关于地球横向不均匀结构对同震重力变化的影响研究

以Molodenskiy的三维不均匀潮汐理论以及孙文科等的球对称地球模型位错理论为基础,本研究借助互换定律和扰动方法,推导出一整套计算公式,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同定点同震重力变化.     

基于三维不均匀球形地球模型的同震位移新算法

以Molodenskiy的三维不均匀球形地球模型潮汐理论以及孙文科等的球对称地球模型位错理论为基础,本研究借助互换定律和扰动方法,推导出一整套计算公式,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同震位移.     

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。     

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.     

重力位能同震变化及其构造意义——以青藏高原地区为例

地震除了以地震波的形式释放能量之外,地震还会使地球产生永久变形,该变形将使重力位能产生变化.研究表明,地壳的重力位能的同震变化能够很好地揭示构造活动的拉张或挤压状态.本文首先基于球对称、非自转、弹性和各向同性(SNREI)地球的点源位错理论,提出了一种有效的计算重力位能的同震变化的方法,该方法不仅适用于剪切型地震,而且适用于拉张型地震;然后研究了青藏高原地区在1976-2013年间发生的地震对地壳重力位能的同震变化的影响.结果表明,青藏高原中部和西部的地震使得整个地壳的位能减小,而东部的地震使位能增大;位能的减小和增大对应了该地区构造活动的拉张和挤压状态;并且1999-2013年期间较1976-1998年期间地震对地壳重力位能的影响加剧.     

二维不均匀介质中点源P-SV波响应的有限差分近似算法

本文从一阶方程组形式的波动方程出发,发展了一种计算二维不均匀介质中点源P-SV波响应的近似方法。该方法通过引入线分布的应力作为震源,利用二维有限差分方法计算出线源响应,然后再经过波形校正和几何扩散校正得出相应的近似点源响应。通过把波形和振幅与精确解比较表明,该方法具有较好的精度。由于有限差分方法对于介质中速度和密度的分布没有特殊要求,另一方面,本文所给出的震源可以适用于位错点源、爆炸源或集中力源,因此上述方法十分适合于研究横向不均匀介质中的近场强地运动、爆炸振动或地震勘探等问题。     

2001年昆仑山口西MS8.1地震对周围断层的应力影响数值分析

大地震的发生往往会引起周围区域形变场和应力场变化,且对临近断层上的应力状态也有影响.2001年11月4日,昆仑山口西发生了半个世纪以来中国最大的M_S8.1级地震.本文基于已有的滑动模型,建立了三维含地形高程的横向不均匀性椭球型地球有限元模型,采用等效体力方法,分析了此次M_S8.1地震产生的全球同震位移和应力场变化.与解析方法相比,该模型考虑了地形、Moho面起伏和地球介质横向不均匀性;与一般的有限元数值模拟相比,该模型考虑了地球曲率和椭率,合理地规避了有限块体模型假定边界位移为零所引入的误差.计算得出同震位移与GPS观测数据可以很好地吻合.据库仑破裂应力准则和震源参数,计算得出昆仑山口西M_S8.1地震的发生造成了汶川、芦山、改则和当雄地震的发震断层上库仑应力增加,对这些地震的发生起促进作用;而造成玉树和德令哈地震发震断层上的库仑应力变化为负值,在一定程度上抑制了这些断层的地震活动性.此外,计算结果显示地球地形高程、介质非均匀性和椭率对昆仑山口西M_S8.1地震同震变化计算有一定的影响,其中地形和椭率造成的同震位移场相对误差约10%.     

均匀弹性分层介质模型中的同震位移、应变以及应力

地震发生时产生的同震位移、应变以及应力变化,特别是同震应力的变化,在地震触发等问题的研究中有着重要的意义.本文进一步发展了基于均匀弹性水平层状介质,利用广义反射透射系数矩阵和离散波数计算同震位移的方法,使之可以计算相应的应变、应力以及同震库仑应力变化.可适用于多种情况,接收点可以位于地表以及地表以下,震源类型可以是剪切位错源以及拉张位错源.通过与半无限介质的解析解相比较,结果一致,验证了方法的可靠性以及计算精度,可以用于计算地震之后库仑应力变化,为判断余震分布提供参考.在计算同震位移时,使用了梯形积分与Filon积分相结合的积分方式,即提高了同震位移计算的速度,又保证了计算精度,有利于反演问题研究.     

泸定M6.8地震同震重力与形变效应模拟研究——闭锁剪力孕震模式的新证据

2022年泸定M6.8地震为近期川滇地区显著强震。本文基于Okubo平面矩形弹性位错理论,采用已有的由地震波反演获得的同震破裂模型,模拟研究了泸定M6.8地震产生的地表同震重力变化、垂直位移和水平位移。结果表明:(1)同震重力变化图像具有以发震断层为界,呈正、负四象限对称分布特征,与震前(2019年9月—2020年9月)实测重力变化图像和发震断层左旋走滑特征具有一致性,说明其孕震过程可用闭锁剪力模型来解释;(2)在远场区域,同震垂直位移图像与重力变化图像类似,位错引起的介质密度变化效应大于地表垂直位移效应,而近场地表垂直位移效应大于介质密度变化效应,显示出负相关性;(3)同震水平位移图像具有对称的四象限特征,与GNSS实测结果显示的变形特性一致。该结果可为地震前后重力、形变观测结果的解释提供依据,同时为强震孕育的机理研究提供线索,尤其为闭锁剪力孕震模式的进一步完善提供了新的实例依据。     

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.     

不同产状断层错动的地表重力变化和形变

根据点源位错引起的地表重力变化和形变的理论公式,应用数值算法求得半无限空间任意产状断层位错在地表的重力变化和形变．计算结果表明,产状和位错方式是决定断层的地表重力和形变效应的基本因素．铲式断层活动的地表重力和形变效应与矩形断层相比有显著差异．断层位错引起的重力变化、垂直形变、视垂直形变的图象特征相似．根据重力变化和形变的特殊图象特征,有可能从观测资料中提取断层活动引起的重力变化和形变信息,判识和估计发震断层的几何学和运动学特征．      

断层转动引起的空间重力变化特征

以向错理论为基础,利用经典点源位错理论的解析式,推导得出了断层三维滑动和转动引起的空间重力变化.计算并分析了简单断层三维转动引起的空间重力变化特征,并基于子断层叠加法,采用数值方法模拟计算了智利大震同震断层转动引起的空间重力变化,将计算结果与断层滑动模拟的结果进行了对比.结果表明:断层单分量转动ω_1产生的空间重力变化分布区域具有明显的不对称性,单分量转动ω_2、ω_3时均呈现沿断层倾向方向为轴的对称分布特征;当断层同时以ω_1ω_2转动时,ω_1的转动效应将打破整个重力变化分布区域的的空间对称性.当断层同时以ω_2ω_3转动时,ω_2的转动效应对转动结果起主导作用;断层转动和断层滑动在计算大震同震引起的空间重力变化时,计算结果具有相同的量级.相较于断层滑动,断层转动引起的重力变化在空间上呈显著的不均匀分布,重力变化分布区域相对更大.     

不同地球模型对地震形变研究的影响

地震位错理论是解释地震形变,并进行反演估算地震破裂模型的理论基础.当前的地震位错理论基于地球模型主要分为:均匀半无限模型、层状半无限模型、均质球形模型和层状球形模型.本文利用基于不同地球模型的位错理论,针对不同深度的地震,分析了同震水平、垂直形变的分布特征,讨论了导致同震形变差异的主要因素,即地球层状结构和曲率对同震形变结果产生的影响,以此探讨基于不同地球模型的位错理论的适用性.通过对比均匀半无限和层状半无限模型、均质球形和层状球形模型下的同震形变结果,发现形变量在近场的差异要大于在远场的差异,即地球层状结构在近场有较大的影响,其中对最大水平形变的影响可达到37%;通过对比均匀半无限和均质球形模型、层状半无限和层状球形模型下的同震形变结果,当震源深度较深时,形变量在远场的差异大于在近场的差异,即地球曲率在远场的影响大于在近场的影响,并且其明显小于地球的层状结构的影响.     

玉树M_S7.1地震同震效应模拟与绝对重力检验

利用玉树震后地质调查获取的地表破裂位移,参考余震精定位结论以及地震波和InSAR反演结果,构建了玉树Ms7.1地震发震断层模型.基于弹性-粘弹分层介质模型中平面矩形位错理论,考虑介质自重的影响,模拟了玉树地震同震形变和重力变化.图像显示,玉树绝对重力点刚好位于同震重力变化极值附近,变化量达到25.02 ×10-8 m·s-2.通过对震前重力变化以及对两台FG-5绝对重力仪的一致性进行讨论,认为实测玉树台27.2 ×10-8 m·s-2为同震重力变化,这与基于位错理论的同震模拟结果一致,是对位错理论近场变化的1次很好的验证.     

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...     

三维复杂速度模型的交切法地震定位

地震定位是地震监测与减灾研究重要基础.基于均匀或横向均匀介质模型,利用震源轨迹确定震源位置的交切法具有稳健和效率高的优点,但定位精度较低,特别是震源深度.为提高震源定位精度,我们提出适用于三维复杂速度模型的地震定位交切法.将地壳速度模型由均匀或横向均匀介质模型扩展为三维复杂速度模型;均匀或横向均匀介质模型对应的原假设为球面或双曲面的震源轨迹通过最小走时树射线追踪技术予以确定.确定震源位置的震源轨迹以到时差作为约束条件;将震源定位于震源轨迹交汇最密集的点处,即总的到时差残差(RDT)最小的点处.定位结果的不确定性可通过RDT值较小节点的空间分布予以定性表示.考察了准确速度模型、扰动速度模型、扰动观测到时及地震在台网外等4种情况下改进方法的地震定位效果,结果表明改进的交切法可用于三维复杂速度模型的地震定位;综合利用P波与S波的到时差信息,可明显改善震源位置约束;使用多条震源轨迹进行定位,有助于减少由随机因素导致的定位误差.     

鲁甸地震同震与震后形变、重力时空分布的理论模拟

基于位错理论,考虑重力和黏弹性的影响,在分层介质模型下计算鲁甸地震引起的同震、震后形变和重力变化.结果表明形变和重力的显著变化主要发生于断层在地表投影附近区域.同震形变场显示发震断层有明显的走滑性质.考虑黏弹松弛效应,随着时间的推移,震后形变和重力有了明显改变,同震效应为正的区域得到加强,为负区域进一步减弱.震后松弛效应的影响范围相比同震明显增加.在靠近断层的GPS观测台站处,计算了由黏弹松弛效应引起的震后形变和重力时间序列.震后松弛效应引起的重力变化在50年之后均达到同震水平,除了NJ13的纬向、垂直位移,NJ16的垂直位移,NJ15的径向位移,其余台站的所有震后形变都超过1mm.观测台站的震后重力和垂直位移时间序列在震后100年趋于稳定,纬向位移和经向位移在震后50年趋于稳定.     

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.     

2010智利Maule特大地震的同震效应

2010年智利Maule大地震是人类有观测记录以来第六大地震,基于高性能并行有限元方法,建立含地表地形和Moho面起伏的大规模非均匀椭球地球模型,计算了该地震同震效应,并根据库仑应力变化分析周围断层地震活动性和主震对余震的触发关系.结果表明:对于2010年Maule地震,地球曲率和层状结构对同震水平位移影响不可忽略,如果不采用球面分层模型,在低纬度远场可能会造成位移和应变量值均被低估,在高纬度远场可能会造成位移被夸大而应变被低估.如果不考虑介质横向不均匀和地形,同震应力降被显著低估,近场同震东西向应力变化误差最高95.4%,南北向应力变化误差最高90.8%.Illapel地区库仑应力变化约10 kPa,相当于15年构造积累,Maule地震加速了2015年Illapel地震发生.以最优破裂方向投影得到库仑应力变化,经统计70.9%余震落在库仑应力变化量值大于10 kPa区域.本次特大地震触发了Pichilemu附近M_w6.9和M_w7.0两次正断型余震.     

新疆4次中强地震前小震震源机制变化特征

采用点源位错模型、层状介质速度结构,利用地震波垂直向记录的直达 、 波最大振幅,计算小地震震源机制。通过系统聚类,利用矢量合成方法,计算得到各类解的平均震源机制解。采用上述方法,针对2003年以来新疆北天山西段和中天山地区4次中强地震前,震源区周围中小地震震源断错性质和P轴方位的变化进行分析。结果显示,中强地震前2～3年中小地震震源机制解类型随机分布,震前1年表现出明显的优势分布特点,主压应力P轴方位发生较明显的偏转变化。