同震垂线偏差变化的计算方法及其在大地震研究中的应用

本研究提出一种计算同震垂线偏差变化的方法,给出关于四种独立震源的格林函数,并将其应用于重力卫星GRACE观测数据的解析研究. 方法:针对球形地球模型,依据目前为止作者提出的球形地球位错理论的基本研究思路,计算四种独立震源产生的位错Love数并组成相应的格林函数.     

地球横向不均匀结构对地表以及空间固定点同震重力变化的影响

本文提出一个新算法,用来高精度计算三维不均匀地球模型中地震位错引起的地表以及空间固定点同震重力变化.具体地说,我们首先把实际三维不均匀地球分解成球对称地球模型和对应的横向不均匀增量,分别进行计算,二者对应的计算结果分别称为球对称解和三维响应.由于球对称解可直接利用球对称地球模型位错理论计算得到,本文的目标是计算三维响应即地球的横向不均匀结构对同震重力变化的影响.然后,我们把三维响应再分为震源的响应和地球横向不均匀结构的响应,它们可分别借助对震源函数的扰动以及对平衡方程式的变分求解.本文推导出六个特殊点源位错引起的地表以及空间固定点同震重力变化计算公式(一个垂直走滑位错,两个相互垂直的倾滑位错,三个开裂位错),对这些公式进行适当组合就可以计算任意位置任意类型位错产生的同震重力变化,对应的计算公式同步给出.接着,依据36阶P波速度模型,我们利用岩石试验经验关系式推导出三维S波速度模型,密度模型,位场模型以及重力模型.最后,利用上述三维模型,本文计算出三种典型类型的点源位错产生的同震重力变化,结果显示三维响应与位错类型,震源深度都有关系,其最大响应占球对称解的0.5%左右,且在所有影响因素中S波速度模型影响最大.数值结果同时表明,三维响应中震源的响应与地球横向不均匀构造的响应处于同一量级.本文给出的地表和空间固定点同震重力变化计算公式可分别高精度解析地表重力和卫星重力观测数据(GRACE、GOCE等),提高大地测量数据理论解析水平.     

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.     

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.     

球形地球模型的地震位错理论及其应用

地震位错理论是研究地震断层滑动与地球物理场变化之间关系的理论,是震源机制、地球内部构造、地震预测等基本地球物理问题与大地测量、地球物理观测数据之间的联系纽带。被广泛使用的半无限空间介质模型的位错理论,由于其几何模型的限制,在地震变形和地球动力学等应用研究中会导致一定程度的误差。此外,现代大地测量技术可以在全球和区域尺度上精确地观测地震变形,亟需一个适用于全球地震变形研究的地震位错理论。为此,本团队基于球形地球模型,经过多年系统性研究,建立了地震位错理论新体系。所构建的球形地球模型的地震位错理论,促进了全球地震变形和地球动力学变化的研究,是近年来地球物理学领域取得的重要理论进展之一。本文简要地介绍了国内球形地球模型地震位错理论的发展及其应用研究。首先,介绍了弹性球形地球模型、三维不均匀地球模型和黏弹地球模型的位错理论;其次,介绍球形地球模型的位错理论在地球动力学变化研究、断层与地下介质结构反演和地震大地测量学研究方面的相关应用;最后,对球形地球模型的位错理论的发展方向作出展望。     

球体位错理论计算程序的总体设计与具体实现

本文详细介绍了球体位错理论计算程序的总体设计思想、 各类配套文件的具体内涵以及各类输出文件的物理含义, 同时介绍了程序的使用方法和注意事项, 为读者独立使用该程序提供参考。 球体位错理论计算程序主要由三部分组成: ① 位错格林函数计算程序, 基于具体的球对称地球模型提供离散的二维格林函数数值框架; ② 积分计算程序, 对离散的格林函数数值框架进行双二次样条插值运算, 并对四类独立位错源对应的格林函数进行适当组合, 从而计算出任意位置任意类型震源在地表产生的同震变形(含位移、 应变、 重力变化和大地水准面变化); ③ 辅助文件, 用于提供发震断层模型和计算点位信息。 一般情况下, 读者不需要理解位错格林函数计算程序和积分计算程序, 只需要对辅助文件提供的信息进行针对性改动, 就可以计算目标地震在目标观测站引起的同震变形。     

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。     

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.     

球体和黏弹性球体位错理论在尼泊尔Ms8.1地震中的应用与分析

本文利用球体位错理论和黏弹性球体位错理论,基于USGS发布的尼泊尔地震断层滑动模型,分别计算该地震造成的同震水平和垂直位移场,两种位错理论计算结果高度吻合,且都与实测GPS同震位移在空间分布和量级上具有较好的一致性,表明了两种位错理论的可靠性和实用性.为了更好的比较和分析这两种位错模型,分别模拟尼泊尔地震同震水平和垂直位移场,两种位错模型模拟结果均验证了尼泊尔地震主要以逆冲滑动为主,该次地震造成的水平位移较大,地震造成的南北方向上的水平位移最突出,且集中在加德满都附近区域;但模拟结果也存在差异,在近场两组结果水平位移和垂直位移差异占同震信号的不足3%,在远场两组结果的水平位移差异占信号的5%～9%左右,而垂直位移差异占信号的比例普遍在10%以上,显示出地球的黏滞性对近场水平同震位移和垂直同震位移影响较小,对远场水平位移影响有限,但是对垂直位移影响较大,即表明在计算远场同震位移时应该考虑地球黏滞性的影响.     

基于连续重力台观测的玛多MS7.4地震的同震重力变化特征

同震重力变化可为位错模型的检验和约束提供新数据.文中利用指数函数和阶跃函数法分析了玛多MS 7.4地震震中距≤800km的5个重力台的同震重力信号.结果显示:观测和位错模型模拟结果的方向一致性好,只是量级存在差异.通过对同震重力变化精度的讨论,同震重力变化和GNSS垂直位移的比较,九寨沟MS7.0、玛多MS7.4同震重...     

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.     

邢台地震断层运动特征反演分析

依据地形变测量资料,采用不均匀位错反演方法,建立邢台地区两个不同的断层模型,分别计算了 １９６６ 年邢台地震时 ３ 月８ 日６．８ 级地震、３ 月２２ 日６．７ 级和 ７．２ 级地震及整个震群过程断层产生的不均匀错动量,并对结果特征进行了分析     

Analysis of Coseismic Fault Slip Models of the 2012 Indian Ocean Earthquake: Importance of GPS Data for Crustal Deformation Studies

Based on continuous GPS data, we analyze coseismic deformation due to the 2012 Indian Ocean earthquake. We use the available coseismic slip models of the 2012 earthquake, derived from geodetic and/or seismic waveform inversion, to calculate the coseismic displacements in the Andaman-Nicobar, Sumatra and Java. In our analysis, we employ a spherical, layered model of the Earth and we find that Java Island experienced coseismic displacements up to 8 mm, as also observed by our GPS network. Compared to coseismic offsets measured from GPS data, a coseismic slip model derived from multiple observations produced better results than a model based on a single type of observation.     

地球模型对季节性负荷形变计算的影响——以川滇地区为例

利用川滇地区的GNSS和GRACE数据,结合不同地球模型和负荷理论,研究了地球模型对地表季节性负荷形变计算的影响,该工作对于选取合适的地球模型开展负荷形变研究具有一定的参考价值。研究表明：(1)川滇地区GNSS观测的地壳垂向季节性形变振幅为20 mm左右,GRACE反演的垂向形变与GNSS的结果相位一致,振幅存在差异。(2)区域地球模型的负荷勒夫数与其他地球模型的差异较大,且负荷勒夫数h_n对地球结构的变化较为敏感。(3)区域地球模型可以改善GRACE反演的负荷形变结果,从而减小与GNSS观测结果的差异。(4)川滇地区大部分GNSS测站的加权均方根比值减小量呈现由东北向西南方向逐渐增加的变化趋势。     

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...     

地球表面质量负荷的静态响应

本文给出了单位点质量负荷作用在球状成层地球模型上的解。对较新的G-D1066A地球模型求出了n直到10000阶的负荷勒夫数,并利用这组负荷勒夫数计算了格林函数的值。简述了如何利用格林函数计算地球对表面任何负荷的响应。讨论了负荷潮研究在地球物理和海洋学方面的一些应用。     

用大地测量资料反演的1976年唐山地震的位错模式

运用反演理论探讨了由“零频”资料反演大地震震源模式的基本原理和方法,并用大地测量资料反演了1976年唐山7.8级地震的位错模式。得到的结果表明唐山地震的发震构造是一个总体走向为北东49°的右旋-正断层,断层面倾向南东,倾角76°。这个地震的断层长84公里,宽34公里,走向滑动错距459厘米,倾向滑动错距50厘米,地震矩4.3×10²⁷达因-厘米,应力降29巴,应变降4.3×10^-5,释放的能量3.7×10²³尔格。由形变资料反演的平均错距和地震矩远大于由地震波资料定出的平均错距（270厘米）和地震矩(1.8×10²⁷达因-厘米),它表明在地震区的地壳内震前可能已经发生了无震滑动--断层蠕动。无震滑动的规模比主震还要大一些,它的矩估计约为2.5×10²⁷达因-厘米。唐山地震前虽然没有前震,但是却有规模这么大的“震前蠕动”,这可能是唐山地震与其他许多有前震的地震（如海城地震）的根本区别,它的许多与别的地震不同的前兆可能与此有关。     

Combination of Precise Leveling and InSAR Data to Constrain Source Parameters of the Mw = 6.5, 26 December 2003 Bam Earthquake

We used new precise leveling data acquired 40 days after the Bam earthquake in combination with radar interferometry observations from both ascending and descending orbits to investigate static deformation associated with the 2003 Bam earthquake. We invert this geodetic data set to gain insight into the fault geometry and slip distribution of the rupture. The best-fitting dislocation model is a steeply east-dipping right-lateral strike-slip fault that has a size of 11 by 8 km and strikes N2°W. We find that such smooth geometry fits available geodetic data better than previously proposed models for this earthquake. Our distributed slip model indicates a maximum strike slip of 3 m occurring about 3 to 5 km deep. The slip magnitude and depth of faulting taper to the north, where the fault approaches the Bam city. Inclusion of crustal layering increases the amount of maximum slip inferred at depth by about 4%.