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多手段InSAR技术研究及其在同震、震间形变监测中的应用

徐小波  
【摘要】:近年来,我国地震灾害频发,且强度大,分布广。2008年汶川地震、2010年玉树地震和2013年雅安地震等给当地居民带来了巨大的灾害损失。在地震孕育期间,孕震体介质必然产生形变。而地震的孕育发生与地壳形变有着非常密切的关系,地震的孕育和发生是地壳应力场异常活动导致地壳介质形变的结果。目前InSAR技术可很好地应用到地震的同震及震问形变当中,本文将相对完善的D-InSAR、PS-InSAR、CR-InSAR、以及CR/PS-InSAR技术应用到了同震、震间形变观测当中。在同震形变场研究方面,选取位于青藏高原东北缘的柴达木盆地,采用D-InSAR技术对发生在柴达木盆地的2008、2009年地震群进行了分析,同时开展了滑动反演及地震触发库伦应力分析。而对于断裂带的震间微小形变采用了较为前沿的CR-InSAR和PS-InSAR技术,以及两者结合的CR/PS-InSAR技术来分析研究,研究区同样选在了位于青藏高原东北缘的海原断裂带、天景山断裂及西秦岭北缘断裂这三条断裂上。本文的主要研究内容如下:1.研究了2008年和2009年大柴旦地震的形变特征、滑动分布及相互触发关系。利用常规D-InSAR技术对发生在青藏高原东北缘-柴达木盆地北缘的四个中等震级地震分别进行了研究,其中一个地震发生在2008年,另外三个发生在2009年。采用Envisat ASAR降轨数据获得了这四个地震的同震形变场。结果显示2008年地震形变场只有一个形变中心,而2009年地震有三个形变中心。2008、2009年地震引起的卫星视线向最大形变分别为0.097m和0.4m。基于弹性半空间模型和InSAR获得的地表形变场,反演了断层面滑动分布。对于2008年地震,采用了一分段断层模型,反演结果得出最大滑动为0.47m发生在地下19km处。对于2009年发生的三个地震,分析InSAR同震形变场形态后分别采用了一分段断层、两分段断层和三分段断层模型反演,结果得出三断层模型模拟的形变场最符合观测到的InSAR地表形变场且残差最小。同时通过计算库伦应力分析了2008、2009年地震之间的触发关系,结果表明发生在断层深部的2008年地震触发了2009年地震,而2009年地震发生在了断层浅部。同时基于三分段断层模型基础上分析研究了2009年主震对两个余震断层面上加载的库伦应力,将库伦应力与反演得到的滑动分布具有较好的一致性。所以认为库伦应力的加载在一定的程度上引发了地震。2.分析了角反射器在高分辨率SAR影像和中低分辨率SAR影像上的特征差异性,并分析了其产生的原因。分别在高分辨率TerraSAR影像上和中低分辨率的Envisat ASAR影像上详细分析了角反射器(CR点)的强度特征,得出1.5m三角锥形角反射器在高分辨TerraSAR影像上表现为十字丝形状,并且在十字丝中心有一块亮斑,该亮斑强度最大,在低分辨率的Envisat ASAR影像上表现占据4-6像素大小的块状亮斑。同时在高分辨TerraSAR影像上提取、分析了角反射器(CR点)的相位信息,得出1.5m三角锥形角反射器在该影像上同样也表现为十字丝形状,并且在十字丝中心有一块亮斑,与其强度特征一致,该影像特征与CR点的三角锥形状相关,三角锥形角反射器在其锥底回波反射强度最大,所以出现了中间强度、相位最大的情况。3.同时将CR-InSAR技术和PS-InSAR技术分别应用在同一地区,并对比分析了两种方法的特点。基于高分辨率TerraSAR数据的基础上分别采用了CR-InSAR、PS-InSAR技术对海原断裂带开展了震间形变研究。采用PS-InSAR技术对天景山断裂开展了震问形变研究,并采用相位标准差方法对天景山断裂震间形变PS点采用不同阈值回归分析以获取精确震间形变研究结果,得出海原断裂带震间CR-InSAR形变速率为21mm/yr,PS-InSAR技术形变研究得出海原断裂震间南北两盘形变速率差异处于2~3mm/yr之间,都表现为左旋走滑。且海原断裂带分别采用CR-InSAR技术、PS-InSAR技术监测研究结果较为一致,彼此相互验证了精度问题。同时分析总结了CR-InSAR技术、PS-InSAR技术单独解算的差异、适用性问题及精度。对于天景山断裂带PS-InSAR技术形变研究得出该断裂震间形变速率为39mm/yr,同样为左旋走滑。4.改进了利用CR和PS点构建形变监测控制网络的方法。结合CR-InSAR、 PS-InSAR技术(CR/PS-InSAR技术),提出利用CR点建立高等级监测控制网络,利用PS点建立二级网络的方法,首先将CR点构建一个高精度控制网,然后将PS点与CR点构建的高精度控制网联合构网解算,采用LAMBDA方法进行相位解缠,研究西秦岭北缘断裂带中断的微小形变,得出断裂带表现出左旋走滑运动特征,断裂带南盘平均形变速率为2.3mm/yr,北盘平均形变速率为-1.5mm/yr,南北两盘平均形变速率差异为3.8mm/yr,与其他学者GPS、地质测年研究成果相近。并对研究区内的角反射器(CR点)安装、影像特征分析及形变解算进行了较为详细的论述,并对比分析了CR、PS点联合构网和PS点单独构网解算结果,得出对地质环境复杂的断裂带做永久散射体形变研究时,CR、PS点联合构网解算结果较好、研究结果更为可靠。说明CR、PS点联合构网中,CR点由于其自身的高稳定特性,对整个解算网络起到了很好的整体控制作用,保证了解算结果正确。


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