利用GPS资料分析震前地表位移阶段性特征

发布时间：2017-06-11 18:01

  本文关键词：利用GPS资料分析震前地表位移阶段性特征，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：GPS(Global Positioning System,全球定位系统)等空间大地测量技术的发展,观测精度已从传统测量的10-6提高到了10-8~10-9。依赖GPS的高观测精度,通过GPS台站所构成的观测网可描述在一定参考框架下的板块运动,达到监测地壳形变与运动的目的。随着中国地壳观测运动网络建设与数据共享的不断推进,我们能够获取的GPS观测资料日渐丰富。利用GPS观测资料可对长期大尺度的活动地块现代运动与变形特征进行描述,并且已经在中长期地震预测工作中发挥了积极的作用。中长期地震预测关注大地震将来可能发生的地点与强度,发震时间相对模糊;短临预测则需要在时间上逼近地震发生时刻,从而达到防震减灾的效果。GPS连续观测资料相当复杂,不仅包含了地壳运动信息,还包含了各种噪声和周期性非构造运动的信息。将丰富的GPS连续观测资料进行深入挖掘分析,提取与构造运动相关的多尺度的地壳运动与变形动态变化,可以从中认识震前地壳形变与运动特征。本文研究以GPS连续观测站的站点坐标三分量时间序列数据为数据源,利用台湾国立中正大学陈界宏提出的方法(Chen C H,2014),自主编程实现GPS数据的处理,利用多种数学方法综合分析GPS数据,获得了南北地震带上2013年芦山7.0级地震和2016年门源6.4级地震的震前地表位移特征,得到了以下初步结果。1.以发生在南北地震带中南段的芦山7.0级地震为例,选取震中周边(29.0°N~32.0°N,100.0°E~105.0°E)22个GPS连续观测台站资料为数据源(时间段:2012.04.20~2013.04.19)。通过以下步骤进行数据处理:1)剔除GPS观测数据中的奇异点;2)将站点坐标三分量时间序列数据进行希尔伯特黄变换(HHT),滤波频段为5.787×10-7~7.716×10-8Hz(等同周期20-150天);3)设定网格搜索半径、横纵向移动步长,计算表示区域运动一致性的GPS站水平位移矢量角度差,从而分析芦山地震震前区域GPS阶段性特征。计算结果显示,芦山7.0级地震的震前GPS水平向位移时空演化特征大致可分为三个阶段:第一阶段为震前第55天至第21天,表现为震中周边GPS台站运动无特定方向,且运动量级较小,没有明显的应力扰动;第二阶段为震前第20天至第8天,表现为震中西侧LS05、LS06、LS07三个GPS连续观测站有显著的北向位移(约0.5cm),是第一阶段运动量级的3~5倍;第三阶段为震前第7天至第2天,表现为各GPS台站水平位移再次呈无序随机状态,且量级回归到平均水平。该地震震前GPS台站运动的阶段性时空演化特征与台湾学者陈界宏获得的9.0级东日本大地震震前区域地表位移阶段性时空分布特征类似。2.以南北地震带北段的门源6.4级地震为例,选取研究区域(33.0°N~41.0°N,95.0°E~105.0°E)24个GPS连续观测台站数据资料(时间段:2015.01.01~2016.01.20),通过以下步骤对GPS数据进行分析:1)剔除研究区域内随机漂移严重的GPS台站与部分GPS台站中的奇异点后,将站点坐标三分量的时间序列数据进行希尔伯特黄变换(HHT),滤波频段为5.787×10-7~7.716×10-8Hz(等同周期20-150天);2)测试了不同参考框架下滤波结果的稳定性,并利用时序相关与互谱分析了门源地震震前滤波数据的短期位移微动态特征。分析结果表明,从门源地震前55天起,三个位于在青藏高原且垂直于发震断层面的GPS台站(QHME、QHMD、QHYS),其时间序列表现出高于平均运动水平的波状运动。震源机制解(走向141.0/倾角43.0/滑动角73.0)显示发震断层为北西走向的逆冲断层,震前所观测到的东北向运动幅度增强,与北西向断层逆冲破裂的构造动力作用方向一致,显示了门源地震震前构造应力场的变化有助于门源地震的发生。将不同参考框架的GPS观测资料进行输入计算,所得运动方向一致、量级不变,说明震前所记录的地壳运动不依赖于参考框架的选择,其运动特征具有客观性。同时,对比不同频段的结果初步认为选取滤波频段为5.787×10-7~7.716×10-8Hz(等同周期20-150天)较易识别震前地表位移特征。3.通过以上两个震例的研究与分析,明确了相关GPS连续观测台站所记录的地壳运动信息。台站LS01、LS04记录了华南板块西端的运动状态;同时,反映了华南板块的稳定性。台站LS07与LS08分别位于大邑-名山断裂带东西两侧,LS08所记录观测数据代表巴颜喀拉块体东南端的运动。QHME、QHMD、QHYS三个连续观测台站所记录的信息则反映了青藏高原向阿拉善块体与鄂尔多斯块体的推挤运动。4.芦山7.0级地震与门源6.4级地震分别位于南北地震带的中南段与北段,两者存在震级、发震构造等方面的差异。我们通过对震中附近GPS观测资料的分析,均捕捉到了震前应力扰动过程,说明从一年时间尺度以内的GPS连续观测资料中可以挖掘出有预测价值的地壳形变和地震孕育信息,有助于认识地震孕育与触发的形变动态过程,对地震预测和防震减灾工作具有重要意义。同时,加大GPS连续观测站的建设与投入、改善GPS连续观测站网络将更有助于科研人员利用GPS连续观测资料进一步认识地震孕育发生的形变过程。
【关键词】：GPS 希尔伯特黄变换 时序相关 互谱 波状运动 芦山地震 门源地震 微动态特征
【学位授予单位】：中国地震局地震预测研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P315.72
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 第一章 引言12-22
• 1.1 研究背景与意义12-16
• 1.2 国内外研究动态16-17
• 1.3 研究区域选择17-20
• 1.4 研究方法与思路20-22
• 第二章 理论与方法22-37
• 2.1 希尔伯特黄变换22-31
• 2.1.1 希尔伯特变换（Hilbert Transformation, HT）22-23
• 2.1.2 瞬时频率（Instantaneous Frequency, IF）23-24
• 2.1.3 固有模态函数（Intrinsic Mode Function, IMF）24-25
• 2.1.4 经验模态分解（Empirical Mode Decomposition, EMD）25-30
• 2.1.5 希尔伯特谱分析30-31
• 2.2 时域线性相关31
• 2.3 功率谱密度31-34
• 2.3.1 幅值平方相干函数（Magnitude Squared Coherence, MSC）32-33
• 2.3.2 相位差（Phase Lag）33-34
• 2.4 参考框架34-36
• 2.5 程序介绍36-37
• 第三章 利用GPS资料分析芦山 7.0 级地震震前区域位移变化37-46
• 3.1 区域地震构造背景38-39
• 3.2 GPS观测数据中奇异点的剔除39-40
• 3.3 震前地表形变特征40
• 3.4 短期GPS阶段性特征40-43
• 3.5 讨论与结论43-46
• 第四章 利用GPS资料获得门源 6.4 级地震震前短期微动态位移特征46-58
• 4.1 区域地震构造背景47-48
• 4.2 GPS数据准备48-49
• 4.3 希尔伯特黄变换、时序相关与互谱分析49-54
• 4.4 不同参考框架与不同频段的结果对比54-56
• 4.4.1 不同参考框架结果对比54-55
• 4.4.2 不同频段结果对比55-56
• 4.5 讨论与结论56-58
• 第五章 结论与展望58-61
• 5.1 论文的主要结论58-59
• 5.2 论文的不足59
• 5.3 展望59-61
• 参考文献61-70
• 致谢70-71
• 作者简介71-72
• 攻读硕士期间发表论文及参加项目情况72

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