远场场景下反演等效断层滑动中网络反演滤波与基于主成分分析反演方法的对比评估

《Geodesy and Geodynamics》：Comparative assessment of NIF and PCAIM for inverting equivalent fault slip in far-field scenarios

　　

研究人员利用GPS形变时间序列、网络反演滤波（NIF）与基于主成分分析的反演方法（PCAIM）反演震后等效断层滑动，获取区域断层滑动的时空演化特征，并考察两种方法在远场震后反演场景下的表现。首先，NIF反演的等效滑动受不同基线运动尺度参数α影响；当α≥0.1 mm/a1/2时，对滑动量的影响基本稳定，变化值趋于5 mm以内。其次，PCAIM相较NIF对断层模型依赖更强，反演滑动分布对离散子断层数目的变化更敏感。最后，以2011年日本东海地区区域等效滑动为例，PCAIM反演耗时（0.14 h）远短于NIF（7.79 h）；PCAIM反演震后滑动传播区（34.0°N–35.6°N，136.8°E–138.0°E）显著大于NIF反演传播区（34.8°N–35.8°N，137.2°E–138.4°E），最大滑动量大1.81 cm且传播范围更广；同时PCAIM预测地表位移矢量的平均绝对误差（MAE）与均方根误差（RMSE）均低于NIF，表明该场景下PCAIM的地表位移预测性能更优。

研究背景方面，断层滑动可在多时间尺度以多种模式发生，其动态过程诱发地表变形并由大地测量技术监测，深部滑动特征则通常通过反演模型间接推断。当前由GPS时间序列反演深部断层滑动时空演化的方法包括网络反演滤波（NIF）、基于主成分分析的反演方法（PCAIM）、独立成分分析（ICA）与多通道奇异谱分析（MSSA）等。NIF基于时间序列滤波，PCAIM基于主特征提取，二者分别从不同视角反演滑动并评估震后变形信息，代表性更广。已有研究分别用NIF与PCAIM成功反演日本北海道外海2003年地震余滑、日本房总半岛慢滑事件及2015年尼泊尔地震余滑等，但在远场震后反演场景下两法性能对比尚不充分，因此研究人员以2011年MW9.0东北日本地震后日本东海地区为案例，采用2011–2020年GEONET（GPS地球观测网）124站日解坐标序列，结合NIF与PCAIM反演等效断层滑动，获取远场滑动时空演化并比较两法表现。该文发表于《Geodesy and Geodynamics》。

关键技术方法上，研究人员使用日本东海124个GEONET连续GPS站2011–2020年日坐标时间序列（水平精度≤2 mm，垂向≤3 mm，IGS08框架，GIPSY/OASIS解算）。NIF采用Fukushima等三维混合边界元（mixed BEM）生成约3000三角子断层模型，以布朗随机运动过程描述局部基准运动，用状态空间与卡尔曼滤波递推反演；PCAIM采用Okada位错理论建立走向192°、倾角23°的点源位错模型（约3000单元），对中心化GPS矩阵做截断奇异值分解（tSVD）取前r主成分重构，再用带拉普拉斯平滑的约束最小二乘反演子断层滑动。两法均通过调节离散子断层数（5000/3000/1500）与NIF基准运动比例参数α（0.001–1.5 mm/a^1/2）及PCAIM主成分数（1或2）进行参数敏感性试验。

研究结果部分，3.1节断层模型构建中，研究人员用NIF混合BEM与PCAIM Okada模型分别建约3000单元断层，发现随子断层数增加NIF最大累计滑动收敛（3000到5000仅变<1 cm但耗时增3倍），PCAIM最大滑动由23.76 cm（5000）降至5.70 cm（1500），表明PCAIM对离散化更敏感，最终选3000单元为标准。3.2节模型参数分析中，NIF基准运动比例参数α≥0.1 mm/a^1/2时最大滑动变化<5 mm且耗时稳定在~8 h；以J276站2015–2016序列分解得公共模式误差（CME）与随机运动影响均<10 mm；PCAIM主成分数由1增至2时反演时间0.02 h升至0.19 h而滑动与预测位移几乎不变，故取1个主成分。3.3节反演结果中，以2011年东海序列为例，PCAIM耗时0.14 h远小于NIF 7.79 h；PCAIM滑动传播区34.0°N–35.6°N、136.8°E–138.0°E，大于NIF的34.8°N–35.8°N、137.2°E–138.4°E，最大滑动大1.81 cm；PCAIM预测地表位移矢量MAE与RMSE均低于NIF。

讨论与结论部分，研究人员指出NIF通过格林函数将断层几何直接嵌入物理正演，卡尔曼滤波依GPS位移约束滑动，细化离散仅改数值分辨率不改主滑动斑位置；PCAIM先统计分解地表位移场再将主成分模式经格林函数映射至断层，滑动分布对假定离散化敏感，模型依赖更强。综合而言，在远场震后反演场景下，PCAIM计算效率显著优于NIF，反演滑动传播范围更大、最大滑动更高，且地表位移预测误差更低；NIF滑动量受基准运动尺度参数α影响，α≥0.1 mm/a^1/2时影响趋稳于5 mm内。该研究为远场震后等效断层滑动反演的方法选取提供定量依据，对区域地震地质灾害先验信息提取具有参考意义。