关于2011年3月东日本M_W9.0地震与M_W7.3地震关系的讨论

2011年3月日本MW7.3地震51h之后,发生了东日本MW9.0地震并引发巨大灾难。地震学家多角度、多方法探讨了两次地震之间的关系,结果判断日本MW7.3地震是东日本9.0级地震的前震。本文计算了MW7.3前震和2005~2011年沿日本海沟一系列7级左右地震对MW9.0地震的静态库仑应力,结果显示其并未直接触发MW9.0主震,但对主震震中位置及周边区域的应力加载效应是明确的。利用Suito等(2011)基于GPS数据计算的板间地震滑移速率,分析了一般地震与有广义前震的地震在震后和同震释放能量的不同来分析2005年以来日本海沟发生的5次7级左右地震与MW9.0地震的关系。总的来说,日本MW7.3地震是东日本MW9.0地震的前震,从长时间尺度的GPS时间序列分析来看,2005~2011年日本海沟一系列7级左右地震可能是东日本MW9.0地震的广义前震。     

中国大陆GPS连续观测站测得的日本9.0级地震同震位移与震前变化

利用中国大陆GPS连续观测站资料, 获取了2011年3月11日日本9.0级地震造成的连续站同震位移。 计算结果表明, 位于我国东部尤其是东北地区的台站在水平方向都有明显的同震位移, 且离震中越近同震位移量越大, 其中绥阳站的水平同震位移量最大, 达到33 mm。 通过对时间序列分析发现, 有明显同震位移的连续站, 震前水平方向的运动速度都有放缓的趋势, 可能是一种形变前兆现象。 这些GPS观测到的同震位移及震前运动速度异常, 对于进一步研究前兆地壳运动、 地震动力学特征以及精化中国大陆地壳运动速度场都有重要意义。     

利用GPS和InSAR数据反演2011年日本东北MW9.0地震断层的同震滑动分布

本文首先对Envisat/ASAR数据进行干涉处理, 获取2011年日本东北M_W9.0地震的地表InSAR同震形变场; 然后通过对InSAR同震形变数据重采样方法的深入分析, 选择条纹率法结合干涉图的空间相干性对InSAR同震形变数据进行重采样; 最后基于弹性半空间位错模型, 联合InSAR与GPS形变数据, 采用最小二乘法反演发震断层的滑动分布. 研究结果表明: 考虑相干性的条纹率重采样方法, 更适用于形变场中存在除断层外的有限边界、 且形变场范围较大的InSAR数据重采样处理; 断层滑动主要发生在地表以下50 km范围内, 最大滑动量为49.9 m, 矩张量为4.89×1022 N·m, 所对应的矩震级为M_W9.1, 与地震学反演的结果比较吻合.      

2011年日本MW9.0地震引发的海啸对地震背景噪声的影响

基于北美沿岸和内陆地震台站的连续地震波形记录,并结合沿岸台站附近布设的DART系统记录的海底压力数据以及预测潮汐数据,利用时频分析和极化分析方法对2011年3月11日日本东北部海域MW9.0大地震所激发的海啸对地震背景噪声所产生的影响予以深入分析.结果显示:海啸对高频噪声(1.3—1.5 Hz)以及短周期双频微地动噪声...     

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.     

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.     

GPS资料反映的日本东北MW9.0地震的孕震特征

在对海洋板块俯冲型地震孕震模式的分阶段变形特征进行分析的基础上,结合同震位错反演结果分析了M_W9.0级地震的同震变形特征,分析过程中通过精度检验讨论了该反演结果的可靠性.通过对震前和同震GPS结果的对比分析,讨论了二者的差异性.GPS应变(率)结果表明,震前日本岛应变积累主要反映了太平洋板块和菲律宾板块的俯冲作用,同震结果表现为指向震源方向拉张应变的释放,对日本岛的主要影响区域介于35°N和43°N之间.震前和同震GPS剖面结果反映的变形特征具有互补性,但量值相差上百倍.震前的GPS速度、应变率剖面和时间序列结果表明靠近日本岛东海岸一侧可能存在变形趋于极限现象.通过对此次地震可能前兆的分析表明,中长期预测方面、震前GPS时间序列的趋势性偏离、前震活动、震源区b值降低等现象在一定程度上反映了此次地震的孕震特征.     

基于GPS观测分析日本9.0级地震同震位错与近场形变特征

2011年3月11日日本本州宫城县东海岸近海发生MW9.0级地震,本文在对GPS同震位移场分布及误差特征分析的基础上,反演了同震位错分布.误差分析结果表明震源北西向300 km、北北西向550 km、南西向700 km范围内的同震位移量值明显大于误差,可以为位错反演提供有效的地表位移约束.沿震源北西向GPS剖面结果和位错反演位移剖面结果均表明同震近场位移符合指数衰减特征.位错反演结果表明,日本9.0级地震最大同震位错为25.8 m,位于震中附近;位错量大于10 m的同震破裂集中在震中附近400 km范围内;日本海沟南段同震位错量相对较小,此次地震为日本海沟地区典型逆冲型地震.根据此次9.0级地震和该地区以往强震破裂空间分布特征,此次9.0级地震破裂既体现了强震原地复发的特点,又体现了强震破裂的填空性.     

超导重力仪检测2011年日本东北Mw9.0级地震前的重力扰动信号

对大地震前的扰动现象的研究有助于认识地震孕育的动力学过程,震前重力扰动已成为关注的热点之一. 对大地震前的扰动现象的研究有助于认识地震孕育的动力学过程,震前重力扰动已成为关注的热点之一. 为检验日本M_w9.0级地震是否存在震前扰动现象,本研究利用全球超导重力仪记录到的地震前后7天内20组秒采样数据进行分析. 经潮汐、大气改正等处理去除仪器的漂移及残余潮汐效应,得到非潮汐重力变化曲线.结果表明大部分振幅大于30×10^-8 m·s^-2的曲线反映了全球M_w≥6级地震引起的高频波动信号,其中11组数据在3月9日M_w7.3级前震之前出现了扰动现象.震前扰动可分解为三个频段,其中,低于0.1 Hz和高于0.18 Hz的分量分别反映了地震波动信号及非构造信息,中间频段(0.118~0.18 Hz)信号能够较大程度地压制地震波动信号、并同时保留异常扰动信息.它的振幅在3月7日10时之前基本保持约1×10^-8 m·s^-2,之后开始逐渐增大,到3月9日7.3级前震前后达到最大,此后振荡衰减,振幅保持约(5~10)×10^-8 m·s^-2,直至主震发生.中间频段信号的变化特征与主震前的应力迁移过程以及实验记录到的地震成核过程有许多相似之处;不过,震前重力异常是否与主震前的应力加速积累有关,仍待进一步研究.     

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Mw9.0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Mw9.0地震震后5～10年的年平均位移,该时段的...     

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.

     

本州M_W9.1地震前破裂区内地震与地球自转之间的相关现象

强震发生前震源系统可能处于不稳定状态,在这种情况下,震中附近地区的地震活动或许会对微小的应力变化敏感.地球自转会在震源断层面上引起应力,地球自转速率变化也会在震源断层面上引起应力变化.由于地球自转速率变化非常微小,在震源断层面上引起应力变化也非常微弱,如果震源区处于极不稳定状态,这种微弱的应力变化或许会激发一些地震活动.这些被激发的地震活动将会表现出与地球自转速率变化的显著相关性.为了考察2011年3月11日日本本州9.1地震发生前震中附近地区是否存在与地球自转速率变化显著相关的地震活动,选取2000年1月-2011年2月M≥5.0地震集中活动区域为研究区域,根据USGS发布的1991年1月-2011年2月的地震目录,利用舒斯特(Schuster)统计检验方法,研究了地球自转与本州M_W9.1地震前发生的地震活动之间的相关性.检验结果用P值来评估,P值越低表示相关性越显著.结果如下:在研究区内5.4≤M≤6.9地震的P值的时间变化显示本州M_W9.1地震前从2009年6月-2010年1月存在低于0.5%的P值.当P值达最低值时,约82%的5.4≤M≤6.9地震发生在地球自转速率季节性变化的加速期,显示出了地震活动与地球自转速率加速之间的显著相关性.取3°×3°的空间窗,以0.1°的步长沿经度和纬度滑动对P值进行空间扫描,可以得到P值的空间分布.扫描区域远大于研究区,经纬度范围为(33°N-43°N,138°E-147°E).在P值的空间分布图上,可发现在P值处于最低值期间,低于0.5%的P值集中分布在研究区的北部,本州M_W9.1地震震中位于这个低P值区的边缘.因此,本州M_W9.1地震前在其破裂区内存在显著的与地球自转相关的地震活动现象,说明破裂区内存在非常不稳定的地区.     

震后GPS观测数据揭示的日本M_W9.0地震周边地区地幔黏滞性结构垂向变化

本文利用大范围的震后GPS数据和黏弹性球形地球位错理论,定量研究了日本M_W9.0地震周边地区地幔黏滞性结构的垂向变化.首先结合陆地和海底的GPS观测数据,以及基于球形地球位错理论格林函数和贝叶斯反演方法,反演了该地震的同震滑动分布,发现其最大错动量高达59m.然后在均一地幔黏滞性结构的假设前提下,确定了震源周边地区地幔黏滞因子的最优解,发现依据该地幔黏滞因子获得的理论远场震后位移和GPS观测结果之间的均方根误差高达0.81cm,不能解释远场观测结果.为解决上述问题,本文对震中周边地区地幔黏滞性结构沿垂向方向进行分层,建立了一个随深度变化的地幔黏滞性构造模型,然后综合利用远近场的GPS数据对该地区地幔黏滞因子进行反演研究,结果表明,震源周边地区岩石圈弹性层厚度最优解为40km,40～220km深度的地幔黏滞因子最优解为6×10~(18)Pa·s,220～670km深度之间的地幔黏滞因子最优解为1.5×10~(19)Pa·s.上述地幔黏滞性构造使远场的均方根误差降为0.12cm,仅为利用均一地幔黏滞性构造所得均方根误差值的15%,大大提高了远场模拟结果的准确性.最后,观测值和模拟值之间的均方根误差分析表明,近场震后形变数据主要约束浅层的地幔黏滞性结构,而远场震后形变数据主要约束深部的地幔黏滞性结构.     

Joint analysis of b-value and apparent stress before the 2011 MW9.0 Tohoku-Oki,Japan earthquake

Detecting tempo-spatial changes of crust stress associated with major earthquakes has implications for understanding earthquake seismogenic processes. We conducted a joint analysis of b-value and apparent stress in the source region before the March 11, 2011 M_W9.0 Tohoku-Oki, Japan earthquake. Earthquakes that occurred between January 1, 2000 and March 8, 2011 were used to estimate b-values, while source parameters of events with magnitudes of Ms5.0–6.9 between January 1, 1997 and March 8, 2011 were used to calculate the apparent stresses. Our results show that the average b-value decreased steadily from 1.26 in 2003 to 0.99 before the Tohoku-Oki mainshock. This b-value decrease coincided with an increase in the apparent stress from 0.65 MPa to 1.64 MPa. Our results reveal a clear negative correlation between the decrease in b-value and increase in apparent stress, which lasted for approximately eight years prior to the 2011 mainshock. Additionally, spatial pattern results of the relative change in b-value show that the area associated with drastic b-value decreases (25% or greater) was concentrated near the 2011 mainshock epicenter. The joint analysis of b-value and apparent stress provides a promising method for detecting anomalies that could serve as potential indicators of large earthquakes.     

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.

     

Spatio-temporal characteristics of aftershocks and seismogenic structure of the 2011 MW9.0 Tohoku earthquake,Japan

The Tohoku megathrust earthquake, which occurred on March 11, 2011 and had an epicenter that was 70 km east of Tohoku, Japan, resulted in an estimated ten's of billions of dollars in damage and a death toll of more than 15 thousand lives, yet few studies have documented key spatio-temporal seismogenic characteristics. Specifically, the temporal decay of aftershock activity, the number of strong aftershocks (with magnitudes greater than or equal to 7.0), the magnitude of the greatest aftershock, and area of possible aftershocks. Forecasted results from this study are based on Gutenberg-Richter's relation, Bath's law, Omori's law, and Well's relation of rupture scale utilizing the magnitude and statistical parameters of earthquakes in USA and China (Landers, Northridge, Hector Mine, San Simeon and Wenchuan earthquakes). The number of strong aftershocks, the parameters of Gutenberg-Richter's relation, and the modified form of Omori's law are confirmed based on the aftershock sequence data from the M_W9.0 Tohoku earthquake. Moreover, for a large earthquake, the seismogenic structure could be a fault, a fault system, or an intersection of several faults. The seismogenic structure of the earthquake suggests that the event occurred on a thrust fault near the Japan trench within the overriding plate that subsequently triggered three or more active faults producing large aftershocks.     

日本海沟俯冲带MW9.0地震震源区应力场演化分析

于2011年3月11日发生在日本东北部的M_W9.0级逆冲型板间地震是日本有地震记录以来震级最大的一次地震.本研究基于NIED F-net矩张量解目录中的震源机制解,选取两个长轴相互垂直的矩形区域进行应力场2D反演,获取了日本海沟俯冲带地区应力场的空间及时间分布图像.结果表明：主震前,俯冲带地区应力状态在空间上大体趋于一致,即应力轴（P轴、σ₁轴及S_Hmax轴）系统性地倾向板块汇聚方向,P轴、σ₁轴倾角整体偏缓（< 30°）,且远离震源区及日本海沟东侧区域内的应力轴倾角普遍大于主震震源区内应力轴倾角;主震前,受2003年5月26日在宫城县北部发生的M_W7.0地震影响,位于M_W9.0地震震源区西北侧的应力场出现明显扰动,σ₁轴倾向顺时针偏转150°~180°,并于之后大体恢复至震前状态,同期其他地区没有明显变化,这种情况可能和主震断层局部（深部）的前兆性滑动有关;主震后,距离震源区较远处应力场变化不大,主震震源区内应力场发生显著改变,P轴及σ₁轴均以大角度（>60°）倾伏于板块汇聚方向,S_Hmax轴顺时针偏转60°~90°且在日本海沟附近普遍平行于海沟轴.这项研究以时空图像的方式展示了大地震前应力场变化的特点,反映了大地震孕震过程中构造与地震的相互作用,对于理解大地震孕震过程有重要意义.

     

2011年东日本大地震对中国东北地区地壳变形的持续影响

实际监测与理论研究均表明, 2011年东日本大地震对中国东北地区地壳变形产生了显著的影响。 然而, 对震后影响的持续时间却存在着不同的看法, 有的学者依据所掌握的资料认为即使受影响最大的东北地区其持续时间截止于2013年上半年等。 针对这一问题, 本文对中国地壳运动观测网络2016年前的多期复测资料进行了处理与分析, 结果表明: 这种影响不仅存在, 而且仍是目前东北地区时段性地壳变形的主体成分, 仅是随着时间的推移呈现逐渐减弱的态势。 因此, 推测震后影响至少在今后数年内仍将存在。     

2011年M_W9.0东日本大地震动力学破裂过程的数值模拟

力学上,地震可以看作在应力场作用下由于断层带介质的突然损伤或软化导致的断层带失稳事件.本文基于这个地震动力学模型,利用一种可以模拟断层大位错的有限元方法,研究了2011年MW9.0东日本大地震(Tohoku-Oki)的动力学破裂过程.比较了无障碍体和具有不同刚度障碍体的断层带模型产生的断层位移、位错和应力降.主要结果表明,障碍体的存在并不明显地改变障碍体区域的初始构造应力场.对有障碍体情形,准静态结果显示断层上盘最大逆冲位移和最大剪切位错分别为51m和58m,均发生在海底表面海沟处,与无障碍体的结果(最大剪切位错约55m)相比差别不大;下盘最大倾向位移(-10m)并不与上盘最大值出现在同一位置,而是在障碍体处.障碍体处剪应力降(约11 MPa)大于周围非障碍体区域.障碍体处正应力降的最大值约为3 MPa.模拟结果似乎不支持海山是导致本次地震异乎寻常大位错的原因,而倾向于断层带剪切刚度在地震过程中极度损伤或软化.