基于机器学习的地表破裂自动识别和填图——以2021年青海玛多M_(W)7.4级地震为例

大地震的同震地表破裂高分辨率填图对于理解破裂传播机制、量化地震灾害和地震危险性等至关重要;无人机航片和地形数据为地表破裂研究提供大量的高精度数据.同时基于海量数据的人工填图耗时费力,效率较低;机器学习(Machine learning)技术的发展为快速处理这类高分辨率图像数据提供了新思路.本文以2021年玛多M_(W)7.4级地震震后高精度无人机航片为基础数据,展示了机器学习技术快速、高效识别地表破裂的潜力.基于卷积神经网络Canny算法,详细讨论了无人机数字正射影像的处理流程和关键步骤,包括准备训练数据、训练和后处理.对比人工识别和机器识别的结果显示,本文所提出的方法可以有效地绘制地表破裂,为未来研究大地震地表破裂提供新思路.同时,展示了机器学习在地震地质、地表过程和地貌等定量研究中的巨大优势和广阔前景.

2021年5月21日青海玛多M_(W)7.4地震及余震序列应力降时空分布与孕震环境

2021年5月21日发生在青藏高原巴颜喀拉块体内部的玛多M_(W)7.4地震是继2008年M_(W)7.9汶川地震之后在中国陆区发生的最大地震.由于玛多地震发生在板块内部滑移速率较缓慢的次级断裂上,该地震成为研究巴颜喀拉块体内部地震危险性的典型震例.通过计算2021年玛多地震序列中震级大于2.5的地震应力降,我们调查了该地震序列应力释放的时空演化规律.首先,利用已有的青藏高原及其周边地区宽频带Lg波衰减模型,对玛多地震序列产生的地震Lg波观测数据进行了传播路径衰减校正,获得119个地震事件的Lg波震源谱;然后,通过将理论震源函数与观测数据拟合,获得对Lg波标量地震矩、拐角频率和高频下降率的估计;最后,根据标量地震矩和拐角频率计算了2021年玛多地震序列的应力降.结果表明,2021年5月21日玛多地震主震应力降为22 MPa,余震序列的应力降分布范围为0.08~7.5 MPa、中位数为0.39 MPa,平均值为0.88 MPa.应力降与震级具有较强的正相关关系,说明该地区的地震活动可能并不遵从地震自相似理论.换言之,大小地震具有不同的破裂动力学性质.玛多地震序列应力降变化反映了断层面上的应力释放过程具有强烈的非均质性.主震发生之后余震应力降显著降低,但其间仍夹杂着少数具有较高应力降的事件.这些高应力降事件所在区域与主震后破裂面上的闭锁和应力集中区域相对应.

时事热点事件的选题策划——基于2021年青海玛多MS7.4地震的文献计量学分析

本文采用文献计量学方法,以青海省果洛州玛多县发生的MS7.4地震为例,从发文量、被引频次、研究主题等方面回溯性分析不同期刊在此次时事热点事件选题中的出版现状。结果表明,不同学术层次的期刊在稿源吸引力和关注度上存在差异,高被引论文主要出现在核心及以上层次期刊,且发文时间均在震后3个月内,一半以上的高被引论文都发表在震后1个月内,报道的主题集中在地震时空分布与发震构造、同震及震后变形以及震害特征,最后从主题、形式和时效3个方面提出选题策划建议。

2021年青海玛多M_(S)7.4地震的重力挠曲均衡背景与震前重力变化

本文综合利用EIGEN6C4布格重力异常、SIO V15.1地形和流动重力观测数据,研究2021年玛多M S7.4地震的重力挠曲均衡背景和震前重力变化特征.首先,基于岩石圈挠曲均衡模型,结合布格重力异常和地形数据,采用有限差分方法计算了震中及周边地区(青藏高原东北部)岩石圈有效弹性厚度(Te)和挠曲均衡重力异常.结果表明,青藏高原东北部T_(e)为0~100 km,横向差异明显,且与块体构造关系密切.巴颜喀拉块体以北的柴达木块体T_(e)值高达50~80 km,以南的羌塘块体大部分区域的T_(e)大于20 km,五道梁以南出现局部大于30 km的高值区,玉树—德格地区出现局部大于40 km的高值区.巴颜喀拉块体T_(e)为0~20 km,较其南北块体明显偏小,更易于发生形变,从而在南北“夹持”下发生物质东向运动,是青藏高原中部物质东流的主要区域.地震易发生在岩石圈强弱变化的过渡地带(T_(e)变化梯度带),以及T_(e)较小区域的断裂带上.本次地震即发生在巴颜喀拉块体内部T_(e)低值区,震中附近有效弹性厚度约为15 km.震前流动重力变化分析表明,2015年以来3~5年的累积重力变化自西向东呈负-正-负的区域性变化特征,大致以震中为界形成了垂直于断裂带的重力变化高梯度带,主要反映了震前青藏高原物质东流过程中出现的深部构造运动态势.2018年以来的重力变化主要呈围绕震中形成西正-东负的弱区域性变化特征,显示震中地区已处于高应力应变的“固化”状态,地震即发生在重力变化零值线拐弯部位.

2021年5月22日青海玛多M_(S)7.4地震深部环境及发震构造模式

2021年5月22日2时4分,青海省果洛藏族自治州玛多县发生M_(S)7.4地震,截至5月27日,已记录余震2700多次.本次地震震源深度17 km,震中坐标为34.59°N,98.34°E,位于巴颜喀拉块体北边界东昆仑断裂带以南70 km左右,结合震中位置、余震分布、卫星影像解译及活动断裂分布,初步判断发震断裂为东昆仑断裂带南部的玛多—甘德断裂带.本文展示了沿玛多地震震中西北20 km,长约280 km的北东向大地电磁探测结果,揭示主震震源及余震主体位于中下地壳高导与上部高阻体交界部位;对比巴颜喀拉块体东、北边界的不同震例的大地电磁探测结果,发现区域尺度上巴颜喀拉块体及其边界断裂带发生的中强地震震源多位于块体边界显著电性边界带附近.东昆仑断裂玛曲段三条电磁剖面揭示出与本次玛多地震相似的深部构造背景,由于古地震、历史地震资料揭示出玛曲—玛沁段最后一次地震事件的离逝时间已经超出或接近其复发周期,因此后续需重点关注玛曲—玛沁段的地震活动性及危险性.综合分析巴颜喀拉块体地质、地貌及深部电性结构特征,我们认为,玛多—甘德断裂带与巴颜喀拉块体内部其他北西向左旋走滑断裂,控制了诸如1947年达日M_(S)7.7地震、2021年玛多M_(S)7.4地震的发生,活动速率相对较低,强震复发间隔相对偏长;走滑速率更高的东昆仑、甘孜—玉树—鲜水河等边界断裂带,控制着边界断裂带内如2001年昆仑山口8.1级地震、2011年玉树7.1级地震等大震、强震的发生,地震复发间隔短;两种不同规模、不同运动速率的断裂体系协同运动,共同调节着青藏高原不同块体的形变,变形过程更为弥散连续,明显有别于中国大陆内部如塔里木、柴达木、鄂尔多斯、扬子等更为刚性的块体.巴颜喀拉块体内部沿龙日坝断裂、五道梁—长沙贡玛断裂等地区仍存在一定的地震空区,建议后续加强地震地质、深部孕震环境等研究工作.本文大地电磁探测结果表明,巴颜喀拉块体北边界带中下地壳高导层厚度明显小于东部地区,我们推测龙日坝断裂西北侧阿坝次级块体内构造变形以左旋走滑的水平向运动为主,中下地壳增厚有限,但龙日坝断裂东南至龙门山构造带之间龙门山次级块体内,中下地壳的缩短增厚幅度明显偏大,表明西北侧的水平走滑运动不断被龙日坝断裂东南地区的构造缩短增厚所吸收,控制着龙门山断裂带及邻区的构造变形与强震(如松潘、汶川、九寨沟地震等),同时驱动着青藏高原东缘晚新生代以来的快速侵蚀剥露及地貌演化进程.

2021年青海玛多M 7.4地震发震断裂的典型同震地表变形与晚第四纪断错累积及其区域构造意义

发震断裂的最新一次地震同震变形和晚更新世以来的变形历史是约束发震断裂强震变形行为的基础数据,是认识发震断层上地表破裂型地震的复发特征、评估地震危险性的关键数据,对深刻理解发震断裂演化历史和区域构造空间演化与动力学具有重要意义.2021年玛多M 7.4地震为青藏高原内巴颜喀拉块体活动构造及其强震研究提供了一个机会.本文利用大疆M300RTK无人机搭配P1相机对5个典型观测点进行厘米级分辨率和精度的航空摄影测量和野外调查,详细定量解析了典型破裂特征,通过地貌填图和变形地貌测量分析了晚第四纪以来断错地貌记录的位移累积特征.根据破裂组合特征、同震变形量变化和几何结构,2021年玛多M 7.4地震发震断裂江错断裂同震破裂分为朗玛加合日段、野马滩段、拉木草—东湖段和朗玛哦尔—昌麻河段,整个地震事件是一次跨越四个断裂段的级联破裂过程.朗玛加合日段以左旋走滑变形位移为主兼具正断倾滑,倾滑量可达0.61±0.03 m.野马滩段以左旋走滑变形为主兼具逆断倾滑,在野马滩西观测点倾滑量可达0.31±0.04 m,左旋走滑量达到2.83±0.13 m,江错西观测点仍然有1.97±0.08 m的左旋水平位移.朗玛哦尔—昌麻河段在朗玛哦尔附近左旋水平位移达到3.55±0.24 m,而在昌麻河河谷和阶地上仍然存在0.5~1.2 m的左旋位移.在本次地震地表破裂西段三个观测点都观察到江错断裂的晚更新世或全新世地表累积变形,并且可能控制了黄河乡以西晚更新世以来盆山边界.根据野马滩西观测点的累积位移和地貌年代估计,地震复发周期2100~2500年,左旋走滑速率1.1~1.3 mm·a^(-1).在黄河乡与格波隆格恰阶区以东观测点只记录了本次玛多地震地表破裂变形.江错断裂在2021年玛多地震同震破裂变形可能产生了一次向东的最新扩展,从格波隆格恰扩展到昌麻河以东.综合地表断裂组合、深部结构特征、构造动力学条件,我们认为以东昆仑断裂带阿尼玛卿挤压阶区到玉树—甘孜—鲜水河断裂带甘孜拉分阶区一线为界可以将巴颜喀拉块体划分为两个次级的块体.两个次级块体的边界带可能存在2 mm·a^(-1)的挤压变形,但可能仍然处于巴颜喀拉块体改造破坏的早期阶段,其动力学机制和深部构造值得进一步探讨.2021年玛多地震地表破裂显示,江错断裂向东已经切割了前人所标识的玛多—甘德断裂.巴颜喀拉块体西部次级块体内发育近平行的西藏大沟—昌麻河断裂、玛多断裂、甘德南断裂、达日断裂以及昆仑山口—江错断裂等,这些断裂仍然需要进一步的定量化运动学和古地震学研究来评估地震危险性.

2021年5月22日青海玛多7.4级地震震害特征与地震烈度分布

2021年5月22日青海玛多7.4级地震对青海省果洛藏族自治州、海西蒙古族藏族自治州、玉树藏族自治州以及四川省甘孜藏族自治州造成了不同程度的破坏.此次地震的突出特点是灾情重,伤亡轻,无人员死亡,房屋倒塌333间,多为老旧无人居住的土木结构和砖木结构农村辅助用房和牲畜棚圈,13000多间房屋存在不同程度的损坏,道路、桥梁等基础设施破坏严重.本文通过对此次地震现场55个灾害调查点的震害调查与资料分析,得到了2021年玛多7.4级地震烈度分布情况,并对震害特征及原因进行了分析,地广人稀是造成本次地震震害特点的最主要原因.

天津典型观测井渗透性变化及对玛多7.4级地震响应机理分析

采用微水试验和固体潮汐反演两种方法计算了王3井、宝坻新井、宁河井不同时期渗透系数,经对比分析发现,两种方法计算含水层渗透系数所得结果在总体量级上是相当的,并且变化趋势是一致的,发育稳定、连续性较好的含水层中的观测井,二者计算结果更加接近。微水试验估算的井含水层渗透系数主要反映了井孔周围局部含水层渗透能力在短时间内水流过程中的渗透性特征,而固体潮汐反演估算的渗透系数则反映了在较长时间内较大范围含水层的平均渗透能力。因而,在观测井同震响应分析、抽(注)水干扰等异常核实分析中,使用微水试验估算的井含水层渗透系数更为合理,而在分析区域应力场变化中使用固体潮汐反演估算的渗透系数则更合理。本文分析了三口观测井水位和渗透性变化特征以及产生原因,并进一步分析了王3井和宝坻新井水位对2021年5月22日青海玛多7.4级地震同震响应机理,以及玛多地震对宁河井水位观测的影响机制,发现应力积累、抽/注水干扰、地震波传播等因素均会对含水介质渗透性造成影响。并且,地震波传播过程对不同含水介质造成的影响不同,而含水层岩性相同的不同观测井对同一地震的响应特征和机理也不相同。

2021年青海玛多M_(W)7.3地震地壳变形及区域孕震环境

北京时间2021年5月22日02时04分,在青海省果洛藏族自治州玛多县发生M_(W)7.3地震.本文利用震中及邻区2009—2021年GNSS观测资料,研究了此次地震的区域孕震环境、同震和震后初期的变形特征.首先,给出了较高空间分辨率的GNSS速度场,表明震中及其邻区的构造活动以左旋剪切为主,巴颜喀拉块体南北两侧的相对运动是块体边界断裂和块体内部级次断层的综合响应,其中边界断裂的相对运动占到了整个块体相对运动的57%,块体内部相对运动占到43%.其次,利用顾及抗差性的多尺度球面小波方法解算了GNSS应变率场,结果表明主要的应变积累区域沿着巴颜喀拉块体的主边界断裂分布,震中位于应变高值区向低值区的过渡带.最后,利用GNSS连续观测站资料给出了此次地震的同震和QHMD连续观测站的震后初期位移,采用两种策略解算了同震位移,对比研究表明,利用震后4 h时长数据的策略获得了更为准确的同震位移,而单日解的结果中更多地包含了快速变化的震后变形.青海玛多(QHMD)测站观测到了25 cm的同震位移和明显的震后位移,利用表征震后余滑的对数衰减模型能够准确拟合震后变形观测值,发现震后初期5天内的变形量占到了初期20天内的72%.

2021年青海玛多M_(W)7.5地震的同震变形及断层滑动模型研究

2021年5月22日,中国青海玛多县发生了M_(W)7.5地震.针对此次地震,国内外多家机构发布的震源机制解和有限断层滑动模型结果大都是基于半无限空间地球模型的位错理论反演得到的,未考虑地球曲率和层状效应的影响.该影响的量级以及其是否可以忽略目前仍是一个未知问题,值得研究.为此,本文利用美国地质调查局(USGS)、中国科学院青藏高原研究所以及中国地震局地球物理研究所提供的三个断层模型,基于弹性半无限空间、均质球、PREM三种地球模型的位错理论,分别计算了地表同震位移场和应变场,并对比分析了这些结果的差异.我们发现基于PREM位错理论的同震位移场与半无限空间模型的对应值差异约为3~28 cm,占PREM位错理论值的10%~30%,应变场差异更大,表明地球曲率和层状效应的影响不可忽略.此外,理论同震形变结果与GNSS和InSAR形变观测数据对比发现,基于PREM模型的理论位移场最接近于观测值.利用InSAR数据和三种地球模型反演得到的有限断层滑动模型存在差异,说明了地球模型的选择对断层模型的反演具有一定影响.本文的结果为今后对此次地震的观测数据物理解释和断层滑动反演提供了理论参考.

2021年玛多M_(S)7.4地震前玉树地震台井水温异常特征

2021年5月22日青海果洛州玛多县发生MS_(7.4)地震,震中位于(34.59°N,98.34°E),其震源机制解显示该地震为高倾角走滑型(张喆,许立生,2021)。玛多地震的发震构造为昆仑山口—江错断裂,是东昆仑断裂的一条分支断裂(王未来等,2021)。玉树地震台位于甘孜—玉树断裂附近。玛多地震震中和玉树地震台均位于巴颜喀拉次级地块内,玉树地震台位于巴颜喀拉地块的南边界。此次地震震中处于玉树地震台的NE方向,距巴颜喀拉地块北边界85 km(图1)。

基于光学卫星影像的同震形变提取技术及形变梯度的地学意义

介绍光学同震形变提取的关键技术、优化流程和主流软件包的差异性,并基于光学同震形变场推导具有地学意义的位移梯度、旋度、膨胀量、剪切应变等算子;以2021年青海玛多M W7.4地震为例,检验基于Sentinel-2光学影像的同震形变场提取优化流程以及算子的地学意义。结果表明,对亚像素相关性匹配结果的后处理可有效消除轨道误差、条带误差、场地和传感器因素导致的白噪声和加性噪声,突出形变细节,更加客观地描述同震形变的空间分布特征。

地磁垂直强度极化法预测指标体系及其应用研究

对2015-2021年中国88个地磁台站的秒采样数据进行了垂直强度极化计算,通过梳理高值异常与后续强震的时空关系,系统总结了极化值的计算方法和异常判别准则,建立了可量化的预测指标.极化值高于2倍均方差的台站超过20%且持续3 d及以上则判定为异常.异常区为归一置零极化值大于0.2的区域,发震优势时间为6个月内,地震强度与异常区面积呈正相关.根据上述异常判别标准分析提取了16组异常、32个异常区.对报对、虚报和漏报情况进行了逐一分析,预报效能评价结果显示,R值为0.53,高于具有97.5%置信水平的R_(0)值(R_(0)=0.234).2021年玛多M7.4地震前16 d出现同步性高值异常,超过20%的台站异常持续3 d,异常面积14.1×10^(4)km^(2),符合指标体系中的异常标准,可以确定为震前极化异常.研究表明,预测指标体系具有明显的地震预测意义,捕捉到大震前的极化异常,可以为后续开展震情判定提供参考.