2004年苏门答腊地震的几个断层滑动模型的全球同震位移对比

2004年苏门答腊大地震后,不同作者根据地震波和/或GPS观测,提出了不同的断层错动模型.在利用同震位移观测资料反演断层滑动模型时,由于使用半无限空间均匀介质模型或半无限空间分层介质模型,一般只能利用近场位移GPS观测约束,无法利用远场资料,这些模型有时差别颇大,如何区别这些模型的优劣是一个仍尚未解决的问题.本文采用等效体力有限元方法,在考虑地球球形和分层的条件下,对四个不同作者提供的2004年苏门答腊地震的断层滑动模型计算全球同震位移.由于采用了球形模型,所以不仅可以把四个模型的近场位移计算结果与GPS数据进行对比,而且可以把远场位移计算结果与GPS数据进行对比.我们发现,垂直位移对断层滑动模型的依赖性小于水平位移.四个模型计算的近场位移与GPS位移符合程度均较好,但是四个模型计算的远场位移与GPS位移符合情况有很大不同,其中Chlieh等（2007）模型在近场与远场符合程度均很好,是四个模型中最好的.另外还探讨了断层反演数据资料、断层几何模型以及地球模型对计算结果的影响.对于特大地震,全球同震位移观测与计算值吻合程度的好坏是衡量断层滑动模型的合理性的一个重要依据.     

球体和黏弹性球体位错理论在尼泊尔Ms8.1地震中的应用与分析

本文利用球体位错理论和黏弹性球体位错理论,基于USGS发布的尼泊尔地震断层滑动模型,分别计算该地震造成的同震水平和垂直位移场,两种位错理论计算结果高度吻合,且都与实测GPS同震位移在空间分布和量级上具有较好的一致性,表明了两种位错理论的可靠性和实用性.为了更好的比较和分析这两种位错模型,分别模拟尼泊尔地震同震水平和垂直位移场,两种位错模型模拟结果均验证了尼泊尔地震主要以逆冲滑动为主,该次地震造成的水平位移较大,地震造成的南北方向上的水平位移最突出,且集中在加德满都附近区域;但模拟结果也存在差异,在近场两组结果水平位移和垂直位移差异占同震信号的不足3%,在远场两组结果的水平位移差异占信号的5%～9%左右,而垂直位移差异占信号的比例普遍在10%以上,显示出地球的黏滞性对近场水平同震位移和垂直同震位移影响较小,对远场水平位移影响有限,但是对垂直位移影响较大,即表明在计算远场同震位移时应该考虑地球黏滞性的影响.     

新西兰M_W 7.8地震同震和震后效应模拟

根据地球分层模型CRUST1.0和USGS发布的断层模型,考虑自重的影响,本文利用PSGRN/PSCMP模型计算了黏弹性分层介质中新西兰M_W7.8地震同震及震后位移和重力变化,结合GPS同震位移和模拟值,得到研究区域58个点位3个位移分量的均方根.结果表明:同震位移和重力变化在近场比较明显,远离断层的区域基本为零值;同震位移显示,新西兰M_W7.8地震震源机制在南部以逆冲为主,北部以右旋走滑为主;震后50年水平位移、垂直位移和重力的变化趋势与同震变化基本一致,水平位移在断层投影区以内减小,而在远场增加,垂直位移整体上呈现抬升趋势,重力变化幅度下降,反映了震后壳幔物质黏滞性调整;模拟值和GPS观测值在运动趋势和量级上具有较好的一致性,研究区域南北向位移、东西向位移和垂直位移的均方根分别为0.21 m、0.12 m和0.11 m,整体上模拟效果较好.     

芦山M_S7.0地震与Northridge M_W 6.7地震地表变形场对比研究

2013年四川芦山"4·20"M_S7.0地震和1994年美国Northridge M_W6.7地震的近场同震位移均表现出破裂未达地表的特征,利用1999~2007年GPS资料对比分析了2次地震的震前变形特征与同震位移的关联性。结果显示,芦山震源区存在较为显著的挤压应变积累(挤压应变率方位角约为284°),沿芦山地震破裂节面剪切变形不明显;芦山地震的同震位移场表现为逆冲兼少量左旋特征,反映了整个孕震周期的应变积累特性,可能表明震前10余年的观测并不能代表整个孕震周期特征。Northridge地震前,地表变形表现为右旋-挤压特征,同震以逆冲破裂为主,近场表现出类似"圆屋顶形"的东西两侧水平运动和垂直向上运动,GPS观测到的震前变形与同震释放的变形存在一定程度的不一致性。相同震中距测点结果表明:Northridge地震的同震地表位移幅度明显大于芦山地震,前者震前挤压应变积累速度显著大于1999~2007年芦山地震震源区的应变积累背景。     

用多种数据构建2008年汶川特大地震同震位移场

本文主要以GPS、精密水准观测和卫星SAR遥感图像分析2008年汶川特大地震同震位移特征.GPS数据包括:(1)四川盆地和川西高原地区各类国家等级GPS网点复测;(2)沿破裂带国家天文大地网GPS复测.前者推算的同震位移测定精度优于2 cm,后者6~8 cm.SAR遥感资料包括:(1)ALOS 卫星升轨相位干涉图像,精度优于8 cm;(2)ALOS和ENVISAT卫星影像合成的三维位移图,精度优于0.5 m.同震位移场显示,断层下盘(四川盆地)变形总体呈扇形集中指向震中,断层上盘(龙门山)变形总体上呈逆时针旋转态势,最大的实测水平位移5.5 m.汶川、理县、茂县等地测站位移指向破裂带方向,而平武、青川等地测站逐渐转变为平行,乃至远离破裂带方向,与汶川地震逆冲兼走滑的破裂特征一致.断层上盘大幅隆升,下盘靠近断层的区域以下沉为主,远场表现为幅度很小的隆升,垂直升降区域间,有一条与龙泉山断裂带平行的升降过渡带,调节龙泉断层的应力状态.用实测变形场检验多个地震波破裂模型表明,近场(距离断层50 km) 模型形变准确度可达40~50 cm, 远场精度优于5 cm.     

泸定M6.8地震同震重力与形变效应模拟研究——闭锁剪力孕震模式的新证据

2022年泸定M6.8地震为近期川滇地区显著强震。本文基于Okubo平面矩形弹性位错理论,采用已有的由地震波反演获得的同震破裂模型,模拟研究了泸定M6.8地震产生的地表同震重力变化、垂直位移和水平位移。结果表明:(1)同震重力变化图像具有以发震断层为界,呈正、负四象限对称分布特征,与震前(2019年9月—2020年9月)实测重力变化图像和发震断层左旋走滑特征具有一致性,说明其孕震过程可用闭锁剪力模型来解释;(2)在远场区域,同震垂直位移图像与重力变化图像类似,位错引起的介质密度变化效应大于地表垂直位移效应,而近场地表垂直位移效应大于介质密度变化效应,显示出负相关性;(3)同震水平位移图像具有对称的四象限特征,与GNSS实测结果显示的变形特性一致。该结果可为地震前后重力、形变观测结果的解释提供依据,同时为强震孕育的机理研究提供线索,尤其为闭锁剪力孕震模式的进一步完善提供了新的实例依据。     

不同地球模型对地震形变研究的影响

地震位错理论是解释地震形变,并进行反演估算地震破裂模型的理论基础.当前的地震位错理论基于地球模型主要分为:均匀半无限模型、层状半无限模型、均质球形模型和层状球形模型.本文利用基于不同地球模型的位错理论,针对不同深度的地震,分析了同震水平、垂直形变的分布特征,讨论了导致同震形变差异的主要因素,即地球层状结构和曲率对同震形变结果产生的影响,以此探讨基于不同地球模型的位错理论的适用性.通过对比均匀半无限和层状半无限模型、均质球形和层状球形模型下的同震形变结果,发现形变量在近场的差异要大于在远场的差异,即地球层状结构在近场有较大的影响,其中对最大水平形变的影响可达到37%;通过对比均匀半无限和均质球形模型、层状半无限和层状球形模型下的同震形变结果,当震源深度较深时,形变量在远场的差异大于在近场的差异,即地球曲率在远场的影响大于在近场的影响,并且其明显小于地球的层状结构的影响.     

2004年苏门答腊地震粘滞性松弛效应对华南地区地壳水平活动的影响

2004年苏门答腊地震后, 不同学者根据不同观测数据(地震波、 GPS), 得到了此次地震的断层滑动模型。 反演过程中使用半无限空间模型时, 无法利用远场观测数据进行约束, 势必影响远场形变的解释。 基于Hoechner等使用的断层几何模型和GPS同震位移数据, 本研究利用球体位错理论反演方法反演了2004年苏门答腊地震断层滑动模型, 得到的矩震级为9.24, 最大滑移量为30.4 m, 由于考虑了曲率的效应, 该模型在远场同震位移的计算结果与GPS数据吻合较好。 然后, 选取了2001—2004年和2004—2007年两期的GPS水平位移速度场, 研究2004年苏门答腊地震对华南地区地壳水平活动的影响, 从两期的GPS水平位移速度场差异可以看出地震后华南块体有向西南方向的运动趋势, 华南块体受到此次地震明显的震后影响。 最后, 基于反演得到的断层模型, 利用Tanaka等提出的粘弹性球体位错理论对华南块体两期GPS水平位移速度场差异进行模拟, 得到华南块体内部粘滞性系数为2×10¹⁹ Pa·s, 当考虑地幔粘滞性松弛效应后, 两期的速度场差异的均方根值由3.2 mm减少为1.9 mm。 可见在研究2004年前后中国大陆GPS水平位移速度场时, 若继续以华南块体为基准, 需考虑此次地震的地幔粘滞性松弛效应。     

2022年1月8日门源MS6.9地震同震位移场及其发震断层形变破裂特征

利用冷龙岭—托莱山断裂及其附近震前和震后GNSS观测资料,处理获取了2022年门源M_S6.9地震同震位移场,并以此为约束反演获取了地震同震破裂滑动分布图像,基于上述结果探讨了本次地震发震断层形变破裂特征,对比了区域震间与同震变形特征,结果表明：(1)此次地震在距震中约90 km范围内产生了10 mm及以上的同震永久变形,距震中160～200 km的GNSS连续站记录到的同震变形则十分微弱,总体在毫米级以下;(2)同震位移图像呈现典型的左旋走滑型同震变形模式.在距震中约3 km破裂带南侧的测站,其同震位移为近东向,大小445.9±3.3 mm,而在破裂带远场则呈现出典型的与左旋走滑型地震匹配的“四象限”对称分布的挤压或拉张尾端变形特征;(3)同震位移量以冷龙岭断裂—托莱山断裂为界,南北两盘具有明显的非对称性,南盘变形运动大于北盘;(4)托莱山断裂西段同震位移总体表现出随震中距减小而增大的“弹性回跳”现象,但其跨断层近场测站却并不服从上述同震变形特征,指示其并未参与此次地震破裂,考虑到托莱山断裂西段显著的左旋剪切应变能积累背景,其未来强震危险性值得关注.     

2010智利Maule特大地震的同震效应

2010年智利Maule大地震是人类有观测记录以来第六大地震,基于高性能并行有限元方法,建立含地表地形和Moho面起伏的大规模非均匀椭球地球模型,计算了该地震同震效应,并根据库仑应力变化分析周围断层地震活动性和主震对余震的触发关系.结果表明:对于2010年Maule地震,地球曲率和层状结构对同震水平位移影响不可忽略,如果不采用球面分层模型,在低纬度远场可能会造成位移和应变量值均被低估,在高纬度远场可能会造成位移被夸大而应变被低估.如果不考虑介质横向不均匀和地形,同震应力降被显著低估,近场同震东西向应力变化误差最高95.4%,南北向应力变化误差最高90.8%.Illapel地区库仑应力变化约10 kPa,相当于15年构造积累,Maule地震加速了2015年Illapel地震发生.以最优破裂方向投影得到库仑应力变化,经统计70.9%余震落在库仑应力变化量值大于10 kPa区域.本次特大地震触发了Pichilemu附近M_w6.9和M_w7.0两次正断型余震.     

2016年8月24日意大利佩鲁贾MW 6.2级地震同震位移场估计和震源滑动模型反演

利用改进的自动经验基线校正方法SMBLOC,对2016年8月24日意大利佩鲁贾MW 6.2级地震震中周围约60 km内的近场强震记录进行基线校正并尝试给出同震位移场,与GPS观测结果进行对比分析,分别独立和联合两种资料反演震源滑动模型,并根据震源模型进一步给出全空间预测位移场分布.研究结果表明:(1)两种不同的资料给出的水平位移场幅值均为cm级,且均表明断层的错动以正断为主.(2)两种同震位移场分别独立和联合反演所得的震源静态滑动范围基本一致,最大滑动均发生在震中东北侧,强震模型表现出明显的双事件特征,较大滑动分布在震中东北侧和东南侧,GPS模型在震中东南侧的滑动相对较小,其双事件特征不明显.两种模型的最大滑动量分别为0.96 m和0.86 m,较为一致,反演的矩震级均在MW 6.3左右.(3)根据震源滑动模型计算所得的佩鲁贾地震全空间预测的水平同震位移场中最大位移分布区域与震后报告中受灾严重的地区基本一致.表明在一定的条件下,利用SMBLOC方法解算震级较小的MW 6.0左右地震强震记录的同震位移场,并反演震源滑动模型具有一定的可行性,且其同震位移场和滑动模型可为震后灾害快速评估、救援力量分配、余震趋势判定等快速应急响应工作提供参考依据.     

基于GPS和强震资料反演汶川8.0级地震的同震滑动模型

通过震中附近GPS同震位移资料,采用SDM反演法,应用均匀介质模型和分层地壳结构模型分别反演汶川8.0级地震的同震滑动,并加入强震资料进行反演对比分析,结果表明:两种模型反演的同震滑动分布与发震断层的科考结果吻合,分层地壳结构模型的反演结果整体上要优于均匀地壳结构模型的反演结果;GPS与强震数据分别反演得到的同震位移方向、幅度和断层错动方式基本一致,GPS、强震单一数据反演和联合反演结果得到的矩震级、平均滑动量具有很好的一致性。总体而言,强震模型的最大滑动量和最大应力降较GPS模型的结果更为显著,可能与强震数据中出现较大水平位移的站点与断层更为接近有关。     

GPS测得的汶川大地震同震位移

2008年汶川8.0级地震是建国以来破坏最惨重的大地震,是发生在地震前后GPS观测资料最多,震中在连续观测网中部及非连续观测站相当密集的地区.许多GPS连续观测站测得汶川地震同震位移.同震位移具有突变性和时间上的同步性以及变化幅度的显著性,是最确凿的与地震直接相关的地壳运动现象.震区外GPS连续观测站位移时间序列表明,此次大地震同震水平位移范围大,远离震中的许多地区观测到同震水平位移,与震前位移对比表现为弹性回跳.GPS连续观测站震前水平位移和同震水平位移过程揭示了此次地震震前大范围有显著变化的观测站水平位移与地震孕育过程的联系.但华北及邻近地区无明显同震水平位移.震中区外均未观测到明显的同震垂直位移.震区GPS站观测到的同震位移则主要为永久形变,不仅有大幅度的水平位移,也有幅度相对较小的垂直位移.本文研究了汶川地震同震位移的特点与机制,并由此进一步讨论此次大地震的成因、前兆地壳运动特征及其复杂性.     

1999年台湾集集地震震源破裂过程

使用GPS同震位移资料和远场P波记录,研究了1999年台湾集集地震震源破裂过程．根据地质构造和余震分布引入了一个由弯曲断层面构造的三段“铲状”断层模型．在使用静态GPS位移资料反演集集地震的断层破裂滑动分布时,由于集集地震断层北部近地表破裂的复杂性,在位错模型中考虑拉张分量对地表同震位移的贡献,可更好地同时拟合GPS观测资料的水平和垂向分量．而纯剪切位错弹性半空间模型和分层地壳模型都无法同时拟合水平和垂向GPS观测资料．在此基础上,同时使用静力学同震位移资料和远场地震波形记录,反演集集地震的震源破裂过程．结果表明,一种垂直于断层面的“挤压性”(负)拉张分量几乎集中分布于地震断层的浅部和北部转折处,而这一带地表破裂远较没有(负)拉张分量出现的南部断层复杂．“冒起构造”的数字模拟表明,这种在集集地震破裂转折处及北部断裂带广为出现的典型破裂造成的地表位移可以用具有负拉张分量(挤压)的逆冲断层更好地模拟．而这种负拉张分量(挤压)的分布正是地震破裂性质和几何复杂性的综合反映,震源破裂过程也显示北部转折处破裂在空间和时间上的复杂性.高滑区域与余震分布表现为负相关.     

基于地下水位观测的震后孔隙回弹：以2000年冰岛地震为例

以2000年两次M_W 6.5冰岛地震为例，利用近场地下水位的同震响应和震后响应约束孔隙模型参数，分析了孔隙回弹效应造成的地表变形大小和时间演化过程。首先利用数值模拟方法获得地震造成的孔隙压力变化和测井水位响应的时间序列，并以测井水位的同震阶跃幅值和震后水位恢复速率分别约束孔隙模型中的Skempton系数和扩散系数；然后基于孔隙弹性模型使用最优孔隙参数模拟震后孔隙回弹效应引起的地壳变形。结果显示：孔隙压力的同震响应控制着孔隙回弹引起的地壳变形，其变形速率与流体扩散系数呈正相关关系；孔隙回弹造成的变形以垂直向为主，且随时间快速衰减。因此，利用近场地下水位的同震响应和震后响应可以约束孔隙模型参数，为获取震后孔隙回弹机制所致的地壳变形提供依据。     

GPS观测得到的大地震前兆地壳形变震例

综合介绍2008年汶川大地震以来,GPS观测得到的国内外10多次6—9级,不同构造、不同类型的大地震前兆地壳形变震例:2008年汶川8级大地震、2011年东日本9级巨震、2013年芦山7级,直至2020年6月墨西哥7.4级地震和7月美国阿拉斯加州以南海域7.8级地震等。利用GPS连续观测站区域参考框架水平位移时间序列和水平位移场,特别是水平位移向量时间序列的研究证明,同震水平位移是研究地震前兆形变存在的关键;利用垂直位移和水平位移向量时间序列、同震垂直位移及同震水平位移向量的分解,揭示地震弹性回跳真实方式;提出了符合GPS观测和岩石破裂试验结果的地震压-剪弹性回跳模型;根据已有震例,提出预报不同震级地震的可能性和监测临震前兆形变的GNSS站布设设想。      

汶川8.0级地震前龙门山断裂带及邻近区域的震间形变与发震机理

利用跨龙门山后山和前山断裂的短水准监测资料、龙门山区域GPS和水准测量资料,结合龙门山及邻近区域的地震构造、以及2008年汶川8.0级地震前的中小地震活动等信息进行分析,研究汶川地震前横跨龙门山断裂带的震间(震前)地壳形变特征,探讨引起发震断裂近场和远场形变的构造活动与动力学模式,并由此认识汶川地震的孕育与成因机制,以及该地震破裂的发生机理.     

2014年于田MS7.3级地震近场地表运动和同震位移的初步分析结果

基于2014年于田Ms7.3级地震周边地区的GPS连续观测站数据,得到了此次地震的近场地表运动和同震位移,分析了此次地震的地壳形变特征.结果表明,此次地震引起的地表运动显著,GPS记录到的最大位移振幅远超过最终的同震位移,其中距离震中约60km的XJYT站记录到了西向74.7mm和北向39.9mm的最大位移振幅,同震位移为西向20.0mm和北向9.8mm.2008年于田Ms7.3级地震在一定程度上触发了此次地震.     

芦山MS7.0地震前水平位移和同震水平位移研究

本文利用“中国地壳运动观测网络（二期）”多个GPS连续观测站观测数据处理结果,将2013年4月20日四川芦山MS7.0地震区域参考框架同震水平位移与全球参考框架同震水平位移进行比较,结果表明两组框架解一致,说明两种参考框架均可当作位错参考框架,也即全球参考框架同震水平位移也可视为区域参考框架同震水平位移．区域参考框架下GPS连续观测站地震前的水平位移和同震水平位移结果表明,震前数年,SCTQ站西侧的GPS站构造运动十分显著,而该站水平位移却很小,即出现反常的闭锁．但该站的同震水平位移使其弹性回跳至正常构造水平位移水平,因此SCTQ站震前的位移闭锁是水平位移空间分布中的异常,是芦山MS7.0地震的前兆．水平位移时空变化表明,该站震前和震时位移完全符合里德的弹性回跳理论．区域参考框架中位移时间系列和同震水平位移的综合研究有助于对芦山地震地壳运动前兆的认识和解释．尽管本文未能直接采用其它GPS连续观测站的资料,但结合本文和其它研究结果可以证实,震中附近其它站地震前后的变化与SCTQ站类似．基于芦山地震前水平位移和同震水平位移及其与前兆关系的研究,本文进一步讨论了GPS监测网的布设、 数据处理和分析等问题．      

汶川地震震前与同震断层滑移的比较分析

本文利用GPS观测的1999-2007年汶川震前3期地表变形数据和2008年汶川同震地表变形数据,结合地震位错理论,通过高斯变换和坐标旋转建立断层模型,运用遗传算法,反演了龙门山断裂带断层震前3期和同震滑动参数。结果表明龙门山断层震前3期平均走滑位移为-5.39mm,倾向位移为2.66mm,与同震断层滑移相比较,发现震前断层的滑移趋势与同震断层滑移一致,均为逆冲兼右旋的挤压运动。比较震前3期逆冲方向的滑移量,发现逆冲滑移有加速的现象。并根据震前和同震的断层滑动量估算了汶川地震复发周期。