InSAR和GPS大地测量形变数据反演地震断层滑动的影响特征研究

摘要

地震是断层运动的一种直接表征，强震具有破坏力大、致灾性广等特点，这使得对于探索地震发震机理及防震减灾成为地球科学的重要研究目标之一。InSAR和GPS卫星大地测量技术正成为一种高效的地壳形变监测手段，可为地震研究提供丰富的形变观测数据。尤其是大地测量与地震断层位错理论的结合与成功应用，使得以大地测量形变为约束的震源模型反演成为科学认识地震机理的一种重要手段。
　　然而，利用大地测量形变反演地震断层滑动仍存在精度匹配与可靠性问题，如基于InSAR单一维的LOS方向形变数据对反演断层滑动分布的精度，断层近场InSAR干涉失相关现象对反演滑动分布的影响，基于不同维度和不同台站分布密度的GPS形变数据反演断层滑动分布的精度，以及以大地测量形变数据为约束反演断层滑动分布对深部滑动的敏感性。因此，本文以典型的走滑断层、正断层、逆冲断层为具体实验对象，对上述问题开展系统性的实验论证与定量分析。
　　为验证InSAR单一维的LOS方向形变观测精度对反演断层滑动分布的可靠性，本文反演了不同噪声水平LOS维形变为约束的滑动分布，结果显示，在噪声强度达到60mm时，滑动反演残差为可接受残差的30％至90％，且北、东、竖直三方向形变场解释度均大于95％，说明在常规InSAR观测精度条件下，对于近Mw7.0级及以上强震，使用单一LOS维形变数据可反演获得可靠的断层滑动分布。为分析断层近场InSAR干涉失相关对反演断层滑动分布的影响，本文以LOS维绝对形变量级为梯度构建不同程度干涉失相关形变场反演滑动分布。结果表明，当大于20％的InSAR LOS方向最大绝对形变参与反演时，反演滑动残差小于1/10绝对平均滑动量，可获得可靠的滑动分布。
　　为评估不同维度GPS形变数据反演断层滑动的精度，本文开展了使用GPS三维形变、北东二维形变、以及单独使用一维形变来反演滑动分布的五组实验。结果表明，使用北东二维形变反演精度略高于GPS三维形变反演精度，均高于单独使用一维形变反演精度。以GPS水平观测精度3mm、竖直观测精度10mm为参考，使用数量充足的任一维GPS形变数据均可反演获得可靠的断层滑动分布。为分析GPS台站分布密度对反演断层滑动分布的影响，论文反演了不同GPS格网密度条件下的滑动分布。结果表明，考虑拉普拉斯平滑约束前提下，当GPS台站均匀分布且数量不小于1/7的离散子断层数量时，可获得可靠的断层滑动分布。以日本2011年地震为例，反演了此次地震不同GPS台站分布密度条件下的断层滑动分布，验证了实例结果与模拟结果具有较高的一致性。
　　为分析InSAR与GPS大地测量形变数据反演断层滑动分布对深部滑动的敏感性，本文反演了深部滑动中心沿深度方向变化的滑动分布。结果显示，常规InSAR观测精度(30mm随机噪声)形变数据对深部滑动反演的探测性相对较低，而高精度(3mm随机噪声)InSAR形变数据对深部滑动反演的探测性相对较高，但略低于数量充足的高精度GPS三维形变（每一维施加3mm随机噪声）对深部滑动反演的可探测性，表明大地测量形变数据的精度相比于维度对深部滑动探测能力的影响相对更大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文的组织结构

第2章 Okada位错模型与震源参数反演算法

2．1 Okada弹性半空间均匀介质模型

2．1．1 点源位错模型

2．1．2 有限矩形源模型

2．2 基于大地测量数据的震源参数估计

2．2．1 断层几何模型

2．2．2 同震滑动分布

2．3 本章小结

第3章 InSAR形变观测精度对断层滑动反演的影响特征

3．1 实验数据

3．1．1 走滑断层实验数据

3．1．2 正断层实验数据

3．1．3 逆冲断层实验数据

3．2 单一LOS维形变数据精度对滑动反演的可靠性验证

3．2．1 走滑断层滑动分布可靠性验证

3．2．2 正断层滑动分布可靠性验证

3．2．3 逆冲断层滑动分布可靠性验证

3．2．4 实验总结

3．3 断层近场InSAR干涉失相关对滑动反演的影响分析

3．3．1 走滑断层滑动分布影响分析

3．3．2 正断层滑动分布影响分析

3．3．3 逆冲断层滑动分布影响分析

3．3．4 实验总结

3．4 本章小结

第4章 GPS不同维度与台站密度对滑动反演的影响关系

4．1 基于不同维度GPS形变数据的滑动反演精度评估

4．1．1 走滑断层滑动分布精度评估

4．1．2 正断层滑动分布精度评估

4．1．3 逆冲断层滑动分布精度评估

4．1．4 实验总结

4．2 GPS台站分布密度对滑动反演的影响分析

4．2．1 走滑断层滑动分布影响分析

4．2．2 正断层滑动分布影响分析

4．2．3 逆冲断层滑动分布影响分析

4．2．4 实验总结

4．3 GPS台站分布密度对日本2011年地震滑动反演的影响分析

4．3．1 以GPS形变观测为约束的日本地震断层滑动反演

4．3．2 不同密度GPS形变观测数据反演的滑动分布模型

4．4 本章小结

第5章 基于InSAR和GPS形变数据反演断层深部滑动的敏感性

5．1 走滑断层深部滑动敏感性分析

5．2 正断层深部滑动敏感性分析

5．3 逆冲断层深部滑动敏感性分析

5．4 实验总结

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果