【摘要】：地震是地球上破壞力最強(qiáng)的自然災(zāi)害之一,我國境內(nèi)地震活動非常頻繁。精確測量地震導(dǎo)致的同震形變場,是了解和認(rèn)識地震發(fā)生機(jī)制最為直接的手段。結(jié)合地表形變觀測和地球物理模型模擬,對揭示區(qū)域斷層活動規(guī)律和評估中遠(yuǎn)期地震風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。作為一種新的空間大地測量技術(shù),合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar, DInSAR)自上世紀(jì) 90 年代誕生以來,已在全球地震形變測量中展現(xiàn)出了無可替代的地位。得益于其全天時(shí)和全天候成像觀測能力、廣覆蓋范圍和高分辨率等優(yōu)勢,DInSAR已被應(yīng)用于全球一百多個地震同震形變場的測量和模擬。然而,針對地震導(dǎo)致的復(fù)雜形變場,DInSAR仍面臨著局部地區(qū)相位失相干嚴(yán)重、大氣延遲長波信號干擾以及單軌觀測難以完整揭示同震形變特征等局限性�？拷l(fā)震斷層附近的同震形變往往具有較大的形變梯度,故容易使DInSAR測量結(jié)果由于相位失相干而產(chǎn)生空值。雖然利用長波段SAR數(shù)據(jù)(如L波段)恢復(fù)大梯度形變具有獨(dú)特優(yōu)勢,但其容易受大氣電離層干擾影響,并可能導(dǎo)致數(shù)十厘米的形變測量誤差。此外,DInSAR測量的地表形變其實(shí)為地表真實(shí)位移場沿衛(wèi)星視線向(Line of Sight, LOS)投影值,因而采用單一干涉對往往無法對復(fù)雜特征的同震形變場進(jìn)行準(zhǔn)確解譯。DInSAR的這些局限性阻礙了對地震形變機(jī)制準(zhǔn)確認(rèn)識,也進(jìn)一步限制了斷層參數(shù)的準(zhǔn)確反演。為克服DInSAR技術(shù)在同震形變測量中面臨的這些局限性,本文系統(tǒng)研究了測量SAR方位向形變的多孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)(Multi-Aperture InSAR,MAI),并基于MAI測量的方位向偏移研究了同震SAR干涉對電離層干擾誤差校正方法,旨在擴(kuò)展基于SAR影像的多維地表形變測量能力和提高同震形變場測量精度。本文還提出了新的地震同震三維(Three-dimensional,3D)形變場計(jì)算方法,并結(jié)合實(shí)際震例進(jìn)行了 3D同震形變測量和反演,以驗(yàn)證本文所提方法的有效性和優(yōu)勢。MAI是基于一對SAR影像進(jìn)行分孔徑干涉處理以獲取地表方位形變的技術(shù),可以有效彌補(bǔ)常規(guī)DInSAR僅對地表視線向形變敏感的缺陷。本文系統(tǒng)研究了 SAR分孔徑成像原理、MAI干涉模型和數(shù)據(jù)處理流程,并定量評估了 MAI的測量精度。以2016年Mw7.1級日本熊本地震為例,MAI測量結(jié)果顯示該地震導(dǎo)致地表產(chǎn)生長約45km的地表破裂,并且由南北兩盤的形變方向可清晰判斷其為右旋走滑型地震,而這些信息無法從常規(guī)DInSAR測量結(jié)果反映出來。分析表明,MAI測量精度與相位失相干程度密切相關(guān),并且與SAR衛(wèi)星系統(tǒng)參數(shù)和數(shù)據(jù)處理配置參數(shù)有關(guān)。理論計(jì)算顯示,當(dāng)SAR相干系數(shù)為0.8時(shí),基于PALSAR的MAI測量精度優(yōu)于0.08 m。針對同震SAR干涉圖中的電離層干擾誤差,本文提出基于SAR方位偏移量和斷層模型的校正方法。為了獲取高分辨SAR方位向偏移場,提出融合MAI和像素偏移追蹤(Pixel Offset Tracking, POT)兩種方法測量的方位向偏移思路,即綜合利用SAR相位和振幅信息實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)。為了獲取電離層干擾引起的方位向偏移,提出利用已有斷層模型去除SAR方位向偏移中的地表形變貢獻(xiàn),從而改善電離層誤差校正精度。以汶川地震T471軌道PALSAR20080229-20080531同震干涉對為例,進(jìn)行了電離層誤差校正實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示該干涉對中電離層相位最大貢獻(xiàn)量約為17rad,對應(yīng)地表約0.32m的LOS向形變。校正結(jié)果成功恢復(fù)了 T471軌道斷層南盤的三個連續(xù)干涉條紋。計(jì)算顯示,遠(yuǎn)場三個區(qū)域內(nèi)干涉相位的標(biāo)準(zhǔn)差在校正后分別降低了 50%、65%和84%。針對基于DInSAR 一維視線向形變難以全面揭示同震形變特征,本文提出聯(lián)合DInSAR、MAI 和形變梯度張量模型(Displacement Gradient Tensor,DGT)的 InSAR-DGT 3D形變計(jì)算方法。該方法首先利用DInSAR和MAI測量值采用經(jīng)典線性反演方法估計(jì)地表初始3D同震變形場,然后根據(jù)DGT模型構(gòu)建初始3D形變場中高質(zhì)量合格點(diǎn)(Valid Points,VPs)與低質(zhì)量點(diǎn)之間的函數(shù)關(guān)系,并采用加權(quán)最小二乘法重新估計(jì)3D同震位移。將該方法應(yīng)用于2011年緬甸Mw6.8級Tarlay地震,結(jié)果顯示InSAR-DGT可顯著減少震中區(qū)域失相干空值點(diǎn)。相對于經(jīng)典方法計(jì)算結(jié)果,InSAR-DGT可將東西、南北和垂直向的形變測量精度分別提高22%、36%和24%。精度分析顯示當(dāng)VPs數(shù)目超過80時(shí),東西和垂直向的形變誤差小于1cm;當(dāng)VPs的數(shù)目超過166時(shí),南北向的形變誤差小于2 cm。根據(jù)3D形變結(jié)果,可以容易地判斷Tarlay地震發(fā)震斷層以左旋走滑為主,并伴隨有微量的傾滑分量。為深入探討3D同震形變場對地震特征解譯的幫助和震源參數(shù)反演精度的影響,本文以2010年中國青海Mw6.9玉樹地震為例,聯(lián)合DInSAR和MAI測量并反演了其同震3D形變場。結(jié)果顯示玉樹地震造成地表在東西、南北、垂直向最大形變量分別達(dá)到-40.4、113.8和-65.7 cm。特別地,玉樹地震的垂直向形變在以往研究中多被低估或者被忽略,而本文發(fā)現(xiàn)玉樹以西6-30 km范圍內(nèi)的地表由于逆沖擠壓發(fā)生明顯的垂直向形變。根據(jù)3D形變計(jì)算地表位錯形變場結(jié)果顯示玉樹地震產(chǎn)生了長約74 km的地表破裂帶,走向約為300°。將發(fā)震斷層劃分為5段,基于Okada彈性位錯模型非線性反演結(jié)果顯示玉樹地震發(fā)生在地殼淺層,斷層上表面深度低于2km,除第2段斷層以66.2°傾向于西南向外,其它斷層均以近乎垂直的傾角(84°-89°)傾向于東北向。所有斷層均以左旋走滑為主,但在第三段斷層處呈現(xiàn)出明顯的傾滑分量,彈性反演獲得的地震矩為 2.43 × 1019 Nm,對應(yīng)矩陣級為 Mw6.92,與 GCMT (Global Centroid Moment Tensor Catalog)公布結(jié)果近似。線性反演獲的斷層滑動分布顯示,斷層滑動集中于地表往下10 km內(nèi),并在靠近震中偏右深約5 km的位置有著最大2.23 m的滑動量。在與地震波、GPS、野外調(diào)查和單獨(dú)LOS向形變等手段反演結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn),高分辨率的連續(xù)3D形變場對提升震源參數(shù)反演質(zhì)量具有非常重要的價(jià)值。
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【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P315.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2378311