提取

5.4多轨道数据拼接

5.5结果分析

5.6 InSAR与GPS观测值对比

第六章 龙门山断裂活动的反演计算分析

6.1 InSAR形变场数据降采样

6.2 GPS数据整理

6.3 龙门山断层参数获取

6.4粒子群算法反演龙门山断裂带的三维运动

第七章 SBAS方法在鲜水河断裂形变研究中的应用

7.1数据源及数据处理

7.2 SBAS获取鲜水河断裂西北段形变的时间序列

7.3结果分析

第八章 鲜水河断裂活动的反演计算分析

8.1 InSAR形变场数据降采样

8.2鲜水河断裂带参数获取

8.3粒子群算法反演鲜水河断裂带的三维运动

第九章 结论与展望

9.1结论

9.2研究展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢