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上帝视角看地震

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根据观测到的地表形变,结合震源表示定理:

美籍英裔数学物理学家戴森在2008年曾做过一个演讲,名为《鸟与青蛙》。有些数学家是鸟,其他的则是青蛙。鸟翱翔在高高的天空,俯瞰延伸至遥远地平线的广袤数学远景。(Some mathematicians are birds, others are frogs. Birds fly high in the air and survey broad vistas of mathematics out to the far horizon.)

其实,在地震学研究中,也有这样的上帝视角,那就是卫星观测,更具体一点,为干涉合成孔径雷达(InterferometricSynthetic Aperture Radar, InSAR)观测。

地震研究挑战性为何如此之大?一个很重要的原因就是我们人类目前积累的观测数据仍十分有限。比如,详细的地震目录(即记录地震发生时间、地点、深度与震级)不过100来年,地震破裂造成地面震动的观测数据(地震波形数据)也不过100来年。这大大限制了我们对地震的深入认识,毕竟:

没有数据,就没有科学

No Data, NoScience.

近年来,卫星大地测量技术的兴起,大大扩展了观测数据类型。例如,我们可以利用GPS来测量地表形变,利用此形变数据就能进行地震发生时破裂区域反演,数年至数十年震后变形反演地壳与上地幔流变结构,及震间断层闭锁程度反演等,这在一定程度加深了我们对地震的认识。


Wang and Shen 2020

然而,地表GPS台站的布设其实是非常昂贵的,这既包括仪器成本,更有后期维护的高额开销。笔者在硕士期间曾在青藏高原进行过GPS观测,不算仪器成本,课题组每天在野外的开销(吃、住、行、租车、劳务等)平均都是几千元。

幸运的是,目前有一种叫做干涉合成孔径雷达(InSAR)的观测,能大大缓解此问题。该技术覆盖范围广,能达到50-100平方公里(而地表GPS为一个个的点),精度高(毫米级变形)。

InSAR基本原理为:利用卫星在同一地点两次或多次观测回波的相位差,来确定地表形变量。





我们很容易得到断层上的位错分布。

1993年,Nature封面文章报道了InSAR监测1992年Landers地震的结果,这在某种程度上意味着地震形变研究进入一个新的时代。



近年来,在我国青海发生的2022年Mw 6.6门源地震造成地表形变的干涉图非常漂亮,堪称教科书级的例子。



如上图所示,一个完整的干涉条纹(即相位变为2pi,体现为颜色从蓝到红)对应的地表形变量为C波段的半个波长(2.8 cm)。通过计算干涉条纹的数目,就能大致估算地表形变量。当然,要精确刻画各处形变量,需要利用专业软件进行,并且需要进行地形校正、大气校正等步骤。



注意,此处形变量为卫星看到的(卫星视线方向的),即为地表三维形变在卫星视线方向的投影。



反过来,我们可以假设地震的发生,计算其造成的地表形变量,合成干涉条纹。

(1) 纯走滑破裂



(2) 纯逆冲破裂

可以看出,逆冲与走滑破裂其造成的干涉条纹形态完全不同。

蝴蝶一样的是走滑,同心圆一样的是逆冲

总之,技术更新可能会大大扩展研究范围,乃至革新研究范式。

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