地震大地測量學開啟了精確測量和研究現(xiàn)今大陸變形動力系統(tǒng)演化及其地震行為的新篇章,在厘清地殼變形模式、板塊運動特征、斷層耦合規(guī)律、應力傳輸機制、地震孕育行為和地震破裂模式等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用�？臻g大地測量技術(如Global Navigation Satellite System(GNSS)、Interferometric Synthetic Aperture Radar(InSAR)和衛(wèi)星重力觀測技術)以前所未有的時空分辨率和精度對地殼運動特征進行定量描述、對斷層活動行為進行科學評定和對地球物理現(xiàn)象進行最優(yōu)詮釋。GNSS技術的快速發(fā)展和全球普及為我們洞悉地殼變形特征、板塊運動模式和斷層活動規(guī)律提供科學依據(jù),同時為評估地震風險、實現(xiàn)地震預報和進行地震預警提供科學指導。本論文以GNSS技術為觀測手段,以地震大地測量相關理論為研究基礎,提取地震周期內(nèi)震間、同震和震后地殼變形;基于震間速度數(shù)據(jù)研究地殼應變、塊體運動和斷層閉鎖程度;基于同震位移數(shù)據(jù)調(diào)查斷層滑動分布并分析庫侖應力變化;基于震后變形數(shù)據(jù)定量震后變形機制和約束巖石圈介質(zhì)參數(shù)。本論文提取并建模汶川地震、尼泊爾地震和新西蘭地震的震間、同震和震后變形,分析地震周期內(nèi)不同階段的地殼變形特征和斷層運動狀態(tài)。主要開展的工作與取得的成果如下:1)本論文設計一套通用的GNSS坐標時間序列分析方案,包括粗差剔除、參數(shù)估計、空間濾波和速率內(nèi)插四個方面,該方案能夠提取地震周期內(nèi)震間、同震和震后地表變形。汶川地震的震間水平速度場(IGS08)指向東南偏東方向,水平速度場大致在[29.9,57.3]mm/yr范圍內(nèi),垂直速度的范圍為[-7.1,8.4]mm/yr;四川盆地測站同震變形在龍門山中段以逆沖為主,水平變形指向西北,垂直變形表現(xiàn)下沉;震后變形維持著同震運動趨勢,其在川西高原較為活躍,而在四川盆地十分微小(5 mm)。尼泊爾地震的震間水平速度場(IGS08)指向東北方向,水平速度范圍為[39.4,54.7]mm/yr,垂向速度范圍為[-113.5,7.0]mm/yr;同震變形主要位于中心尼泊爾地區(qū),以逆沖為主,兼具少量右旋走滑特征;震后變形保持著同震變形模式,但呈現(xiàn)更大的空間波長,水平變形最大測站為CHLM(33.4 mm),垂向抬升明顯測站為MKLU(30.0 mm)。新西蘭地震的震間水平速度場(IGS08)指向西北方向,其量級大約為[28.2,47.2]mm/yr,垂直震間速率為[-8.8,2.7]mm/yr。同震變形在Canterbury北部區(qū)域以右旋傾滑為主,在Marlborough斷層區(qū)域以右旋走滑為主。震后變形持續(xù)向東北方向運動,在空間上衰減相對緩慢,水平變形最大測站為LOK1(42.4 mm),抬升最大測站為CMBL(42.3 mm)。2)介紹地震大地測量研究領域的震間變形建模問題,歸納總結了利用GNSS震間速度場數(shù)據(jù)研究地殼應力應變、塊體運動參數(shù)和斷層活動特征的理論、內(nèi)容、方法和意義。本論文調(diào)查了喜馬拉雅地區(qū)的地殼形變特征,結果表明整個喜馬拉雅構造帶的主壓形變相當活躍,最大主應變率的平均值為10.0 nanostrain/yr,最大值為35.5nanostrain/yr,最小主應變率的平均值為-25.1 nanostrain/yr,最小值為-85.6 nanostrain/yr;該地區(qū)的最大剪應變率的平均值為35.1 nanostrain/yr,最大值為87.8 nanostrain/yr,表明整個喜馬拉雅構造帶積累了大量的彈性能量;面膨脹率的變化范圍為[-88.8,16.9]nanostrain/yr,平均值為-15.1 nanostrain/yr,說明了該區(qū)域的壓縮變形尤為突出。震間斷層耦合調(diào)查結果顯示整個主喜馬拉雅推擠斷層的強閉鎖狀態(tài)沿斷層傾向超過100 km,震間矩張量虧損速率為1.51×10~200 Nm/yr;在尼泊爾境內(nèi),斷層閉鎖深度由西向東快速增加,在中部地區(qū)強閉鎖深度超過30 km,而2015年Mw 7.8 Gorkaha主震和Mw 7.3強余震正好位于孕震斷層的強閉鎖區(qū)域。3)介紹地震大地測量研究領域的同震變形建模問題,歸納總結了同震變形建模的相關概念、研究內(nèi)容和研究意義,重點介紹了同震滑動反演和庫侖破裂準則的建模思路和研究方法。本論文通過構建兩種不同的斷層模型(FM1、FM2)研究汶川地震的同震變形,發(fā)現(xiàn)兩種建模結果在滑動集中區(qū)域、峰值運動、運動方向和數(shù)據(jù)模型相關性等方面高度一致。因此,本論文斷定汶川地震的同震模型不甚敏感于深部斷層幾何,需要依靠空間波長更大的震后變形進行約束。本論文收集目前最全面的GNSS數(shù)據(jù)進行尼泊爾地震的同震建模,結果表明同震滑動以逆沖運動為主,兼有少量右旋走滑運動;同震滑動分布于主震和最大余震震中之間,介于11-20 km深度,滑動最大值為~6.26 m;此次地震釋放的地震矩為~7.13×10~(20) Nm(Mw~7.8)。本論文利用豐富的同震數(shù)據(jù)和簡化的斷層模型調(diào)查新西蘭地震的一階破裂特征,結果表明該模型能很好地解釋地表變形,同震滑動主要位于淺層的地殼斷層,最大可達~25 m;此次地震累積釋放地震矩可達~8.28×10~(20) Nm(Mw~7.9);主震區(qū)域的庫侖應力增加達到MPa級,且在不同的深度上呈現(xiàn)多樣性,毫無疑問地揭示了此次多斷層破裂的復雜性。4)介紹地震大地測量研究領域的震后變形建模問題,概述了震后變形的相關概念、主要內(nèi)容和目的意義,并重點介紹了孔隙回彈、耐震余滑和粘彈性松弛的相關物理含義、模型本構關系、時空變形特征、震后變形解釋等。本論文發(fā)現(xiàn)基于FM1和FM2兩種模型得到的汶川地震震后反演結果差異很大,且FM1模型能很好地解釋該地震的震后變形,因此推測北川斷層(Beichuan fault,BCF)的最優(yōu)斷層模型是深部為滑脫層的鏟狀結構;震后反向變形是由BCF淺層的反向余滑引起,其可能是由于同震階段淺層滑動的動力學過沖導致。本論文建模分析了尼泊爾地震的震后余滑和粘彈性松弛兩種變形機制,結果表明余滑主要分布在同震破裂帶的北部區(qū)域,并控制著絕大部分的震后變形;粘彈性變形相對較小,保守估計青藏高原南邊緣中-下地殼粘滯系數(shù)為1.6×10~(19)Pas;研究還發(fā)現(xiàn)主震破裂面的淺部和西部地區(qū)在同震和震后階段都未破裂,綜合分析得出尼泊爾地區(qū)的地震風險進一步加強。本論文分析了新西蘭地震觸發(fā)的余滑和慢滑移的時空變化特征,發(fā)現(xiàn)震后余滑不僅分布于淺層地殼斷層,而且明顯出現(xiàn)在深部的俯沖板塊界面;該地震還觸發(fā)Kapiti深部和東海岸淺部的慢滑移事件,東海岸的慢滑移運動的量級相對較小(~15 cm),且活躍時間相對較短(2-3周),極有可能是同震動態(tài)應力觸發(fā)所致,深部的慢滑移運動量級較大(30 cm),且持續(xù)時間較長(1年),極有可能是同震靜態(tài)應力觸發(fā)所致。
【學位單位】：西南交通大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P315.7;P228.4
【部分圖文】：

1-1 地震周期內(nèi)不同階段變形過程的概念模型 (a 引自 Elliott et al. (2016b)和 b 引自 FThatcher (2006)).1 震間變形震間變形階段，由于構造應力的持續(xù)加載，地殼介質(zhì)相關物理量如位移、應力應斜和重力等發(fā)生緩慢變化。震間變形過程相對緩慢，甚至可持續(xù)成千上萬年時間的不斷推移，持續(xù)的變形也會積累大量的應力應變。震間變形建模的基震間地殼變形速率可表征為塊體長期構造加載速率和由斷層震間閉鎖虧損速

圖 2-1 全球地震分布及 MORVEL 板塊運動模型(引自 Bock & Melgar, (2016)).2.3 斷層活動模式斷層(許才軍 & 張朝玉, 2009)是受構造應力而發(fā)生斷裂，沿破裂面兩側發(fā)生顯

圖 2-2 三種斷層活動基本類型(修自 https://www.nps.gov/tica/learn/education/upload/Earthquakes-Powerpoint-2.pptx)2.3 地震位錯理論

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