Seismologic applications of GRACE time-variable gravity measurements

The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) has been measuring temporal and spatial variations of mass redistribution within the Earth system since 2002. As large earthquakes cause significant mass changes on and under the Earth’s surface, GRACE provides a new means from space to observe mass redistribution due to earthquake deformations. GRACE serves as a good complement to other earthquake measurements because of its extensive spatial coverage and being free from terrestrial restriction. During its over 10 years mission, GRACE has successfully detected seismic gravitational changes of several giant earthquakes, which include the 2004 Sumatra–Andaman earthquake, 2010 Maule (Chile) earthquake, and 2011 Tohoku-Oki (Japan) earthquake. In this review, we describe by examples how to process GRACE time-variable gravity data to retrieve seismic signals, and summarize the results of recent studies that apply GRACE observations to detect co- and post-seismic signals and constrain fault slip models and viscous lithospheric structures. We also discuss major problems and give an outlook in this field of GRACE application.     

利用GRACE重力和重力梯度变化估计2012年苏门答腊地震断层参数

2012年4月11日苏门答腊北部附近海域发生M_W=8.6地震,国际上采用不同数据获得了该地震的断层滑动模型,但断层走滑性质存在较大差异.卫星重力GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）观测覆盖震中区域,可以提供很好的断层参数估计约束.本文采用GRACE月重力场模型数据提取了此次地震同震重力和重力梯度变化,表明了北向分量的优越性.并与断层模型理论计算结果进行了比较,分析了T_xx（北-北向重力梯度）分量对断层参数的敏感性,以及基于粒子群算法以及Okubo位错模型反演了该地震断层参数.结果表明GRACE观测到的同震重力梯度变化在空间形态分布上与断层模型模拟结果符合较好,但振幅差异较大.重力和重力梯度的北向分量可以很好地压制条带误差,其中g_N（北向重力变化）和T_xx的误差最小,其次是T_xz（北-上向重力梯度）,误差最大和对条带误差抑制效果最差的是T_xy（北-东向重力梯度）.T_xx对断层的深度不敏感,对其余断层参数较敏感.基于GRACE反演得到的断层的走向角为113.63°,倾角为89.99°,滑移角为175.26°,平均滑移量为28.18 m,相应的矩震为8.71级,且此次地震的走滑性质为右旋走滑.     

GRACE和地面重力测量监测到的中国大陆长期重力变化

自2002年以来,GRACE卫星探测计划可提供高精度的时变地球重力场,用以探测地球系统的物质分布.自1998年中国大陆重力监测网建立以来,利用FG5绝对重力仪和LCR-G型相对重力仪每2年对该网进行重复测量获取重力场时变信息.基于此,本文利用GRACE和地面重力测量获得了中国大陆重力场的长期年变率,利用位错理论根据USGS发布的断层模型计算了2008年汶川M_s8.0级地震的同震重力变化并进行了300 km高斯滤波.GRACE卫星重力和地面重力结果均表明华北地区地下水流失严重,在绝对重力基准站上,GRACE卫星重力与绝对重力变化率较为一致,汶川区域的地面重力变化结果可视为大地震前兆信息.     

历史大地震断层滑动模型的建立及其对同震数值计算的影响——以1920年宁夏海原MS8.5大地震为例

大地震的发生会引起区域位移场和应力场发生变化,进而改变区域内及临近断层的应力状态和地震活动性.目前,研究学者可据已有的断层滑动模型来计算分析大地震同震应力变化,同时采用库仑应力触发理论来进一步分析震后余震分布和断层危险性.然而,历史上曾经发生过不少大地震,例如,1920年的海原M_S8.5大地震,是全球范围内少见的特大地震之一.局限于无确切的地震台站地震波等资料,前人在研究历史地震的影响时往往给出一些简单的断层滑动模型,将断层面上错动量视为均匀分布.为更准确地了解历史地震对后续地震的影响,基于前人研究和一般地震滑动形态分布规律及地震反射剖面等资料,以海原M_S8.5大地震为例,探讨了如何建立海原大地震断层滑动模型,并分别搭建了简单断层滑动模型和复杂断层滑动模型的全球同震横向不均匀并行椭球型地球模型.通过对海原M_S8.5地震的同震位移场和应力场的计算,发现采用复杂断层滑动模型比简单断层滑动模型地表位错分布更切合实际.同时,进一步计算和分析了此次大地震对青藏高原东北缘近100年历史地震和周围断层的应力触发作用,得出断层滑动模型对同震计算结果的影响集中在发震断层附近而对远场影响较小.     

利用震后黏弹性位错理论研究苏门答腊地震(M_w9.3)的震后重力变化

本文利用2003—2011年的GRACE RL05数据提取了苏门答腊地震(Mw9.3)引起的震后重力变化,发现断层两侧震后重力变化速率存在明显差异,断层下盘总体变化率为0.55μGal/yr,断层上盘为0.16μGal/yr.基于子断层叠加的编程思想,本文将Tanaka的黏弹球体位错理论配套计算程序(简称黏弹位错程序)加以改造,克服了其近场计算精度不足(甚至错误)的缺陷,可用来研究大地震引起的近场震后位移与重力变化.本文利用改造后的黏弹位错程序计算了2004年苏门答腊地震(Mw9.3)产生的同震重力变化,计算结果在空间分布和量级上均与利用弹性位错程序计算获得的结果一致,验证了我们对黏弹位错程序进行改造的正确性.最后,结合GRACE卫星观测数据,本文利用Tanaka的黏弹位错理论研究了苏门答腊地区的地幔黏性因子.结果表明,该地区地幔黏滞性具有显著的横向差异,当发震断层上下两盘的地幔黏滞性系数分别取8×1018 Pa·s和1×1018 Pa·s时,模拟的震后重力变化在总体空间分布和变化趋势上与GRACE卫星观测结果更接近.     

青藏高原东缘中南部主要活动断裂滑动速率及其地震矩亏损

作为青藏高原南东向“挤出逃逸”的重要通道,青藏高原东缘中南部具有大型走滑断裂广泛发育和地震活动强烈而频繁的特征.本文使用线性球面块体模型理论,在前人活动地块研究的基础上吸收新近研究成果,建立研究区三维块体几何模型,使用1999—2007年的GPS数据反演得到青藏高原东缘中南部主要活动断裂滑动速率.使用反演得到的滑动速率和最优断层闭锁深度估算了川滇菱形块体主要边界和其内部断裂的地震矩积累,并利用历史强震目录估算了地震矩释放,在比较两者差异的基础上得到了研究区地震矩亏损（未释放的地震矩）较大的断层和断层段,该结果可以作为研究区强震中长期危险性研究的参考.     

1999年山西大同Ms 5.6地震的震源断层

大同震区先后在 1989、1991和 1999年发生MS >5地震 ,利用大同遥测地震台网的记录资料进行比较精确的地震序列震源定位 ,结合宏观烈度分布和震源机制解资料 ,详细地分析对比了 3次子序列的异同。结果显示 ,1999年MS5 .6地震的震源断层是走向NWW、长 16km、宽12km、埋深 5km以下、倾角近直立的左旋走滑断层。而前 2个子序列是NNE为主的右旋走滑断层活动所致 ,表明地震破裂方向发生了变化。这种 2个以上方向先后出现、并且强弱有别的地震破裂是普遍存在的 ,表明震源环境的复杂程度与地震序列的类型有关。虽然震区存在NE向的大王村断裂和NW向的团堡断裂 ,但目前没有证据说明震源断层和 2条构造断层连通。 3次子序列的震源断层都是走滑断层 ,也和 2条构造正断层有别。 1999年的子序列可能属于新破裂。     

利用独立成分分析检测2004年和2012年印度洋地震的重力变化

2004年12月苏门答腊发生M_W9.3地震,造成巨大的质量重新分布.利用GRACE卫星月重力场数据计算了研究区域地面1°×1°网格点上的重力变化时间序列,采用主成分分析和独立成分分析两种方法,提取了重力变化的空间与时间特征,结果显示震中两侧区域的重力变化呈两极分布,其中东侧重力下降,西侧重力增加.相较于传统的主成分分析方法,独立成分分析能更好地从原始信号中提取地震的信息,能分解出具有显著阶跃变化的独立成分.除了2004年的苏门答腊大地震外,独立成分分析还分解得到了2012年Andaman地震的特征,与该次地震的空间特征与时间序列基本一致.相较于适合定量分析的多项式拟合方法,独立成分分析更适合大范围区域的定性分析,建议将两种方法相结合,取长补短,从而为GRACE地震监测提供一种更为客观、有效的方法.     

龙门山断裂带重力变化与汶川8.0级地震关系研究

利用成都地区1996~2008年绝对重力和相对重力观测资料获得区域重力场时空动态变化结果,系统分析了龙门山断裂带重力场变化特征及其与汶川8.0级地震的关系.①重力变化与龙门山断裂构造活动存在密切空间联系,重力测量较好地反映了伴随活动断层的物质迁移和构造变形引起的地表重力变化效应.②成都地区重力场动态图像较完整地反映了2008年5月12日汶川8.0级地震孕育、发生过程中出现的流动重力前兆信息.③映秀及北川重力点值时序变化累积量达120×10^-8m·s^-2,较好地反映了汶川地震前映秀和北川两个极震区附近的重力测点随时间的剧烈波动性上升变化.④汶川地震前,龙门山断裂带东侧的四川盆地相对稳定,而较显著的重力变化发生在龙门山断裂带西侧的川西高原上.     

Retrieval of Large-Scale Hydrological Signals in Africa from GRACE Time-Variable Gravity Fields

Since its launch in April 2002, the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission is recording the Earth’s time-variable gravity field with temporal and spatial resolutions of typically 7–30?days and a few hundreds of kilometers, allowing the monitoring of continental water storage variations from both continental and river-basin scales. We investigate here large scale hydrological variations in Africa using different GRACE spherical harmonic solutions, using different processing strategies (constrained and unconstrained solutions). We compare our GRACE estimates to different global hydrology models, with different land-surface schemes and also precipitation forcing. We validate GRACE observations through two different techniques: first by studying desert areas, providing an estimate of the precision. Then we compare GRACE recovered mass variations of main lakes to volume changes derived from radar altimetry measurements. We also study the differences between different publicly available precipitation datasets from both space measurements and ground rain gauges, and their impact on soil-moisture estimates.     

重力卫星精密星间测距系统滤波器技术指标论证

本文基于重力卫星精密星间测距测量模式,从星间测距观测值与地球重力场频谱关系的角度,建立了距离观测值关于重力位系数的敏感矩阵,分析了各阶次重力场位系数对应的敏感矩阵的频谱特性,讨论了星间测距信息中能反应地球重力场信息的有效信号频带,给出了能最大限度保留地球重力场信息的低通滤波器的通带截止频率、通带增益波纹和频率采样率技术指标设计方案,可为我国首期卫星跟踪卫星重力测量计划的主要技术指标的初步设计提供参考.     

Theoretical and quantitative analyses of the fault slip rate uncertainties from single event and erosion of the accumulated offset

Fault slip rate is one of the most important subjects in active tectonics research, which reveals the activity and seismic potential of a fault. Due to the improvement of dating precision with the development of dating methods, Holocene geological markers, even the young markers of thousands or hundreds of years old, are widely used in fault slip rate calculation. Usually, uncertainties from a single event and erosion of the accumulated offsets are involved in fault slip rate determination. Two types of uncertainties are related to a single event; the first is the time elapsed since the latest (the most recent) event; the second is the period since the formation of the geological marker to the occurrence of the first event. High‐slip‐rate faults are more sensitive to these uncertainties than low‐slip‐rate faults. In this study, we studied quantitatively the effects of a single event on fault slip rate following the three classic earthquake models: the characteristic earthquake, uniform slip and variable slip models. We suggest that the erosion of the accumulated offset–lateral erosion on a strike‐slip fault, should also be considered in fault slip estimation. Therefore, we propose a differential method to obtain a reliable fault slip rate. In the differential method, the slip rate is the ratio of offset differentials and corresponding age differentials between the older and younger terraces along strike‐slip faults. This kind of differential method could avoid the uncertainties from the first and latest events, as well as that from the lateral erosion. By applying the differential method, we got the revised slip rates of ∼5–10 mm/year on the Altyn Tagh and Kunlun faults. These low slip rates could fit previous geodetic and geological fault slip rates and shortening rates as well as the millennial recurrence intervals of strong earthquakes along the major segments of these faults.     

2017年九寨沟地震所受历史地震黏弹性库仑应力作用及其后续对周边断层地震危险性的影响

首先对2017年九寨沟M_S7.0地震周边断裂活动和历史地震特征进行了阐述;然后利用黏弹性地壳模型,计算了1933年叠溪地震、1976年松潘震群和2008年汶川地震对2017年九寨沟地震的同震和震后库仑应力作用.该结果显示1933年叠溪地震对九寨沟地震具有延缓作用,而1976年松潘震群和2008年汶川地震对九寨沟地震的黏弹性库仑应力作用为正;随着下地壳和上地幔黏弹性物质的持续作用,前述几次地震总的黏弹性库仑应力在九寨沟地震破裂中心点处负的库仑应力逐渐减弱,而在破裂北段这些库仑应力逐渐转为正值,并促进了九寨沟地震的发生.本文也计算了九寨沟地震后对周边断层的库仑影响,并将此影响值转换为对断层能量积累的影响时间上,结果显示塔藏断裂带西段和中段在内的多条断裂带受到黏弹性库仑应力影响时间值超过10年.将库仑应力影响时间值加入到部分已知离逝时间的断层段上,也得到了这些断层段的未来30年特征地震发生概率.最终结果认为玛沁断裂带、玛曲断裂带、哈南—稻畦子断裂中段和西段等断层段的强震危险性需要重点关注.     

断裂活动的平行消减作用

依据断裂活动时代，滑动速率，破裂位移，强震复发期和地震释放能量等要素，通过一些典型实例证明，断裂活动的平行消减作用具有普遍意义，讨论了与断裂活动平行消减作用有关几个问题，本的研究成果对确定断裂活动力源，认识断裂和地质活动规律以及地震预报和地震危险性分析重要意义。     

基于Landsat 8光学影像的巴基斯坦Awaran M_w7.7地震形变监测及参数反演研究

2013年9月24日巴基斯坦俾路支省(Balochistan)境内的阿瓦兰县(Awaran)发生了Mw7.7级地震.本文利用覆盖该地区的Landsat 8数据,基于影像配准的方法获取了该次地震的同震形变场,并运用地统计的方法对形变结果进行精度评定.针对传统四叉树算法中近场和远场中采样密度的不均匀性,以及噪音区域对数据降采样和反演结果收敛性的影响,本文提出了改进的四叉树算法对点的密度和形变梯度进行合理兼顾.最后利用光学影像获取的形变结果和数据的精度水平,基于Okada弹性半空间形变模型反演了该地震的震源参数和断层滑动分布.结果表明,地震断层北倾47°,滑动以左旋走滑为主,断层的西南部兼具少量的倾滑运动分量,断层滑动主要集中分布在断层面0~15km深度范围,最大滑动量达10m.反演获得的地震标量矩为4.68×1020 N·m,震级约为Mw7.75级.本文的研究结果可以为该地区的地壳应力变化研究和地震灾害评估提供依据,同时为Landsat 8光学影像应用于地震的形变研究提供参考.     

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.      

Robust inversion analysis of local gravity anomalies caused by geological dislocation model of faults

ＲｏｂｕｓｔｉｎｖｅｒｓｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌｏｃａｌｇｒａｖｉｔｙａｎｏｍａｌｉｅｓｃａｕｓｅｄｂｙｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｆａｕｌｔｓＪＩＡＮＬＩＡＮＧＨＵＡＮＧ（黄建梁）ＣＨＯＮＧＹＡＮＧＳＨＥＮ（申...     

THE COMPREHENSIVE ANALYSIS AND RESEARCH OF RECENT GRAVITY AND CRUSTAL DEFORMATION IN NORTHEASTERN EDGE OF THE TIBETAN PLATEAU

In this study, we systematically analyzed the relationship between regional gravity changes, 3D crustal deformation, regional tectonic environment and strong earthquakes based on the relative gravity measurements(2011-2014), GPS data and the background vertical deformation from the leveling measurements conducted from 1970 to 2011. Subsequently, we further characterized the temporal-spatial patterns and discussed the mechanism of regional gravity changes and the crustal deformation. The results can be summarized as follows:1)The regional gravity changes, the GPS-derived horizontal deformation and the vertical deformational obtained from leveling data showed a close spatial relationship:The gravity increased along with the direction of horizontal movement, and the gravity decreased with the crustal uplift and vice versa, which reflects the inherited characteristics of neotectonic activities. 2)The crustal deformation was closely related to the active faults. The contour lines of gravity changes and vertical deformation were generally along with the Qilian-Haiyuan Fault(the strike is NWW), and the crustal horizontal deformation showed left-lateral strike slip motion near the Qilian-Haiyuan Fault. 3)The strong earthquakes usually occur in the active faults where intensive gravity change and vertical and/or horizontal deformation occurred. The extrusion deformation, surface compression rate and gravity changes were obvious near the epicenter of 2016 Menyuan earthquake. The 2013 Minxian-Zhangxian M_S6.6 earthquake occurred in the direction-turning area of intense gravity gradient zone and the transitional area of surface compression and vertical deformation. The first author of this paper has made a medium-term forecast before the Minxian and Menyuan earthquakes, especially the location of the earthquake. Based on the above understandings, we emphasized that:there are still possibilities of strong or huge earthquakes within medium-long term in the areas of crustal deformation anomalies in the study region.     

断层滑动对邻近场的影响

对含一组裂纹的平板模型的有限元计算表明,在断层滑动后,其附近应力场发生了较大变化,有的应力场方向几乎偏转了90°。这可能是震前P轴偏转的一种力学机制。当把裂纹间的关系类比为一组断层时,计算结果表明,断层的滑动将影响附近断层,使有的断层滑动的可能性增大,而有的断层滑动的可能性减小,即对有的断层起了“加震”作用,而对有的起了“减震”作用。由此看出,成组发生的地震间表现出“自序性”。依此自序特点对华北第三、四活动期中地震幕作了划分,结果与其它研究所划分的一致。因此,本项研究也是对地震幕物理涵义的一种探讨。