利用GPS和InSAR数据研究地震地壳形变及构造特征

摘要

确定断层滑动的大小和分布是地震研究的重要组成部分。同震滑动有助于阐明活动断层的几何形状、强度和摩擦特性，可以用来估计断层带附近应力部分释放的区域和应力保持或增加的区域，这些可以作为判断断层或附近断层区域接近破裂还是远离破裂的指向标。同样的反演方法也可以用来监测地震后和地震间的滑移，帮助推断断层外变形的分布和比例，从而了解地震周期。断层滑移值在古地震研究中也被广泛用于估计古地震的震级。合成孔径雷达干涉(InSAR)结合地震前后的卫星获取，提供了地表位移的空间密集观测，与全球定位系统(GPS)观测一起，可以用来反演由地震引起的断层滑动，震级和发震位置。随着欧洲航天局的新卫星Sentinel-1A和Sentinel-1B提供了前所未有的地面重复观测，科学界现在可以使用InSAR定期调查所有大型大陆地震，而断层滑动分布反演是这一过程的关键部分。　　本文首先介绍了全球定位系统和卫星雷达观测技术的基本概念、相关观测原理以及其在地震地壳形变研究中的应用，并阐述了矩形位错、断层滑动分布反演和确定反演问题中相对权比和平滑因子的基本理论与方法。其次，利用Sentinel-1、ALOS-2卫星的SAR数据和GPS站点位移观测数据分析了意大利中部地震序列中四次主要事件的震源参数解和滑动分布模型。反演结果显示，四次事件的发震构造均为东南走向，西南倾向的正断层。这四次事件的走向角分布在157°-164°之间，倾向角范围分布在39°-44°之间，滑动分布范围覆盖0-8千米地壳深度。在这四次事件中，2016年8月24日Mw6.2Amatrice地震的主要特征表现为滑动分布的横向不均匀性，出现两块明显滑动区域；2016年10月26日Mw6.1Visso地震的滑动分布呈现集中分布，主要在3-6千米深度；2016年10月30日Mw6.6Norcia地震最大滑动量达到2.5米，滑动分布主要集中在0-6千米深度，表明此次地震可能产生地表破裂；2017年1月18日Mw5.7Campotosto地震在3-6千米深度存在一块较大范围的滑动区域。库伦应力变化计算结果显示2016年8月24日Mw6.2Amatrice地震的破裂可能是一个触发点，引起了意大利中部复杂的正断层系统中Gorzano和Vettore断层段的连续破裂。　　再次，利用Sentinel-1雷达影像研究2017年伊朗东北部Mw6.1Sangsefid地震的发震构造，2017年4月5日，伊朗东北部发生Mw6.1地震，造成2人死亡，10多人受伤，部分村庄严重损毁。此次地震发生在伊朗KopehDagh断层系统的东南缘，从历史地震记录来看，该区域地震活动性较小。本文利用Sentinel-1雷达升降轨SAR数据获取地震的精确地表位移，然后基于弹性半空间位错模型，分别采用MPSO非线性和最小二乘线性反演算法确定了发震断层的几何形态和滑动分布模型。结果表明，分布式滑动分布模型能较好地解释观测到的InSAR地表形变量。地震发震断层为走向120°、倾角40°的西南倾断层，主要滑动量集中在14×6平方千米区域，最大滑动量达到0.86m.反演给出的地震矩为1.82×1018Nm，与地震学结果相一致。　　其后，利用GPS站点时间序列数据，进行了2015年尼泊尔Mw7.8地震震后早期断层滑动时空演变过程探索。在2015年4月25日尼泊尔地震到2016年2月29日之间310天由GPS观测到的地表瞬时形变显示在同震破裂的上部存在断层滑动的快速衰减，下部滑动沿倾向向深部传播，衰减速度较慢。GPS观测资料显示了站点的向南运动，与在主喜马拉雅逆冲断裂上的滑动方向相符合。使用网络滤波方法，结合弹性三角位错模型进行断层滑动量时空演变反演，结果显示最大滑动量发生在最大同震滑动区域下部。最大滑动速率1.54m/yr发生在地震后的13天左右，后期的滑动速率逐渐趋于平稳。平均滑动速率在地震后迅速增加，在5月12日Mw7.3余震后迅速衰减。最大滑动量发生在主震最大同震破裂下倾部分，靠近Mw7.8主震震源。反演过程中加入了位于中国境内的6个台站数据，能够更好的对断层深部滑动进行约束。反演结果显示存在三个较为明显的滑动区域，两个较小区域分别位于Mw7.8主震震源附近，Mw7.3余震震源附近，一个较大滑动区域位于Mw7.8主震同震破裂下部。震后滑动围绕最大同震滑动区域，与主震应力变化驱动震后滑动相一致。在震后310天，断层滑动量累积释放的能量为1.46×1020Nm，假设剪切模量为3×1010Pa，相当于一次Mw7.41事件。　　最后，利用Sentinel-1雷达影像研究2016年秘鲁南部Mw6.2Lampa地震的同震和震后变形。利用Sentinel-1雷达升降轨SAR数据获取地震的精确地表位移，然后基于弹性半空间位错模型，采用两步法确定了发震断层的位置和几何形态，以及断层面的精细滑动模型。结果表明此次地震的孕震断层为一条隐伏的东南走向，西南倾向的正断层，倾角为44°，最大滑动量为0.76米，发生在5.2千米深度。采用大地测量数据反演得到的震源参数结果与地震机构发布的结果相一致。同时，利用InSAR升降轨数据进行时间序列分析，得到了该地震震后一年的形变时间序列，结果显示，在断层上盘靠近地表破裂部分累积沉降达到3厘米。分别采用简单的指数模型，运动学模型和应力驱动的余滑模型对震后形变进行建模，简单的指数模型结果显示震后形变呈现出指数衰减模式；运动学模型显示震后形变可以用浅部的断层滑动解释；应力驱动的余滑模型显示，部分震后形变可以用集中在同震滑动边缘的断层滑动进行解释。在震后形变的分析中，本文分别对震后形变其他两个主要机制孔隙回弹和粘弹性松弛过程进行建模，以此来评估这两个过程在震后形变中扮演的角色，结果显示，孔隙回弹和粘弹性松弛过程在Lampa地震震后形变中基本不发挥作用。根据InSAR结果确定的发震断层面的位置和倾向，发现Lampa地震的孕震断层和附近的一条正断层系统平行且倾向相同，因此猜测Lampa地震的发震断层可能是属于此断层系统中的一条此前未被识别的盲断层。

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