利用大地测量数据反演地震位错Love数和格林函数的理论与方法

本文提出一种利用大地测量观测技术反演地震位错Love数及格林函数的理论和方法.首先根据地震位错理论建立理论同震变化和大地测量观测值之间的关系式;其次,以2011年Tohoku-Oki地震(M_W9.0)为例,反演体现局部构造特征的地震位错Love数和格林函数.结果表明:反演得到的位错Love数与PREM模型下的位错Love数随深度和阶数变化不同,反映出局部三维地球模型的构造差异,由此计算的同震变化跟实际大地测量观测值的吻合度提高了～60%～～80%.通过大地测量观测数据反演的地震位错Love数能体现局部地球真实的构造信息,为该地区地震研究提供更加精确的地震位错格林函数.     

2021年青海玛多7 4级地震的同震变形分析

2021年5月22日,青海省玛多县发生了 7.4级地震,该地震发生在巴颜喀拉地块北部边界东昆仑断裂带以南约70 km,属于块体内部断裂带地震.根据中国大陆构造环境监测网络提供资料,距离震源30多公里的玛多台站记录到东西向永久位移约25 cm.同时,InSAR也观测到明显的形变场,升轨和降轨的最大相对形变量分别约1.87 m和2.32 m.为了解释这些大地测量观测数据,本文利用该地震的三个断层滑动模型,基于不同地球模型的地震位错理论,计算同震变形场,并分别与GNSS观测数据和InSAR视线向形变量对比分析,结果显示基于InSAR数据反演的断层滑动模型产生的位移场与球形地球模型的理论计算结果最为吻合.进一步,利用较优断层模型计算2021年青海玛多7.4级地震的理论同震位移、大地水准面、重力和应变等变化,该结果为玛多地震的GNSS和重力观测的解释提供理论参考依据.     

利用远场GPS观测修正东日本9.0级地震断层滑动模型

<正>真实的地震断层滑动模型(简称地震模型)和介质参数决定了同震变形影响方式和范围,同震变形对于认识和理解地震孕育的前兆信息具有重要意义。通常人们利用GPS近场位移资料研究同震位错变形,或者结合远场和近场资料,但远场资料往往不发挥作用。在此利用GPS观测的2011年东日本Mw9.0地震同震变形,研究大范围同震位移的分布规律和特性,地球介质参数对于远场同震变形模拟结果的影响;从众多地震模型中判断最接近真实情况模型的方法;尤其是远场同震位移对地震模型的敏感性或约束作用。     

2021年青海玛多Mw7.5地震的同震变形及断层滑动模型研究

2021年5月22日,中国青海玛多县发生了M_W7.5地震.针对此次地震,国内外多家机构发布的震源机制解和有限断层滑动模型结果大都是基于半无限空间地球模型的位错理论反演得到的,未考虑地球曲率和层状效应的影响.该影响的量级以及其是否可以忽略目前仍是一个未知问题,值得研究.为此,本文利用美国地质调查局(USGS)、中国科学院青藏高原研究所以及中国地震局地球物理研究所提供的三个断层模型,基于弹性半无限空间、均质球、PREM三种地球模型的位错理论,分别计算了地表同震位移场和应变场,并对比分析了这些结果的差异.我们发现基于PREM位错理论的同震位移场与半无限空间模型的对应值差异约为3~28 cm,占PREM位错理论值的10%~30%,应变场差异更大,表明地球曲率和层状效应的影响不可忽略.此外,理论同震形变结果与GNSS和InSAR形变观测数据对比发现,基于PREM模型的理论位移场最接近于观测值.利用InSAR数据和三种地球模型反演得到的有限断层滑动模型存在差异,说明了地球模型的选择对断层模型的反演具有一定影响.本文的结果为今后对此次地震的观测数据物理解释和断层滑动反演提供了理论参考.     

联合GNSS和InSAR观测位移反演2008年汶川大地震断层位错模型参数

利用现代空间大地测量技术,尤其是卫星合成孔径雷达干涉测量,能够获取高精度、高空间分辨率的同震和孕震形变,为地震断层形变和破裂机制研究提供了前所未有的机遇。本文介绍了利用大地测量观测数据反演地震断层位错模型参数的贝叶斯反演方法。联合运用2008汶川大地震前后GNSS和InSAR技术观测获得的同震位移,反演了地震断层的几何参数和滑动位错分布。研究结果表明,汶川地震的断层滑动主要集中在倾角较陡的浅部,同时包含逆冲和右旋走滑,其中最大逆冲6.1m,最大右旋6.5m。根据断层滑动分布正演计算得到的上盘同震位移明显小于下盘,预示该断层两侧孕震形变可能存在较大的不对称性。     

卫星大地测量用于东亚大陆地球动力学与地震学研究回顾

王仁先生是中国地球动力学研究的开创者,他所引领的有关潮汐和板块运动造成的地壳应力场演化研究使得有关活动构造、断层形变和地震危险性的研究从定性走向定量,并在过去半个世纪中不断丰富发展.卫星大地测量方法从20世纪80年代开始用于精密定位和运动测量,为地球动力学和地震学研究提供了不可缺少的观测资料,极大促进了相关学科的发展.本文结合本人研究经历回顾卫星大地测量方法用于东亚大陆地球动力学、地震构造学和地震物理过程研究带来的一些重要发现,作为对王仁先生在相关领域开创性贡献的纪念.     

中国大陆活动地块边界带的地震活动特征研究综述

中国大陆80%以上超过7级的强震发生在活动地块边界带上,活动地块边界带已逐渐成为地震地质、地球物理、大地测量等学科重点研究的对象。文中回顾了与中国大陆活动地块边界带地震活动相关的研究结果,已有的主要认识和存在的问题包括:1)目前,在活动地块边界带地震活动领域的大部分研究工作仍然停留在统计分析层面,针对其工作基础或实际工作条件开展分析有助于深入研究中国活动地块边界带的地震活动; 2)活动地块边界带的构造运动速率决定了地震应变释放速率,但由于边界带内活动断层的复杂性,活动地块边界带的平均复发周期与构造运动速率之间的关系存在较大的不确定性,需要对这些断层系统的复杂性进行深入探讨; 3)中国大陆活动地块边界带的强震时间过程呈现出区域特征,如中国大陆东部活动地块边界带多为丛集型,青藏高原中北部地区的走滑型活动地块边界带多为准周期型,但仍需要深入研究其区域构造和区域动力学的物理机制; 4)中国大陆强震孕育发生的动力学环境整体上呈"纵向分层、横向分块"的特征,尽管随着地球物理、地球化学、大地测量、地震地质等研究的不断深入,不同时空尺度的物理模型对解释活动地块框架下大陆强震的孕育发生具有指导意义,但由于活动地块运动与变形并非只有刚性运动,壳幔介质物性的横向差异比较普遍,故对大陆型强震动力学过程的认识尚需完善,需要在活动地块理论框架下系统开展深入的研究,建立与震源物理相关的各类基础模型。     

强震后地表变形的动力学机制研究—以1999年台湾集集地震为例

强震后地表变形的动力学机制是地球动力学研究的重要方面,现在普遍认为震后变形主要由断层的震后余滑或由介质的黏弹性松弛所至。1999年台湾集集地震GPS观测系统记录到了空前的资料,为研究震后变形的动力学机制提供了难得的机会。本研究认为集集地震后地表变形由震后断层余滑、下地壳／上地幔的黏弹性松弛、震源区介质的破裂、孔隙弹性回跳、地下流体的运移、介质孔隙度及孔隙压的变化等多种因素共同影响决定。为抓住重点,研究中将介质的破裂、地下流体的运移和孔隙弹性回跳等因素等效为震源区介质的物性变化。文中运用黏弹性有限单元模型（麦克斯威尔体）、利用GPS观测的时间序列资料对震后余滑、地壳／地幔黏度以及等效的震源区介质物性变化进行了反演。反演模型给出了震后余滑的分布及变化特征,反演结果初步显示台湾地区的下地壳／上地幔的黏度分别为2.7×10^18,4.2×10^20Pa·s。此外,反演结果还给出每种影响因素对地表变形的贡献大小,在集集地震后的450d时间里,断层的震后余滑引起的地表变形占总变形的44.6％,下地壳／上地幔的黏性松弛占34.7％,等效的震源区介质的物性变化占20.7％。     

陆地高精度重力观测数据的应用研究进展

陆地重力观测相较于航空和卫星重力观测,距离场源更近,观测精度相对较高,其静态异常和时变数据已广泛应用于研究多种地球动力学问题.21世纪以来,绝对重力观测技术发展迅速,陆地观测网络日益完善,高精度陆地重力观测数据产品逐渐丰富,基于这些产品的大地测量和地球物理研究不断取得新进展.本文总结了近十几年来高精度陆地重力观测数据在大地测量和地球物理领域的应用进展情况,包括基于重力异常数据构建重力场和大地水准面模型、建立地壳物性结构模型、反演Moho界面形态和估计岩石圈有效弹性厚度,以及利用时变重力数据构建时变重力场模型、探测微弱动力学信号、估计地壳构造变形速率和分析与火山、地震过程的可能关联,最后探讨分析了陆地重力测量的未来发展趋势,可为中国大陆重力观测系统建设与发展规划提供参考.     

缝合地震观测和大地测量的观测空间

大地测量和地震观测都是地震监测预报的重要手段。大地测量是一种物理意义十分明确的观测方法，它不仅能够监测大区域、大幅度的地壳变化，而且能够监视地球的微小变化，甚至能观测到慢地震。地震观测与大地测量之间目前还存在着观测频段空间，应尽力缝合两者之间的频段空间，以推动地震预报研究。该文提出了缝合的一些设想。     

Recent advances of computing coseismic deformations in theory and applications

This paper reviews the recent advances in computing coseismic deformations, and their contributions to seismology and geodesy. At first, an overview on the history of the dislocation theory development is given in the introduction section. Then, emphasis are given on some new developments through few examples in the following sections, such as the new dislocation theory for a 3D Earth model, a new computing scheme on coseismic deflection change of vertical, the relation of dislocation Love number and the conventional Love numbers, the application of dislocation theory applied in satellite gravity observations, the coseismic deformations observed by GRACE, and a new method to determine dislocation Love numbers by GRACE. Furthermore, some advanced theoretical and cases studies are introduced to illustrate how dislocation theory is important in interpret geodetic data, or invert seismic slip for co- and post-seismic processes, using seismic and geodetic data. Final remarks are given in the last section, with discussions, conclusions, comments on existing problems, and expected methods to solve them.     

2011年日本MW9.0地震对沂沭断裂带及其两侧地区地壳运动的同震影响研究

2011年日本M_W9.0地震（简称日本地震）后沂沭断裂带及其两侧地区地震活动显著增强,研究日本地震对该地区地壳运动及地震潜势的影响十分必要.为此,本文通过112个连续GPS观测站获取了研究区高空间分辨率的日本地震同震形变场并得到如下认识：（1）8个定点地球物理观测的同震响应验证了本文同震形变场的可靠性;日本地震的东向拉张使研究区整体上处于张性同震应变状态,但存在局部挤压区域,其中莱州湾至海州湾的挤压条带穿过沂沭断裂带并对断裂带南北两段产生了不同的同震作用,对南段具有拉张作用,对北段产生挤压作用;（2）同震形变场在鲁东隆起和鲁西断块产生了显著的剪应变,地震b值显示上述区域的构造应力在日本地震后增强,因此同震形变场可能改变了这些区域的应力特征;（3）地震矩张量叠加分析显示,同震形变场短期内对鲁西断块、鲁东隆起区和沂沭断裂带南段累积了地震矩,可能有助于上述区域在日本地震以后的地震活动增强;日本地震对沂沭断裂带北段的地震矩具有释放作用,或许是该区域地震活动减弱的原因.     

南北地震带南段地壳厚度重震联合最优化反演

重力反演方法是研究地壳结构和物性界面起伏的有效地球物理手段之一.本文收集了南北地震带南段67个已有的固定台站接收函数反演的Moho面深度结果,并使用基于EGM2008重力异常模型计算的布格重力异常,验证了本文提出的重震联合密度界面反演方法的有效性.利用接收函数对台站下方Moho面深度估计作为先验约束,定义了一类评价函数,通过对重力反演算法中尺度因子,平移因子和稳定性因子的最优选择,最小化重力反演结果与接收函数模型之间的差异.结果表明,本文提出的方法,可以有效地同化不同地球物理方法获得的反演模型,且通过重震联合反演可以改进由于对空间分布不均匀的接收函数结果插值可能而引起的误差.本文还通过引入Crust1.0的Moho面深度为初值,同时考虑地壳密度的横向不均匀分布,通过模型之间的联合反演有效改善了地球物理反演模型间的不一致性问题.本文反演得到的最优化Moho面深度模型与已知67个台站位置接收函数模型之间的标准差约1.9km,小于Crust1.0与接收函数结果模型之间标准差为3.73km的统计结果.本文研究结果对于同化重震反演结果、精化地壳密度界面模型,都具有十分重要的参考意义.     

临汾水准巨幅形变的位错理论模拟与异常性质判定

在假设临汾水准两次巨幅形变异常为断裂错动的情况下,基于矩形断层位错模型模拟了罗云山断裂（土门-峪里段）错动所引起的垂直形变场分布,并通过D-InSAR技术对研究区域内的地面形变场进行实测,分析结果表明：（1）断裂错动理论上可导致长轴与断裂走向平行的椭圆状变形区域,位于断裂上盘的区域中心变形量最大,变形量向外围逐渐衰减为零,两次错动导致的变形波及范围分别约为长轴18Km和26Km,短轴12Km和17Km,显著变形幅度分别约为1-3mm和4-14mm。（2）D-InSAR实测形变场显示两次异常期间研究区域内未发现与断裂走向一致的连续变形区域,仅在盆地内部存在可能由于过量开采地下水所导致的地面沉降,变形范围约为10-12mm和10-15mm。（3）实测形变场与理论形变场在变形区域和变形幅度上均不一致,说明断裂活动引起临汾水准巨幅形变的可能性不大,可能为断裂上盘的土层局部变形所致。（4）通过断层位错模型的理论模拟和D-InSAR技术的实际监测相结合可以有效地确定跨断层水准巨幅形变异常的性质,为重大水准异常核实提供科学依据。     

Internal co-seismic deformation and curvature effect based on an analytical approach

In this study, we present a new method to compute internal co-seismic deformations of a homogeneous sphere, based on our previous approach (Dong et al. 2016). In practical numerical computations, we consider a strike-slip point source as an example, and compute the vertical co-seismic displacement on different internal spherical surfaces (including the Earth surface). Numerical results show that the internal co-seismic deformations are generally larger than that on the Earth surface; especially, the maximum co-seismic displacement appears around the seismic source. The co-seismic displacements are opposite in sign for the areas over and beneath the position of the seismic source. The results also indicate that the curvature effect of the internal deformation is pretty large, and larger than that on the Earth surface. The results indicate that the dislocation theory for a sphere is necessary in computing internal co-seismic deformations.     

Co-seismic Coulomb stress changes on the northern Tanlu fault zone caused by the Tohoku-Oki MW9.0 earthquake*

Based on the spherical earth dislocation theory and a fault slip model of the Tohoku-Oki M_W9.0 earthquake, the co-seismic Coulomb failure stress changes (ΔCFS) on the northern Tanlu fault zone at depths of 0–40 km are calculated. By comparing two sets of results from the spherical earth dislocation theory and the semi-infinite space one, the effect of earth curvature on the calculation results is analyzed quantitatively. First, we systematically summarize previous researches related to the northern Tanlu fault zone, divide the fault zone as detailed as possible, give the geometric parameters of each segment, and establish a segmented structural model of the northern Tanlu fault zone. Second, we calculate the Coulomb stress changes on the northern Tanlu fault zone by using the spherical earth dislocation theory. The result shows the Coulomb stress changes are no more than 0.003 MPa, which proves the great earthquake did not significantly change the stress state of the fault zone. Finally, we quantitatively analyze the disparities between the results of semi-infinite space dislocation theory and the spherical earth one. The average disparity between them is about 7.7% on the northern Tanlu fault zone and is 16.8% on the Fangzheng graben, the maximum disparity on this graben reaches up to 25.5%. It indicates that the effect of earth curvature can not be ignored. So it’s necessary to use the spherical earth dislocation theory instead of the semi-infinite space one to study the Coulomb stress change in the far field.     

Spheroidal Integral Equations for Geodetic Inversion of Geopotential Gradients

The static Earth’s gravitational field has traditionally been described in geodesy and geophysics by the gravitational potential (geopotential for short), a scalar function of 3-D position. Although not directly observable, geopotential functionals such as its first- and second-order gradients are routinely measured by ground, airborne and/or satellite sensors. In geodesy, these observables are often used for recovery of the static geopotential at some simple reference surface approximating the actual Earth’s surface. A generalized mathematical model is represented by a surface integral equation which originates in solving Dirichlet’s boundary-value problem of the potential theory defined for the harmonic geopotential, spheroidal boundary and globally distributed gradient data. The mathematical model can be used for combining various geopotential gradients without necessity of their re-sampling or prior continuation in space. The model extends the apparatus of integral equations which results from solving boundary-value problems of the potential theory to all geopotential gradients observed by current ground, airborne and satellite sensors. Differences between spherical and spheroidal formulations of integral kernel functions of Green’s kind are investigated. Estimated differences reach relative values at the level of 3% which demonstrates the significance of spheroidal approximation for flattened bodies such as the Earth. The observation model can be used for combined inversion of currently available geopotential gradients while exploring their spectral and stochastic characteristics. The model would be even more relevant to gravitational field modelling of other bodies in space with more pronounced spheroidal geometry than that of the Earth.     

地震层析成像中的不确定性

地震层析成像已经是一种常用的探测地球内部三维波速结构的地球物理方法。这些深部地球结构信息是人们深入认识地球的重要依据,同时由于地表地质过程往往取决于深部动力过程,因此深部结构已经开始受到了地质学家们的广泛重视。但地震层析成像方法众多,所得到的参数和精度可能有所不同,这给非地震学专业的研究人员在使用层析成像结果的过程中造成了极大的不便。为了更好地实现地球物理,地球化学和地质等多学科交叉应用,本文系统分析了地震层析成像结果中可能存在的不确定性,同时提出了相应的建议以帮助地质学家们能够正确对待层析成像结果中的不确定性并合理利用地震层析成像结果。     

汶川地震形成位移场的空间分布

采用Yoshimitsu Okada及Steketee的断裂位错模型和汶川地震现有成果,通过坐标转换和合成矢量的方法将断裂位错模型用于映秀—北川断裂、灌县—安县断裂和北川—青川断裂组成的断裂系统的错动研究中,理论上计算龙门山近断裂地区的水平位移场(包括沿走向和垂直走向方向)和垂直位移场从震源到地表的分布.模型参数源于现有的研究成果和野外实地考察,计算得到的地表位移场与先前研究成果,包括GPS实测数据,具有的近似性表明了模型的正确性.但GPS只能测定地表水平和垂直变形,对于地下变形情况及其分布却无法描述;目前对于地下变形的研究主要基于对大量仪器记录的地震资料进行反演或通过野外观测进行推测;但是反演多集中于空间较大范围,这样虽可阐述断裂运动引起的大范围位移趋势,而对于震源附近空间介质位移的描述却略显粗糙;同时,野外观测误差较大.本文通过理论模型计算汶川地震中近断裂区域(距断裂50km)内的位移及分布.由计算发现在近断裂区域内垂直位移场和垂直走向方向位移场变化趋势一样,幅值都是从震源到地表逐渐减小;沿断裂走向方向的水平位移场从震源到地表逐渐变大,同时计算还表明位移场的变化在断裂上盘比下盘剧烈,余震分布主要集中于断裂上盘,这说明余震分布和位移剧烈程度存在某种相关性.