基于InSAR和MAI的电离层误差校正及同震三维形变场计算与断层滑动反演

发布时间：2018-12-14 08:41

【摘要】：地震是地球上破坏力最强的自然灾害之一,我国境内地震活动非常频繁。精确测量地震导致的同震形变场,是了解和认识地震发生机制最为直接的手段。结合地表形变观测和地球物理模型模拟,对揭示区域断层活动规律和评估中远期地震风险具有重要意义。作为一种新的空间大地测量技术,合成孔径雷达差分干涉测量(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar, DInSAR)自上世纪 90 年代诞生以来,已在全球地震形变测量中展现出了无可替代的地位。得益于其全天时和全天候成像观测能力、广覆盖范围和高分辨率等优势,DInSAR已被应用于全球一百多个地震同震形变场的测量和模拟。然而,针对地震导致的复杂形变场,DInSAR仍面临着局部地区相位失相干严重、大气延迟长波信号干扰以及单轨观测难以完整揭示同震形变特征等局限性。靠近发震断层附近的同震形变往往具有较大的形变梯度,故容易使DInSAR测量结果由于相位失相干而产生空值。虽然利用长波段SAR数据(如L波段)恢复大梯度形变具有独特优势,但其容易受大气电离层干扰影响,并可能导致数十厘米的形变测量误差。此外,DInSAR测量的地表形变其实为地表真实位移场沿卫星视线向(Line of Sight, LOS)投影值,因而采用单一干涉对往往无法对复杂特征的同震形变场进行准确解译。DInSAR的这些局限性阻碍了对地震形变机制准确认识,也进一步限制了断层参数的准确反演。为克服DInSAR技术在同震形变测量中面临的这些局限性,本文系统研究了测量SAR方位向形变的多孔径雷达干涉技术(Multi-Aperture InSAR,MAI),并基于MAI测量的方位向偏移研究了同震SAR干涉对电离层干扰误差校正方法,旨在扩展基于SAR影像的多维地表形变测量能力和提高同震形变场测量精度。本文还提出了新的地震同震三维(Three-dimensional,3D)形变场计算方法,并结合实际震例进行了 3D同震形变测量和反演,以验证本文所提方法的有效性和优势。MAI是基于一对SAR影像进行分孔径干涉处理以获取地表方位形变的技术,可以有效弥补常规DInSAR仅对地表视线向形变敏感的缺陷。本文系统研究了 SAR分孔径成像原理、MAI干涉模型和数据处理流程,并定量评估了 MAI的测量精度。以2016年Mw7.1级日本熊本地震为例,MAI测量结果显示该地震导致地表产生长约45km的地表破裂,并且由南北两盘的形变方向可清晰判断其为右旋走滑型地震,而这些信息无法从常规DInSAR测量结果反映出来。分析表明,MAI测量精度与相位失相干程度密切相关,并且与SAR卫星系统参数和数据处理配置参数有关。理论计算显示,当SAR相干系数为0.8时,基于PALSAR的MAI测量精度优于0.08 m。针对同震SAR干涉图中的电离层干扰误差,本文提出基于SAR方位偏移量和断层模型的校正方法。为了获取高分辨SAR方位向偏移场,提出融合MAI和像素偏移追踪(Pixel Offset Tracking, POT)两种方法测量的方位向偏移思路,即综合利用SAR相位和振幅信息实现两者的优势互补。为了获取电离层干扰引起的方位向偏移,提出利用已有断层模型去除SAR方位向偏移中的地表形变贡献,从而改善电离层误差校正精度。以汶川地震T471轨道PALSAR20080229-20080531同震干涉对为例,进行了电离层误差校正实验。结果显示该干涉对中电离层相位最大贡献量约为17rad,对应地表约0.32m的LOS向形变。校正结果成功恢复了 T471轨道断层南盘的三个连续干涉条纹。计算显示,远场三个区域内干涉相位的标准差在校正后分别降低了 50%、65%和84%。针对基于DInSAR 一维视线向形变难以全面揭示同震形变特征,本文提出联合DInSAR、MAI 和形变梯度张量模型(Displacement Gradient Tensor,DGT)的 InSAR-DGT 3D形变计算方法。该方法首先利用DInSAR和MAI测量值采用经典线性反演方法估计地表初始3D同震变形场,然后根据DGT模型构建初始3D形变场中高质量合格点(Valid Points,VPs)与低质量点之间的函数关系,并采用加权最小二乘法重新估计3D同震位移。将该方法应用于2011年缅甸Mw6.8级Tarlay地震,结果显示InSAR-DGT可显着减少震中区域失相干空值点。相对于经典方法计算结果,InSAR-DGT可将东西、南北和垂直向的形变测量精度分别提高22%、36%和24%。精度分析显示当VPs数目超过80时,东西和垂直向的形变误差小于1cm;当VPs的数目超过166时,南北向的形变误差小于2 cm。根据3D形变结果,可以容易地判断Tarlay地震发震断层以左旋走滑为主,并伴随有微量的倾滑分量。为深入探讨3D同震形变场对地震特征解译的帮助和震源参数反演精度的影响,本文以2010年中国青海Mw6.9玉树地震为例,联合DInSAR和MAI测量并反演了其同震3D形变场。结果显示玉树地震造成地表在东西、南北、垂直向最大形变量分别达到-40.4、113.8和-65.7 cm。特别地,玉树地震的垂直向形变在以往研究中多被低估或者被忽略,而本文发现玉树以西6-30 km范围内的地表由于逆冲挤压发生明显的垂直向形变。根据3D形变计算地表位错形变场结果显示玉树地震产生了长约74 km的地表破裂带,走向约为300°。将发震断层划分为5段,基于Okada弹性位错模型非线性反演结果显示玉树地震发生在地壳浅层,断层上表面深度低于2km,除第2段断层以66.2°倾向于西南向外,其它断层均以近乎垂直的倾角(84°-89°)倾向于东北向。所有断层均以左旋走滑为主,但在第三段断层处呈现出明显的倾滑分量,弹性反演获得的地震矩为 2.43 × 1019 Nm,对应矩阵级为 Mw6.92,与 GCMT (Global Centroid Moment Tensor Catalog)公布结果近似。线性反演获的断层滑动分布显示,断层滑动集中于地表往下10 km内,并在靠近震中偏右深约5 km的位置有着最大2.23 m的滑动量。在与地震波、GPS、野外调查和单独LOS向形变等手段反演结果对比后发现,高分辨率的连续3D形变场对提升震源参数反演质量具有非常重要的价值。
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【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P315.7

【参考文献】