科研动态 | 大地测量与导航团队在卫星重力分离地震与水文信号方面取得新进展
1、研究背景
自2002年以来，重力恢复与气候实验（GRACE）卫星任务及其后续卫星（GRACE Follow-On）成功实现了对全球地球系统质量迁移的长期观测，在地球物理学、水文学、海洋学和冰冻圈科学中得到了广泛应用。早期的研究表明，大地震引起的地球重力场变化能够被重力卫星成功探测到。GRACE观测到的同震和震后重力信号有助于约束地震的震源机制和地球内部结构。然而，由于GRACE观测中包含了多源信号，地震信号的分离容易受非地震信号的泄漏和污染。如何从重力卫星观测资料中准确识别和有效分离地震信号，是卫星重力在地震学研究中面临的重要挑战之一。
独立成分分析（ICA）基于多信号源的统计独立假设，能够从非高斯数据中有效分离信号成分，常用于盲源信号探测。本研究利用ICA方法，从非高斯的GRACE观测数据中分离了2004年12月苏门答腊-安达曼Mw 9.2地震信号和陆地水信号（图1）。
图1. 本文研究的苏门答腊及其周边地区示意图
2、研究结果
本研究首先开展了模拟实验，验证ICA是否能够从非高斯数据中分离出模拟的地震和水文信号。模拟数据中的地震和水文信号在统计上相互独立，并且具有不同的概率密度函数。本文设计了两个模拟实验：
· 模拟实验1假设地震发生在海域，地震和水文信号仅通过泄漏效应产生交叉污染，信号在空间上统计独立；
· 模拟实验2假设地震发生在陆地，地震和水文信号在空间上存在重叠，但时间演化统计独立。
在实验1中，由于地震和水文信号具有独立的空间模态，即空间上统计独立，空间ICA（sICA）有效分离了模拟的地震和水文信号，分解出的三个独立成分与输入信号的相关性达到0.98以上。在实验2中，由于地震和水文信号具有独立的时间演化信息，即时间上统计独立，即使两者在空间上重叠，时间ICA（tICA）仍可有效分离模拟的地震和水文信号。相较而言，无论是在实验1还是实验2，传统的主成分分析（PCA）方法结果与所有输入信号都存在一定相关性，表明PCA无法完全将地震和水文信号分离开来，这主要是因为PCA依赖于信号的非相关性而非独立性。
图2. （a）模拟实验1中模拟的地震和水文信号的独立成分；（b）sICA分解的三个独立成分；（c）PCA分解的三个主成分。
图3. （a）模拟实验2中模拟的地震和水文信号的独立成分；（b）tICA分解的三个独立成分；（c）PCA分解的三个主成分。
对于苏门答腊区域，对GRACE重力异常数据分别使用tICA和sICA，分解得到的三个独立成分（ICs）。其中，IC1和IC3包含了2004年苏门答腊特大逆冲地震的同震和震后重力变化，即时间模态存在同震跳变和震后衰减特征（图4a, b），空间模态存在不对称的偶极分布特征。在IC2空间模态中，信号主要集中在泰国和柬埔寨等国家的陆地区域，这主要是由湄公河的季节性水文信号引起。以上结果表明，ICA能够从GRACE重力变化数据中成功分离地震和水文信号。
图4. （a）tICA分解GRACE数据的前三个ICs的空间模态（上）和相应的时间模态（下）。（b）与（a）相同，但使用sICA。分量根据其对应特征值的大小排序。
基于ICA分解的信号成分，进一步给出了2004年苏门答腊地震的同震重力变化（图5）。如图5e所示，在海洋上，ICA重建的同震重力变化能够恢复GRACE的同震信号，量级低于GRACE噪声水平（约1 μgal）(图5e)。在湄公河流域，基于ICA的方法成功扣除了水文信号的影响，避免了由多项式拟合分解产生的虚假“跳跃信号”（图5a）。与之相比，经过水文模型改正后的同震重力变化仍然受到严重的水文信号污染。如图5f-g所示，在湄公河流域仍然存在大量残留的陆地水文信号。水文模型WGHM甚至在苏门答腊岛上也产生更大程度非地震性质的“跳跃信号”，说明引入误差较大的水文模型对地震信号估计带来了更大的不确定性。ICA分离的同震重力变化信号很大程度上避免了陆地水的影响。
图5. 基于GRACE观测数据、扣除GLDAS或WGHM水文模型、以及基于ICA方法分离的2004年苏门答腊地震的同震重力变化
进一步对比GRACE、GRACE-GLDAS/NOAH、GRACE-WGHM和基于ICA的重力变化重建的时间序列（图6）。结果表明，P1和P2位于离陆地较远的海洋区域，水文信号泄漏较小，基于ICA的重构结果与GRACE直接估计的重力变化结果一致；基于ICA方法进行重建有效扣除了水文效应的影响（P4点），而GRACE直接估计的陆地水文信号远场有显著影响（P3, P4）。值得注意的是，经水文模型校正的GRACE结果并未有效扣除水文效应的影响。与基于ICA重建的结果相比，GRACE-GLDAS/NOAH和GRACE-WGHM高估了湄公河流域同震和震后重力变化约50%。在安达曼海附近的P2时间序列，2004年12月同震重力下降后，又表现出短期下降，随后长期上升的震后特征。这一震后短期下降可能反映了2005年3月的尼亚斯（Nias）Mw 8.6地震引起的同震重力变化，有待进一步深入分析。
图6. 2004年苏门答腊地震的同震和震后7年重力变化，以及P1 (1.5º N, 94.5º E）、P2 (6.5º N, 97.5º E)、P3 (8.5º N, 100.5º E)和P4 (14.5º N, 102.5º E)的重力变化时间序列
利用ICA方法，本文从GRACE数据中分离出了与2010年Maule Mw 8.8和2011年日本东北Mw 9.0地震相关的信号成分，进一步证明了ICA对分离地震和非地震信号的有效性。从统计学角度，详细讨论了ICA能够分离地震和非地震信号的原理。此外，本文还对未经平滑的GRACE数据使用ICA，分离了条带噪声、地震和水文相关的独立成分。
3、研究意义
本研究基于独立成分分析（ICA）方法成功实现了重力卫星观测资料中地震信号与非地震信号的分离。该方法从观测数据中直接分离统计独立的地震和非地震信号，无需依赖外部水文模型提供的先验信息，避免了引入外部水文模型导致的不确定性。本文的研究结果可以为约束震源和地球的流变结构提供更可靠的信息。同时，该研究为从卫星重力中分离不同的独立质量变化信号提供了一种有效方案。
本研究成果于2024年9月发表于《Geophysical Journal International》，题为“Separation of Earthquake and Hydrology Signals from GRACE Satellites Data via Independent Component Analysis: A Case Study in the Sumatra Region”。中山大学测绘科学与技术学院大地测量与导航团队熊宇昊博士生为文章第一作者，冯伟教授为通讯作者，应急管理部国家自然灾害防治研究院周新副研究员，德国波恩大学Jürgen Kusche教授，中山大学测绘科学与技术学院沈迎春博士后、杨萌副教授、钟敏教授以及中国科学院精密测量科学与技术创新研究院王长青副研究员为文章合作者。该项目得到了国家自然科学基金中德国际合作与交流项目（42061134010）、国家自然科学基金面上项目（41874095、42074091和 41874013）以及德国研究基金会（450058266）项目的联合资助。
原文信息：Yuhao Xiong, Wei Feng, Xin Zhou, Jürgen Kusche, Yingchun Shen, Meng Yang, Changqing Wang, Min Zhong, Separation of Earthquake and Hydrology Signals from GRACE Satellites Data via Independent Component Analysis: A Case Study in the Sumatra Region, Geophysical Journal International, 2024, ggae351, https://doi.org/10.1093/gji/ggae351
