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.

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。

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.

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.

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。