利用同震和震后位移数据联合反演2011年日本MW9.0地震同震断层滑动

基于黏弹性球体位错理论, 联合陆地和海底同震GPS数据以及日本本岛330个陆地GPS站点5~10年的震后数据, 反演了日本M_W9.0地震的断层滑动模型, 提升了断层滑动分布在细节上的合理性。 首先, 基于日本本岛330个陆地GPS站点震前2年和震后10年的连续观测数据, 获取了日本M_W9.0地震震后5~10年的年平均位移, 该时段的位移几乎完全由地幔黏弹性松弛效应引起; 接着, 利用黏弹性球体位错理论对震后5~10年的位移进行反复拟合, 确定了日本M_W9.0地震震源及周边地区的地幔黏滞性系数最优解(9.0×10¹⁸ Pa·s)。 然后, 联合同震和震后位移数据, 引入黏弹性位错格林函数, 反演了2011年日本M_W9.0地震的断层滑动分布。 结果表明, 该地震同震破裂的最大值达到了62.72 m, 同震滑动的总地震矩为4.48×10²² Nm, 相应的矩震级为M_W9.03。 由于黏弹性松弛效应引起的震后位移中包含了同震破裂的信息, 基于黏弹性球体地震位错理论, 联合同震和震后位移数据反演断层同震破裂, 有效提高了日本M_W9.0地震断层滑动分布的可靠性。 最后, 本文提出的反演方法为同震观测结果缺乏的大地震震后科考提供了理论支撑: 在大地震发生之后, 即使在同震期间没有足够的观测数据, 也可以在震后通过对震源区的加密观测积累的震后数据, 使用本文提出的反演方法优化同震断层滑动模型。     

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.     

基于GPS观测研究2010年青海玉树MS7.1地震震后地壳形变特征及其机制

2010年4月14日青海玉树M_S7.1地震发生在青藏高原东南部甘孜-玉树地震带,在震后7~10天内,我们快速建立了由15个GPS测站组成的跨地震破裂带观测剖面,包括1个连续站,3个半连续站和11个流动站,对所有站进行了240多天的观测,获取了该次地震的震后形变时空特征.采用欧拉矢量和位错模型解算了背景速度场,并从GPS观测的形变场中扣除该分量.采用分层黏弹性位错模型计算余震引起的地表形变,结果表明余震对部分测站的位移造成不可忽视的影响.采用对数模型拟合位移时间序列,表明特征衰减时间为6.7±1.2天.利用最速下降法反演震后余滑时空分布,反演结果表明震后断层活动以左旋滑动为主,断层南盘具有少量的抬升.在空间分布上,余滑主要位于同震破裂区的两侧,西北侧的余滑几乎达到地表,而东南区的余滑基本在同震破裂区的下方,余滑最大的区域位于结古镇东南下方10~20 km的深度范围.随着震后离逝时间的增加,2个余滑区在空间上保持不变,余滑区的面积逐渐扩大.余滑的矩释放为（1.5~5.1）×10¹⁸Nm,相当于1个M_W6.1~6.4地震释放的能量.分层岩石圈黏弹性模型计算的地壳孔隙弹性反弹形变与地表观测值相差较大,不能解释观测到的震后变形.采用麦克斯维尔流变体模型计算下地壳和上地幔松弛引起的地表形变,显示出其对地表形变的贡献较小.GPS观测得到的震后形变所具有的快速衰减特征,以及余滑模型能够较好地拟合GPS地表形变,表明2010年玉树M_S7.1地震后早期阶段的地壳形变主要是由余滑机制决定的.     

2011年日本MW9.0地震震后形变机制与震源区总体构造特征

本文利用较为完备的球体位错理论,结合4.5年的震后位移数据,优化了2011年日本M_W9.0地震震源区岩石圈弹性层厚度与地幔黏滞性因子,更新了该强震断层余滑时空演化过程.首先,基于日本列岛215个均匀分布的GPS连续观测站震前2年与震后4.5年的观测数据,提取了2011年日本M_W9.0地震引起的震后位移时空变化;接着,依据断层余滑衰减相对较快的特点,利用黏弹性球体位错理论对震后3~4.5年的GPS观测数据进行反复拟合,确定2011年日本M_W9.0地震震源区地幔黏滞性系数和岩石圈弹性层厚度的最优解分别为6×10¹⁸ Pa·s和30 km;然后,从震后3年内GPS观测数据中剔除地幔黏滞性松弛效应,获取了断层余滑对应的震后位移场;最后,利用基于球体位错理论的反演算法,反演了2011年日本M_W9.0地震断层余滑的时空演化过程.结果表明,2011年日本M_W9.0地震引起的断层余滑在震后半年内变化显著,震后2年主震区域余滑基本停止,断层的两端存在一定的余滑效应,断层余滑的累计矩震级达到8.59;地震后4年,地幔黏滞性松弛效应对震后位移场的贡献在总体上超过断层余滑的贡献.     

盲逆断层震后变形耦合机制研究——以2017年伊朗MW7.3地震为例

震后变形是地震周期中一个重要阶段,深入研究其产生机制有助于提高对地震演化过程、断层性质及地震危险性评估的认识.2017年伊朗M_W7.3地震InSAR观测资料丰富,为研究扎格罗斯造山带山前褶皱带盲逆冲断层震后变形机制提供了切入点.合理详细的震源模型及高精度的形变观测是开展震后余滑或黏弹松弛研究的首要前提,本文采用多视角InSAR资料联合远场波形数据反演该地震的破裂滑动分布,并解算得到伪三维地表位移,利用InSAR时序分析提取震源区主震后一年半内变形特征,显示震源区震后形变特征与同震位移场类似,LOS向形变速率最大值约8 cm·a^-1,震后变形预示震源区可能存在明显的震后应力调整现象.利用震后半年内形变资料约束的纯运动学余滑模型表明同时期释放能量为矩震级M_W6.7,进一步探讨应力驱动震后余滑及下地壳黏弹性松弛对震后变形的贡献,基于分层黏弹模型的模拟计算表明震后余滑和黏弹松弛效应的耦合模型可以更好地解释地表震后变形特征,其中震后余滑主要分布在同震破裂区的上方浅部,对主震后一年半内震后地表变形起主导作用,震源区壳下黏滞系数量级下...     

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.     

由1990年共和7.0级地震震后垂直形变求得的地球介质有效弛豫时间和粘滞系数

1990年4月26日青海共和7.0级地震的震后垂直形变速率具有典型的指数型衰减特征．本文根据Okada弹性位错地表垂直位移表达式，利用对应原理导出了其标准线性固体粘弹性解．通过引入地球有效弛豫时间和有效粘度的概念，进一步导出了由震后垂直形变求地球有效弛豫时间和粘度的简单公式，该公式与发震断层的位错参数无关．反演结果表明，共和震区地球介质的有效弛豫时间＝/为2.6 a，有效粘滞系数为约1018 Pas．      

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.     

岩石圈结构对大地震震后形变的影响——以1976年唐山大地震和2001年昆仑山大地震为例

大地震发生之后通常会诱发一系列的余震序列,对比1976年M_S7.8唐山大地震和2001年M_S8.1昆仑山大地震周边区域的地震事件可以看出,唐山大地震余震活动时间要明显长于昆仑山大地震余震活动时间.余震序列往往与震后形变密切相关,而影响震后形变的因素不仅与地震发震断层和震级有关,同时与岩石圈的结构有关.考虑到唐山大地震的发震区华北地块和昆仑山大地震的发震区青藏高原有着较大的岩石圈结构差异,本文采用PSGRN/PSCMP软件计算了岩石圈分层模型的大地震同震和震后形变,分析了地壳弹性模量、弹性厚度以及黏滞性系数对同震和震后形变的影响,进而讨论了影响唐山地震和昆仑山地震余震序列差异的原因.计算结果显示,震后形变会在黏弹性效应的作用下逐渐调整,震后形变的持续时间与地壳弹性模量、地壳弹性厚度和下地壳黏滞性系数有关.上地壳和下地壳弹性模量越大,震后形变达到稳定值的时间越短,弹性模量对震后形变稳定值影响很小.地壳弹性厚度越大,震后形变达到稳定值的时间越短,当断层面底端深度小于地壳弹性厚度时,地壳弹性厚度的增加会引起震后形变稳定值的减小;下地壳厚度对震后形变达到稳定值的时间和稳定值基本无影响.下地壳黏滞性系数越大,震后形变达到稳定值的时间越长,反之亦然.结合唐山地震区的华北地块和昆仑山地震的青藏高原深部结构发现,两者之间的上地壳弹性模型差别不大,唐山地震区地壳弹性厚度略大于昆仑山地震区,但昆仑山地震区下地壳黏滞性系数明显低于唐山地震区.这些因素均决定了昆仑山地震的震后形变持续时间短（余震时间序列短）而唐山地震的震后形变持续时间长（余震时间序列长）.由此可见,岩石圈结构差异可能是导致唐山地震和昆仑山地震余震序列差异的主要因素之一.     

唐山地震后发震断层和周围地区的地壳形变

介绍了设于唐山地震发震断层地表裂缝的形变台站，在地震后18年间观测到的断层形变．结果表明，发震断层的垂直和水平形变都集中在大震之后的7年之内；1983年是震后形变的转折期．大面积水准显示的形变与断层形变强度定性相符，目前呈现出不易于积累应力的松弛状态，近期不大可能发生较强地震．      

Coseismic vertical deformation of the MS8.0 Wenchuan earthquake from repeated levelings and its constraint on listric fault geometry

The devastating M_S8.0 Wenchuan earthquake ruptured two large parallel thrust faults along the middle segment of the Longmenshan thrust belt. Preseismic and postseismic leveling data indicated the hanging wall of the YingxiuBeichuan-Nanba thrust fault mainly presented coseismic uplift with respect to the reference point at Pingwu county town, and the observed maximum uplift of 4.7 m is located at Beichuan county (Qushan town) which is about 100 m west of the fault scarp. The foot wall of the Yingxiu-Beichuan-Nanba thrust fault mainly showed subsidence with maximum subsidence of 0.6 m near the rupture. By employing a listric dislocation model, we found that the fault geometry model of exponential dip angle δ= 88°?×1-exp(-9/h) with depth of 18 km and uniform thrust-slip of 5.6 m could fit the observed coseismic vertical deformation very well, which verifies the listric thrust model of the Longmenshan orogenic zone.

     

Temporal variation of crustal deformation during the days preceding a thrust-type great earthquake — The 1944 Tonankai earthquake of magnitude 8.1, Japan

The temporal variation in precursory ground tilt prior to the 1944 Tonankai (Japan) earthquake, which is a great thrust-type earthquake along the Nankai Trough, is discussed using the analysis of data from repeated surveys along short-distance leveling routes.Sato (1970) pointed out that an anomalous tilt occurred one day before the earthquake at Kakegawa near the northern end of the focal region of the earthquake. From the analysis of additional leveling data, Sato's result is re-examined and the temporal change in the ground tilt is deduced for the period of about ten days beginning six days before the earthquake. A remarkable precursory tilt started two or three days before the earthquake. The direction of the precursory tilt was up towards the south (uplift on the southern Nankai Trough side), but the coseismic tilt was up towards the southeast, perpendicular to the strike of the main thrust fault of the Tonankai earthquake. The postseismic tilt was probably opposite of the coseismic tilt. The preseismic tilt is attributed to precursory slip on part of the main fault. If similar precursory deformation occurs before a future earthquake expected to occur in the adjacent Tokai region, the deformation may help predict the time of the Tokai earthquake.     

1976年唐山地震震时和震后变形的模拟

本文采用三维粘弹性有限元方法拟合唐山地区１９７６-１９８５年观测到的地震震时和震后的水平与垂直地形变，反演华北板块下方深部物质的流变学性质．模型采用多层弹性覆盖层与线性粘弹性层的有限块体，发展断层面上存在着位错运动，并用正交设计法拟合观测数据．模拟计算表明，华北板块下方软流层粘度为７．１×１０^１８Ｐａ·ｓ；上地幔粘度为２．１×１０^１９Ｐａ·ｓ．     

2001年MW7.8昆仑山地震震后形变观测、机制与青藏高原中北部岩石圈流变:认识与挑战

2001年M_W7.8昆仑山地震是近半个世纪以来青藏高原发生的最大震级地震。同震破裂产生的巨大应力扰动驱动控制着显著震后形变。二十年尺度的大地测量数据记录了地震后长时间、大范围、时空依赖的震后形变演化过程及差异,揭示了昆仑山地震破裂段复杂的断层分段震后运动学特征、分段摩擦性质差异和青藏高原中北部岩石圈流变性质/结构横向各向异性。本文简要回顾昆仑山地震后基于二十年尺度时序InSAR和GPS的震后形变观测方法和时空特征,特别是时空密集的InSAR观测,是该构造区震后GPS观测的重要补充及其不可替代的观测手段;总结大范围震后形变模拟方法及其揭示的震后运动过程、多种动力学机制及其关系。最后总结提出昆仑山地震震后形变20年研究取得的科学认识及尚待深入研究的科学问题,一方面要持续性地对东昆仑断裂带大范围地表形变进行观测研究;另一方面,要不断更新震后形变模型,进一步深化对该断裂带地震周期形变、区域构造对周期形变控制作用、复杂断层运动时空演化机制的认识。      

基于形变观测分析2011年日本9.0级地震与断层运动间关系

2011年3月11日日本发生9.0级地震,本文以此次地震的震间、同震和震后形变观测为约束,依据不同时段断层运动空间分布特征分析日本海沟地区强震与断层运动间关系.震间日本海沟地区,断层运动闭锁线深度约为60km,闭锁线以上从深到浅依次为断层运动强闭锁段、无震滑移段和弱闭锁段.由同震位错反演结果,2011年日本9.0级地震同震存在深浅两个滑移极值区,同震较浅的滑移极值区(同震位错量10~50m,深度小于30km)震间为断层弱闭锁段;同震较深的滑移极值区(同震位错量10~20m,深度在40km左右)震间为断层强闭锁段;而在两者之间的过渡带同震位错相对较小,震间断层运动表现为无震滑移.震后初期断层运动主要分布在在闭锁线以上的同震较深滑移极值区,而同震较浅的滑移极值区能量释放比较彻底,断层震后余滑量相对较小.依据本文同震和震间断层运动反演结果,震间强闭锁段积累10m同震位错需要100多年时间,与该区域历史上7级地震活动复发周期相当;震间弱闭锁段积累30~50m同震位错约需要300~600年时间,与相关研究给出的日本海沟9级左右地震复发周期比较一致.在实际孕震能力判定的工作中,由于不同性质的断层段在同震过程中会表现更多的组合形式,断层发震能力判定结果存在更多的不确定性,但利用区域形变观测等资料给出震间断层运动特征的研究工作对于断层强震发震能力的判定具有非常重要的实际意义.     

利用GPS观测资料分析2008年于田Ms7.3地震的同震位移及震后形变

2008年3月21日新疆于田发生Ms7.3级地震.本文通过处理、分析GPS数据,得到破裂断层北侧100 km附近的同震位移及震后形变信息.在观测区域GPS点监测到10 mm左右的同震位移,其中最大为南向14 mm,东向5 mm.同震位移呈现一致性的东南向运动特征,证实于田地震存在显著的左旋走滑分量.震后台站向西南方向运...     

Coseismic and postseismic subsurface displacements and strains for a vertical strike-slip fault in a three-layer elastic medium

A three-layer elastic-gravitational fault displacement model using dislocation theory has been developed and used to examine the effect of layering of earth elastic moduli on surface and subsurface displacement fields for a vertical strike-slip fault. The model has been used to examine the effect of depth variation of elastic properties at coseismic and postseismic time scales. For pure strike-slip motion the effect of gravity on coseismic and postseismic horizontal deformation is negligible. For coseismic deformation the model predicts that (for constant Poisson's ratio) an increase in elastic moduli with depth attenuates the displacements within the upper layers with respect to displacement distribution for a uniform half-space, while an inclusion of a soft layer between the top layer and lower half-space amplifies upper layer displacements. The effect of variation in Poisson's ratio on surface and subsurface displacements has also been examined.The effect of postseismic stress relaxation on surface and subsurface displacements for a three-layer model has been calculated and compared with that of a uniformly relaxed half-space model. Layer 1 is assumed to correspond to the upper crust, layer 2 the lower crust and layer 3 the upper mantle. The effect of postseismic stress relaxation within a uniform half-space and within just the lower crust and upper mantle has been examined. Stress relaxation within the whole half-space decreases the amplitude and shortens the wavelength of displacements, while stress relaxation within the lower two layers increases the amplitude and broadens the wavelength of displacements. The difference between uniform and layered postseismic relaxation is particularly pronounced at the base of the crust.Coseismic and postseismic normal and volumetric strains for a vertical strike-slip fault have also been examined. For a uniformly relaxed half-space model, an increase in normal strains is shown with respect to the coseismic elastic solution, whereas the postseismic volumetric strain is effectively zero. For a three-layer model with stress relaxation in the lower layers only, the normal and volumetric strains within the top elastic layer resemble coseismic strains, while in the lower layers which suffer a rigidity decrease, the postseismic volumetric strain is effectively zero.     

Effective relaxation time and viscosity of the earth inferred from the postseismic vertical deformations of the 1990 M S=7.0 Gonghe earthquake

The postseismic vertical deformation rates of the 1990 Gonghe M _S=7.0 earthquake appears to have decreased exponentially. Based on Okada’s coseismic surface displacement solution caused by a uniform fault slip in an elastic homogeneous half space, we derived its postseismic surface displacement by using a single-layer standard linear solid model, and further derived a simplified formula for determining the effective relaxation time and viscosity of the earth, which is independent of the dislocation parameters of the causative fault. From the postseismic vertical deformation of the 1990 Gonghe earthquake, we inferred that the effective relaxation time defined by τ=η/μ is 2.6 years, and the effective viscosity η is about 10¹⁸ Pa · s. This work was supported by Chinese Joint Seismological Science Foundation under the grants 92088 and 196098.     

1976年唐山强震群震后库仑应力演化及其与2020年古冶5.1级地震的关系

采用能够综合协调长期变形和震后短期变形的Burgers流变模型,模拟了1976年唐山强震群引起的震后形变场以及同震和震后库仑应力变化。结果显示:1976年唐山强震群中主震的两个破裂面以及滦县和宁河两次强余震均对2020年古冶5.1级地震表现为库仑应力加载。岩石圈粘弹性松弛效应引起的库仑应力变化显示,震后15年前后,库仑应力演化状态呈现显著的差异性:震后15年内,库仑应力变化剧烈;而震后15年后,库仑应力呈现缓慢的稳定增加状态。该过程与唐山强震群余震区地震活动过程相似,可能暗示1976年唐山强震群余震区应力调整过程已基本稳定。