【摘要】：地震是地球上破壞力最強(qiáng)的自然災(zāi)害之一,我國(guó)境內(nèi)地震活動(dòng)非常頻繁。精確測(cè)量地震導(dǎo)致的同震形變場(chǎng),是了解和認(rèn)識(shí)地震發(fā)生機(jī)制最為直接的手段。結(jié)合地表形變觀測(cè)和地球物理模型模擬,對(duì)揭示區(qū)域斷層活動(dòng)規(guī)律和評(píng)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(cè)量技術(shù),合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar, DInSAR)自上世紀(jì) 90 年代誕生以來(lái),已在全球地震形變測(cè)量中展現(xiàn)出了無(wú)可替代的地位。得益于其全天時(shí)和全天候成像觀測(cè)能力、廣覆蓋范圍和高分辨率等優(yōu)勢(shì),DInSAR已被應(yīng)用于全球一百多個(gè)地震同震形變場(chǎng)的測(cè)量和模擬。然而,針對(duì)地震導(dǎo)致的復(fù)雜形變場(chǎng),DInSAR仍面臨著局部地區(qū)相位失相干嚴(yán)重、大氣延遲長(zhǎng)波信號(hào)干擾以及單軌觀測(cè)難以完整揭示同震形變特征等局限性。靠近發(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(cè)量結(jié)果由于相位失相干而產(chǎn)生空值。雖然利用長(zhǎng)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(shì),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(cè)量誤差。此外,DInSAR測(cè)量的地表形變其實(shí)為地表真實(shí)位移場(chǎng)沿衛(wèi)星視線向(Line of Sight, LOS)投影值,因而采用單一干涉對(duì)往往無(wú)法對(duì)復(fù)雜特征的同震形變場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確解譯。DInSAR的這些局限性阻礙了對(duì)地震形變機(jī)制準(zhǔn)確認(rèn)識(shí),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(cè)量中面臨的這些局限性,本文系統(tǒng)研究了測(cè)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(cè)量的方位向偏移研究了同震SAR干涉對(duì)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(cè)量能力和提高同震形變場(chǎng)測(cè)量精度。本文還提出了新的地震同震三維(Three-dimensional,3D)形變場(chǎng)計(jì)算方法,并結(jié)合實(shí)際震例進(jìn)行了 3D同震形變測(cè)量和反演,以驗(yàn)證本文所提方法的有效性和優(yōu)勢(shì)。MAI是基于一對(duì)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(duì)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(píng)估了 MAI的測(cè)量精度。以2016年Mw7.1級(jí)日本熊本地震為例,MAI測(cè)量結(jié)果顯示該地震導(dǎo)致地表產(chǎn)生長(zhǎng)約45km的地表破裂,并且由南北兩盤(pán)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(wú)法從常規(guī)DInSAR測(cè)量結(jié)果反映出來(lái)。分析表明,MAI測(cè)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(cè)量精度優(yōu)于0.08 m。針對(duì)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(chǎng),提出融合MAI和像素偏移追蹤(Pixel Offset Tracking, POT)兩種方法測(cè)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(shì)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(duì)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(duì)中電離層相位最大貢獻(xiàn)量約為17rad,對(duì)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(pán)的三個(gè)連續(xù)干涉條紋。計(jì)算顯示,遠(yuǎn)場(chǎng)三個(gè)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(duì)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(cè)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(chǎng),然后根據(jù)DGT模型構(gòu)建初始3D形變場(chǎng)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(jí)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(duì)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(cè)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(guò)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(guò)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(chǎng)對(duì)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(guó)青海Mw6.9玉樹(shù)地震為例,聯(lián)合DInSAR和MAI測(cè)量并反演了其同震3D形變場(chǎng)。結(jié)果顯示玉樹(shù)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(shù)地震的垂直向形變?cè)谝酝芯恐卸啾坏凸阑蛘弑缓雎?而本文發(fā)現(xiàn)玉樹(shù)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(cuò)形變場(chǎng)結(jié)果顯示玉樹(shù)地震產(chǎn)生了長(zhǎng)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(cuò)模型非線性反演結(jié)果顯示玉樹(shù)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(duì)應(yīng)矩陣級(jí)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(dòng)分布顯示,斷層滑動(dòng)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(dòng)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(duì)比后發(fā)現(xiàn),高分辨率的連續(xù)3D形變場(chǎng)對(duì)提升震源參數(shù)反演質(zhì)量具有非常重要的價(jià)值。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：P315.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2378311