GRACE卫星重力在地震研究中的应用进展

地球重力场恢复与气候实验卫星(GRACE)在运行期间提供了大量的地球时变重力场观测数据,在大地测量、地球环境变化等领域有非常广泛的应用.在固体地球科学研究中,GRACE重力场数据被广泛应用于天然地震研究,由于地震过程中存在大范围的质量迁移,大型地震引起的重力变化可以被GRACE卫星探测到.同时GRACE记录的地震同震及震后长期的重力场变化对反演地震震源参数也起到了帮助作用.本文从GRACE卫星重力场在地震研究中的应用出发,在回顾了GRACE卫星重力在地震应用的主要进展的基础上,总结了以地震研究为应用目标的数据处理方法与流程,为地震同震及震后卫星重力数据处理提供了技术思路.本文结合前人在2004年M_W9.3苏门答腊地震、2010年M_W8.8智利地震、2011年M_W9.0日本东北地震的研究成果,针对地震重力变化的同震观测、震后观测、间接观测等领域,总结了GRACE卫星重力的主要应用进展,提出了其中涉及的GRACE数据处理与地震综合解释的主要研究问题.在总结技术研究进展的基础上,本文以2004年M_W9.3苏门答腊地震为研究对象,对GRACE卫星重力数据序列进行处理,得到该地震的同震重力变化特性,并以此为基础进行了地震同震重力变化的特征分析.在回顾和总结的基础上,本文结合GRACE-Follow on计划的优势,提出未来GRACE卫星应用于地震研究的发展展望.     

岷县—漳县6.6级地震洞体应变异常特征

对宕昌地震台洞体应变观测资料异常变化进行分析,认为EW分量记录到岷县—漳县6.6级地震地形变过程,即震间形变→震前形变(包括加速变化期和失稳期)→同震形变→震后形变(包括震后滑动和震后调整)→震间形变。长时间的震后滑动记录在中国较为少见,此观测资料为地震孕育过程的研究提供了宝贵资料。     

2016年射阳M_S 4.4地震前后重力场变化

利用江苏重力测网2014—2017年重力场观测资料,采用绝对重力控制与相对重力联测相结合的平差方法,获取2016年射阳M_S 4.4地震前后重力场变化图。根据射阳M_S 4.4地震前后射阳地区各测线重力段差变化特点,绘制重力场等值线并进行对比分析,结合相关机理,探讨重力场变化与该地震的内在联系。同震观测数据显示:射阳M_S 4.4地震发生在重力异常值高梯度带附近,发震时震中地区位于NS挤压正异常、EW张拉负异常状态,震后区域重力梯度变化量开始减小,是一种典型的重力异常调整现象。     

尼泊尔M_W 7.9地震同震及震后地表形变及重力变化模拟

基于USGS公布滑动分布模型,本文利用用地壳分层模型,考虑到自重及黏弹特性,采用数值模拟的方法,对尼泊尔M_W7.9大地震同震及黏弹松弛效应引起的震后形变场及重力变化进行模拟计算,并与发震断层地表投影面附近区域实测同震GPS水平形变数据对比,结果显示:(1)同震形变场及重力变化均显示该次地震主要表现为逆冲型,且主要形变及重力变化主要发生在发震断层地表投影区域,离断层越远区域,形变量及重力变化值越小;(2)震后形变量及重力变化均增大,且影响范围逐渐增大,其中,垂直形变变化趋势与重力变化相反,表明地表高程变化与重力变化具密切的联系;(3)模拟同震结果与实测同震水平形变结果比较符合,少数台站点差异较大,但运动趋势与实测结果基本一致,一定程度上验证了模拟同震及震后形变量及重力变化的可靠性.     

2016年射阳MS 4.4地震前后重力场变化

利用江苏重力测网2014-2017年重力场观测资料,采用绝对重力控制与相对重力联测相结合的平差方法,获取2016年射阳M_S 4.4地震前后重力场变化图。根据射阳M_S 4.4地震前后射阳地区各测线重力段差变化特点,绘制重力场等值线并进行对比分析,结合相关机理,探讨重力场变化与该地震的内在联系。同震观测数据显示：射阳M_S 4.4地震发生在重力异常值高梯度带附近,发震时震中地区位于NS挤压正异常、EW张拉负异常状态,震后区域重力梯度变化量开始减小,是一种典型的重力异常调整现象。     

基于GRACE RL05数据研究智利地震长期震后重力变化特征

利用GRACE卫星重力可对地震引起的大范围重力变化进行观测,并从重力数据中发现主要的变化特征.发生于2010年的MW8.8智利地震震级较高,可观测到震中附近广泛的同震和震后长期重力变化.本文基于GRACERL05Level-2时变重力场数据,对2010年智利地震的同震和震后长期变化进行了计算.对同震变化的计算发现,智利地震引起的同震变化极值达-5μGal,而本文为减小水文信号的干扰而采用的3年平均的方法可以获得良好的效果.在对震后重力变化的计算中发现,智利地震震后在2011-2016年间的重力变化存在先增大后逐渐衰减的过程.对震后变化的拟合表明,智利地震震中附近有约1μGal的震后重力变化,震后变化的特征时间约1.1年.同时,在智利地震中未出现较明显的两个震后变化阶段(短期、长期).     

永登5.8级地震孕育发生过程中的断层形变与重力场动态图象特征s

初步研究了1995年7月22日甘肃永登5.8级地震孕育发生过程中的断层形变异常和重力场、垂直形变场动态演化特征．孕震过程中近源区有3处断层形变呈,,相变化异常,外围区1993年以来先后有10余处场地断层形变出现台阶、突跳等异常．流动重力监测到震前出现的高值异常区、同震效应及震后恢复正常的演变过程等．资料反映了孕震过程中近源区断层运动由准线性走向非线性的过程,重力场变化由孕育、发震过程的非均匀态走向震后的准均匀态的演化过程,较强地震的孕育发生与区域应力应变场的动态演化密切相关．还简要总结了作者对这次地震中短期预报试验的经验教训．      

日本MW9.0地震震区及其周缘2002—2015年卫星重力变化时空特征

本文在考虑全球陆面数据同化系统陆地水储量变化影响后,利用2002年4月—2015年4月GRACE卫星RL05月重力场模型获取了2011年日本M_W9.0地震震中及其周边区域的重力场信息;然后给出了日本及其周边2003—2015年的年度累积重力变化和差分重力变化,并且利用经验正态函数方法深入分析了该地震过程中同震重力变化对区域重力场的贡献. 结果显示:日本M_W9.0地震前研究区域出现了幅值高达2×10-8 m/s2的异常重力变化,其同震效应的时间和空间特征均出现在第一模态,且同震重力变化和震后区域重力场变化特征显著,这充分表明该地震对区域重力场的影响显著.      

永登5.8级地震孕育发生过程中的断层变形与重力场动态图象特征

初步研究了１９９５年７月２２日甘肃永登５．８级地震孕育发生过程中的断层形变异常和重力场、垂直形变场动态演化特征。孕震过程中近源区有３外断层形变呈α,β,γ相变化异常,外围区１９９３年以来先后有１０余处场地断层形变出现台阶、突跳等异常。流动重力监测到震肖出现的高值异常区、同震效应及震后恢复正常的演化过程等。资料反映了孕震过程中近源区断层运动由准线性走向非线性的过程,重力场变化由孕育、发震过程的非均匀     

龙羊峡震群前后的地形变特征

以龙羊峡附近的流动重力监测资料和精密水准复测资料为基础，分析了1996年12月－1997年3月龙羊峡震群前后该地区的重力场和地壳垂直变化特征。分析认为：震前重力场变化异常，临震前形成重力变化密集带，地震发生在重力变化密集带上，震后重力变化密集带消失，重力场变化平衡，垂直形变平缓。     

2013 年芦山7.0 级地震前后重力场变化特征

利用四川地区2010 ～ 2013 年流动重力观测数据作出的重力场动态变化图像和重力段差时序变化图像,对芦山7. 0 级地震前后的重力场动态演化特征进行了研究,结果表明:震前重力场经历了约3 年的重力增大和约1 年的减小变化,重力变化呈“上升→加速上升→减速上升→加速下降→减速下降”特征; 芦山地震发生在重力场变化由下降转为上升的回调过程中;震后重力场变化以较快的速度恢复到接近震前状况,并出现重力正值变化异常区域;临震前震中区域重力场变化数值较小,构造带活动速度变慢。     

从GRACE卫星4.6年观测资料分离2004年苏门答腊—安达曼地震的同震和震后重力变化及利用简正振型叠加模拟同震变化

主要研究利用GRACE(重力恢复和气候试验)卫星恢复的时变全球重力场计算2004年12月26日苏门答腊大地震引起的同震和震后重力的变化。进而对于一个自重、弹性、球状分层的地球模型,利用简正振型叠加法比较观测到的同震重力变化制作它的完全弹性引力响应模型。需要特别关注海洋质量重新分布的影响。在对数据进行反演时要注意,海洋潮汐模型的误差及陆地水文和大洋环流产生的季节性和周年性信号会导致构造重力的变化,也就是要消除同震重力变化受到震后松弛的影响。我们使用了由测地空间研究组(GRGS)提供的4.6年时间尺度的全球重力解数据,其中包括震后26个月的数据。为了相互比较,也研究了空间研究中心(CSR)提供的用频谱窗或高斯空间平滑处理后的Release-04解。结果均以大地水准面高变化和重力变化给出。从两种不同的重力解计算的同震和震后重力变化在全球范围上是相似的,但它们的空间幅度和振幅与对GRACE重力场滤波处理时使用的滤波器种类相关。使用测地空间研究组解数据的信噪比最大。相比同震信号,震后信号的频谱含量更接近GRACE的带宽,因此能被GRACE卫星更好地观测到。在安达曼海巽他海沟以东,同震信号表现为重力明显减少的趋势。在该海沟以西,重力有小幅的增加。同震重力变化的模型与GRACE卫星数据计算出的重力信号相比,在总体形状和取向、相对于海沟的位置和量级上都非常吻合。同震重力变化后会出现震后松弛,该松弛可以用一个平均松弛时间为0.7年的指数增函数描述。总的震后重力变化的特征呈现出大范围的正异常,且主要分布在海沟正上方和沿着俯冲带扩展15个纬度。26个月后,同震重力的减小被震后松弛部分补偿,但在普吉岛南部依然有负异常出现。海沟西部15个纬度范围内的重力都是增加的,最大值出现在震中南部地区。通过研究分析两种全球水文模型和一种大洋环流模型,显示我们利用GRACE卫星对同震和震后重力变化做出的估计几乎没有因俯冲带和安达曼海中部地区的陆地水和大洋环流年度变化而产生偏差,而在马来半岛则产生了几微伽的偏差。     

鲁甸地震同震与震后形变、重力时空分布的理论模拟

基于位错理论,考虑重力和黏弹性的影响,在分层介质模型下计算鲁甸地震引起的同震、震后形变和重力变化.结果表明形变和重力的显著变化主要发生于断层在地表投影附近区域.同震形变场显示发震断层有明显的走滑性质.考虑黏弹松弛效应,随着时间的推移,震后形变和重力有了明显改变,同震效应为正的区域得到加强,为负区域进一步减弱.震后松弛效应的影响范围相比同震明显增加.在靠近断层的GPS观测台站处,计算了由黏弹松弛效应引起的震后形变和重力时间序列.震后松弛效应引起的重力变化在50年之后均达到同震水平,除了NJ13的纬向、垂直位移,NJ16的垂直位移,NJ15的径向位移,其余台站的所有震后形变都超过1mm.观测台站的震后重力和垂直位移时间序列在震后100年趋于稳定,纬向位移和经向位移在震后50年趋于稳定.     

汶川大地震震后重力变化和形变的黏弹分层模拟

基于有限矩形位错理论及陈运泰等、JiChen等通过地震波反演的断层模型,结合研究区地壳——上地幔平均波速分层结构,利用PSGRN/PSCMP软件模拟计算了黏弹分层半空间中汶川地震（Ms8.0）产生的同震及其震后地表形变和重力变化,同时给出了震后形变和重力变化的年变化率．模拟结果表明,同震形变和重力变化显示出发震断层倾滑逆冲兼具右旋走滑综合特征;其变化主要发生于断层在地表的投影区附近,震后地表重力变化和形变量均不断增大,影响的范围也不断扩张;震后50a间近场年均形变量可达10mm,年均重力变化量可达2times;10-8m/s2,而远场年均形变量一般低于2mm,年均重力变化量一般低于0.4times;10-8m/s2;形变和重力变化在震后200a内变化较为显著,变化率逐渐减小,水平位移在400a后基本稳定不变,垂直位移、重力变化和大地水准面变化在800a后基本稳定不变．      

河南范县ML 4．7地震前后的重力变化分析

通过使用“LGADJ”软件,分析范县地震前后的重力场变化特征发现：震中附近的重力点值在地震的孕育-发震-震后调整阶段,出现了下降-上升-下降的过程。从重力变化的角度,我们认为,该地震前后的重力变化支持孕震过程的膨胀理论;指出：通过加强观测研究冀鲁豫交界地区重力场变化,不断探索地震破坏机理,为和谐新农村建设提供地震安全保障!     

重力观测地震预测应用研究

通过强震震例阐述了重力观测在地震预测中的作用,分析了强震震间期与同震及震后重力场变化特征、区域重力场变化及其与强震活动的关系。强震前区域重力场出现大范围的有序性变化,震源区附近产生与地震孕育发生有关的局部重力异常区,并沿区域主要发震构造断裂带出现显著的重力变化梯度带;强震一般发生在重力变化高梯度带转弯附近或重力变化四象限分布特征中心附近;重力场动态变化图像能够较清晰地反映强震孕育、发展、调整过程的重力变化信息,并基于震例提出了强震震前重力变化的“场-源-带”基本模式。最后,提出我国重力监测预报发展中仍存在的问题,并对利用重力监测资料开展地震预测预报研究进行了展望。     

首次观测到的由地震引起的绝对重力变化

首次用绝对重力测量观测到明确的同震重力变化。恰好在1次M6．1地震的前1天和震后7天进行了绝对重力测量。观测到的绝对重力变化为－6μGal,显著地大于约1μGal的观测误差。特别有意义的是，所观测到的空间重力变化与仅用位移数据建立起来的弹性位错模型预测的结果非常一致。该结果强烈地激励我们对重力和位移同时进行反演，以更好地了解地震。     

2008年河南封丘4级震群前后重力场时空演化特征

河南封丘4级震群尤其是ML4.8地震前后重力场的变化和动态演化特征的研究表明:震前冀鲁豫测区的重力场出现上升→下降→上升变化可能是较明显的中短期前兆异常反映;封丘地震发生在重力加速变化过程中。重力场动态图像较清晰地反映了孕震区准均匀态→非均匀态→发震的演化过程。震后该区的重力异常没有恢复。还介绍了根据重力异常对封丘地震预测的过程。     

2010年青海玉树地震同震-震后形变场特征及演化过程

基于星载合成孔径雷达差分干涉测量技术(DInSAR)和4期ENVISAT/ASAR雷达数据,获得了不同时间基线的三个同震干涉形变场和两个震后干涉形变场,并对这五个在时段上互有重叠的形变场进行了综合分析.结果表明,玉树地震同震形变场为围绕发震断层NW展布的椭圆形干涉条纹,覆盖范围约89 km×59 km.断层运动性质为左旋走滑.两盘最大视线向相对形变量至少达45 cm,最大形变出现在结古镇附近.时间基线不同的同震形变场总体上基本一致,但两盘最大相对形变量和局部形变存在差异.震后时间较长的干涉对反映的最大形变量反而减小;在震后时间较短的干涉对上于结古镇西南侧观测到的局部形变,在震后时间较长的干涉对上却没有出现.分析认为在形变量最大的结古镇附近可能出现了震后快速弹性回弹,导致随震后时间延续,形变量反而减小的现象.玉树地震震后形变主要出现在断层附近、震后不久的时段内,形变量在8 cm以下,具有与同震方向一致和相反的两种震后形变方式.在结古镇西南观测到一个与同震形变相反的局部沉降,应为震后弹性回弹.在微观震中处的断层附近观测到与同震方向一致的震后形变,可能是震后余滑.通过对地震前后不同时间基线的多个干涉对的联合对比分析,可以在一定程度上区分同震形变与震后形变,更好地研究地震引起的变形过程,特别是地震断层附近短期震后形变场的演化过程,为进一步研究断层带的岩性特征、物理力学及运动特性提供约束.     

唐山地震(M=7.8)前后的区域重力变化和扩容过程

本文在考虑各种干扰因素(如温度、气压、地下水和台站高程变化等)的同时,详细分析了唐山地震的后区域重力场变化的几个特征。分析结果表明,唐山地震前发生了明显的区域重力场异常。异常有四个特点:(1)重力变化围绕着震中,最大变化值恰好在震中;(2)重力随时间的变化是非线性的;(3)变化最大值出现在1975年年中,而不是在1976年7月份;(4)1977年区域重力场基本恢复到震前水平。不能用台站高程变化和地下水位变化来解释这些异常。作者用扩容模式计算了区域重力变化理论值,计算结果同观测值相符。此外,作者用相应地区的垂直形变资料和地下水观测资料讨论了该模式的合理性。