利用黏弹性球体位错理论研究2004年苏门答腊地震震后效应对华南块体的影响

本文基于黏弹性球体位错理论和GNSS观测资料,约束东南亚地区大范围地幔黏滞性结构,探讨该地震的震后形变及其对华南块体的影响.首先收集泰国地区震后位移资料,考虑兼顾稳态和瞬态震后形变的Burgers黏弹性体,利用黏弹性球体位错理论进行模拟,得到软流圈麦克斯韦黏滞性系数(η_(m))为5×10^(18)Pa·s,开尔文体黏滞性系数与麦克斯韦体比值(α)为0.3,开尔文体剪切模量与麦克斯韦体比值(γ)为0.33.进而收集和模拟华南块体及其周边区域震后形变,GNSS流动站观测资料显示震后2年形变主要集中于华南块体南部,观测与模拟震后位移方向整体一致,往西南方向指向震中,震后形变量上存在明显差异,云南地区模拟值偏大,而华南块体南部模拟值偏小.GNSS连续站观测资料显示,华南块体受苏门答腊地震震后形变的影响在2010年后明显减弱.后续地壳变形研究以华南块体为参考基准时,建议基于2016年以后的观测提取速度场.

倾斜和加速度的地面地下观测对比分析

R-2型旋转地震仪可同时记录旋转三分量、MEMS加速度以及倾斜角度.利用在淮南深地实验室地面和深部地下实施的两期连续观测数据,本文分析了地面和地下加速度与倾斜观测中背景噪声的差异.结果表明:相比于地面,深地环境背景噪声干扰更弱,频谱上二者差异可达10 dB,说明深地环境具有低振动噪声的优势.利用倾斜数据对MEMS加速度进行倾斜校正,校正前后的对比结果显示倾斜对加速度测量具有不可忽略的影响.地倾斜信号的时频分析结果表明,相对于地表环境,深地环境有利于进行长周期微弱地球形变信号的检测.本文还分析了固体潮信号观测的精度要求与现有仪器的不足,证明了在深地环境下进行高精度观测的必要性.

环太平洋强震引起的稳态形变场及其地球动力学含义

地震引起的稳态形变由同震形变和震后地幔黏滞性松弛效应的累积两部分组成.本文首先利用球形地球地震位错理论计算了智利MW8.8地震引起的同震水平位移和震后地幔黏滞性松弛效应,发现近场以同震变形为主,远场变形主要来自震后地幔黏滞性松弛效应的累积.接着,本文计算了环太平洋地区373个MW7.0及以上中浅源强震引起的同震和稳态水平位移和稳态应变,发现环太平洋强震引起的稳态水平位移在地震带附近由同震破裂主导,随着震后时间的增加,地幔黏滞性松弛效应逐渐扩展到整个太平洋板块,在太平洋中心区域亦可达分米量级,稳态水平位移的方向大致与太平洋板块、欧亚板块和美洲板块的运动方向一致;环太平洋强震使得整个太平洋板块呈现出明显的西北-东南方向的拉张应变,在东太平洋海隆处引起的稳态拉张应变超过10-7,拉张方向与东太平洋海隆的走向近似垂直.上述拉张性稳态应变表明,环太平洋地震引起的地幔黏滞性松弛效应降低了洋中脊扩张的难度,是引起海底变形的重要机制之一.环太平洋强震在中国东北地区产生的稳态水平位移年变化率与GNSS水平速度场在方向上大体一致,但在量级上占观测结果的20%~70%,表明环太平洋强震引起的地幔黏弹性松弛效应是现今中国大陆GNSS速度场的一个重要组成部分.

川西地区实测自由空气重力异常与EGM2008模型结果的差异

在四川盆地西部建立了一个由302个观测站组成的区域观测网,并进行了高精度流动重力与GPS观测,其目的是获取区域自由空气重力异常(简称重力异常)的分布特征,并对EGM2008模型在该区域的结果进行验证分析.研究区域实测的重力异常总体为负值,由西到东逐步从-160×10-5 ms-2平缓变化到-60×10-5 ms-2左右.EGM2008地球重力场模型揭示的模型重力异常较好地勾画出研究区域的总体地形分布形态,龙泉山脉以及四川盆地与青藏高原的边界皆存在明显的模型重力梯度带.研究区东南部的模型重力异常大约为-50×10-5 ms-2左右,但在龙泉山西部成都平原地区,模型重力异常则达到-120×10-5 ms-2左右.在区域观测网内绝大部分观测点上,模型与实测重力异常的差值几乎为一个常数(-10×10-5 ms-2左右),说明EGM2008地球重力场模型可较好地反映实际重力场的空间分布形态.如果配以一定数量的地面观测数据进行整体调节,EGM2008地球重力场模型就可以较真实地反映实际地球重力场.

2015年尼泊尔M_S8.1地震的地壳重力均衡背景与地表形变响应特征

对2015年尼泊尔MS8.1地震的地壳均衡背景及其引起的地表形变特征进行了研究,结果表明：（1）尼泊尔MS8.1地震震中以南的印度板块岩石圈有效弹性厚度大约为9km,加载主要来自地幔;地震以北的拉萨地块岩石圈有效弹性厚度大约为2km,加载主要来自地表.（2）尼泊尔MS8.1地震震中以南地区的地壳均衡异常大约为-100mGal（10-5 m·s-2）,但其北部的地壳均衡异常则为300~400mGal,尼泊尔MS8.1地震发生在地壳均衡负异常向正异常过渡的高梯度带上.（3）尼泊尔MS8.1地震使震中周围地区的地壳整体向南运动,最大水平位移超过1.5m,分布在震中东南.震中以北的同震垂向位移总体为负值,最大下降幅度超过0.5m,同震重力变化总体为正值,最大超过60μGal（10-8 m·s-2）;震中以南的垂向位移总体为正值,最大升幅超过0.7m,同震重力变化总体为负值,最大降幅超过-120μGal.（4）尼泊尔MS8.1地震使＂世界屋脊＂喜马拉雅山脉产生沉降,最大同震降幅超过120mm,震后松弛效应将使＂世界屋脊＂持续缓慢下降.该强震使世界最高峰珠穆朗玛峰降低了2~3mm,有可能被GPS、InSAR等现代大地测量工具检测到.

昆仑山口西8.1级大震前后重力场动态变化

利用昆仑山口西 8.1级大震前后的 3期流动重力测量资料 ,研究震中周围地区局部重力场在大震前后的动态变化情况。发现 :地震前震中周围地区的重力场发生了巨大的负向变化 ,有些点位的重力值变化达 10 0多10 -8m·s-2 ;地震后重力场整体处于恢复状态。

汶川Mw7.9地震周边地区布格重力异常与岩石圈垂向构造应力场

前人研究给出,龙门山断裂带中南段地壳均衡异常显著,具有发生7级以上大地震的深部动力背景。2016年6月,我们围绕该均衡异常显著区域开展重力/GNSS加密观测,提高了该地区布格重力异常和地壳均衡异常场的空间分辨率。依据上述观测结果与前期同类观测数据,反演了汶川MW7.9地震周边地区地壳密度构造。结果显示,龙门山断裂带是地壳密度变化的高梯度带,其东侧地壳较薄,但其西部明显变厚,上、中、下地壳变化趋势均呈现上述特征;研究区东侧的莫霍面深度为35~40km,西侧为60~65km。此外,利用重力/GNSS联合观测数据计算了汶川MW7.9地震震中区周边地区岩石圈承载的垂向构造应力场,结果表明,汶川MW7.9地震震中区北部、宁强、峨眉山周边地区蓄积了-30 MPa至-40 MPa的负向构造应力,龙门山断裂带中南段蓄积了约40 MPa的正向构造应力,区域最大垂向构造应力分布在龙门山断裂带中南段,临近芦山MW6.6地震。统计结果表明,地震多发生在垂向构造应力高梯度带附近,或垂向构造应力的高值区域。

2004年苏门答腊地震引起的远场形变

用球体位错理论计算2004年苏门答腊地震在川滇地区形成的理论水平位移场,结果表明,理论计算值与利用GPS观测数据获得的该地震在川滇地区引起的同震水平位移场观测值基本吻合。在此基础上,进一步计算了该地震引起的全球和中国大陆及周边地区同震位移场、应变场、重力和大地水准面变化。

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。

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.

基于粘弹性球体地球模型的震后位移与重力变化计算软件

在考虑地球曲率、成层结构、可压缩性与自重的前提下,Tanaka等[1-2]提出一套较为完备的粘弹性球体位错理论,可计算全球任意位置由地震产生的同震与震后形变(含位移、重力变化、大地水准面变化)。Gao等[3]给出了与上述理论相匹配、界面友好的计算软件,能计算30个震后时间点对应的震后形变。本研究针对Gao等的软件进行改进,可计算震后任意时间点对应的震后形变。新软件由3个部分组成:1)与32个震后时间点相对应的32套离散格林函数数值框架;2)格林函数插值计算程序,可针对上述32套格林函数数值框架进行插值运算,输出任意震后时间点对应的格林函数数值结果;3)积分计算程序,调用上述格林函数数值结果,计算任意类型地震在地表任意位置产生的同震与震后形变。一般情况下,使用者只需按要求准备辅助文件,提供发震断层模型和观测站位置信息,以及震中周围地区地幔粘滞性因子,先后运行格林函数插值计算程序和积分计算程序,即可计算出目标地震在地表任意位置产生的同震与震后形变。本文基于粘弹球体位错理论与弹性球体位错理论,分别计算2011年日本MW9.0地震引起的远场同震位移,2套结果的高度一致性证明了新程序的正确性。最后,介绍需要注意的若干事项,便于使用者掌握该软件。

新疆精河6.6级地震周边地区密度构造、均衡异常以及岩石圈挠曲机理

依据EIGEN-6C4重力模型和ETOPO1高程模型数据,围绕新疆精河6.6级地震展开岩石圈均衡与挠曲机理研究,得到如下结论:(1)震中附近的布格与自由空气重力异常分别为-221和-92mGal(10^-5 m·s^-2),震中位于重力异常高梯度带上;(2)震中周边地区地壳厚度约为50km,密度结构总体变化平缓,东西方向地壳厚度变化较小,但自南向北地壳厚度逐渐变薄,精河6.6级地震初始破裂发生在上中地壳分界面附近;(3)震中附近岩石圈承载的垂向构造应力为20MPa左右,震中位于岩石圈垂向构造应力极大值附近的高梯度带上;(4)地震周边地区岩石圈有效弹性厚度最优解为26km,加载比最优解为F1=1,F2=F3=0,表明该区域岩石圈相对坚硬,且导致岩石圈变形的初始加载全部来自地表.

球体位错理论在2011年日本强震中的应用研究

利用球体位错理论计算了2011年日本强震产生的远场同震位移与应变,并利用GPS远场数据修正了该强震的总地震矩。结果表明:1)利用球体位错理论计算得到的理论水平位移场显示,垂直于发震断层的广大区域同震位移较大,位移矢量总体都指向震中地区,震中距约5 000千米的地方亦产生了3 mm以上的同震水平位移。理论位移与远场GPS观测结果具有良好的一致性;2)比较两个独立断层模型对应的理论同震位移场发现,震源西部地区远场位移总体上只有1%～4%的微小差异,而东部广大海域的差异则达到同震信号的6%～15%,震中周围差异更大。该差异表明,相对于震源仅局域覆盖的日本本土GPS观测数据对2011年日本强震的断层滑动分布模型的约束能力有限;3)依据中国及邻区的远场GPS同震观测数据修正2011年日本强震的总地震矩,把该地震释放的总能量约束在(3.24～4.96)×1022Nm,相应的矩震级为Mw8.97～9.10;4)2011年日本强震在华北地区产生的同震应变与该区的长期应力变化背景场大体相反,表明该强震使华北地区的地壳产生了松弛效应。

汶川地震对三峡坝区和北京地区形变场的影响

用球体位错理论计算了三峡坝区和北京地区由汶川地震（Ms8．0）产生的同震位移、应变、重力和大地水准面变化。对比2004年苏门答腊地震，汶川地震在三峡坝区产生的位移约为前者的一半，应变为前者的2～3倍；在北京地区产生的形变总体比前者小1～2个量级。

基于三维不均匀球形地球模型的同震位移新算法

以Molodenskiy的三维小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。本研究在公式推导过程中同时考虑球形解和环形解，最终计算公式町用来计算地球的横向不均匀结构对同震位移的影响，拓宽了三维11均匀球形地球模型位错理论的应用范围。本研究的公式推导自始至终在复数域中进行，与作者前期关于吲震重力变化的计算公式相比，本研究给出的公式更为严谨、整洁、更易于编成计算。

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（如PREM）和对应的横向不均匀增量构造，并利用扰动方法分别进行近似计算，上述二耆对应的计算结果分别称为球对称解和三维响应，其和即为整个三维不均匀地球对位错源的同震响应。

鲁甸M_S6.5、芦山M_S7.0、汶川M_S8.0地震前区域重力场时变

利用川滇地区不同时-空尺度的重力复测资料,系统分析了区域重力场时-空动态变化及其与2014年云南鲁甸MS6.5、2013年四川芦山MS7.0和2008年四川汶川MS8.0地震发生的关系。结果表明:1)强震发生前,重力场出现较大空间范围的区域性重力异常及与测区主要断裂构造带走向基本一致的重力变化高梯度带,可能反映地震前区域应力场的增强及沿主要断裂带在地震孕育发生期间发生了引起地表重力变化效应的构造活动或变形;2)多时-空尺度的重力场动态变化图像均出现较显著的相对重力异常变化,随着累计时间的增长,重力变化更为显著,可视为强震的中期前兆信息,强震主要发生在重力场变化分布差异较为剧烈的地区;3)重力场动态变化对强震的地点预测具有重要指示作用,大区域重力网能较好地判断强震主体地区,时-空分辨率较高的省局区域重力网能较好地判定强震发震地点,为更好地判定强震发震位置,则需要相应的更密集的观测网点控制;4)文章第一作者在汶川、芦山、鲁甸地震前的中期预测尤其是地点预测均取得较好成效。基于上述认识,进而强调在研究区形成的一些重力变化异常部位可能仍存在大震中-长期危险背景,需继续加强监视。

2011年日本M_W9.0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6×10^(18)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.

丽江7.0级地震重力前兆模式研究

为了研究1996年丽江M_s7.0地震前地震孕育过程或前兆表现,利用滇西地震实验场内高精度重复重力观测数据,结合地质调查和地球物理推断结果,并考虑到观测数据和模型粗差,采用稳健或抗差-贝叶斯最小二乘算法和多断层位错模型,首次初步反演获得了研究区主要活动断裂滑动的时间变化分布。结果表明,1990～1997年断层运动的时间变化,较好地反映了1996年丽江M_s7.0地震孕育过程。其主要前兆模式图象具有主震余震型特征,遵循地壳内部密度和地壳形变耦合运动模式(简称DD耦合运动模式)。

重力与地形数据揭示的巴颜喀拉块体东缘垂向构造应力场

利用基于消去-恢复原理的最小二乘配置方法,对2009-2013年相对重力/GPS联合观测数据与EGM2008模型数据进行融合,更新了巴颜喀拉块体东缘地区的自由空气与布格重力异常场.基于该布格重力异常数据,以CRUST1.0地壳密度模型为初始条件,使用二维多边形棱柱体正演与非线性最小二乘反演方法,获取了巴颜喀拉块体东缘地壳分层密度结构.基于地壳不可压缩和均衡调整原理提出了计算垂向构造应力新方法,并结合上述地壳分层密度结构和地形数据计算了巴颜喀拉块体东缘垂向构造应力分布.结果表明,龙门山断裂带中南段蓄积了较高的正向构造应力(约40 MPa),马尔康周边地区蓄积了较高的负向构造应力(约—30 MPa).对研究区域1970年以来5级(Ms)以上地震进行统计发现,地震多发生在垂向构造应力梯度带上,垂向构造应力为正的地区易触发浅源地震,为负的地区易触发深源地震.在地壳横向变形强烈的区域,垂向构造应力与地震深度的对应关系减弱.