根據觀測到的地表形變,結合震源表示定理:
美籍英裔數學物理學家戴森在2008年曾做過一個演講,名為《鳥與青蛙》。有些數學家是鳥,其他的則是青蛙。鳥翱翔在高高的天空,俯瞰延伸至遙遠地平線的廣袤數學遠景。(Some mathematicians are birds, others are frogs. Birds fly high in the air and survey broad vistas of mathematics out to the far horizon.)
其實,在地震學研究中,也有這樣的上帝視角,那就是衛星觀測,更具體一點,為干涉合成孔徑雷達(InterferometricSynthetic Aperture Radar, InSAR)觀測。
地震研究挑戰性為何如此之大?一個很重要的原因就是我們人類目前積累的觀測數據仍十分有限。比如,詳細的地震目錄(即記錄地震發生時間、地點、深度與震級)不過100來年,地震破裂造成地面震動的觀測數據(地震波形數據)也不過100來年。這大大限制了我們對地震的深入認識,畢竟:
沒有數據,就沒有科學。
No Data, NoScience.
近年來,衛星大地測量技術的興起,大大擴展了觀測數據類型。例如,我們可以利用GPS來測量地表形變,利用此形變數據就能進行地震發生時破裂區域反演,數年至數十年震后變形反演地殼與上地幔流變結構,及震間斷層閉鎖程度反演等,這在一定程度加深了我們對地震的認識。
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Wang and Shen 2020
然而,地表GPS臺站的布設其實是非常昂貴的,這既包括儀器成本,更有后期維護的高額開銷。筆者在碩士期間曾在青藏高原進行過GPS觀測,不算儀器成本,課題組每天在野外的開銷(吃、住、行、租車、勞務等)平均都是幾千元。
幸運的是,目前有一種叫做干涉合成孔徑雷達(InSAR)的觀測,能大大緩解此問題。該技術覆蓋范圍廣,能達到50-100平方公里(而地表GPS為一個個的點),精度高(毫米級變形)。
InSAR基本原理為:利用衛星在同一地點兩次或多次觀測回波的相位差,來確定地表形變量。
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我們很容易得到斷層上的位錯分布。
1993年,Nature封面文章報道了InSAR監測1992年Landers地震的結果,這在某種程度上意味著地震形變研究進入一個新的時代。
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近年來,在我國青海發生的2022年Mw 6.6門源地震造成地表形變的干涉圖非常漂亮,堪稱教科書級的例子。
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如上圖所示,一個完整的干涉條紋(即相位變為2pi,體現為顏色從藍到紅)對應的地表形變量為C波段的半個波長(2.8 cm)。通過計算干涉條紋的數目,就能大致估算地表形變量。當然,要精確刻畫各處形變量,需要利用專業軟件進行,并且需要進行地形校正、大氣校正等步驟。
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注意,此處形變量為衛星看到的(衛星視線方向的),即為地表三維形變在衛星視線方向的投影。
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反過來,我們可以假設地震的發生,計算其造成的地表形變量,合成干涉條紋。
(1) 純走滑破裂
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(2) 純逆沖破裂
可以看出,逆沖與走滑破裂其造成的干涉條紋形態完全不同。
蝴蝶一樣的是走滑,同心圓一樣的是逆沖。
總之,技術更新可能會大大擴展研究范圍,乃至革新研究范式。
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