地震大地測量學(xué)開啟了精確測量和研究現(xiàn)今大陸變形動(dòng)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(yùn)動(dòng)特征、斷層耦合規(guī)律、應(yīng)力傳輸機(jī)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(shù)(如Global Navigation Satellite System(GNSS)、Interferometric Synthetic Aperture Radar(InSAR)和衛(wèi)星重力觀測技術(shù))以前所未有的時(shí)空分辨率和精度對(duì)地殼運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行定量描述、對(duì)斷層活動(dòng)行為進(jìn)行科學(xué)評(píng)定和對(duì)地球物理現(xiàn)象進(jìn)行最優(yōu)詮釋。GNSS技術(shù)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(yùn)動(dòng)模式和斷層活動(dòng)規(guī)律提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)為評(píng)估地震風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)現(xiàn)地震預(yù)報(bào)和進(jìn)行地震預(yù)警提供科學(xué)指導(dǎo)。本論文以GNSS技術(shù)為觀測手段,以地震大地測量相關(guān)理論為研究基礎(chǔ),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(yīng)變、塊體運(yùn)動(dòng)和斷層閉鎖程度;基于同震位移數(shù)據(jù)調(diào)查斷層滑動(dòng)分布并分析庫侖應(yīng)力變化;基于震后變形數(shù)據(jù)定量震后變形機(jī)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)。主要開展的工作與取得的成果如下:1)本論文設(shè)計(jì)一套通用的GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列分析方案,包括粗差剔除、參數(shù)估計(jì)、空間濾波和速率內(nèi)插四個(gè)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(yùn)動(dòng)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(jí)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(yùn)動(dòng),在空間上衰減相對(duì)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(lǐng)域的震間變形建模問題,歸納總結(jié)了利用GNSS震間速度場數(shù)據(jù)研究地殼應(yīng)力應(yīng)變、塊體運(yùn)動(dòng)參數(shù)和斷層活動(dòng)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(jié)果表明整個(gè)喜馬拉雅構(gòu)造帶的主壓形變相當(dāng)活躍,最大主應(yīng)變率的平均值為10.0 nanostrain/yr,最大值為35.5nanostrain/yr,最小主應(yīng)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(yīng)變率的平均值為35.1 nanostrain/yr,最大值為87.8 nanostrain/yr,表明整個(gè)喜馬拉雅構(gòu)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(jié)果顯示整個(gè)主喜馬拉雅推擠斷層的強(qiáng)閉鎖狀態(tài)沿?cái)鄬觾A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(qiáng)閉鎖深度超過30 km,而2015年Mw 7.8 Gorkaha主震和Mw 7.3強(qiáng)余震正好位于孕震斷層的強(qiáng)閉鎖區(qū)域。3)介紹地震大地測量研究領(lǐng)域的同震變形建模問題,歸納總結(jié)了同震變形建模的相關(guān)概念、研究內(nèi)容和研究意義,重點(diǎn)介紹了同震滑動(dòng)反演和庫侖破裂準(zhǔn)則的建模思路和研究方法。本論文通過構(gòu)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(jié)果在滑動(dòng)集中區(qū)域、峰值運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)方向和數(shù)據(jù)模型相關(guān)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(jìn)行約束。本論文收集目前最全面的GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行尼泊爾地震的同震建模,結(jié)果表明同震滑動(dòng)以逆沖運(yùn)動(dòng)為主,兼有少量右旋走滑運(yùn)動(dòng);同震滑動(dòng)分布于主震和最大余震震中之間,介于11-20 km深度,滑動(dòng)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(jié)果表明該模型能很好地解釋地表變形,同震滑動(dòng)主要位于淺層的地殼斷層,最大可達(dá)~25 m;此次地震累積釋放地震矩可達(dá)~8.28×10~(20) Nm(Mw~7.9);主震區(qū)域的庫侖應(yīng)力增加達(dá)到MPa級(jí),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(fù)雜性。4)介紹地震大地測量研究領(lǐng)域的震后變形建模問題,概述了震后變形的相關(guān)概念、主要內(nèi)容和目的意義,并重點(diǎn)介紹了孔隙回彈、耐震余滑和粘彈性松弛的相關(guān)物理含義、模型本構(gòu)關(guān)系、時(shí)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(jié)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(jié)構(gòu);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(dòng)的動(dòng)力學(xué)過沖導(dǎo)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(jī)制,結(jié)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(duì)較小,保守估計(jì)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(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加強(qiáng)。本論文分析了新西蘭地震觸發(fā)的余滑和慢滑移的時(shí)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(yùn)動(dòng)的量級(jí)相對(duì)較小(~15 cm),且活躍時(shí)間相對(duì)較短(2-3周),極有可能是同震動(dòng)態(tài)應(yīng)力觸發(fā)所致,深部的慢滑移運(yùn)動(dòng)量級(jí)較大(30 cm),且持續(xù)時(shí)間較長(1年),極有可能是同震靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)所致。
【學(xué)位單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)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(gòu)造應(yīng)力的持續(xù)加載，地殼介質(zhì)相關(guān)物理量如位移、應(yīng)力應(yīng)斜和重力等發(fā)生緩慢變化。震間變形過程相對(duì)緩慢，甚至可持續(xù)成千上萬年時(shí)間的不斷推移，持續(xù)的變形也會(huì)積累大量的應(yīng)力應(yīng)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(gòu)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(yùn)動(dòng)模型(引自 Bock & Melgar, (2016)).2.3 斷層活動(dòng)模式斷層(許才軍 & 張朝玉, 2009)是受構(gòu)造應(yīng)力而發(fā)生斷裂，沿破裂面兩側(cè)發(fā)生顯

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

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本文編號(hào)：2818975