海底震后形变多基站联合估计模型

海底基准站坐标时序可用于海底震后形变监测,但受观测条件和观测成本所限,海底基准站定位精度相对较低,难以获取高时间分辨率海底基准站坐标时序.针对小样本、非连续海底观测时序分析问题,本文提出将站速度、震后形变参数作为多个邻近基准站的公共参数进行联合估计,并将N-E方向震后形变弛豫因子也作为公共参数;提出了求解站坐标、站速度等线性参数与震后形变非线性参数进行混合非线性估计的“一步法”.试验表明,相对单站估计模型,本文提出的多站联合估计模型可克服海底基准站坐标时序样本有限和精度受限等问题,且相对于站速率和震后形变参数分离估计的“两步法”,“一步法”更为严密,可获得更为有效的震后形变参数估计.

InSAR约束下的2008年汶川地震同震和震后形变分析

2008年5月12日,青藏高原东缘的龙门山断裂带上发生了M_w7.9级汶川地震.本文通过分析覆盖汶川地震震中区域的ALOS/PALSAR像对的方位向偏移量来选择无明显电离层扰动影响的像对进行干涉处理,获取了高精度、连续的InSAR地表形变场.在此基础上,结合高精度GPS同震形变数据,采用同震、黏弹性松弛震后形变联合反演模型同时确定了汶川地震的同震滑动分布和龙门山地区的流变结构参数.研究结果表明,汶川地震是一个断层破裂非常复杂的地震事件,其中,北川段、岳家山段、虹口段和汉旺段的滑动以逆冲为主,而青川段以右旋走滑为主.滑动主要发生在10 km深度以上的区域,最大滑动量位于虹口段的东北端,达10.7 m.地震释放的总能量为9.28×10^(20)N·m(M_w7.91),与地震学的结果一致.联合反演模型确定的龙门山地区中下地壳的黏性系数为2×10^(18)Pa·s,为青藏高原东部地区的黏性系数提供了一个可靠的下限值.如果有更长时间的震后形变观测时间序列,将为该区域提供更为可靠的流变结构.

利用GPS观测资料分析2008年于田Ms7．3地震的同震位移及震后形变

2008年3月21日新疆于田发生M_S7.3级地震.本文通过处理、分析GPS数据,得到破裂断层北侧100 km附近的同震位移及震后形变信息.在观测区域GPS点监测到10 mm左右的同震位移,其中最大为南向14 mm,东向5 mm.同震位移呈现一致性的东南向运动特征,证实于田地震存在显著的左旋走滑分量.震后台站向西南方向运动,与同震位移方向不同,说明同震位移和震后形变具有不同的形变源.近普鲁断裂两侧的GPS点震后运动方向存在明显差异,表明于田地震可能触发了普鲁断裂的左旋滑动.普鲁断裂在于田地震发生后呈现的构造活动特征揭示普鲁断裂是康西瓦西阿尔金断裂带的一部分,兼具左旋走滑与逆冲分量,吸收了青藏高原西北缘相对于塔里木盆地的东向逃逸与北向入侵作用.

震后形变的解析模型和时空分布特征

利用3种可能震后效应(震后余滑、孔隙弹性回弹、震后粘弹性松弛)的数学解析模型,分析了各种震后形变的时空分布特征,并且以1931年富蕴8级地震的震后粘弹性松弛反演为算例,说明震后粘弹性松弛解析模型的应用.分析与计算表明:震后1～2年,3种因素都发挥着很大作用:震后余滑和孔隙弹性回弹主要影响近场,粘弹性松弛影响范围较宽广;此后,震后粘弹性松弛则成为构造活动稳定地区震间形变的重要因素.

从同震和震后形变分析日本东北M_W 9.0级大地震对近场地震活动性的影响

2011年日本东北大地震后,不断有报道认为日本南海海槽可能会发生强震,日本东北大地震对南海海槽断层活动有何影响?本文采用粘弹性半无限空间模型,利用反演得到的日本东北大地震的断层模型,计算了岛内部分断层的同震和震后形变以及库仑应力变化.结果表明:2011年日本东北大地震,使得平行于日本海沟的岛内逆冲断层应力释放明显,5km深度,库仑应力降低值都在50kPa以上,按照该地区每年应力积累1～10kPa计算,相当于释放了5～50年的应力积累;平行于南海海槽的岛内逆冲断层,同震库仑应力增加了1kPa左右,相当于0.1～1年的正常构造运动应力积累;对于岛内的走滑断层,若其滑动方向与同震或震后形变方向一致,则库仑应力增加,反之则降低,如1948年福井地震发震断层库仑应力增加10kPa左右,相当于1～10年的正常构造运动应力积累,地震危险性明显增加.同时,分析了不同软流圈粘滞性对震后形变和库仑应力的影响,发现对于不同的软流圈粘滞性系数,震后的形变和库仑应力相比同震都会有所增加.因此,对于平行南海海槽的岛内逆冲断层和岛内部分滑动方向与同震形变一致的走滑断层,震后地震危险性相比同震会进一步增强.

昆仑山大地震震后形变反映的地壳岩石流变特性

2001年昆仑山地震是我国近50年来最大的地震。用3种模型对震后中国地震局跨断层布设的4个GPS站点记录到显著的震后形变进行了模拟研究。结果表明:单纯的上地壳10km为滞弹性的模型不能解释震后形变的幅度;30km的弹性上地壳覆盖在40km的柔性下地壳上的松弛模型可以解释变形速率指数衰减的主要特征;而两个模型的结合不但能解释整体指数衰减的特征,而且还能更好地拟合震后最初几周的较高形变速率。结果表明,在昆仑山断层两侧存在着流变性质的差异。

中国东西部地区震后形变有效松弛时间研究

顾及脆性转换带上的断层蠕动及其深部黏滞流对震后地表位移的影响,对5次大地震的震后垂直位移进行了最小二乘反演,并估计了有效松弛时间。反演结果表明,中国东、西部地震的有效松弛时间差异很大,其中唐山地震的有效松弛时间最长(10.3年),邢台地震次之(4.4年),而西部通海、炉霍、共和等3次地震的有效松弛时间则仅为2年多。究其原因,可能主要是由于中国东部和西部地区上地壳厚度不同以及下地壳、上地幔黏滞系数的差异所致。

基于迭代PCA的GPS时间序列震后形变估计方法和应用

GPS时间序列的震后形变分析对于研究区域震后形变机制和岩石圈流变学特性以及维持国际动态地球参考框架具有重要意义.本文在现有参数估计方法的基础上,提出兼顾震后形变衰减特征空间相关性和整体建模的"迭代PCA参数估计方法",并利用模拟数据证实了新方法可以获取更稳健可靠的震后形变、同震形变和震间速度参数.最后,以37个新西兰GPS连续站坐标时间序列为例,利用迭代PCA方法提取了2016年11月13日Kaikoura地震共性的震后形变时间演化过程和各站点的震后形变,并定量分析了震后形变对地表速度的影响.结果表明各站的震后形变在时间域上以衰减常数τ为4天的对数模型持续松弛;空间域上南岛北东部和北岛最南部震后形变较大,其中,最大震后形变点为cmbl站,截至2017年6月10日NEU方向累计的震后形变分别达到107mm,135mm和187mm,地表速度分别达到133.58mm·a-1,112.05mm·a-1和175.58mm·a-1,仍高于稳定的震间速度.

新疆于田M_S7.3地震同震与震后形变机制研究

利用InSAR技术获取2008-03-21新疆于田MS7.3地震的同震和震后形变场。同震分布式滑动反演结果表明,同震断层最大滑动量达5.4m,主要分布在南部断层的0~5km深度附近,地震以正断错动为主,兼有左旋走滑分量。震后形变结果表明,发震断层北段两侧存在差异性运动,最大累积差异形变在震后782d达15cm。进一步分析表明,震后断层余滑可能是震后形变的主要机制。余滑反演结果表明,震后2a断层余滑量相对较小,滑移区范围明显减小且均位于浅部区域,北部断层能量释放较彻底,南部仍存有少量能量,整体能量基本释放完。

利用GPS观测资料分析2015年尼泊尔M_S8.1地震震前及震后形变

通过对尼泊尔M_S8.1地震前后附近区域GPS台站记录到的观测数据进行处理,获得了震区以及中国青藏高原地区地震前后GPS站点速度场以及震后形变场。震前速度场显示,喜马拉雅构造带整体呈现出约16mm/a的压缩特征。同时,震前喜马拉雅构造带根据形变特征可分为东、中、西3段,其地震发生在中段,主要以北向挤压为主,而东西两段分别具有逆时针旋转和顺时针旋转的特征。震后GPS站点形变场显示,此次地震对中国新疆、青海、西藏等地区的影响较大,其最大震后位移达20mm左右。震后速度场显示,本次地震对尼泊尔地区以及中国藏南地区的构造形变影响较大,主要表现为喜马拉雅构造带的年推挤速度减小,藏南地区的南北向运动速率减小,而东西向速度有增大的现象。这一现象可能对藏南地区的走滑断层有较大影响。

从同震和震后形变分析1668年M8.5级郯城地震对周边地震活动性的影响

以山东郯城1668年大地震为例,以前人地表地质调查结果为约束,利用弹性位错理论初步获取了该地震的同震破裂模型;在此基础上,基于粘弹性分层模型分析了该地震的同震和震后形变,同时以主震断层为接收断层计算了库仑应力分布,进一步讨论了地幔不同粘滞性系数对地表形变和库仑应力变化的影响。计算结果显示,该地震是一个右旋走滑为主兼有一定逆冲性质的地震,其同震位移巨大,能量释放较彻底;同震破裂造成震中郯城县西北、东北和南部部分断层库仑应力增加,而震后形变使得这些断层库仑应力进一步增加,在单县、宿迁和日照等地,地震后350 a库仑应力变化量达到+1bar—+1MPa量级;地幔粘滞性系数不同,形变量和库仑应力变化达到稳定的时间不同,但最终趋于稳定的数值基本一致。

岩石圈结构对大地震震后形变的影响——以1976年唐山大地震和2001年昆仑山大地震为例

大地震发生之后通常会诱发一系列的余震序列,对比1976年MS7.8唐山大地震和2001年MS8.1昆仑山大地震周边区域的地震事件可以看出,唐山大地震余震活动时间要明显长于昆仑山大地震余震活动时间.余震序列往往与震后形变密切相关,而影响震后形变的因素不仅与地震发震断层和震级有关,同时与岩石圈的结构有关.考虑到唐山大地震的发震区华北地块和昆仑山大地震的发震区青藏高原有着较大的岩石圈结构差异,本文采用PSGRN/PSCMP软件计算了岩石圈分层模型的大地震同震和震后形变,分析了地壳弹性模量、弹性厚度以及黏滞性系数对同震和震后形变的影响,进而讨论了影响唐山地震和昆仑山地震余震序列差异的原因.计算结果显示,震后形变会在黏弹性效应的作用下逐渐调整,震后形变的持续时间与地壳弹性模量、地壳弹性厚度和下地壳黏滞性系数有关.上地壳和下地壳弹性模量越大,震后形变达到稳定值的时间越短,弹性模量对震后形变稳定值影响很小.地壳弹性厚度越大,震后形变达到稳定值的时间越短,当断层面底端深度小于地壳弹性厚度时,地壳弹性厚度的增加会引起震后形变稳定值的减小;下地壳厚度对震后形变达到稳定值的时间和稳定值基本无影响.下地壳黏滞性系数越大,震后形变达到稳定值的时间越长,反之亦然.结合唐山地震区的华北地块和昆仑山地震的青藏高原深部结构发现,两者之间的上地壳弹性模型差别不大,唐山地震区地壳弹性厚度略大于昆仑山地震区,但昆仑山地震区下地壳黏滞性系数明显低于唐山地震区.这些因素均决定了昆仑山地震的震后形变持续时间短(余震时间序列短)而唐山地震的震后形变持续时间长(余震时间序列长).由此可见,岩石圈结构差异可能是导致唐山地震和昆仑山地震余震序列差异的主要因素之一.

基于PSInSAR的2008年汶川M_S8.0地震震后形变场特征

2008年5月12日汶川MS8.0地震造成了巨大的同震形变,地表破裂带分布广泛。为了研究汶川地震震后形变的分布特征,收集了震后2008年5月28日至2010年9月15日的多时相ENVISAT ASAR数据,该数据包括两个相邻条带,能够覆盖震后形变区域。使用基于单一主图像的PSInSAR处理技术分别对两个条带进行处理并拼接,获得了震后时序形变图和年平均形变速率图。研究结果显示,龙门山断裂带两侧的震后形变分布特征明显不同,断裂带西北盘形变量表现为LOS向隆升,最大累积形变约为26mm,最大形变速率约为17±7mm/a;断裂带东南盘形变表现为LOS向沉降,形变量较小,最大累积形变约为-10mm,最大形变速率约为-5mm/a。汶川地震后的形变特征反映了龙门山断裂在此段具有逆冲为主兼有走滑分量的活动性质,本文研究结果与震后GPS观测结果在形变趋势和量级方面具有较好的一致性。

2013年芦山7.0级地震的同震及震后形变模拟

芦山地震发生时,龙门山断裂带的大部分跨断层短水准观测场地未记录到同震变化,为了研究芦山地震对这些场地的影响,同时也为了更准确地评估龙门山断裂带西南段的地震危险性,基于弹性位错理论和粘弹性分层岩石圈模型,模拟计算芦山地震的同震、震后形变,以及龙门山断裂带上短水准场地的同震和震后变化.结果表明:(1)芦山地震断层北西盘(上盘)同震最大水平位移约19.18 cm,整体为E和SEE向运动,南东盘(下盘)约7.55 cm,主要为NWW向运动;垂直位移场在上盘的上升比较显著,最大抬升幅度30.74 cm;(2)未来10年,由粘弹松弛引起的震后形变与同震形变相差不多,将释放与主震相当的能量,但由于龙门山断裂带西南段的滑动亏空区仍有大部分的能量未释放完全,强震危险性仍较高;(3)整体上芦山地震引起的龙门山断裂带垂向同震形变比较微弱,除宝兴场地外,其他场地的同震形变本身就很小,变化幅度小于观测精度,这可能与芦山地震发震断层为尚未出露地表的盲逆断层有关.

基于2001年Mw7．8可可西里地震震后形变模拟研究藏北地区岩石圈流变学结构

青藏高原岩石圈的流变学结构和形变机制是地学界长期争论的重大科学问题.2001年发生在东昆仑断裂带的M_W7.8可可西里地震造成青藏高原北部地区岩石圈构造应力场的很大改变,引起下地壳与上地幔的快速弛豫形变,从而为研究这一问题提供了难得的机会.本研究采用该区域的GPS震后观测,反演这一地区岩石圈的流变学参数并探讨其形变机制.反演所采用的数据来自45个GPS观测点,其中包括一个中国地壳运动观测网络的基准站,数据最长时间跨度达6.4年.大地震震后形变场主要来源于地壳、上地幔的黏弹性松弛与断层面上的震后余滑,因此本研究同时反演介质的黏滞系数和断层的震后余滑.考虑到东昆仑断层南侧的巴颜喀拉-羌塘地区与北侧的柴达木盆地地区具有明显不同的地壳结构,断层南北两侧采用不同的Burgers体流变学结构,其下地壳-上地幔的短期和长期黏滞系数采用网格搜索法获得;断层震后余滑反演则同时施加近似正比于库仑应力的约束.最终结果显示:东昆仑断层北侧柴达木盆地地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为5×10~18 Pa·s和1.5×10~20 Pa·s;东昆仑断层南侧巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为1.5×10~18 Pa·s和1.5×10~19 Pa·s.这一结果表明:巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔黏滞系数显著低于柴达木盆地,意味着巴颜喀拉-羌塘地区下地壳可能存在部分熔融,其地壳形变模式更趋近于连续形变,而柴达木盆地形变模式更趋近于块体运动.研究区下地壳长期黏滞系数比下地壳流模型所主张的黏滞系数高2~3个数量级,表明下地壳流在本地区可能不存在.

基于2014年康定6.3级地震震后形变分析区域介质特征

以2014年康定6.3级地震震后InSAR形变资料为约束,采用三层粘弹性地震周期模型及遗传算法反演鲜水河断裂南东段的康定地震震区深部介质粘弹性层厚度及粘滞系数。最优拟合结果表明:1)该区域下地壳粘弹性层厚度为5 km,粘滞系数为9.9×10^(17)Pa·s,且断层两侧下地壳流变存在显著的横向不均一性。2)将断层两侧分别反演,显示断层南西盘下地壳粘滞系数(8.7×10^(17)Pa·s)略小于断层北东盘下地壳粘滞系数(1.2×10^(18)Pa·s)。

基于GRACE RL05数据探测苏门答腊M_W8.6地震的同震和震后形变

利用美国德克萨斯大学空间研究中心(UTCSR)最新发布的GRACE卫星RL05月重力场模型数据,采用去相关和300km半径的高斯平滑滤波,提取出2012年苏门答腊MW8.6地震的同震和震后形变,并利用最小二乘拟合方法计算了地震前后震中附近区域的形变率。结果表明,GRACE卫星观测到的同震形变约为-8~14cm,震前和震后震中附近区域的形变率分别为1~4cm/a和-1^-3cm/a。

利用长期GPS数据研究2008年汶川地震震后形变

采用2008年汶川M_W7.9地震震后7a的GPS连续站和流动站的长期观测资料,基于粘弹性松弛模型,利用PSGRN/PSCMP程序计算汶川震后形变,反演巴颜喀拉块体下的粘弹性参数。其中分层模型考虑巴颜喀拉块体下存在低速带,最优拟合的粘弹性松弛模型显示该低速带粘弹性参数为2.51×10^(18) Pa·s,而中下地壳粘弹性参数为3.98×10^(18) Pa·s。

基于GPS观测值研究日本M_W9.0地震震后形变机制

基于GPS观测的震后水平位移对2011年日本MW9.0地震的震后形变特征进行研究。震后近5a(截至2015-12),震后水平位移累积达到东向60~165cm,南向20~65cm,距离震中较远处的G104、G105及J192站点观测到的震后位移累积变化已超过同震位移,且震后形变还在持续。联合震后余滑和粘弹性位错理论模拟震后形变,利用这2种作用机制对震后GPS水平形变进行解释。研究表明,震后余滑在震后形变最初阶段起主要作用,但随着时间增长而逐渐衰减,粘滞性松弛作用的贡献随着时间增长而变大,GPS观测到的震后地表形变可由这2种机制结合得到较合理的解释。利用震后GPS形变模拟估算地震区域的地幔粘滞系数在1.5×1019 Pa·s量级。

2001年M_(W)7.8昆仑山地震震后形变观测、机制与青藏高原中北部岩石圈流变:认识与挑战

2001年M_(W)7.8昆仑山地震是近半个世纪以来青藏高原发生的最大震级地震。同震破裂产生的巨大应力扰动驱动控制着显著震后形变。二十年尺度的大地测量数据记录了地震后长时间、大范围、时空依赖的震后形变演化过程及差异,揭示了昆仑山地震破裂段复杂的断层分段震后运动学特征、分段摩擦性质差异和青藏高原中北部岩石圈流变性质/结构横向各向异性。本文简要回顾昆仑山地震后基于二十年尺度时序InSAR和GPS的震后形变观测方法和时空特征,特别是时空密集的InSAR观测,是该构造区震后GPS观测的重要补充及其不可替代的观测手段;总结大范围震后形变模拟方法及其揭示的震后运动过程、多种动力学机制及其关系。最后总结提出昆仑山地震震后形变20年研究取得的科学认识及尚待深入研究的科学问题,一方面要持续性地对东昆仑断裂带大范围地表形变进行观测研究;另一方面,要不断更新震后形变模型,进一步深化对该断裂带地震周期形变、区域构造对周期形变控制作用、复杂断层运动时空演化机制的认识。