地球空间环境与大地测量教育部重点实验室

GPS和InSAR联合监测活动断层精细变形的关键技术与应用

 

我国大陆发育有400条以上可能产生强震的活动断层,对其进行监测研究不仅对地震地质灾害防御和国民经济安全具有重大现实意义,而且对发展地球科学具有重要理论价值。目前,活动断层精细变形的监测手段主要有全球卫星定位系统(GPS)、合成孔径雷达干涉测量(InSAR)和精密水准测量等。其中,GPS是理想的点定位系统,可以获取长时间连续高精度绝对坐标,但是高程精度低于平面精度;而InSAR提供整个区域面上的连续变形信息,对高程信息非常敏感,但是时间分辨率较低。现有理论和技术尚无法很好地解决GPSInSAR的融合问题,使得其成为制约断层精细变形监测技术发展的瓶颈。因此,开展两者的联合监测理论和技术研究,对提高活动断层精细变形的监测水平和认识地震孕育的状态非常重要和迫切。在国家863计划、国家公益性行业(地震行业)科研专项、国家自然科学基金、高等学校博士学科点专项科研基金等支持下,开展了一系列创新性关键技术研究,形成了GPSInSAR联合监测活动断层精细变形的理论和方法体系,并在鲜水河断裂、甘孜-玉树断裂和龙门山断裂等上开展应用,成果丰硕。主要创新技术和成果有:

1)对常规InSAR观测中各类误差及特点进行了系统研究,针对干涉图噪声分布特征,提出了一种基于有向窗的InSAR自适应中值滤波算法,可以有效消除噪声并更好保留图像边界特征;针对复杂信号背景下CR点的识别与定位,提出了一种基于多幅SAR影像的幅度平均对比法,识别准确率达到86%;针对传统InSAR观测仅能得到一维形变的问题,提出了一种联合升/降轨偏移量获取三维形变场的方法,为形变监测提供了一种新方法;为充分利用历史卫星数据,提出了一种通过移去-恢复法和参数化大气误差估计的时序InSAR数据处理方法,实现了时序InSAR的活动断层精细形变高精度监测。

2)对活动断层数学模型约束地表形变光滑物理特征进行了创新性研究,提出了联合GPSInSAR数据确定干涉形变场相位基准的物理模型和算法,设计并实现了融合经典最小二乘理论和试错法综合确定多轨道相位空间基准的计算思路,成功探测并校正了汶川特大地震干涉形变场中的相位起算参数;联合GPS数据设计了InSAR对流层延迟误差的变差模型,将单幅InSAR干涉图形变测量的精度提高至0.87 cm;提出并实现了联合GPSInSAR监测活动断层深部几何结构和运动参数的关键技术,克服了单一数据监测活动断层变形的不足。

3)首次给出了曲线坐标系局部特性对地壳应变场空间分布的影响;提出了顾及函数模型和随机模型的自适应赫尔墨特方差分量估计确定权比例因子的活动断层精细变形多源数据联合反演新模式;建立了基于总体最小二乘的反演新模型,革新了传统大地测量联合反演理论;扩展了顾及球体分层结构的多活动块体运动与内部应变模型。

4)基于库仑破裂准则建立了断层三维最佳破裂模型和顾及摩擦参数等随机特征的误差估计模型,提出了具有物理力学意义的活动断层中长期地震危险性评估理论。率先研制了多种卫星大地测量联合观测支撑下的地震危险性评估系统,实现了卫星大地测量地壳形变监测在地震灾害预防这一国家重大迫切需求中的应用。

5)鲜水河断裂是青藏高原东缘的一条重要断裂,同时也是中国大陆地震活动最强的断裂之一。首次利用CRInSAR技术监测了鲜水河断层的形变速率,实现了GPSInSAR和水准等多种大地测量手段的联合监测;首次获得了鲜水河断裂的震间精细变形特征,发现在鲜水河断裂上存在3个完全闭锁的潜在孕震凹凸体,分别位于朱倭炉霍之间、康定底部、以及石棉冕宁之间;另外,在道孚和康定之间,存在一个部分耦合的潜在孕震凹凸体,其长度大约为140 km

6)在国际上首次提取了高精度、高空间分辨率的甘孜-玉树断裂的InSAR震间形变场,通过反演确定了其滑动速率与滑动角、倾角及闭锁深度的关系,联合GPS数据确定了其震间应变积累与释放量级,发现尚有0.72 m的滑动亏损;首次利用三角形位错元模型构建了2010年玉树Mw 6.9级地震发震断层的无空白区和重叠区的几何模型,改进了经典的拉普拉斯平滑算子,重新推导了角位错位移和应变的格林函数,新程序的计算速度较国外同行程序提升了近13倍。

7)联合重力、GPSInSAR观测成果系统研究了龙门山断裂的震间、同震和震后形变特征和物理机制,发现龙门山断裂的现今右旋走滑和挤压速率分别为2.6±1.1 mm/yr1.3±1.2 mm/yr;在国际上较早的给出了汶川地震同震滑动分布模型,表明2008年汶川地震过程中发震断层上有4个凹凸体发生了破裂,其滑移模式由最初的逆冲为主转换为走滑为主;汶川地震发生后,随着逆冲滑动,垂直于断层方向应力的大量释放,该区域的最大主应力方向由震前垂直于断层方向变为平行于断层方向,粘弹性松弛模型给出的等效粘滞系数为2×1018 Pa s,为青藏高原东部的岩石圈动力学研究提供了重要基础数据。

以上成果获2016年测绘科技进步一等奖

 

 

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