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。     

GRACE卫星重力在地震研究中的应用进展

地球重力场恢复与气候实验卫星(GRACE)在运行期间提供了大量的地球时变重力场观测数据,在大地测量、地球环境变化等领域有非常广泛的应用.在固体地球科学研究中,GRACE重力场数据被广泛应用于天然地震研究,由于地震过程中存在大范围的质量迁移,大型地震引起的重力变化可以被GRACE卫星探测到.同时GRACE记录的地震同震及震后长期的重力场变化对反演地震震源参数也起到了帮助作用.本文从GRACE卫星重力场在地震研究中的应用出发,在回顾了GRACE卫星重力在地震应用的主要进展的基础上,总结了以地震研究为应用目标的数据处理方法与流程,为地震同震及震后卫星重力数据处理提供了技术思路.本文结合前人在2004年M_W9.3苏门答腊地震、2010年M_W8.8智利地震、2011年M_W9.0日本东北地震的研究成果,针对地震重力变化的同震观测、震后观测、间接观测等领域,总结了GRACE卫星重力的主要应用进展,提出了其中涉及的GRACE数据处理与地震综合解释的主要研究问题.在总结技术研究进展的基础上,本文以2004年M_W9.3苏门答腊地震为研究对象,对GRACE卫星重力数据序列进行处理,得到该地震的同震重力变化特性,并以此为基础进行了地震同震重力变化的特征分析.在回顾和总结的基础上,本文结合GRACE-Follow on计划的优势,提出未来GRACE卫星应用于地震研究的发展展望.     

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。     

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.     

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．     

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。     

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.     

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.     

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.     

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.      

巴颜喀拉块体东缘形变及九寨沟地震孕震环境数值分析

2017年8月8日四川发生九寨沟M7.0地震,是继2008年汶川M8.0地震后发生在巴颜喀拉块体东部的又一强震.现今GPS速度观测数据显示,2008年汶川地震前后的1999-2007年和2011-2016年两个时间段内巴颜喀拉块体东部地表速度场存在明显的差异.本文以实际GPS速度观测资料为约束,构建三维有限元地球动力学模型,分别计算分析了两个时段内震源区及周边现今地壳形变、弹性应变能和应力积累特征,进一步探讨汶川地震的发生对九寨沟地区变形及应力的影响.数值模拟结果显示,汶川地震之后(2011-2016年)巴颜喀拉块体东部的地壳形变、弹性应变能积累及应力积累速率均明显大于震前,增加量值达1.5-3倍;九寨沟地震发震断裂上库仑应力增长率在1999-2007年约为0.7 kPa·a~(-1),2011-2016年间增至1.2 kPa·a~(-1).上述结果表明,现今巴颜喀拉块体东部地壳应力积累过程有利于左旋走滑型九寨沟地震的发生,汶川地震的发生调整了区域应力状态,加速了九寨沟地震的孕育过程.     

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...     

区域网GPS观测得到的2008年汶川MS8.0地震前的地壳水平运动

2008年5月12日汶川（31.0°N,103.4°E）MS8.0大地震发生在中国地壳运动观测网络区域网GPS观测站相当密集的地区．1000个站的GPS 非连续观测区域网分别在1999,2001,2004年和2007年作了4次观测．震前区域网GPS观测站得到的水平位移表明,汶川大地震主要力源是印度板块向北对中国大陆的挤压,但同时也受到东部与南部板块的挤压．与其它地区相比,震前震中附近水平位移最显著的特点是,汶川地震发生在南北地震带上位移分叉部位,即震中北部明显向东北位移,震中南部明显向东南位移,而震中附近的水平位移则明显小于其北面和南面的水平位移．简要讨论了应变计算结果的精度．为获取地震前的异常信息,分别采用趋势曲面拟合和统计方法研究了汶川地震前（1999—2007年）区域网的应变积累,寻找震中的大致区域．除了2001年昆仑山口西大地震震中及其周围地区外,1999—2007年震前区域网的应变积累的趋势曲面拟合表明,汶川地震发生在中国大陆第一剪应变积累大、范围最广的区域的东侧,且在此区域内积累较大的面压缩区的东北边缘．应变分量的统计分析表明,震前其分布在此区域及其附近同样有明显的异常,剪应变和面膨胀积累均增强．      

区域网GPS观测得到的汶川大地震前后的地壳垂直运动

中国地壳运动观测网络1000个观测站的GPS非连续观测区域网分别在1999年、 2001年、 2004年、 2007年和2009年作了5次观测。 2008年5月12日汶川8.0 级地震震中(31.0°N, 103.4°E)恰好在区域网GPS观测站密集的地区。 区域网长期、 多期GPS观测可降低年周期变化影响, 有利于获取此次地震前后的垂直位移趋势变化。 简要讨论了GPS垂直位移观测的精度。 分析了垂直位移观测的主要干扰地面沉降, 特别是华北地区因大量抽取地下水产生的严重地面沉降。 为获取汶川地震前垂直运动信息, 首先剔除因大量抽取地下水产生的大幅度沉降干扰结果, 通过趋势面分析中国大陆垂直位移空间分布, 显示了3个垂直位移沉降最显著区域。 对比分析表明, 临近汶川震区的沉降区, 未见大量抽取地下水干扰影响。 汶川地震前1999—2007年区域网GPS观测站得到的垂直位移表明, 汶川地震紧临显著沉降区的西北侧, 龙门山断层北段垂直运动闭锁。 该沉降区与另两个沉降区的时空变化明显不同, 也与区域网水平应变异常区的空间分布不同, 但该沉降区与区域网水平应变异常区同时出现。 大幅度同震垂直位移集中在龙门山断层北段震前垂直位移闭锁区。 这些事实表明, 汶川地震前GPS观测到的紧临震中的沉降区及垂直运动闭锁区与汶川地震的发生存在密切关系。     

重力场动态变化与汶川MS8.0地震孕育过程

基于中国大陆1998～2007年（复测周期2～3年）流动重力观测数据,结合GPS、水准观测成果和区域地质构造动力环境,分析研究了汶川8.0级地震区域重力场动态变化演化特征和孕震机理.结果表明：区域重力场动态演化大体反映了青藏高原物质东流的动态效应和汶川大震孕育的中长期（2～10年）信息;汶川大震孕育的显著重力标志为震中西南持续多年的正重力变化（上升）和出现较大规模的重力变化梯级带,前者有利于地震能量的不断积累,后者有利于地震剪切破裂的发生;与地震孕育相关重力场变化总体呈增大—加速增大—减速增大—发震的过程;8年累积重力变化幅差最大约200×10^-8m·s^-2;2001年昆仑山口8.1级地震孕育发生和震后恢复调整,对区域重力场动态变化和汶川大震的孕育发展具有重要影响;松潘—甘孜块体一般呈现负重力变化,可能反映深部壳幔局部上隆、壳内温度较高而膨胀,有利于逆冲或推覆体运动的形成和大震的发生.     

Correction of Hydrological and Oceanic Effects from GRACE Data by Combination of the Steric Sea Level,Altimetry Data and GLDAS Model

In this study, a scheme to estimate oceanic and hydrological effects in the GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) data is presented. The aim is to reveal tectonic signals for the case of the Sumatra earthquake on 26 December 2004. The variations of hydrological and oceanic effects are estimated with the aid of data set of GRACE, altimetry, World Ocean Atlas, and the GLDAS model for a period of January 2003 to December 2006. The time series of computed gravity changes over Sumatra region show some correlations to the deformation resulting from the earthquake occurred in December 2004. The maximum and minimum impacts of hydrological and oceanic effects on gravity changes are about 3 μGal in radial direction and–5 μGal in northward direction. The maximum and minimum amounts of gravitational gradient changes after the correction are 0.2 and–0.25 mE, which indicates the significant influences of hydrological and oceanic sources on the desired signal.     

CHARACTERISTICS OF SATELLITE GRAVITY FIELD AND SEISMOGENIC MECHANISM IN THE LONGMENSHAN FAULT ZONE

Longmenshan fault zone is a famous orogenic belt and seismic zone in the southeastern Tibetan plateau of China. The Wenchuan M_S8.0 earthquake on May 12, 2008 and the Ya'an M_S7.0 earthquake on April 20, 2013 occurred in the central-southern part of Longmenshan fault zone. Because of its complex geological structures, frequent earthquakes and special geographical locations, it has attracted the attention of many scholars around the world. Satellite gravity field has advantages in studying gravity field and gravity anomaly changes before and after earthquake. It covers wide range, can be updated regularly, without difficulty in terms of geographical restrictions, and is not affected by environmental factors such as weather, terrain and traffic. Therefore, the use of high-precision Earth satellite gravity field data inversion and interpretation of seismic phenomena has become a hot topic in earth science research. In order to understand satellite gravity field characteristics of the Longmenshan earthquake zone in the southeastern Tibetan plateau and its seismogenic mechanism of earthquake disasters, the satellite gravity data was used to present the terrain information of the study area. Then, by solving the regional gravity anomaly of the Moho surface, the crustal thickness of the study area was inverted, and the GPS velocity field data was used to detect the crustal deformation rate and direction of the study area. Combining the tectonic setting of the Longmenshan fault zone and the existing deep seismic sounding results of the previous researchers, the dynamic characteristics of the gravity time-varying field after the earthquake in the Longmenshan earthquake zone was analyzed and the mechanism of the earthquake was explored. The results show that the eastward flow of deep materials in the eastern Tibetan plateau is strongly blocked at the Longmenshan fault zone. The continuous collision and extrusion process result in a "deep drop zone" in the Moho surface, and the long-term stress effect is conducive to the formation of thrust-nappe and strike-slip structures. The Longmenshan earthquake zone was in the large-scale gradient zone of gravity change before the earthquake, the deep plastic fluid material transport velocity differed greatly, the fluid pressure was enhanced, and the rock mechanical strength in the seismic source region was weakened, which contributed to the intrusion of crustal fluid and the upwelling of the asthenosphere. As a result, the continuous accumulation of material and energy eventually led to continuous stress imbalance in the deep part and shear rupture of the deep weak structure, causing the occurrence of the thrust-nappe and strike-slip earthquake.     

Gravity observations along the eastern margin of the Tibetan Plateau and an application to the Lushan M S7.0 earthquake

This paper introduces relative and absolute gravity change observations in the eastern portion of the Tibetan Plateau. We analyze and discuss a change that occurred in 2010 in the gravity along the eastern margin of the plateau and the relationship between this change and the 2013 Lushan M _S7.0 earthquake. Our results show that: (1) before the Lushan M _S7.0 earthquake, gravity anomalies along the eastern margin of the Tibetan Plateau changed drastically. The Lushan earthquake occurred at the bend of the high gradient zone of gravity variation along the southern edge of the Longmenshan fault zone. (2) The 2013 Lushan earthquake occurred less than 100 km away from the epicenter of the 2008 Wenchuan earthquake. Lushan and Wenchuan are located at the center of a four-quadrant section with different gravity anomalies, which may suggest that restoration after the Wenchuan earthquake may have played a role in causing the Lushan earthquake. (3) A medium-term prediction based on changes in gravity anomalies was made before the Lushan M _S7.0 earthquake, in particular, a prediction of epicenter location.