基于多卫星平台InSAR的三维同震形变场提取及断层滑动反演

摘要

地震是破坏力最强的自然灾害之一，常常造成滑坡、泥石流、海啸等次生灾害。我国是个地震多发的国家，近年来发生了汶川Mw7.9级地震、玉树Mw6.9级地震、雅安Mw7.0 级地震等特大灾害，生命财产损失严重。基于大地测量技术精确获取地震同震形变场，并在此基础上结合地球物理模型进行断层滑动反演，对探索和把握震源机制、断层活动规律意义重大，更能有效推动地震预测的研究。 合成孔径雷达差分干涉测量(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar，DInSAR)作为一种新型空间大地测量技术，因其覆盖范围广、精度高、全天时、全天候观测等优势，正逐渐成为获取地震同震形变场技术中不可或缺的部分。本文选取了2017年伊拉克Mw7.3级地震前后升降轨ALOS-2和Sentinel-1A四幅雷达影像对，基于二轨法DInSAR提取了四组视线向(Line of Sight，LOS)同震形变场。结果显示本次地震造成的地表形变场范围约为60 × 70 km2，成西南与东北界限分明、界限走向近北北西(North-NorthWest，NNW)、形变符号相反、上下分布的2个扇形区域。具体在升轨形变场中，沿LOS向的西南区形变表现为抬升，最大量约为100 cm，东北区形变表现为收缩，最大约为30 cm；降轨形变场中，沿LOS向的西南区形变表现为抬升，最大量约为50 cm,东北区形变表现为收缩，最大约为50 cm。这些形变特征揭示了一定的地震形变机制，然而对于一次地震事件而言，DInSAR技术仅能提供单一维LOS向形变，同时其对于方位向形变极不敏感，因此其探测的地表形变信息存在失真问题。 针对上述问题，本文重点围绕获取方位向形变的方位向像素偏移技术(Azimuth Pixel Offset，AZO)和多孔径雷达干涉技术(Multiple Aperture InSAR,MAI)开展研究，并分别利用两种技术获取了该地震的方位向同震形变场，以此对两种技术进行了实际和理论的精度、敏感度分析。结果表明，在相干性较好的情况下，MAI 技术的方位向同震形变测量精度和敏感度均优于AZO技术。 为准确认识地震形变机制，本文系统研究了联合升降轨DInSAR和MAI，建立线性方程组，通过等权最小二乘法解算三维同震形变。结果显示地表形变场范围同样约为60×70km2，在垂直向：西南区抬升量最大约100 cm，东北区沉降量最大约50 cm；在东西向：西南区与东北区均表现为向西位移最大约50 cm；在南北向：西南区向北位移最大约100 cm，东北区未有明显形变。为评价结果可靠性，基于Okada位错模型，利用美国地质调查局(United States Geological Survey，USGS)发布的断层参数模拟三维同震形变并取同条形变剖面线，结果显示二者剖面线整体平滑性和趋势性在东西向(East-West，EW)最为吻和，垂直向(Up-Down，UD)次之，南北向(North-South，NS)吻合度相对较低，东西、南北、垂直三个方向的残差集中分布于区间[-5，5] cm、[-10，10] cm、[-5，5] cm，残差仅为厘米级，故本文解算结果可靠性高。根据三维同震形变特征，初步判断断层可能是一条走向近NNW向、倾角较小、且以逆冲性质为主的断层。通过分析垂直向形变场和水平形变场，发现城市萨波勒扎哈位于垂直和水平方向应力共同作用区域，揭示了该城市损失最为惨重的原因。 为获得更为精确的滑动震源参数，本文分别利用三维和LOS向同震形变数据集，基于Okada模型采用两步反演法获取了断层最优几何参数和非均匀滑动分布。经比较，两组研究结果与已有研究一致性较高，而基于滑动分布细节对比发现前者更优。为进一步评价各反演结果，基于Okada模型正演升降轨LOS向形变场，经残差计算、形变剖面线吻合度和残差分布直方图分析，二者残差仅为厘米级，前者升降轨对应残差值标准差分别为2.4 cm和2.9 cm；后者升降轨对应残差值标准差分别为3.5 cm和4.2 cm。若以标准差作为精度评价标准，则以三维同震形变为约束较以LOS向形变场为约束的断层滑动反演精度提高了近30%，表明基于三维同震形变的断层滑动反演方法更具优势，其反演结果更接近实际情况。 结合区域地质构造背景和主余震位置等因素，并深入开展LOS向与三维同震形变分析，不难发现此次地震是由扎格罗斯山脉前断层引起的，断层长60 km，宽30 km，走向和倾角分别为352.63°和14.76°，滑动角约为137.1°，滑动分布集中在地下12 km至18 km处，最大滑动量为6.53 m，发生于地下14.5 km处，在震中西南方向。取岩石弹性剪切模量为3.0×1010Pa，则该地震累计释放地震矩能量达8.44 × 1019Nm (Mw7.3)，是一次逆冲性质为主右旋走滑为辅的地震事件。 本研究充分表明，三维同震形变能有效揭示地震复杂的形变机制，并能提升断层滑动反演质量及精度水平，可为同震库伦应力变化计算、断层相互作用分析等提供数据支撑，亦有助于认识区域断层活动的特征规律，为余震的风险评估提供客观、可靠的科学资料。

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