InSAR和GNSS数据的自适应加权用于台湾Mw 6.4美浓地震的同震形变和滑动反演

《Geomatics, Natural Hazards and Risk》：Adaptive weighting of InSAR and GNSS data for coseismic deformation and slip inversion of the MW 6.4 Meinong earthquake, Taiwan

　　

经验性加权是InSAR和GNSS数据联合反演中不确定性的主要来源。本研究将基于Helmert方差分量估计（H-VCE）的客观加权策略应用于2016年台湾Mw 6.4美浓地震。研究人员利用加权数据重建了三维（3-D）同震形变场并约束了断层几何。使用针对CRUST1.0分层弹性结构计算的格林函数反演了滑动分布。优选模型指示一个埋藏的低角度逆冲断层，走向约317°，倾角约33°。滑动呈非均匀性，集中于8–15 km深度，最大值约0.56 m。相应的标量地震矩为M₀ = 4.12 × 10¹⁸ N·m（Mw 6.41）。推断的滑动模式与余震分布大致互补，并得到独立视线向（LOS）验证的支持。相对于经验性加权，H-VCE降低了残差拟合，并提高了反演稳定性。该方法适用于结构复杂的褶皱-逆冲带中盲逆冲地震的大地测量源反演。

### 论文解读：基于自适应加权InSAR与GNSS数据的台湾美浓地震同震形变与滑动反演研究

#### 研究背景与问题

2016年台湾美浓地震（Mw 6.4）是一次典型的浅源盲逆冲事件，发生在台湾西南部前陆盆地，造成了严重的社会经济损失。该区域位于欧亚板块与菲律宾海板块的汇聚边界，构造活动强烈，NW-SE向挤压应力主导，发育多条盲逆冲断层（如旗山、后甲里、小冈山、潮州断层），是台湾地震危险性最高的区域之一。前人利用InSAR、GNSS和地震数据对该地震的震源机制和破裂特征进行了估算，但发表的断层几何（走向、倾角、深度）和滑动分布结果仍存在显著差异。InSAR提供高空间分辨率的同震形变，但绝对位移约束较弱；GNSS能稳健约束绝对位移，但近场台站密度有限，限制了精细滑动分辨率。单一数据类型难以可靠约束复杂断层几何和非均匀滑动，而多传感器联合反演可降低非唯一性，但其可靠性高度依赖于噪声建模、参考框架处理、数据集间加权以及断层几何和滑动参数化。在许多研究中，权重是经验性设定或与数据量成正比，这不能反映各数据集的实际不确定性或信息含量，可能将系统偏差传递到推断的几何和滑动模型中。对于美浓地震，稀疏的近场GNSS覆盖和复杂地壳结构使得经验加权反演容易不稳定并产生发散震源模型。为解决这些问题，研究人员提出了方法改进：首先，采用Helmert方差分量估计（H-VCE）为InSAR和GNSS观测赋予客观、数据驱动的权重，减少主观性并提高联合反演稳定性；其次，联合反演加权后的升、降轨Sentinel-1A InSAR和GNSS数据以重建3-D同震形变场，并在贝叶斯框架下反演断层几何，进行后验不确定性量化；最后，利用基于CRUST1.0区域一维速度-密度结构计算的分层弹性格林函数反演滑动分布。该研究发表于《Geomatics, Natural Hazards and Risk》。

#### 技术方法概述

研究采用的关键技术方法包括：（1）Helmert方差分量估计（H-VCE），用于客观确定InSAR和GNSS观测的相对权重，以替代经验加权，减少主观性并提高三维形变场重建的稳定性；（2）加权最小二乘反演，联合升、降轨Sentinel-1A InSAR视线向（LOS）位移与GNSS三维同震位移，重建三维同震形变场；（3）贝叶斯反演框架（GBIS），利用Okada（1992）弹性半空间矩形位错模型，通过马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样估计断层几何参数（走向、倾角、深度、尺寸等）及滑动分量，并量化后验不确定性；（4）最陡下降法（SDM），结合L-曲线准则确定正则化参数，基于CRUST1.0分层弹性格林函数（由PSGRN计算）反演分布滑动模型。InSAR数据来自欧洲空间局Sentinel-1A卫星（升轨T69和降轨T105），采用GMTSAR处理，DEM为SRTM 30 m；GNSS数据来自台湾中央研究院地球科学研究所连续GNSS网络，共75个测站。

#### 研究结果

##### 5.1 三维形变场分解

通过H-VCE对InSAR和GNSS数据进行自适应加权后，利用加权最小二乘反演获得三维同震形变场。结果显示，水平位移量级较小（东西向多数<30 mm，南北向<40 mm），强烈梯度限于近场；而垂直形变占主导地位，震中西侧最大抬升约100 mm，东侧轻微沉降，形成西升东降的不对称模式。与GNSS投影LOS位移的对比表明，InSAR结果可靠（升轨相关系数0.874，RMSE ~15.9 mm；降轨相关系数0.926，RMSE ~12.8 mm），残差多数在±15 mm以内。

##### 5.2 断层几何参数

基于贝叶斯反演，经过2×10⁶次MCMC采样并舍弃前1.2×10⁶次作为预热期后，链收敛。优选断层几何为：长度13.61 km，宽度13.69 km，走向317°，倾角33°，顶部深度10.38 km。这些参数表明破裂限于中上地壳，与无地表破裂一致。滑动分量约束良好，95%置信区间窄，后验分布近似单峰且参数相关性弱，支持贝叶斯断层几何反演的稳定性。

##### 5.3 断层滑动分布

反演结果揭示了非均匀同震滑动。主滑动斑块位于震中西北约8–15 km深度，沿走向和倾向形成约15–20 km的近似椭圆区，最大滑动约0.56 m。滑动以低角度逆冲为主，走滑分量很小，破裂主要向西北方向传播，与InSAR观测到的西升东降不对称形变一致。对应的标量地震矩M₀ = 4.12 × 10¹⁸ N·m（Mw 6.41），与主要地震机构估计一致。平均应力降约0.99 MPa，主高滑斑块局部最大应力降约3.91 MPa，表明应力释放集中且非均匀。反演模型较好地再现了观测形变场，残差主要集中于震中附近去相关区域，远场残差一般在±25 mm以内。

#### 讨论与结论

讨论部分指出，H-VCE加权方法在方法论上具有重要含义：替换经验加权后，LOS残差RMSE从升轨16.94 mm降至8.45 mm，降轨从11.73 mm降至6.62 mm，表明数据加权是控制联合解一致性的首要因素，而非次要技术选择。H-VCE减少了主观性，得到的形变场、残差模式和震源几何更兼容。在此框架下，西侧抬升主导、水平运动较弱、无地表破裂等特征均支持埋藏低角度逆冲断层破裂。断层几何和弹性结构的分析表明，CRUST1.0分层模型改善了GNSS拟合（尤其是垂直分量），而不降低InSAR拟合，说明深度依赖的弹性是协调多传感器形变场所需。与已有研究比较，主滑斑块的深度和位置大致一致，但峰值滑动更依赖于方法（数据类型、正则化、弹性结构），表明峰值滑动对反演策略更敏感，而主凹凸体位置相对稳定。同震滑动模型与余震分布表现出显著空间互补性：余震主要缺失于主高滑斑块，而聚集在其边缘和周边下盘，这支持了同震应力再分配的解释，提供了对滑动模型的独立力学检验。局限性包括：InSAR包含空间相关的大气和轨道噪声，H-VCE仅处理相对加权而非完整误差协方差；断层几何在均匀半空间推断而滑动在1-D分层结构中反演，横向非均匀性未完全表征；滑动分辨率仍依赖于正则化和近场数据覆盖；余震与滑动关系为定性解释，未进行显式库仑应力建模。但这些局限性不改变主要构造含义：形变场、断层几何和滑动分布一致表明美浓地震由埋藏低角度盲逆冲控制，提示台湾西南部地震危险性可能更多受隐蔽逆冲系统支配，而非仅地表活动断层。

**结论部分翻译：** H-VCE在多传感器同震源反演中平衡了InSAR和GNSS观测。通过从观测本身估计相对数据权重，该方法减少了对经验加权的依赖，提高了重建的三维形变场、断层几何和滑动模型之间的内部一致性，并为利用异质大地测量数据集约束的地震解释提供了更稳健的基础。对于2016年美浓地震，优选模型表明破裂发生在台湾西南部褶皱-逆冲带下方一个埋藏的低角度盲逆冲断层面。地表形变、断层几何、滑动分布和余震模式相互一致。这种一致性支持了隐蔽逆冲系统在区域应变释放中的作用。因此，这些系统是台湾西南部地震形变的主要来源。这一发现表明，在地震危险性评估中应考虑埋藏的孕震构造，而不仅仅是地表活动断层。总体而言，所提出的方法可应用于大地测量数据集在空间密度、噪声水平和模型敏感性上存在差异的构造复杂区域的源反演。