GNSS地壳形变与断层活动特征研究

【摘要】：地震大地测量学开启了精确测量和研究现今大陆变形动力系统演化及其地震行为的新篇章,在厘清地壳变形模式、板块运动特征、断层耦合规律、应力传输机制、地震孕育行为和地震破裂模式等方面发挥着举足轻重的作用。空间大地测量技术(如Global Navigation Satellite System(GNSS)、Interferometric Synthetic Aperture Radar(InSAR)和卫星重力观测技术)以前所未有的时空分辨率和精度对地壳运动特征进行定量描述、对断层活动行为进行科学评定和对地球物理现象进行最优诠释。GNSS技术的快速发展和全球普及为我们洞悉地壳变形特征、板块运动模式和断层活动规律提供科学依据,同时为评估地震风险、实现地震预报和进行地震预警提供科学指导。本论文以GNSS技术为观测手段,以地震大地测量相关理论为研究基础,提取地震周期内震间、同震和震后地壳变形;基于震间速度数据研究地壳应变、块体运动和断层闭锁程度;基于同震位移数据调查断层滑动分布并分析库仑应力变化;基于震后变形数据定量震后变形机制和约束岩石圈介质参数。本论文提取并建模汶川地震、尼泊尔地震和新西兰地震的震间、同震和震后变形,分析地震周期内不同阶段的地壳变形特征和断层运动状态。主要开展的工作与取得的成果如下:1)本论文设计一套通用的GNSS坐标时间序列分析方案,包括粗差剔除、参数估计、空间滤波和速率内插四个方面,该方案能够提取地震周期内震间、同震和震后地表变形。汶川地震的震间水平速度场(IGS08)指向东南偏东方向,水平速度场大致在[29.9,57.3]mm/yr范围内,垂直速度的范围为[-7.1,8.4]mm/yr;四川盆地测站同震变形在龙门山中段以逆冲为主,水平变形指向西北,垂直变形表现下沉;震后变形维持着同震运动趋势,其在川西高原较为活跃,而在四川盆地十分微小(5 mm)。尼泊尔地震的震间水平速度场(IGS08)指向东北方向,水平速度范围为[39.4,54.7]mm/yr,垂向速度范围为[-113.5,7.0]mm/yr;同震变形主要位于中心尼泊尔地区,以逆冲为主,兼具少量右旋走滑特征;震后变形保持着同震变形模式,但呈现更大的空间波长,水平变形最大测站为CHLM(33.4 mm),垂向抬升明显测站为MKLU(30.0 mm)。新西兰地震的震间水平速度场(IGS08)指向西北方向,其量级大约为[28.2,47.2]mm/yr,垂直震间速率为[-8.8,2.7]mm/yr。同震变形在Canterbury北部区域以右旋倾滑为主,在Marlborough断层区域以右旋走滑为主。震后变形持续向东北方向运动,在空间上衰减相对缓慢,水平变形最大测站为LOK1(42.4 mm),抬升最大测站为CMBL(42.3 mm)。2)介绍地震大地测量研究领域的震间变形建模问题,归纳总结了利用GNSS震间速度场数据研究地壳应力应变、块体运动参数和断层活动特征的理论、内容、方法和意义。本论文调查了喜马拉雅地区的地壳形变特征,结果表明整个喜马拉雅构造带的主压形变相当活跃,最大主应变率的平均值为10.0 nanostrain/yr,最大值为35.5nanostrain/yr,最小主应变率的平均值为-25.1 nanostrain/yr,最小值为-85.6 nanostrain/yr;该地区的最大剪应变率的平均值为35.1 nanostrain/yr,最大值为87.8 nanostrain/yr,表明整个喜马拉雅构造带积累了大量的弹性能量;面膨胀率的变化范围为[-88.8,16.9]nanostrain/yr,平均值为-15.1 nanostrain/yr,说明了该区域的压缩变形尤为突出。震间断层耦合调查结果显示整个主喜马拉雅推挤断层的强闭锁状态沿断层倾向超过100 km,震间矩张量亏损速率为1.51×10~200 Nm/yr;在尼泊尔境内,断层闭锁深度由西向东快速增加,在中部地区强闭锁深度超过30 km,而2015年Mw 7.8 Gorkaha主震和Mw 7.3强余震正好位于孕震断层的强闭锁区域。3)介绍地震大地测量研究领域的同震变形建模问题,归纳总结了同震变形建模的相关概念、研究内容和研究意义,重点介绍了同震滑动反演和库仑破裂准则的建模思路和研究方法。本论文通过构建两种不同的断层模型(FM1、FM2)研究汶川地震的同震变形,发现两种建模结果在滑动集中区域、峰值运动、运动方向和数据模型相关性等方面高度一致。因此,本论文断定汶川地震的同震模型不甚敏感于深部断层几何,需要依靠空间波长更大的震后变形进行约束。本论文收集目前最全面的GNSS数据进行尼泊尔地震的同震建模,结果表明同震滑动以逆冲运动为主,兼有少量右旋走滑运动;同震滑动分布于主震和最大余震震中之间,介于11-20 km深度,滑动最大值为~6.26 m;此次地震释放的地震矩为~7.13×10~(20) Nm(Mw~7.8)。本论文利用丰富的同震数据和简化的断层模型调查新西兰地震的一阶破裂特征,结果表明该模型能很好地解释地表变形,同震滑动主要位于浅层的地壳断层,最大可达~25 m;此次地震累积释放地震矩可达~8.28×10~(20) Nm(Mw~7.9);主震区域的库仑应力增加达到MPa级,且在不同的深度上呈现多样性,毫无疑问地揭示了此次多断层破裂的复杂性。4)介绍地震大地测量研究领域的震后变形建模问题,概述了震后变形的相关概念、主要内容和目的意义,并重点介绍了孔隙回弹、耐震余滑和粘弹性松弛的相关物理含义、模型本构关系、时空变形特征、震后变形解释等。本论文发现基于FM1和FM2两种模型得到的汶川地震震后反演结果差异很大,且FM1模型能很好地解释该地震的震后变形,因此推测北川断层(Beichuan fault,BCF)的最优断层模型是深部为滑脱层的铲状结构;震后反向变形是由BCF浅层的反向余滑引起,其可能是由于同震阶段浅层滑动的动力学过冲导致。本论文建模分析了尼泊尔地震的震后余滑和粘弹性松弛两种变形机制,结果表明余滑主要分布在同震破裂带的北部区域,并控制着绝大部分的震后变形;粘弹性变形相对较小,保守估计青藏高原南边缘中-下地壳粘滞系数为1.6×10~(19)Pas;研究还发现主震破裂面的浅部和西部地区在同震和震后阶段都未破裂,综合分析得出尼泊尔地区的地震风险进一步加强。本论文分析了新西兰地震触发的余滑和慢滑移的时空变化特征,发现震后余滑不仅分布于浅层地壳断层,而且明显出现在深部的俯冲板块界面;该地震还触发Kapiti深部和东海岸浅部的慢滑移事件,东海岸的慢滑移运动的量级相对较小(~15 cm),且活跃时间相对较短(2-3周),极有可能是同震动态应力触发所致,深部的慢滑移运动量级较大(30 cm),且持续时间较长(1年),极有可能是同震静态应力触发所致。