GRACE观测的区域重力场变化与大地震关系探讨

利用GRACE重力卫星观测资料, 系统地分析了喜马拉雅俯冲带及周边几次7级以上大地震前后的区域重力场变化特征。 研究发现, 2005年巴基斯坦M_S7.8、 2008年汶川M_S8.0、 2011年缅甸M_S7.2、 2013年芦山M_S7.0和2015年尼泊尔M_S8.1等大地震都发生在重力显著变化区域及周边, 地震前几年开始区域重力在原变化趋势下呈现快速减小特征, 而后, 减小后的重力恢复增加, 大地震均发生在这种重力变化过程中。 大地震前的这种重力变化过程与苏门答腊M_W9.3和东日本M_W9.0地震的同震和震后区域重力变化过程类似, 只是幅度要远远小于这两个地震的同震和震后变化, 而且重力减小恢复较快。 综合分析认为喜马拉雅俯冲带及周边区域几次7级以上大地震前后的区域重力变化, 都与巨大地震过程中, 板块活动调整的弹性变形、 区域地下深部地幔物质运移和热引起的区域气候改变有关。 据此, 为区域重力变化的共同特征提出一种物理过程模式解释。 苏门答腊M_W9.3及其巨大余震过程中, 喜马拉雅俯冲带局部区域出现地壳的拉伸、 下沉, 一段时间后, 转变为挤压、 抬升。     

2021年漾濞MS6.4地震前后重力场动态特征分析

基于2015年以来南北地震带南段相对重力和绝对重力观测资料,系统分析了区域重力场动态变化及其与2021年5月21日漾濞M_S6.4地震的关系.结果表明:(1)区域重力场变化与维西—乔后断裂关系密切,反映了2015—2021年期间该断裂活动引起了地表重力场变化;(2)与漾濞地震孕育有关的重力场经历了“弱变化—区域性异常—局部异常—四象限分布异常—大范围的正异常—反向变化发震”的演化过程;(3)重力场累积变化和差分变化图像均反映出漾濞震前两年出现显著的重力异常变化,地震发生在重力变化梯度带、四象限中心和零等值线拐弯附近;(4)重力场动态演化图像较好地反映了漾濞M_S6.4地震孕育发生过程中出现的中期前兆现象,并基于该现象在漾濞M_S6.4地震前作过一定程度的中期预测,尤其是强震地点判定.     

山东省井水位对几次大地震同震响应的比较分析

采用多井对多震的方式,选取山东省地下流体观测井网中同震响应较好的6口观测井作为研究对象,分别从水位变化形态和幅度对比分析2011年日本M_W9.0地震、2012年苏门答腊M_W8.6地震和2015年尼泊尔M_W7.8地震引起的井水位变化特征,探讨引起该变化的可能机理。研究结果显示:水位同震变化形态以振荡为主;通过定量分析认为聊古一井井水位的阶升是由含水层渗透系数增大所致;位于同一断裂带上的聊古一井和鲁27井井水位在同一地震中所表现的变化形态不同,可能与两个观测井所处的地质构造条件和地震活动背景不同有关;区域应力场的变化会影响栖霞鲁07井的水位同震变化形态;水位同震变化幅度与震级、井震距存在一定关系,同时也取决于含水层水文地质条件的变化量。      

2011年新疆伽师M_S5.8地震重力场前兆异常特征

利用2011年8月11日新疆伽师MS5.8地震前喀什—伽师流动重力网2009年4月至2011年7月的重力复测数据,绘制区域重力场差分和累计动态变化图像。分析表明:(1)地震发生在断裂带重力变化正、负异常密集区的零等值线附近和重力场的反向恢复变化过程中;地震发生前一年出现"闭锁"的重力变化特征;(2)区域重力场差分变化反映出震前伽师—西克尔地区地壳物质运动信息;区域重力场的"平静—活跃"过程,反映出伽师—西克尔区域重力场短期局部构造运动;区域重力场累计动态变化反映出地壳运动的背景特征;(3)地震震前重力变化等值线平行于断层分布,临震时重力变化等值线近垂直于断层,是一个显著的重力特征。     

2016年日本本州东岸近海MS7.2地震前后的地壳运动

2016年11月22日日本本州东岸近海发生东日本M_W9.0大地震的M_S7.2强余震。本文利用美国内华达大学内华达大地测量实验室网站获得此次大地震周围共30多个GPS连续观测站及其它台站的IGS08全球参考框架坐标时间序列,采用北京附近的GPS连续观测站BJSH作为区域位移参考框架的核心站,获取了此次M_S7.2强余震的同震水平位移和区域参考框架位移时间序列,得到了此次强余震前后的位移时空变化图像。结果显示:尽管本州东岸近海M_S7.2地震作为东日本M_W9.0地震的强余震,受其震后形变的影响强烈,但其地壳水平形变的前兆规律与已观测到的大地震一致;不同的是东日本M_W9.0地震前的垂直位移无积累,而本州东岸近海M_S7.2地震前后的垂直位移保持M_W9.0地震后均匀而缓慢的衰减变化;临震前震中附近的GPS连续观测站的东西分量明显减速,有的甚至减至零,是明显的短期前兆异常。此外,本文还进一步讨论了两种同震位移及其成因,并推断地壳水平运动挤压是此次地震的成因。      

2016年青海门源MS6.4地震前重力变化

利用青藏高原东北缘2011-2015年期间的流动重力观测资料,系统分析了区域重力场变化及其与2016年1月21日青海门源M_S6.4地震发生的关系,结合GNSS、水准观测成果和区域地质构造动力环境,进一步研究了区域重力场变化的时空分布特征及其机理.结果表明：（1）测区内重力场异常变化与祁连山断裂带在空间上关系密切,反映沿祁连山断裂带（段）在2011-2015年期间发生了引起地表重力变化效应的构造活动或变形.（2）门源M_S6.4地震前,测区内先出现了较大空间范围的区域性重力异常,到临近发震前显示出相对闭锁的现象,且围绕震中区周围出现四象限分布特征的局部重力变化,地震发生在重力反向变化过程中,并出现显著的四象限分布特征的重力异常变化,其中,青海门源与甘肃天祝一带重力差异变化达100×10^-8m·s^-2以上.（3）区域重力场动态演化大体反映了青藏高原东北缘物质北东流的动态效应,门源震中附近区域地壳受挤压变形显著、面压缩率和重力剧烈变化的特征最为显著.（4）重力场的空间分布及其随时间变化与地壳垂直与水平运动及地质构造活动等观测结果有一定的对应关系,强震易发生在重力变化四象限分布中心地带或正、负异常区过渡的高梯度带上.     

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。     

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。     

2020年伽师MS6.4地震重力与地壳形变综合分析

2020年1月19日新疆维吾尔自治区伽师县发生M_S6.4地震,此次地震为N倾逆冲兼少量走滑型地震,地震的发震构造是南天山柯坪塔格逆冲推覆体最南缘的柯坪断裂,伽师地震的震中位于喀什-伽师流动重力观测网和中国大陆构造环境监测网络GNSS观测网监测区域内。文中选取2015—2021年的流动重力和GNSS观测资料开展分析。采用绝对重力点约束流动重力数据,并进行全网经典平差计算,进而获得重力场变化图像;基于GNSS数据通过GAMIT/GLOBK软件解算获得研究区的运动速率,借助位移与应变的偏导关系获取水平视应变场分布图。之后,分别研究了孕震区的重力场和应变场的变化特征,并综合探讨了孕震区的重力场、 GNSS形变场特征与伽师M_S6.4地震孕震过程的关系。研究表明：1)一年时间尺度的重力场时变图像较好地反映了伽师M_S6.4地震附近区域重力场的系统演化过程,重力变化零等值线拐弯处及“四象限”特征可为地震预报提供有益参考。2)重力场累积变化反映出伽师M_S6.4地震前的重力场变化受到区域大断裂的控制,研究区一系列中强震...     

2017年伊朗MW7.3地震的震后余滑分布及其对2018年MW6.0地震的触发影响

收集了覆盖监测区域的Sentinel-1卫星雷达影像,利用短基线集干涉测量技术提取了2017年伊朗萨波尔扎哈布M_W7.3地震后283天的地表时序形变,通过二步法反演得到其震后余滑分布,之后采用差分干涉技术获取了2018年发生于同一地区的贾万鲁德M_W6.0地震的同震形变场,并将反演所得的发震断层参数作为应力计算的接收断层参数,来分析2017年M_W7.3强震及其震后活动对2018年贾万鲁德M_W6.0地震的触发影响。结果表明:萨波尔扎哈布地震的震后形变主要由孕震断层面的余滑运动所致,震后283天余滑模型的累积滑移量达到0.7 m;2018年贾万鲁德地震的发震断层走向为355.6°,倾角为89.4°,同震断层破裂以右旋走滑为主,兼具部分正断层运动。本文所得的贾万鲁德地震断层平面上的库仑应力变化表明,2017年M_W7.3主震及其震后余滑对2018年M_W6.0地震的发生具有一定的触发效应,M_W6.0地震的发生可能与区域板块的活动性相关。      

重力卫星GRACE检测出2010年智利Mw8.8地震的同震重力变化

本研究通过对重力卫星GRACE观测数据的处理,采用去相关加300 km半径的高斯平滑,成功地提取了2010智利M_w8.8地震所产生的重力变化信号,最大变化幅度达到7 μGal,并且与位错理论计算结果具有较好的一致性.这是继GRACE检测出2004苏门答腊M9.3地震重力变化后的又一个卫星观测地震的例证,说明GRACE具有检测出M<9.0量级地震的能力,为利用GRACE研究地震以及其更广泛的应用提供了可靠的依据.     

基于GPS观测分析日本9.0级地震同震位错与近场形变特征

2011年3月11日日本本州宫城县东海岸近海发生Mw9.0级地震,本文在对GPS同震位移场分布及误差特征分析的基础上,反演了同震位错分布.误差分析结果表明震源北西向300 km、北北西向550 km、南西向700 km范围内的同震位移量值明显大于误差,可以为位错反演提供有效的地表位移约束.沿震源北西向GPS剖面结果和位...     

GRACE卫星观测到的与汶川Ms8.0地震有关的重力变化

利用GRACE卫星重力资料,计算了中国大陆及周边的卫星重力时变场和地表密度变化分布,获取了具有代表性的点位区域的每月重力变化时间序列.同时获得了WUSH、LHAS、KUNM、LUZH站相对于区域参考框架的GPS位移时间序列.卫星重力观测结果显示喜马拉雅弧形带的重力在2004年苏门答腊M_w9.3地震后快速下降, 2006~2008年尤为明显,西域地块西北边界带上震后重力下降也较为显著;而沿青藏高原北至东边界2007年出现明显的重力上升沿构造边界的弧形分布,且2008年南北地震带中南段重力上升变化显著.这些苏门答腊地震后的重力变化趋势到汶川地震发生后才开始改变.GPS位移结果显示四个台站均记录到苏门答腊大地震的同震信号,震后WUSH、LHAS、KUNM站水平位移向量出现明显的运动趋势改变,且一直持续到2008年汶川M_s8.0地震的发生.GRACE卫星揭示的青藏高原及周边地表质量的变化为解释汶川地震的动力机制提供了新的观测途径和资料.本文结合区域构造运动的特点和GPS位移,对GRACE观测的时变重力场特征及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论.     

联合GPS和GRACE观测研究日本MW9.0地震震后变形机制

利用GPS和GRACE观测数据研究了日本M_W9.0地震的震后变形特征.GPS观测显示,区域震后位移呈现随指数函数变化特征,变化速率符合大森公式的衰减特性;近五年的震后水平位移累积已达到东向60~165 cm,南向20~65 cm的量值,距震中较远站点已超过同震变化量,且震后变形仍然持续.GRACE观测到显著的震后重力变化,地震破裂两侧的重力变化总体均呈上升趋势,但海洋侧的变化速率较快.联合震后余滑和黏弹性位错理论对震后变形进行了模拟,探索了GPS和GRACE观测的综合应用方法.研究发现,综合考虑震后余滑和黏滞性松弛效应可以对日本地震的震后变形做出较合理的解释,震后初期余滑起主要作用,1至2年以后逐渐减弱,黏滞性松弛作用逐渐增强.在震后变形模拟和区域黏滞性结构反演中形成GPS和GRACE观测结合应用的方法,先基于震后GPS形变估算区域黏滞性结构,而后利用GRACE观测修正深部的黏滞系数,并综合利用这两种观测微调浅层黏滞系数,最终确定区域黏滞性结构.基于该方法反演了日本震源区的地幔黏滞性结构,地震断层破裂两侧的流变参数存在差异,大陆侧的地幔顶层黏滞系数在1.0×10¹⁹ Pa·s量级,而海洋侧的则略小于大陆的,在6.0×10¹⁸ Pa·s量级.     

Comparative study of temporal variations in the earth’s gravity field using GRACE gravity models in the regions of three recent giant earthquakes

Comparative analysis of coseismic and postseismic variations of the Earth’s gravity field is carried for the regions of three giant earthquakes (Andaman-Sumatra, December 26, 2004, magnitude M _w = 9.1; Maule-Chile, February 27, 2010, M _w = 8.8, and Tohoku-Oki, March 11, 2011, M _w = 9.0) with the use of GRACE satellite data. Within the resolution of GRACE models, the coseismic changes of gravity caused by these seismic events manifest themselves by large negative anomalies located in the rear of the subduction zone. The real data are compared with the synthetic anomalies calculated from the rupture surface models based on different kinds of ground measurements. It is shown that the difference between the gravity anomalies corresponding to different rupture surface models exceeds the uncertainties of the GRACE data. There-fore, the coseismic gravity anomalies are at least suitable for rejecting part of the models that are equivalent in the ground data. Within the first few months after the Andaman-Sumatra earthquake, a positive gravity anomaly started to grow above the deep trench. This anomaly rapidly captured the area of the back-arc basin and largely compensated the negative coseismic anomaly. The processes of viscoelastic stress relaxation do not fully allow for these rapid changes of gravity. According to the calculations, even with a sufficiently low viscosity of the upper mantle, relaxation only covers about a half of the observed change of the field. In order to explain the remaining temporal variations, we suggested the process of downdip propagation of the coseismic rupture surface. The feasibility of such a process was supported by numerical simulations. The sum of the gravity anomalies caused by this process and the anomaly generated by the processes of viscoelastic relaxation accounts well for the observed changes of the gravity field in the region of the earthquake. The similar postseismic changes of gravity were also detected for the region of the Tohoku-Oki earthquake. Just as in the case discussed above, this earthquake was also followed by a rapid growth of a positive postseismic anomaly, which partially counterbalanced the negative coseismic anomaly. The time variations of the gravity field in the region of the Maule-Chile earthquake differ from the pattern of changes observed in the island arcs described above. The postseismic gravity variations are in this case concentrated in a narrower band above the deep trench and shelf, and they do not spread over the continental territory, where the negative coseismic anomaly is located. These discrepancies reflect the difference in the geodynamical settings of the studied earthquakes.     

GRACE detection of the medium- to far-field coseismic gravity changes caused by the 2004 MW9.3 Sumatra-Andaman earthquake

Large earthquakes cause observable changes in the Earth's gravity field, which have been detected by the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Since most previous studies focus on the detection of near-field gravity effects, this study provides the results from the medium- to far-field gravity changes caused by the 2004 Sumatra-Andaman earthquake that are recorded within GRACE monthly solutions. Utilizing a spherical-earth dislocation model we documented that large-scale signals predominate in the global field of the coseismic gravity changes caused by the earthquake. After removing the near-field effects, the coseismic gravity changes show a negative anomaly feature with an average magnitude of -0.18×10^-8 m·s^-2 in the region ranging ~40° from the epicenter, which is considered as the "medium field" in this study. From the GRACE data released by Center for Space Research from August 2002 to December 2008, we retrieved the large-scale gravity changes smoothed with 3 000 km Gaussian filter. The results show that the coseismic gravity changes detected by GRACE in the medium field have an average of (-0.20€±0.06)×10^-8 m·s^-2, which agrees with the model prediction. The detection confirms that GRACE is sensitive to large-scale medium-field coseismic gravitational effects of mega earthquakes, and also validates the spherical-earth dislocation model in the medium field from the perspective of satellite gravimetry.