日本Ms9.0地震前的重力高频扰动

选取中国重力台网14台gPhone弹簧重力仪组成2个观测剖面,对日本本州东海岸附近海域Ms9.0特大地震前(3月1日至10日)的观测数据进行了分析。结果表明:沿海各台站统一出现了喇叭口状的"重力异常扰动"现象,且扰动异常随震中距的增加呈衰减趋势。

日本Ms9.0地震前的连续重力观测异常

日本Ms9.0地震后,检测了17台(套)gPhone重力仪和成都GS15连续重力观测仪震前3天的观测数据。发现:乌什、郑州台的gPhone重力仪和成都台的GS15重力仪分钟采样在震前3天出现了不明原因的高频异常现象。初步分析表明,成都、乌什在3月9日的日本Ms7.3地震前的16小时产生了纺锤状的隆起现象;郑州台在日本Ms7.3和Ms9.0地震震前出现了明显的柱状异常现象。其异常虽然可以排除热带气旋、人为干扰等因素的影响,但与日本地震的关系以及震前更长时间尺度的异常还有待进一步分析。

2004年印尼苏门答腊M_W9.0地震前地震活动增强现象及其与地球自转的关系

选取2004年12月26日印尼苏门答腊MW9.0地震的余震分布空间范围为研究区域,该区域位于缅甸小板块中部,纬度范围为2°N～15°N.根据USGS地震目录,研究了2004年印尼苏门答腊MW9.0地震前地震频次的时空变化,并分析了地震活动与地球自转的关系.结果显示:1)在余震区域范围内,地震频次自2000年开始出现了明显的上升趋势变化,反映了地震活动的增强过程,临近地震发生前,地震频次有一定幅度的回落;2)通过地震频次空间扫描,发现震前在震中附近区域地震活动增强显著;3)在1990～2004年的15年中,单位时间内发生的地震数在地球自转季节性变化减速时段与加速时段之比值rda在震前出现明显的上升过程:1998年～2002年rda缓慢上升,2002年底rda快速上升达最高值,之后,rda呈现下降趋势,直至苏门答腊MW9.0地震发生;4)2000年1月～2004年11月间,在纬度1°N～7°N的空间范围内的震中附近地区,5.5级以上地震都发生在地球自转季节性变化减速时段内;5)地震活动累积年频次相对于其长期平均值的变化量ΔN与地球自转"十年起伏"变化关系表现为地球自转减速时ΔN上升,地震活动增强,加速时ΔN下降,地震活动减弱.这些现象并非偶然,可能预示着地球自转减速与苏门答腊MW9.0地震之间存在着某种联系,这些结果对地震孕育过程的认识和地震预测研究具有一定的价值.

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.

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.

利用超导重力数据检测日本M_w9.0地震的低频自由振荡及谱线分裂

准确估计低频自由振荡及谱线分裂是约束地球内部结构和改进地球模型的重要手段.本文利用四个不同台站的超导重力观测数据系统研究了日本Mw9.0大地震激发的低于1.5mHz自由振荡及谱线分裂.研究结果表明:(1)选取适当的数据长度,超导重力观测数据可以检测出低于1.5 mHz除1S1以外的所有自由振荡;(2)除0S2、0S3、0S0、2S1、3S1、1S2和0T2外,重点探测出3S2、0S4和1S4谱线分裂的所有谱峰;(3)与PREM模型理论频率相比,0S0观测频率平均向右偏移0.354×10-3 mHz,说明PREM理论模型中地幔底部参数与真实地球可能存在微小偏差;(4)3S2的谱线分裂率r为1.485267,比PREM理论谱线分裂宽度约宽50%,表明PREM中地球内核中部介质参数可能存在一定误差,需要进一步改善.另外,quasi-0T2的r为1.254206,比PREM理论谱线分裂宽度约宽25%.

日本M_(W)9.0地震前后郯庐断裂带中南段构造应力场动态变化特征

本文以郯庐断裂带中南段及周缘为研究区,计算和收集了1970—2016年1148次地震震源机制解,采用阻尼应力张量方法反演了构造应力场,通过分析应力场时空动态变化过程和地震活动性特征,探讨了2011年3月11日日本9.0级地震对郯庐断裂带中南段及周缘的影响.结果显示:9.0级地震对郯庐断裂带中南段及周缘造成了显著影响,表现为应力场出现扰动变化和地震活动显著增强.以挤压为主的背景应力场呈现出一定的拉张作用,应力结构及应力方向发生变化,最大主应力σ_(1)轴倾伏角增大,中等主应力σ_(2)轴倾伏角减小,最大主应力σ_(1)轴方向发生小幅逆时针偏转.包括研究区在内的中国陆地东部地区地震活动显著增强,中强地震丛集活动.应力场扰动变化和地震起伏活动存在较好的相关性,并先后呈现出3个不同阶段,扰动导致的构造应力作用方式的阶段性改变是地震活动增强的动力机制.结果还显示,应力场扰动变化和地震活动增强开始于9.0级地震前1~2年,揭示了9.0级地震的影响不仅限于同震和震后,在其孕震后期已经对远场的中国陆地东部产生了影响.本文结果可以为日本俯冲带大震对中国陆地构造活动影响的相关研究提供参考依据.

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。

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。

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。

2004年12月26日印尼北苏门答腊以西近海M_W9.0地震与地震的类临界点模型

使用哈佛CMT资料,研究了2004年12月26日印尼北苏门答腊以西近海MW9.0地震前的长期地震活动.这次地震前,在1/4世纪的时间尺度、1500km的空间尺度上,存在加速矩释放(AMR)现象.在这一空间尺度范围内,MW9.0地震仍落在分段的幂律分布上.因此,从地震的类临界点模型的角度考虑,对这次特大地震的发生和地震的大小既无预测、亦无预报的情况,并非由物理上的“不可预测性”所致.

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MW9.0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.

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。

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。

日本海沟俯冲带M_W9.0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MW9.0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SHmax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MW7.0地震影响,位于MW9.0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,SHmax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.

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。

基于图像信息方法的日本东北M_W9.0地震回溯性预测研究

以日本局部地区(32.0°~46.0°N,136.0°~148.0°E)为研究区域,应用图像信息方法,选用8a滑动预测窗长,1°×1°网格为主要计算参数,系统计算了研究区域内2000年以来的"地震热点"(显著异常地区)并获得了区域内7级以上大震特别是2011年日本东北M_W9.0地震的热点演化图像。结果表明:①包含M_W9.0地震的预测时间窗内,其震中的邻近网格持续有热点出现,并且其中有4个连续滑动的窗口中该地震震中所在网格亦存在热点。②在回溯时间段内发生的21个M≥7.0地震中,除2004年9月5日发生于日本近畿南岸近海的M7.1地震前无地震热点外,绝大多数在震前皆有热点出现。③与其他M≥7.0地震相比,M_W9.0地震前热点图像分布范围更广,稳定性更好,持续时间更长。

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.

利用球形地球位错理论研究日本M_(W)9.0地震引起的稳态变形与库仑应力变化

稳态地震变形是指由地震引起的、超长时间尺度内震后黏弹性松弛效应的累加,通过对稳态地震变形的研究,可以研究大地震导致的地球总体震后形变场,有利于分析周边地区对该地震的极限响应.本文首先利用球形地球地震位错理论,计算了日本M_(W)9.0地震在日本列岛和中国东部地区产生的稳态水平位移.结果表明,日本M_(W)9.0地震在日本本岛引起的稳态水平位移最大可达到8 m,大体上是同震水平位移的两倍;在中国东北地区产生的稳态水平位移最大值超过0.8 m,在华北地区产生的稳态水平位移最大值为0.5 m左右,是同震水平位移的30~40倍.接着,本文根据前人研究成果,结合地质资料,建立了中国东北和华北地区15条主要断裂带的几何与滑动构造模型,然后利用球形地球位错理论计算了日本M_(W)9.0地震在上述断裂带上引起的同震与稳态库仑应力变化.结果表明,该强震在中国东北和华北地区主要断裂带上引起的同震库仑应力变化均不超过1 kPa;稳态库仑应力变化显著超过同震结果,但除了依兰—伊通断裂带北段和嫩江断裂带南段的一部分以外,其他断裂带上的稳态库仑应力变化均未超过10 kPa这个地震触发阈值.因此日本M_(W)9.0地震对中国东北和华北地区地震危险性影响有限,不会显著改变区内主要断裂带的应力状态和地震活动性.