GNSS地壳异常形变信息探测理论与方法研究

侯 争

河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454003

地震、火山喷发等构造运动前后常伴随地壳的非线性运动，其状态异于板块和断层的长期运动趋势。其中，断层慢滑移等瞬态蠕滑事件虽然滑动速度慢，但能够释放巨大能量，对周边岩石的应力分布具有较强的调整作用。因此，慢滑移等地壳异常形变信息的探测和分析对探索断层滑动机制，评估区域地震危险性意义重大。自20世纪90年代以来，随着观测资料日渐丰富，GNSS以其高精度、高时空分辨率的特点在地壳形变监测、地球动力学研究等领域凸显了强大的优势。本文基于GNSS坐标时间序列，从噪声特征分析、小尺度时空滤波方法对比、共模误差提取、地壳异常信息探测和地壳形变特征分析等方面系统地研究了地壳异常形变信息的探测理论与方法。主要工作与结论如下：

(1) 以京津地区为例，利用地球物理资料研究了质量负荷对GNSS坐标时间序列噪声特征的影响。扣除质量负荷后，N、E方向的谱指数分别呈现出增大和减小的不同趋势；U方向的线性速度变化最为明显，且北京强于天津；N、U方向的速度不确定性平均变化率分别为45.53%和37.85%。

(2) 针对小尺度区域，研究了叠加滤波、主成分分析和独立成分分析的滤波特性。结果表明，3种方法均可有效滤波，滤波后GNSS坐标序列的标准差降低了28%～47%，提取的共模误差相关系数均大于0.7。区域叠加滤波和主成分分析的滤波效果相似，但存在过度滤波现象，独立成分分析避免了过度滤波，且共模误差的区域特征更强。

(3) 针对共模分量难以确定的问题，提出贡献值与空间响应相结合的解决方法。对川滇地区GNSS网进行时空分析，结果表明，N、E、U三个方向的共模误差均为分形白噪声，且存在58.07 d的共同周期，空间响应呈现滇强于川的区域特征。此外，结合地震资料进行时空分析，在水平方向上探测到3个可能与强烈地震密切相关的非线性信号。

(4) 提出了将独立成分分析与相对强度指数相结合的无震蠕滑信息探测方法。通过独立成分分析提高坐标时间序列的信噪比；以相对强度指数为振荡指标，凸显异常波动；利用峰度值和累积分布函数，对信号波动进行量化，使异常信号更加明确。试验表明，该方法在提高GNSS坐标时间序列信噪比和确定异常信号测站分布方面效果显著。

(5) 针对时空滤波、固化函数拟合等数据预处理可能引起的信息误剔除和伪信号提取等问题，深入研究了基于多通道奇异谱分析的慢滑移信息探测方法。一是综合考虑慢滑移信号的波动特征与现有成果，探讨了迟滞窗口的选取方案，既确定了异常信号的性质，又明确了慢滑移事件的起止时间。二是提出了将各测站振幅归一化为空间响应的方案，进一步明晰慢滑移的空间分布，科学地揭示了断裂带的滑动特征。通过与独立成分分析和主成分分析的对比，证实了多通道奇异谱分析在确定慢滑移事件的起止时间、空间响应方向和强度等3个方面均具有明显优势。

(6) 基于地壳异常形变信息的探测结果，研究了四川省的地壳形变特征变化。结果显示，相较于2009—2013年，2014—2016年龙门山断裂带的主应变率、面膨胀率和最大剪应变率均明显减弱。其中，面压缩应变率由-7.18×10-8/a减至-3.27×10-8/a，最大剪应变率降低了约3/4。相反，安宁河断裂带的面压缩应变率显著增强，极值达-1.04×10-7/a。鲜水河断裂带的最大剪应变率增强，且范围扩大。此外，龙门山断裂带和安宁河断裂带的基线长变化进一步印证了上述结论。