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。

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.

超导重力检测日本Mw9.0地震激发的球型自由振荡

地球自由振荡是地球物理学上的一个重大发现，为人类认识地震震级和地球内部结构提供了一种新的方法和手段，具有重要的研究价值和意义。本文利用澳大利亚Conrad超导重力台站2011年3月11日至2011年3月15数据对日本Mw9．0地震激发的球型自由振荡进行了检测。经固体潮改正和大气压改正后，采用加窗傅立叶变换对重力残差进行频谱分析，探测出了oS0～S76球型自由振荡。将检测结果与PREM模型进行对比，误差均小于5．59‰，表明本文计算方法和计算结果是正确和有效的。

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。

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。

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%.

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.

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。

基于GPS观测值研究日本M_W9.0地震震后形变机制

基于GPS观测的震后水平位移对2011年日本MW9.0地震的震后形变特征进行研究。震后近5a(截至2015-12),震后水平位移累积达到东向60~165cm,南向20~65cm,距离震中较远处的G104、G105及J192站点观测到的震后位移累积变化已超过同震位移,且震后形变还在持续。联合震后余滑和粘弹性位错理论模拟震后形变,利用这2种作用机制对震后GPS水平形变进行解释。研究表明,震后余滑在震后形变最初阶段起主要作用,但随着时间增长而逐渐衰减,粘滞性松弛作用的贡献随着时间增长而变大,GPS观测到的震后地表形变可由这2种机制结合得到较合理的解释。利用震后GPS形变模拟估算地震区域的地幔粘滞系数在1.5×1019 Pa·s量级。

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.

日本M_W9.0级地震海啸数值模拟与启示

2011年3月11日13时46分日本东北部海域发生MW9.0级特大地震,地震诱发了海啸。本文依据USGS的震源机制解,进行了地震海啸的数值模拟,并与美国国家海洋与大气管理局布设的海底压力计记录的水深数据对比分析,结果表明数值模拟结果可信。同时,进一步分析了海啸造成巨大损失的原因,并对未来我国海啸防灾减灾工作给出了几点建议。

日本M_W9.0强震动观测与记录初步分析

2011年3月11日日本东太平洋海域发生MW9.0级地震,造成了严重的灾害损失,地震诱发了海啸,海啸灾害最终导致核泄漏事件。本文初步收集整理了日本强震动观测网获得的强震动记录,简要进行强震动记录的特征分析,并完成典型记录的频谱特征计算,为进一步开展全面深入研究地震动特征提供参考。