地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測

1、1地殼運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測地殼運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測CCCC2011.12.252011.12.252 概論概論 地殼運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測地殼運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測 基于基于GPSGPS觀測數(shù)據(jù)的汶川觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析地震斷層形變反演分析1 23Contents31. 概述v 地殼運(yùn)動(dòng)的概念： 在地球內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力的作用下，所引起的地殼一些元素的相對運(yùn)動(dòng)。它們可以是垂直運(yùn)動(dòng)、水平運(yùn)動(dòng)或地傾斜運(yùn)動(dòng)。v 地殼運(yùn)動(dòng)分為： 長期運(yùn)動(dòng)：時(shí)間尺度由幾千年到幾百萬年； 與板塊運(yùn)動(dòng)有關(guān)。 瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)：地震和火山活動(dòng)相聯(lián)系。41. 概述v監(jiān)測地殼運(yùn)動(dòng)的目的：（1）測定板塊運(yùn)動(dòng)參數(shù)；（2）測定大陸板塊和海洋板塊的內(nèi)部形 變；（3）測定板塊邊界與

2、大地震有關(guān)的區(qū)域形變和應(yīng)變累積；（4）測定其他地震活動(dòng)區(qū)的區(qū)域形變和局部形變。5 1. 概述地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)測網(wǎng)全球板塊運(yùn)全球板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)區(qū)域地殼運(yùn)區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)局部地殼運(yùn)局部地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)61. 概述v 全球板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng) 用于監(jiān)測板塊運(yùn)動(dòng)參數(shù)和板塊內(nèi)部形變，一般要求在每一大板塊上的穩(wěn)定部分，至少布設(shè)3個(gè)測站。71. 概述v區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng) 空間尺空間尺度由幾百公里到1000km的瞬變構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，一般稱為區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)。為了建立區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)，現(xiàn)在都采用空間大地測量技術(shù)。對于了解區(qū)域應(yīng)變積累情況有著重要意義。因?yàn)閿鄬酉到?jīng)常很復(fù)雜，斷裂

3、并不是說簡單發(fā)生在某一可確定的界面上。81. 概述v 局部地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)局部地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng) 局部地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測用于測定地震活動(dòng)區(qū)的局部形變。這種網(wǎng)中，需要各種不同的距離（由幾百米到幾十公里）測定個(gè)點(diǎn)的相對水平位置和高差。由于距離變幅較大，網(wǎng)的布局一般比較復(fù)雜，有時(shí)候需要大網(wǎng)中插入小網(wǎng)。9v1985-19861985-1986年，年，中國第二次中國第二次南極考察期南極考察期間，測繪考間，測繪考察隊(duì)在菲爾察隊(duì)在菲爾德斯海峽斷德斯海峽斷層裂隙帶上層裂隙帶上布設(shè)了第一布設(shè)了第一個(gè)地殼運(yùn)動(dòng)個(gè)地殼運(yùn)動(dòng)形變監(jiān)測網(wǎng)。形變監(jiān)測網(wǎng)。1. 概述101. 概述v這樣的網(wǎng)對于評價(jià)現(xiàn)代板塊大地構(gòu)造學(xué)說，對于深化人們對于應(yīng)變

4、積累的認(rèn)識，以及對于震中周圍廣大地區(qū)的震前、同震和震后運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識，具有重大的價(jià)值。111. 概述v地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的技術(shù)發(fā)展： 在大地測量技術(shù)出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)的大地測量方法曾經(jīng)起到過很重要的作用。三角測量和水準(zhǔn)測量都是通過重復(fù)測量來監(jiān)測地殼運(yùn)動(dòng)的。三角測量精度偏低，在廣闊的板塊邊緣地帶，地殼運(yùn)動(dòng)速度很小（地震除外）。因此，三角測量重復(fù)周期是20-30年時(shí)，才能得到地殼水平運(yùn)動(dòng)可信的結(jié)果。三角測量顯然不能監(jiān)測地面點(diǎn)的短期水平位移。所以，在地殼水平運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中，三角網(wǎng)已被淘汰。121. 概述v在20世紀(jì)40年代末出現(xiàn)的光電測距技術(shù)，50年代風(fēng)行一時(shí)，曾引起了大地測量不小的改革。但這一勢頭只是曇花一現(xiàn)。日前

5、除了美國在圣安德列斯斷層上用雙色激光測距儀布設(shè)若干個(gè)三邊測量網(wǎng)之外，全球地殼水平運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測一律采用空間大地測量方法了。131. 概述v為了測定現(xiàn)代地殼垂直運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)上都采用重復(fù)精密水準(zhǔn)測量。此法存在一些固有的缺陷： 第一，作業(yè)效率低； 第二，由于地面折射引起的系統(tǒng)誤差的積累 第三，重復(fù)水準(zhǔn)測量所得的高程變化不完全是地殼垂直運(yùn)動(dòng)，含有地殼質(zhì)量遷移引起的大地水準(zhǔn)變化。141. 概述v空間定位技術(shù)，直接測定地面點(diǎn)大地高的變化，作業(yè)效率高，不存在系統(tǒng)誤差積累問題，也不受大地水準(zhǔn)面變化的影響，可以說完全克服了水準(zhǔn)測量固有的缺陷。v可惜，空間大地測量中，大地高對于大氣層傳播延遲特別敏感，這問題尚未得到圓滿

6、解決。大地高由此產(chǎn)生的誤差可能比水平位置誤差大幾倍。151. 概述v為了測定全球板塊運(yùn)動(dòng)，需要利用VLBI或SLR測量板塊之間的長基線。GPS高度運(yùn)動(dòng)性；用于VLBI站和SLR站之間的加密，站間距離可以達(dá)到人們所希望的程度，使用于區(qū)域和局部地殼運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測。VLBISLRGPS具有高度空間具有高度空間分辨率和時(shí)間分辨率和時(shí)間分辨率的地殼分辨率的地殼運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)。運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)。162.地殼變形的監(jiān)測 中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)位分布圖中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)位分布圖172.地殼變形的監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)基本網(wǎng)點(diǎn)基本網(wǎng)點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)區(qū)域網(wǎng)中國地殼中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)（共網(wǎng)（共1081個(gè)點(diǎn)）個(gè)點(diǎn)）點(diǎn)間距點(diǎn)間距1

7、000km1000km左右，為左右，為GPSGPS常年連續(xù)觀測點(diǎn)；常年連續(xù)觀測點(diǎn)；點(diǎn)間距約點(diǎn)間距約500km500km，為定期，為定期復(fù)測點(diǎn)。復(fù)測點(diǎn)。點(diǎn)間距約幾十到百千米，為點(diǎn)間距約幾十到百千米，為不定期復(fù)測點(diǎn)，全國范圍內(nèi)不定期復(fù)測點(diǎn)，全國范圍內(nèi)分布不均，較密集地分布在分布不均，較密集地分布在地殼運(yùn)動(dòng)活躍地區(qū)。地殼運(yùn)動(dòng)活躍地區(qū)。182.地殼變形的監(jiān)測 v板塊構(gòu)造理論有兩項(xiàng)基本原則： （1）板塊內(nèi)部是剛性的； 利用已建立的全球板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)，重復(fù)監(jiān)測位于同一板塊上得各站之間的極限，以檢驗(yàn)它的穩(wěn)定性。在1976-1984年間利用VLBI測量了一條橫跨美國大陸的基線，得出測期間平均長度年變率0.20

8、.2cm。初步證實(shí)北美板塊內(nèi)部接近剛性的。 （2）板塊邊界是狹窄的。 這是不符合實(shí)際情況的，它不能描述寬度達(dá)到幾百甚至上千公里的大陸板塊邊界內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這一事實(shí)已為人們公認(rèn)了。192.地殼變形的監(jiān)測 v相對板塊運(yùn)動(dòng)由平行于板塊運(yùn)動(dòng)的、而且嚴(yán)格局限于板塊邊界內(nèi)的斷層形變來調(diào)節(jié)；這是一種理想的情況。實(shí)際上板塊邊界一般具有混合性質(zhì)，既有平行于邊界的運(yùn)動(dòng)，也有垂直于邊界的運(yùn)動(dòng)。這有兩種運(yùn)動(dòng)可以被分割為一些獨(dú)立的形變帶。沿著板塊邊界，為了容納形變，往往產(chǎn)生地塊旋轉(zhuǎn)。形變分割和地塊旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象對于板塊邊界產(chǎn)生地震災(zāi)害有著重要意義。202.地殼變形的監(jiān)測 v日前監(jiān)測地殼形變的大地測量技術(shù)還不算完善。在大部分板

9、塊邊界上，應(yīng)變的年積累量小于5107/a（同震偏移除外），即使在最精確的情況下，這樣的量值比誤差大不了多少。因此，由監(jiān)測見過只能監(jiān)測出應(yīng)變率很緩慢的變化。v由于形變監(jiān)測產(chǎn)生的問題往往比多于答案。形變監(jiān)測的其他大地測量技術(shù)使用伸縮儀和傾斜儀，他們是連續(xù)記錄的儀器。伸縮儀能監(jiān)測很小的應(yīng)變率，短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到10-11的量級，但非常費(fèi)事，往往有多義性。產(chǎn)生的噪聲多于信號。212.地殼變形的監(jiān)測 v監(jiān)測區(qū)域地殼水平變化，側(cè)重采用GPS。周密地設(shè)計(jì)監(jiān)測網(wǎng)，GPS可以直接測量地塊的旋轉(zhuǎn)。例子： 在斷層的鎖閉段，應(yīng)變積累只擴(kuò)及到斷層2倍斷層深度處（在圣安德烈斷層是40km）； 美國加州和新西蘭的應(yīng)變型式那樣

10、， 由一系列斷層來調(diào)節(jié)這種應(yīng)變區(qū)可以擴(kuò)及到幾百公里。222.地殼變形的監(jiān)測 v為了描繪廣闊板塊邊界復(fù)雜的應(yīng)變場，既要求所采用的大地測量方法具有高精度，又要求它具有密集空間覆蓋能力。大地測量的精度可以表示為： =（a2+b2L2）1/2 式中L是基線長度（站間距離）；a和b是兩個(gè)常數(shù)，分別代表與長度無關(guān)和有關(guān)的誤差源。對于高精度的大地測量，a=3mm，b=2107。232.地殼變形的監(jiān)測 v在空間大地測量中，只有GPS最適用于監(jiān)測具有復(fù)雜應(yīng)變型式的區(qū)域。這不僅是因?yàn)樗哂袃r(jià)廉、靈活、高數(shù)據(jù)收集率、密集空間覆蓋和使用方便等方面的優(yōu)勢，而且還因?yàn)樗梢灾苯訙y定所需要的相對運(yùn)動(dòng)，特別是測定地塊旋轉(zhuǎn)。2

11、42.地殼變形的監(jiān)測 v關(guān)于GPS的精度，根據(jù)長度為50-450km的基線三次試驗(yàn)的結(jié)果，所得的短期精度統(tǒng)計(jì)如下：南北分量：1.9mm+1.6108L東西分量：2.1mm+1.3108L 垂直分量的精度平均為17mm，與距離無顯然關(guān)系。v關(guān)于長期精度，根據(jù)往年基線向量觀測結(jié)果，對于450km以下的基線，精度統(tǒng)計(jì)如下：南北分量：3.4mm+1.2108L東西分量：5.2mm+2.8108L 垂直分量：11.7mm+13.0108L252.地殼變形的監(jiān)測 v 根據(jù)GPS試驗(yàn)結(jié)果，可以得出一下結(jié)論： 第一，為了在大約600km的距離上精確的測定斷層運(yùn)動(dòng)速度，GPS的能力與VLBI相當(dāng)，兩者之間水平分

12、量的符合度良好； 第二，GPS能在4年期間以2mm/a的中誤差測定地殼變形率。 第三，為了監(jiān)測區(qū)域變形和斷塊運(yùn)動(dòng)速度，適宜的基線長度是50-500km（或稍長）。 第四，GPS同VLBI和地面電磁波測距的符合度良好，證明它沒有顯著的系統(tǒng)誤差。 第五，VLBI與GPS的測高精度偏低，其原因一，測高受到觀測幾何條件的限制，只能觀測地平之上的目標(biāo)；二是大氣層濕延遲誤差影響。263. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析v2008年5月12日發(fā)生在四川龍門山地區(qū),汶川縣境內(nèi)的8.0級地震，造成了重大人員傷亡。地質(zhì)災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失。地震所在區(qū)域位于青藏高原東緣與四川盆地交界，是由青藏高原向東強(qiáng)烈擠

13、壓四川盆地而形成的高山地區(qū)，屬我國境內(nèi)的南北地震帶。GPS觀測到的跨龍門山斷裂帶10年時(shí)間尺度的現(xiàn)今構(gòu)造變形不超過2mm/a,與地質(zhì)尺度的觀測量一致。273. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析v利用GPS可實(shí)時(shí)監(jiān)測斷層的活動(dòng)性質(zhì),特別是在斷層活動(dòng)性較強(qiáng)的地區(qū)布設(shè)密集的GPS監(jiān)測點(diǎn),可為地震預(yù)測提供詳細(xì)資料。美國利用GPS已經(jīng)建立了南加利福尼亞整體網(wǎng)；舊金山海灣區(qū)域變形網(wǎng)，為該區(qū)的地形變研究提供了豐富的研究資料。事實(shí)上，除了在斷層發(fā)震前后布設(shè)的GPS觀測變形主要反映為斷層作用。對于長期布設(shè)的GPS觀測點(diǎn)，其監(jiān)測到的地面變形除了有因各種斷層滑動(dòng)產(chǎn)生的變形場外，主要是與該點(diǎn)所在塊體的整體

14、運(yùn)動(dòng)有關(guān)。283. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析v美國、日本以及歐洲等國家建立了大量的GPS連續(xù)運(yùn)行站以監(jiān)測各自區(qū)域內(nèi)的地震活動(dòng)帶。例如，1999年臺灣集集地震,2003年印尼大地震,2005年昆侖山口大地震，GPS觀測數(shù)據(jù)提供了地震區(qū)域活動(dòng)斷層位移和地殼流變屬性。293. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析v由于地震局觀測的點(diǎn)于2007年觀測，需轉(zhuǎn)換觀測歷元。利用國際IGS站和國內(nèi)跟蹤站的精確坐標(biāo)和速度場，分別求出國內(nèi)GPS跟蹤站震前和震后的結(jié)果(歷元同為2008.363)。再利用國內(nèi)GPS跟蹤站震前和震后的結(jié)果，作為計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)震前和震后的基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得震區(qū)

15、監(jiān)測點(diǎn)的同震變形信息。30v 從圖1可以看出，同震形變最大為H035(北川)點(diǎn)，水平方向達(dá)到2.3m,垂向?yàn)?.68m;同時(shí)也可以明顯看出,震源處并不是地震發(fā)生時(shí)變形最大區(qū)域,汶川、青川、北川等區(qū)域?qū)崪y變形較大。另外，地震破裂時(shí)瞬間的應(yīng)力變化主要作用在斷層附近區(qū)域，而距離斷層受力范圍較遠(yuǎn)點(diǎn)的變形很小。3. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析圖圖1 GPS觀測的同震變形觀測的同震變形313. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析v現(xiàn)有震源機(jī)制資料研究結(jié)果顯示，此次地震發(fā)生在龍門山斷層，汶川大地震為逆沖、右旋、擠壓型斷層地震。發(fā)震構(gòu)造是龍門山構(gòu)造帶中央斷裂帶，在擠壓應(yīng)力作用下，由

16、南西向北東逆沖運(yùn)動(dòng)。這次地震屬于單向破裂地震，由南西向北東遷移，致使余震向北東方向擴(kuò)張，擠壓型逆沖斷層地震在主震之后，應(yīng)力傳播和釋放過程比較緩慢，因此導(dǎo)致余震強(qiáng)度較大，持續(xù)時(shí)間較長。323. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析v此次地震發(fā)生的震源參數(shù)有： 震源深度：南段較深20km;北段較淺10km; 震源機(jī)制:走向230傾向西北.傾角40。 逆沖兼右旋走滑： 斷層長度：300km, 斷層寬度:南端30km,北端15km; 破裂方式:向北東方向的單側(cè)破裂;破裂速度:2.8-3.1km/s; 破裂持續(xù)時(shí)間:總持續(xù)時(shí)間約120s,但主要的能量釋放時(shí)間約70s; 滑動(dòng)分布:5個(gè)塊體（映秀鎮(zhèn)

17、.汶川兩個(gè).北川.青川.康定南)333. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析v中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)在川西這一區(qū)域布設(shè)了近200個(gè)GPS觀測點(diǎn),歷經(jīng)四期非連續(xù)觀測(1999年、2001年、2004年、2007年），其中龍門山斷層帶也布設(shè)了大量的點(diǎn)?；跀鄬游诲e(cuò)理論的反演結(jié)果表明龍門山斷層為一般活躍斷層，年活動(dòng)量大約在3.9mm左右,而鮮水河斷層等的運(yùn)動(dòng)超過1cm/a。343. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析v收集了震后發(fā)生的地震縱、橫波，通過有限元方法快速反演了地震斷層的位錯(cuò)參數(shù)，該方法將汶川地震斷層沿走滑方向15km一個(gè)點(diǎn)，共21段。寬度沿傾滑方向5km一段，劃分了8段

18、，共劃分了,218個(gè)子塊體。反演后的斷層顯示距離震源50km50km處、180km180km處有兩個(gè)滑動(dòng)明顯區(qū)域，均達(dá)到8-9m滑動(dòng),深度分別在6-10km,12km處。353. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析v首先基于其斷層參數(shù)結(jié)果正演震區(qū)已有GPS觀測點(diǎn)同震變形,并與實(shí)際觀測比較（圖2）。363. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析空心箭頭為空心箭頭為GPSGPS觀觀測值測值; ;實(shí)線箭頭為正演值實(shí)線箭頭為正演值; ;坐標(biāo)軸單位坐標(biāo)軸單位kmkm；五角星代表震源五角星代表震源, ,黑色虛線代表龍門黑色虛線代表龍門山地震斷層跡線。山地震斷層跡線。圖圖2 2 地震波反演

19、斷層參數(shù)正演同震形地震波反演斷層參數(shù)正演同震形變圖變圖373. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析v從圖2可以看出，距離斷層較遠(yuǎn)區(qū)域觀測點(diǎn)與正演值符合的較好，方向大小基本一致，而在主震區(qū)，如汶川.北川.青川等地有明顯較大的偏差，由于反演結(jié)果僅考慮了全球地震波，而這些高頻數(shù)據(jù)反映的是全球的信息，遠(yuǎn)非地面實(shí)測的局部變形信息更能反應(yīng)地震斷層活動(dòng)機(jī)制，必然會(huì)帶來一定的誤差。38v一般來說，斷層位錯(cuò)模型參數(shù)計(jì)有斷層位置、方位角、深度、傾角、長度、寬度、走滑量等參數(shù)。為簡單起見，現(xiàn)僅反演斷層滑動(dòng)量參數(shù)，而對位置、角度等參數(shù)均固定不反演，反演模型可表示為：3. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變

20、反演分析mkG220d其中其中，d d為觀測值為觀測值( (由于由于GPSGPS垂向觀測精度低垂向觀測精度低, ,因此僅因此僅以水平方向位移作為觀測值以水平方向位移作為觀測值),), 2 2為拉普拉斯平滑算為拉普拉斯平滑算子子。39v可用滑動(dòng)量的二階差分近似代替,k2為平滑因子，G為格林函數(shù)矩陣,依據(jù)Okada的均勻彈性半空間位錯(cuò)模型,定義,如下:3. 基于GPS觀測數(shù)據(jù)的汶川地震斷層形變反演分析v 它表示單位走滑和單位傾滑在地表產(chǎn)生的形變量。不同斷層幾何結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同的格林函數(shù)矩陣，矩陣中SS,DS 分別表示1m走滑和1m傾滑,下標(biāo)n表示反演觀測值數(shù)據(jù)編號,上標(biāo)m表示斷層的段號。 mnmnnnnmmmmDSSSDSSSDSSSDSSSDSSSDSSSD