重力卫星在地震循环过程中的应用

正本文回顾了重力卫星在地震研究中的作用,并对未来下一代重力卫星资料在地震孕育、发生方面的应用研究做出展望。一般而言,地震循环分为震间、震前、同震和震后等物理过程。重力卫星GRACE能够检测到全球俯冲带特大地震(如2006年苏门答腊M_W9.3、2008年智利M_W8.8和2011年日本东北M_W9.0)的同震破裂和震后地幔黏弹性松弛引起的大尺度地球质量迁移。对于一次M9地震,经过350 km空间平滑后,同震重力最大减小超过10μgal,且能够被位错理论     

利用GRACE观测数据研究苏门答腊区域的黏滞性结构

本文尝试利用卫星重力观测资料和震后黏弹性松弛理论研究苏门答腊地区的区域流变结构,为更好地认识区域地球动力学环境提供依据．利用GRACE卫星重力资料,计算了2004年苏门答腊Mw9．3地震的同震及震后的重力变化．计算中使用平滑半径为500km的高斯滤波器．结果显示苏门答腊Mw9．3地震破裂东侧以陆地为主的上盘同震下沉量很大,造成约9x10＾-8mS＾－2的重力下降阶变,而西侧处于海水下的下盘重力同震上升较小约2x10＾－8mS＾－2,但其震后上升较快．流变结构对岩石的变形有很大的影响,是地球动力学数值模拟取得可靠科学结果的基础．本文尝试了利用卫星重力变化时间序列来反演苏门答腊地区的黏滞性结构;即基于GRACE时变重力场,利用自重力、黏弹性、平面分层模型模拟了该地震的同震和震后变形,并将获得的空间固定点的重力变化与GRACE重力场及点位时间序列进行比较,估计该地区的黏滞性系数在1．0x10＾18PaS的量级,且断层两侧的流变参数存在差异．最后结合苏门答腊区域的构造特点讨论了黏滞性系数的影响因素．     

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.     

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.     

2010年智利马乌莱地震后的区域重力减小表明有大规模质量重新分布

2010年2月27日智利马乌莱M8.8地震后,我们认为监测到的GRACE卫星相对轨道的微小变化量足以用于描述震后重力场变化。地震后在震中以东500km空间区域内观测到-5μGal的重力异常。同震模型认为,长波长尺度的重力负异常主要是地壳扩张和大陆地表沉陷的结果。有限断层同震模型认为,近海地区重力变化取决于地表抬升和内部形变,由于这两种因素对重力场影响相反,因而由此计算的重力异常相当微小。我们的研究目标是利用大尺度重力观测数据来解释大地震期间的地球内部变化,研究方法是将极难获得的地震形变长波长观测值与大地测量数据和地震数据相结合进行分析研究。     

基于GRACE RL05数据研究智利地震长期震后重力变化特征

利用GRACE卫星重力可对地震引起的大范围重力变化进行观测,并从重力数据中发现主要的变化特征.发生于2010年的MW8.8智利地震震级较高,可观测到震中附近广泛的同震和震后长期重力变化.本文基于GRACERL05Level-2时变重力场数据,对2010年智利地震的同震和震后长期变化进行了计算.对同震变化的计算发现,智利地震引起的同震变化极值达-5μGal,而本文为减小水文信号的干扰而采用的3年平均的方法可以获得良好的效果.在对震后重力变化的计算中发现,智利地震震后在2011-2016年间的重力变化存在先增大后逐渐衰减的过程.对震后变化的拟合表明,智利地震震中附近有约1μGal的震后重力变化,震后变化的特征时间约1.1年.同时,在智利地震中未出现较明显的两个震后变化阶段(短期、长期).     

从GRACE卫星4.6年观测资料分离2004年苏门答腊—安达曼地震的同震和震后重力变化及利用简正振型叠加模拟同震变化

主要研究利用GRACE(重力恢复和气候试验)卫星恢复的时变全球重力场计算2004年12月26日苏门答腊大地震引起的同震和震后重力的变化。进而对于一个自重、弹性、球状分层的地球模型,利用简正振型叠加法比较观测到的同震重力变化制作它的完全弹性引力响应模型。需要特别关注海洋质量重新分布的影响。在对数据进行反演时要注意,海洋潮汐模型的误差及陆地水文和大洋环流产生的季节性和周年性信号会导致构造重力的变化,也就是要消除同震重力变化受到震后松弛的影响。我们使用了由测地空间研究组(GRGS)提供的4.6年时间尺度的全球重力解数据,其中包括震后26个月的数据。为了相互比较,也研究了空间研究中心(CSR)提供的用频谱窗或高斯空间平滑处理后的Release-04解。结果均以大地水准面高变化和重力变化给出。从两种不同的重力解计算的同震和震后重力变化在全球范围上是相似的,但它们的空间幅度和振幅与对GRACE重力场滤波处理时使用的滤波器种类相关。使用测地空间研究组解数据的信噪比最大。相比同震信号,震后信号的频谱含量更接近GRACE的带宽,因此能被GRACE卫星更好地观测到。在安达曼海巽他海沟以东,同震信号表现为重力明显减少的趋势。在该海沟以西,重力有小幅的增加。同震重力变化的模型与GRACE卫星数据计算出的重力信号相比,在总体形状和取向、相对于海沟的位置和量级上都非常吻合。同震重力变化后会出现震后松弛,该松弛可以用一个平均松弛时间为0.7年的指数增函数描述。总的震后重力变化的特征呈现出大范围的正异常,且主要分布在海沟正上方和沿着俯冲带扩展15个纬度。26个月后,同震重力的减小被震后松弛部分补偿,但在普吉岛南部依然有负异常出现。海沟西部15个纬度范围内的重力都是增加的,最大值出现在震中南部地区。通过研究分析两种全球水文模型和一种大洋环流模型,显示我们利用GRACE卫星对同震和震后重力变化做出的估计几乎没有因俯冲带和安达曼海中部地区的陆地水和大洋环流年度变化而产生偏差,而在马来半岛则产生了几微伽的偏差。     

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.      

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.     

GRACE卫星观测到的尼泊尔M_S8.1地震震前重力场变化特征

<正>强震的孕育和发生必然引起震源区和外围地区一定范围内地球重力场的变化,而GRACE卫星则为探测重力场变化提供了一种新的方式。GRACE卫星自2002年3月发射升空以来,已成功记录到了2004年苏门答腊MW9.1地震、2010年智利MW8.8地震以及2011年日本MW9.0地震的同震和震后重力场变化。2015年4月25日,尼泊尔(28.147°N,84.708°E)发生了MS8.1大地震。这是继1934年1月15日尼泊尔8级     

利用GRACE数据反演日本Mw9.0地震区域黏滞性

利用CSR(Center for Space Research)发布的GRACE RL05月重力场模型数据,通过水文模型GLDAS(Global Land Data Assimilation System)和CPC(Climate Prediction Center)扣除土壤水和雪水的影响,根据冰川模型扣除GIA(Global Isostatic Adjustment)的影响,采用P3M6去相关滤波和300 km扇形滤波,基于最小二乘拟合的方法得到日本M_W 9.0地震的同震及断层上下盘两个特征点重力变化时间序列,利用PSGRN/PSCMP模型对日本M_W 9.0地震区域黏滞性进行了反演,并计算了同震及震后5年研究区域重力变化的空间分布.结果表明,扣除土壤水和冰川均衡调整因素的影响,同震重力变化为-5.2×10~(-8)～2.9×10~(-8) ms~(-2);两个特征点在震后5年重力均增加,下盘重力增加较大;日本M_W 9.0地震区域黏滞性横向差异较明显,断层上下盘的地幔黏滞系数分别为2.5×10~(18) Pa·s、5.0×10~(17) Pa·s时,与GRACE观测值较接近,综合考虑断层上下盘的震后重力变化,区域黏滞系数大约为1.5×10~(18) Pa·s.     

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.     

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。     

智利M_W8.8地震同震重力梯度变化

利用GFZ Release 05卫星重力GRACE观测数据,计算2010年2月27日智利MW8.8逆冲型地震的同震重力和重力梯度变化,分析其分布特征,可知:由GRACE探测到的同震重力变化在断层俯冲区域可达-9.5μGal,断层隆升区域可达+3.5μGal,结果与利用SNREI地球模型的位错理论计算的同震重力变化较一致,说明利用GFZ Release05 DDK5滤波数据,更能精确的反映同震重力场变化;GRACE检测的智利地震同震径向重力梯度变化Trr最大可达-600μE,位于发震断层东侧俯冲区域;通过对同震重力梯度分布特征分析,初步判断发生同震物质迁移的区域范围在断层俯冲区域为(67°—72°W,33°—38°S),在断层隆升区域为(73°—77°W,35°—39°S)。     

基于GRACE卫星和地表流动重力的汶川MS 8.0地震前重力时空变化

利用GRACE卫星重力场模型和地表流动重力观测资料,计算2008年汶川M_S 8.0地震发生前6年的重力变化,对卫星和流动重力段差结果与卫星重力反映的重力场动态变化特征进行研究,结果表明：①GRACE卫星重力段差受滤波半径影响显著,与地表流动重力观测结果相比,在重力变化数值上差异较大,在变化率上较为一致;②在汶川地震孕育阶段,川滇地区重力等值线呈“增大—减速增大—减小”的特征,震前2年形成近似垂直于龙门山断裂带的重力变化梯度带。     

基于卫星重力的青藏高原东缘多尺度时变重力场研究

利用经过去相关滤波处理的GRACE时变重力场模型获得了青藏高原东缘2003—2012年的卫星年重力变化图像,并针对该区域近年发生的三次特大地震,结合震前及震后月重力场变化图像,分析与强震有关的卫星重力场变化特征。从区域年重力变化图像可以看出,三次大震均发生在年重力变化较低的时段内,震前小幅值变化可能是地震发生的中短期前兆;从汶川地震和玉树地震发生前后的月重力场变化图像可以发现,发震前后断层附近的重力变化模式发生变化,这可能印证了震后位场变化恢复理论;从汶川地震前后的龙门山断层附近点上的周重力变化趋势可以明显发现,汶川地震发生（第20周）后近9周的时间,断层东西侧呈现了相反的重力变化特征,这可能是对震后壳幔物质调整过程的反映。     

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.     

GRACE卫星重力场同震变化的经验正交函数分解:以日本M_W9.0地震为例

2011年3月11日日本东海发生MW9.0地震,造成日本岛整体东移、下沉并伴随巨大的质量重新分布。对于海底地震的震中区域,空间观测的GRACE卫星重力数据很好地弥补了GPS、InSAR等形变资料的缺失。利用GRACE卫星月重力场数据计算了地面0.5°×0.5°网格点上的重力变化时间序列,采用最小二乘拟合、经验正交函数(EOF)2种方法,提取了同震重力变化,结果显示震中两侧区域的重力变化呈两极分布,其中弧后区域重力下降,最大降幅约6μgal,海沟区域重力增加,最大增幅约3μgal。EOF方法避免了最小二乘拟合方法所需的地震发生时刻等先验信息,但卫星重力信号是由多种地球物理过程引起的重力变化的叠加,EOF结果的可靠性及其反映的真实物理来源往往随着事件的规模、观测时间的长短等而改变。文中第2,3,4主成分主要反映了非构造因素的影响,通过第1主成分空间一致性提取的同震重力变化与位错理论模型计算结果较为接近,因此较真实地反映了地震引起的重力变化特征。     

基于Slepian方法和地面重力观测确定时变重力场模型:以2011-2013年华北地区数据为例

时变重力场是研究地球系统内部物质运动和时空演化过程的有效途径.目前广泛使用的GRACE时变重力场模型受限于其空间分辨率(约400 km),难以探测较小空间尺度的重力变化.本文首次尝试利用Slepian局部谱分析方法和多期地面重力观测确定更高空间分辨率的时变重力场模型.Slepian方法通过构建研究区域内的正交基函数,将信号能量集中在研究区域内部,是构建球面局部重力场模型的理想方法.本文根据Slepian方法的特点给出了区域重力场建模及参数优化的步骤,以我国华北地区为例,基于2011-2013多期地面观测确定了区域时变重力场模型,并与同区域由Slepian方法和GRACE卫星数据确定的重力变化进行了对比分析.结果表明:(1)贝叶斯信息量准则可作为确定Slepian展开最佳截断数的有效手段;(2)基于研究区域内现有重复测点数据,能够恢复120阶时变重力场,空间分辨率(半波长)约150km;(3) 2011-2013年间研究区域内GRACE估计结果与120阶地面结果在时空分布的显著趋势上存在较好的对应,证明了本文利用Slepian方法和地面观测所得时变重力场模型的可靠性.本文研究结果可为区域重力场建模提供新的参考,也可为华北地区水资源变化监测、构造活动分析以及地震风险性评估等研究提供高分辨率的时变重力场模型支撑.     

2016年射阳M_S 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。