2011年日本MW9.0地震相关研究综述

2011年3月11日,日本海沟发生的9级地震造成重大人员伤亡,受到社会普遍关注,本文基于此次日本9级地震相关研究结果,尝试从不同侧面分析此次地震的观测、现象和认识,主要包括如下几点:1此次地震发生在太平洋板块西北边界上日本海沟俯冲带上,同震破裂可能存在深浅两个位错集中区,较深的位错集中区位错量相对较小,但历史上7级地震多发;而较浅的位错集中区位错较大,但历史上强震活动相对较弱;2基于GPS观测资料为约束的相关断层运动研究结果表明,日本海沟断层运动背景以大范围稳定闭锁为主(闭锁区空间尺度与同震破裂尺度相当),自2003年日本北海道8级地震后日本海沟地区断层运动开始出现扰动,2008年以后有几次7级左右地震震后余滑分布明显比主震位错量要大,之后分别于2008年和2011年观测到显著慢滑移事件,最后分别于2011年3月9日和3月11日发生7级前震和9级主震,震前日本海沟俯冲带断层运动变化过程比较清楚;3可能是由于监测的原因,传统上的前兆观测并未出现显著异常,其震前异常主要为:部分地震活动参数表明强震震源区震前应力状态相对较高、区域地表运动速率的短期异常等;4对于震源区物理性质的分析引起了更多的科学问题,例如,震源区介质物性是否与周边存在显著差异、断层摩擦性质是否决定了发震能力和破裂过程、震前断层运动是否存在预滑、震前深部流体是否影响到震源区断层运动等。他山之石可以攻玉,希望本文对地震预测预报基础研究工作能起到抛砖引玉的作用。

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M_(W)9.0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(0.18—0.4 Hz)的影响较小,但海啸显著增强了长周期双频微地动(0.1—0.15 Hz)、单频微地动(0.05—0.08 Hz)以及地球背景自由振荡(0.004—0.007 Hz)的振幅,且随着噪声频率的降低,这种振幅增强的影响更明显,影响的持续时间也更长;海啸到达近岸时,对附近台站的各频段噪声均有影响,成为各频段噪声的主控能量来源,且其位置在后续过程中会随时间变化。这表明海啸对噪声特征的影响与海啸传播特性有关,即海啸在传播过程中因受水深、海底地形以及近岸地形的反射、衍射等的影响,能量聚集区域随时间而变化,并非均匀地传播到海岸,从而导致了不同频带噪声主极化方向随时间的变化。

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.

利用Yabuki & Matsu′ura反演方法计算2011年日本东北地区太平洋海域M_w9.0级地震同震滑动分布

Yabuki&Matsu′ura反演方法是利用ABIC最佳模型参数选取方法和平滑的滑动分布作为约束条件,由形变观测数据计算发震断层滑动分布.本文基于日本列岛同震GPS观测数据和发震断层曲面构造模型,利用Yabuki&Matsu′ura反演方法计算2011年日本东北地区太平洋海域Mw9.0级地震的发震断层同震滑动分布.反演结果表明,断层面上的最大滑动量为35m,较大滑动分布在浅于30km的震源中心上部,最大破裂集中在20km深度的地方.其地震矩约为3.63×1022 N.m,对应的矩震级为Mw9.0.模拟结果显示Yabuki&Matsu′ura反演方法更适用于倾角低于40°的断层模型反演.最后,本文基于上述方法获得的发震断层滑动模型,利用地球体位错理论正演计算该地震在中国及其邻区产生的远场形变,正演计算结果基本可以解释由中国GPS陆态网络观测到的同震形变.

2011年日本M_W9.0地震引起的环渤海地区井水温度变化分析

2011年3月11日的日本MW9.0地震在中国引起了大范围的井水温度同震变化,而水温震后持续变化的井孔多数分布在井网密度较大、距震中较近的环渤海地区。本文分析了环渤海地区水温震后变化的特征和机理。结果表明,水温震后变化形态为上升,变幅0.005～0.976℃,空间分布在同震位移较大、张性应变较明显和地震能量密度较大的区域;依据同井水位资料,一些井孔的水温和水位震后变化特征较一致,其水温震后升高可能是地震波增大含水层渗透性的结果;另一些井孔的水位震后变化不显著,其水温震后升高可能与地震波增大井区大地热流有关。

利用粘弹性球体位错理论研究2011年日本M_W9.0地震引起的震后位移时空变化

基于2011年3月~2015年9月的GPS观测数据,研究了2011年日本M_W9.0地震引起的震后位移时空变化,分析震后4.5a内震后断层余滑和粘滞性松弛对震后位移场的贡献。基于子断层叠加的思想,对Tanaka的粘弹性球体位错理论配套计算程序(环型解部分)加以改进,克服其近场计算精度不足(甚至错误)的缺陷,提高了近场震后位移的计算精度。利用弹性球体位错理论配套计算程序和改进后的粘弹性球体位错理论配套计算程序,分别计算2011年日本M_W9.0地震产生的同震位移,两组结果的差异仅占信号的1%左右,验证了对粘弹性球体位错理论配套计算程序改造的正确性。最后,结合震后3~4.5aGPS观测数据,利用Tanaka的粘弹性球体位错理论确定了2011年日本M_W9.0地震震中周边区域地幔粘滞性系数,其最佳拟合值为6×10^(18)Pa·s。

2011年日本东北大地震（M_W=9.0）震间与震前变形场特征及其对强震预测的启示

强震震前(preseismic)动力学过程的研究对于地震预测具有十分重要的意义,但由于观测资料的限制,目前对强震前孕震区力学状态及其演化过程的认识还非常有限.2011年日本东北9.0特大地震(Tohoku-Oki)发生在GPS观测台站最为密集的地区,为研究特大地震震间(interseismic)与震前的变形状态提供了难得的机会.文中将利用日本东北大地震之前连续的GPS观测资料,分别计算震间与震前的速度场与变形场.通过对比分析发现,日本东北地区(Tohoku)震前的应变状态与震间的有很大的不同,震间的变形主要受到太平洋板块向日本海沟北西西向的俯冲挤压作用所控制,其主压应变以近东西向压缩为主,日本东北地区的运动方向与太平洋板块的运动方向大体一致.但是,临近地震前(震前)日本东北地区的运动方向发生了很大变化,震前30天的连续GPS观测结果显示,速度场的优势方向经常变换,间歇性地出现与太平洋板块运动方向相反的情况.这意味着震前孕震区的力学状态发生了很大的改变.这种变化可能与震前破裂成核或慢滑移及慢地震等过程有关,这些过程将加速或促进大地震的发生,从而为大地震的发生准备了力学条件.值得特别强调的是,这些现象都是可以通过直接观测能够发现的大地震之前的异常现象.由此可见,加密GPS站点进行连续观测,寻找震前变形异常区以及探索异常的物理机制对于地震预测预报有重要的科学意义.

利用GPS和InSAR数据反演2011年日本东北M_W9.0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MW9.0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50km范围内,最大滑动量为49.9m,矩张量为4.89×1022 N·m,所对应的矩震级为MW9.1,与地震学反演的结果比较吻合.

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。

利用流动GPS测定2011年日本M_W9.0地震远场同震位移

采用1999—2017年我国东北和华北地区的流动GPS观测资料,对比坐标时间序列直接解算、连续GPS同震位移插值结果约束解算、位错模型模拟同震位移约束解算和由上述2种外部数据同时约束解算等4种解算策略,获得了2011年日本M_W9.0地震远场同震位移,并由该远场同震位移约束反演了此次地震的静态位错。结果表明:在利用流动GPS解算量级较小的同震位移时,由外部可靠数据作为约束可获得较为理想的结果;流动GPS测定的2011年日本M_W9.0地震在我国东北和华北地区造成的远场同震位移最大可达33 mm,以东向位移为主;由远场同震水平位移和近场同震垂直位移约束得到的静态位错对应的矩震级M_W为8.77,最大同震位错量为21.09 m。

利用同震和震后位移数据联合反演2011年日本M_(W)9.0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M_(W)9.0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M_(W)9.0地震震后5~10年的年平均位移,该时段的位移几乎完全由地幔黏弹性松弛效应引起;接着,利用黏弹性球体位错理论对震后5~10年的位移进行反复拟合,确定了日本M_(W)9.0地震震源及周边地区的地幔黏滞性系数最优解(9.0×10^(18) Pa·s)。然后,联合同震和震后位移数据,引入黏弹性位错格林函数,反演了2011年日本M_(W)9.0地震的断层滑动分布。结果表明,该地震同震破裂的最大值达到了62.72 m,同震滑动的总地震矩为4.48×10^(22) Nm,相应的矩震级为M_(W)9.03。由于黏弹性松弛效应引起的震后位移中包含了同震破裂的信息,基于黏弹性球体地震位错理论,联合同震和震后位移数据反演断层同震破裂,有效提高了日本M_(W)9.0地震断层滑动分布的可靠性。最后,本文提出的反演方法为同震观测结果缺乏的大地震震后科考提供了理论支撑:在大地震发生之后,即使在同震期间没有足够的观测数据,也可以在震后通过对震源区的加密观测积累的震后数据,使用本文提出的反演方法优化同震断层滑动模型。

日本M_W9.0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MW9.0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MW9.0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.

WFSD地应力台应变特征及其同震效应分析——以日本MW9.0级特大地震为例

2011年3月11日在日本东北部海域发生MW 9.0级强烈地震,汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)项目设在陕西汉中地区的体应变仪记录到了完整的应变数据。通过采集数据的分析,探讨了日本MW 9.0级特大地震发生时的同震变化以及地震前后固体潮异常变化过程,分析了地震孕育、发生过程中应变固体潮的趋势性异常及畸变等各种异常现象,并针对这些应变异常进行分析,以期成果能为中国未来地震趋势的预测研究有所帮助。

GRACE卫星重力场同震变化的经验正交函数分解：以日本MW9.0地震为例

2011年3月11日日本东海发生MW9.0地震,造成日本岛整体东移、下沉并伴随巨大的质量重新分布。对于海底地震的震中区域,空间观测的GRACE卫星重力数据很好地弥补了GPS、InSAR等形变资料的缺失。利用GRACE卫星月重力场数据计算了地面0.5°×0.5°网格点上的重力变化时间序列,采用最小二乘拟合、经验正交函数(EOF)2种方法,提取了同震重力变化,结果显示震中两侧区域的重力变化呈两极分布,其中弧后区域重力下降,最大降幅约6μgal,海沟区域重力增加,最大增幅约3μgal。EOF方法避免了最小二乘拟合方法所需的地震发生时刻等先验信息,但卫星重力信号是由多种地球物理过程引起的重力变化的叠加,EOF结果的可靠性及其反映的真实物理来源往往随着事件的规模、观测时间的长短等而改变。文中第2,3,4主成分主要反映了非构造因素的影响,通过第1主成分空间一致性提取的同震重力变化与位错理论模型计算结果较为接近,因此较真实地反映了地震引起的重力变化特征。

利用GRACE数据检测日本Mw9.0地震同震和震后重力变化

基于德国地学中心(GFZ)发布的GRACE RL05月重力场模型数据,考虑全球陆地同化系统陆地水储量的影响,采用300 km的扇形滤波,利用叠积法提取了日本Mw9.0地震的同震和震后重力时变信号,并利用最小二乘拟合的方法计算了两个同震重力变化极值点在地震前后85个月的重力年变率。结果表明:土壤水分和雪水引起的重力变化为-0.34~0.09μgal;利用GRACE数据检测到的同震重力变化为-5.3~4.2μgal,与基于PSGRN/PSCMP模型计算的结果在空间分布和量级上具有较好的一致性;震后5 a震中附近区域的重力整体上呈现增加趋势,断层上盘所在的日本海域与下盘所在的太平洋区域重力增加的最大值分别为2.6、4.5μgal,下盘重力增加较大,可能与断层下盘所在地层的黏滞性相对较低有关。

日本Mw 9.0级地震的库仑应力变化及对余震的触发

采用已公布的1个前震和3个主震震源可变滑动模型,计算了日本Mw7.3级前震、M_w9.0级主震产生的同震库仑应力变化,并采用哈佛Global CMT和日本F-net余震目录,在不同有效摩擦系数取值下计算了主震对余震的触发效应,分析了应力空间分布与余震活动空间分布的相关性。研究表明,日本地震前震对主震有触发作用,前震在主震处产生的正应力变化为0.404 bar,剪应力变化0.282 bar,同震库仑应力变化为0.517 bar,应力变化超过了应力触发阈值0.1 bar,达5倍之多,属于典型的地震应力触发,而非诱发事件。主震对后续余震有触发效应,最小触发率为57%,最大达到75%。余震多分布在主震产生的同震库仑应力红色加载区。同时,分析了可变滑动模型、有效摩擦系数、余震目录、震级及节面选取等对计算结果的影响。可变滑动模型、有效摩擦系数变化对计算结果影响不大,余震目录、震级及节面选取对结果有一定影响,尤其是当余震目录足够多、震级足够大时,计算结果更加可靠。为了深入讨论节面选取对计算结果的影响,对余震两个节面上库仑应力、剪切应力及正应力变化差值进行了频次统计。分析显示节面选取对正应力有一定影响,而对库仑应力及剪应力影响不大。

日本东北MW9.0地震的PI模型参数设置与预测效能回溯性检验

以日本局部地区(32.0°N—46.0°N,136.0°E—148.0°E)为研究区域,应用图像信息(PI)方法,获得了不同计算参数模型下包含2011年3月11日日本东北MW9.0地震的多组预测窗热点图像。以0.5°×0.5°和1.0°×1.0°的网格尺度和5—10年预测窗长为主要参数变量,并以R值和受试者工作特征(ROC)方法检验不同参数模型下PI方法的预测效能。结果表明,多组参数模型下MW9.0地震所在预测窗内,其震中所在网格及其摩尔邻近网格均曾出现热点图像,表明PI方法可对日本东北MW9.0地震作出预测。综合R值评分和ROC检验分析可知,网格尺度相对较大、预测窗长相对较长的模型,其预测效果更好。

震后GPS观测数据揭示的日本MW9.0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MW9.0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6×10^18Pa·s,220~670km深度之间的地幔黏滞因子最优解为1.5×10^19Pa·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.

远场GPS同震位移的变形特征分析——以2011年日本东北大地震为例

利用2011日本东北大地震的亚洲东部GPS远场水平位移数据,通过计算及比较分析4个独立震源解和倾/滑角效应,研究了远场地震变形的空间分布特征和规律。结果表明,对于低角度逆冲型地震来说,水平位移格林函数在远场位移场中占主导作用。基于此确定了远场GPS水平位移场能在反演中有效利用的空间范围,为联合远场GPS数据和近场GPS数据反演断层滑动分布作理论准备,并为远场数据反演位错Love数(h、l)提供理论依据。

日本Mw9．0地震后沂沭断裂带两侧块体相对运动及对地震活动的影响

基于连续GPS数据,利用滑动块体模型研究了日本MW9.0地震前后沂沭断裂带两侧块体连续的相对运动状态,并研究其对区域地震活动的影响,结果表明日本地震以来:1)两侧块体呈右旋走滑兼挤压状态,平均走滑、挤压速率分别为0.9±0.1mm·a-1和-0.7±0.1mm·a-1,相比日本地震之前,运动过程更具起伏特征,可能与日本地震前后俯冲带两侧板块间相互运动状态的改变有关;2)沂沭断裂带两侧地区地震活动频次N、总释放能量折算震级M、地震活动度S值、地震b值与两侧块体相对运动的相关系数分别为0.66、0.69、0.74、-0.6,T检验显示相关性显著.在研究区地震能量集中释放阶段两侧块体相对运动方向和研究区主压应力方向一致,相对运动速率和地震活动强度变化具有同步特征,两侧块体相对运动对区域地震活动具有控制作用;3)莱州序列和乳山震群的发生可能与两侧块体相对运动促进的局部区域应力调整有关.