GNSS地殼異常形變信息探測理論與方法研究

侯 爭

河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454003

地震、火山噴發等構造運動前后常伴隨地殼的非線性運動，其狀態異于板塊和斷層的長期運動趨勢。其中，斷層慢滑移等瞬態蠕滑事件雖然滑動速度慢，但能夠釋放巨大能量，對周邊巖石的應力分布具有較強的調整作用。因此，慢滑移等地殼異常形變信息的探測和分析對探索斷層滑動機制，評估區域地震危險性意義重大。自20世紀90年代以來，隨著觀測資料日漸豐富，GNSS以其高精度、高時空分辨率的特點在地殼形變監測、地球動力學研究等領域凸顯了強大的優勢。本文基于GNSS坐標時間序列，從噪聲特征分析、小尺度時空濾波方法對比、共模誤差提取、地殼異常信息探測和地殼形變特征分析等方面系統地研究了地殼異常形變信息的探測理論與方法。主要工作與結論如下：

(1) 以京津地區為例，利用地球物理資料研究了質量負荷對GNSS坐標時間序列噪聲特征的影響。扣除質量負荷后，N、E方向的譜指數分別呈現出增大和減小的不同趨勢；U方向的線性速度變化最為明顯，且北京強于天津；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) 針對小尺度區域，研究了疊加濾波、主成分分析和獨立成分分析的濾波特性。結果表明，3種方法均可有效濾波，濾波后GNSS坐標序列的標準差降低了28%～47%，提取的共模誤差相關系數均大于0.7。區域疊加濾波和主成分分析的濾波效果相似，但存在過度濾波現象，獨立成分分析避免了過度濾波，且共模誤差的區域特征更強。

(3) 針對共模分量難以確定的問題，提出貢獻值與空間響應相結合的解決方法。對川滇地區GNSS網進行時空分析，結果表明，N、E、U三個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，空間響應呈現滇強于川的區域特征。此外，結合地震資料進行時空分析，在水平方向上探測到3個可能與強烈地震密切相關的非線性信號。

(4) 提出了將獨立成分分析與相對強度指數相結合的無震蠕滑信息探測方法。通過獨立成分分析提高坐標時間序列的信噪比；以相對強度指數為振蕩指標，凸顯異常波動；利用峰度值和累積分布函數，對信號波動進行量化，使異常信號更加明確。試驗表明，該方法在提高GNSS坐標時間序列信噪比和確定異常信號測站分布方面效果顯著。

(5) 針對時空濾波、固化函數擬合等數據預處理可能引起的信息誤剔除和偽信號提取等問題，深入研究了基于多通道奇異譜分析的慢滑移信息探測方法。一是綜合考慮慢滑移信號的波動特征與現有成果，探討了遲滯窗口的選取方案，既確定了異常信號的性質，又明確了慢滑移事件的起止時間。二是提出了將各測站振幅歸一化為空間響應的方案，進一步明晰慢滑移的空間分布，科學地揭示了斷裂帶的滑動特征。通過與獨立成分分析和主成分分析的對比，證實了多通道奇異譜分析在確定慢滑移事件的起止時間、空間響應方向和強度等3個方面均具有明顯優勢。

(6) 基于地殼異常形變信息的探測結果，研究了四川省的地殼形變特征變化。結果顯示，相較于2009—2013年，2014—2016年龍門山斷裂帶的主應變率、面膨脹率和最大剪應變率均明顯減弱。其中，面壓縮應變率由-7.18×10-8/a減至-3.27×10-8/a，最大剪應變率降低了約3/4。相反，安寧河斷裂帶的面壓縮應變率顯著增強，極值達-1.04×10-7/a。鮮水河斷裂帶的最大剪應變率增強，且范圍擴大。此外，龍門山斷裂帶和安寧河斷裂帶的基線長變化進一步印證了上述結論。