GNSS地殼異常形變信息探測(cè)理論與方法研究

侯 爭(zhēng)

河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454003

地震、火山噴發(fā)等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)前后常伴隨地殼的非線性運(yùn)動(dòng)，其狀態(tài)異于板塊和斷層的長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。其中，斷層慢滑移等瞬態(tài)蠕滑事件雖然滑動(dòng)速度慢，但能夠釋放巨大能量，對(duì)周邊巖石的應(yīng)力分布具有較強(qiáng)的調(diào)整作用。因此，慢滑移等地殼異常形變信息的探測(cè)和分析對(duì)探索斷層滑動(dòng)機(jī)制，評(píng)估區(qū)域地震危險(xiǎn)性意義重大。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著觀測(cè)資料日漸豐富，GNSS以其高精度、高時(shí)空分辨率的特點(diǎn)在地殼形變監(jiān)測(cè)、地球動(dòng)力學(xué)研究等領(lǐng)域凸顯了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。本文基于GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列，從噪聲特征分析、小尺度時(shí)空濾波方法對(duì)比、共模誤差提取、地殼異常信息探測(cè)和地殼形變特征分析等方面系統(tǒng)地研究了地殼異常形變信息的探測(cè)理論與方法。主要工作與結(jié)論如下：

(1) 以京津地區(qū)為例，利用地球物理資料研究了質(zhì)量負(fù)荷對(duì)GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列噪聲特征的影響。扣除質(zhì)量負(fù)荷后，N、E方向的譜指數(shù)分別呈現(xiàn)出增大和減小的不同趨勢(shì)；U方向的線性速度變化最為明顯，且北京強(qiáng)于天津；N、U方向的速度不確定性平均變化率分別為45.53%和37.85%。

(2) 針對(duì)小尺度區(qū)域，研究了疊加濾波、主成分分析和獨(dú)立成分分析的濾波特性。結(jié)果表明，3種方法均可有效濾波，濾波后GNSS坐標(biāo)序列的標(biāo)準(zhǔn)差降低了28%～47%，提取的共模誤差相關(guān)系數(shù)均大于0.7。區(qū)域疊加濾波和主成分分析的濾波效果相似，但存在過(guò)度濾波現(xiàn)象，獨(dú)立成分分析避免了過(guò)度濾波，且共模誤差的區(qū)域特征更強(qiáng)。

(3) 針對(duì)共模分量難以確定的問(wèn)題，提出貢獻(xiàn)值與空間響應(yīng)相結(jié)合的解決方法。對(duì)川滇地區(qū)GNSS網(wǎng)進(jìn)行時(shí)空分析，結(jié)果表明，N、E、U三個(gè)方向的共模誤差均為分形白噪聲，且存在58.07 d的共同周期，空間響應(yīng)呈現(xiàn)滇強(qiáng)于川的區(qū)域特征。此外，結(jié)合地震資料進(jìn)行時(shí)空分析，在水平方向上探測(cè)到3個(gè)可能與強(qiáng)烈地震密切相關(guān)的非線性信號(hào)。

(4) 提出了將獨(dú)立成分分析與相對(duì)強(qiáng)度指數(shù)相結(jié)合的無(wú)震蠕滑信息探測(cè)方法。通過(guò)獨(dú)立成分分析提高坐標(biāo)時(shí)間序列的信噪比；以相對(duì)強(qiáng)度指數(shù)為振蕩指標(biāo)，凸顯異常波動(dòng)；利用峰度值和累積分布函數(shù)，對(duì)信號(hào)波動(dòng)進(jìn)行量化，使異常信號(hào)更加明確。試驗(yàn)表明，該方法在提高GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列信噪比和確定異常信號(hào)測(cè)站分布方面效果顯著。

(5) 針對(duì)時(shí)空濾波、固化函數(shù)擬合等數(shù)據(jù)預(yù)處理可能引起的信息誤剔除和偽信號(hào)提取等問(wèn)題，深入研究了基于多通道奇異譜分析的慢滑移信息探測(cè)方法。一是綜合考慮慢滑移信號(hào)的波動(dòng)特征與現(xiàn)有成果，探討了遲滯窗口的選取方案，既確定了異常信號(hào)的性質(zhì)，又明確了慢滑移事件的起止時(shí)間。二是提出了將各測(cè)站振幅歸一化為空間響應(yīng)的方案，進(jìn)一步明晰慢滑移的空間分布，科學(xué)地揭示了斷裂帶的滑動(dòng)特征。通過(guò)與獨(dú)立成分分析和主成分分析的對(duì)比，證實(shí)了多通道奇異譜分析在確定慢滑移事件的起止時(shí)間、空間響應(yīng)方向和強(qiáng)度等3個(gè)方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(6) 基于地殼異常形變信息的探測(cè)結(jié)果，研究了四川省的地殼形變特征變化。結(jié)果顯示，相較于2009—2013年，2014—2016年龍門(mén)山斷裂帶的主應(yīng)變率、面膨脹率和最大剪應(yīng)變率均明顯減弱。其中，面壓縮應(yīng)變率由-7.18×10-8/a減至-3.27×10-8/a，最大剪應(yīng)變率降低了約3/4。相反，安寧河斷裂帶的面壓縮應(yīng)變率顯著增強(qiáng)，極值達(dá)-1.04×10-7/a。鮮水河斷裂帶的最大剪應(yīng)變率增強(qiáng)，且范圍擴(kuò)大。此外，龍門(mén)山斷裂帶和安寧河斷裂帶的基線長(zhǎng)變化進(jìn)一步印證了上述結(jié)論。