鄒正波 李 輝 吳云龍 康開(kāi)軒 談洪波

1)中國(guó)地震局地震研究所(中國(guó)地震局地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

3)武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079

日本MW9.0地震大尺度重力變化結(jié)果分析*

鄒正波1，2，3)李 輝1，2)吳云龍1，2)康開(kāi)軒1，2)談洪波1，2)

1)中國(guó)地震局地震研究所(中國(guó)地震局地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

3)武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079

利用GRACE衛(wèi)星RL05時(shí)變重力場(chǎng)模型，計(jì)算2011年3月11日日本9.0級(jí)大地震震源區(qū)及周邊地區(qū)前后1個(gè)月、6個(gè)月和1年的重力變化情況，發(fā)現(xiàn)在震前數(shù)年已出現(xiàn)的正負(fù)交替現(xiàn)象在震前1年內(nèi)變得更加明顯。計(jì)算了基于地震位錯(cuò)理論的同震重力變化并向上延拓至衛(wèi)星高度，結(jié)果表明重力衛(wèi)星可以清晰地探測(cè)到該震的同震重力變化。分析震源區(qū)周邊4個(gè)特征點(diǎn)時(shí)間序列變化，結(jié)合GMT最佳雙力偶震源機(jī)制，發(fā)現(xiàn)兩者揭示的震源區(qū)周邊物質(zhì)動(dòng)力變化狀態(tài)具有一致性。

衛(wèi)星重力;斷層模型;重力變化;向上延拓;震源機(jī)制解

1 引言

大地震的孕育與發(fā)生將伴隨著斷裂構(gòu)造帶及周邊地區(qū)的垂直及水平變形以及質(zhì)量密度的改變，從而引起局部重力場(chǎng)的變化，地表可以觀測(cè)到這一現(xiàn)象［1－4］。而2002年3月17日重力衛(wèi)星GRACE發(fā)射后，由于其在探測(cè)空間大尺度重力場(chǎng)分布和時(shí)間變化方面有其獨(dú)特的特點(diǎn)，可以探測(cè)到更大時(shí)間及空間尺度的地球重力場(chǎng)時(shí)間變化［5－8］。

實(shí)踐表明，一次7.0級(jí)以上強(qiáng)震發(fā)生之前的數(shù)年時(shí)間內(nèi)，地面重力觀測(cè)的長(zhǎng)期累積變化可達(dá)100×10－8ms－2以上，震前重力變化持續(xù)時(shí)間可達(dá)幾年或更長(zhǎng)，空間范圍變化可達(dá)數(shù)百至1 000千米以上。經(jīng)過(guò)GRACE重力衛(wèi)星十余年的觀測(cè)研究表明，GRACE在一些大地震重力觀測(cè)中展示了其強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，用其跟蹤大地震前后大范圍空間重力場(chǎng)分布遷移和時(shí)間變化是有效的監(jiān)測(cè)方法。Han等［9］使用GRACE的KBR SST數(shù)據(jù)觀測(cè)到了2004年蘇門(mén)答臘-安達(dá)曼MW9.3地震引起的震源區(qū)附近重力場(chǎng)變化達(dá) ±15 ×10－8ms－2，2010年智利8.8 級(jí)地震發(fā)生后，Han［10］計(jì)算了該地震引起的重力場(chǎng)局部同震變化，周新等［11］的計(jì)算結(jié)果顯示最大重力達(dá)7×10－8ms－2。實(shí)際上，2007年蘇門(mén)答臘 MW8.7 地震和2008年汶川MW7.9地震后，國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)其震前震后 GRACE 重力變化進(jìn)行了探索研究［12－14］。2011年日本東北部海域9.0級(jí)大地震前，鄒正波等［15］曾對(duì)其震前幾年震源區(qū)周邊大范圍GRACE重力場(chǎng)時(shí)空變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)日本大地震前5年存在著較明顯的重力場(chǎng)時(shí)空變化，震后Matsuo和周新等［16－18］使用RL04模型數(shù)據(jù)計(jì)算了GRACE觀測(cè)的重力變化，在震源附近弧盆區(qū)分別有小于－7×10－8ms－2和 － 5 × 10－8ms－2的變化，并與不同震源模型反演的結(jié)果對(duì)比有近似的結(jié)果。

本文將使用GRACE重力衛(wèi)星新公布的RL05月模型，探討日本東北大地震的震前、震時(shí)及震后重力場(chǎng)時(shí)空變化信息，并與位錯(cuò)模型模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，給出合理的物理解釋。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 重力場(chǎng)模型數(shù)據(jù)

本文采用由德州大學(xué)奧斯汀分?？臻g研究中心UTCSR(University of Texas at Austin，Center for Space Reseach)發(fā)布的RL05重力場(chǎng)模型，RL05模型擁有與RL04相同的信號(hào)，但信噪比大幅提高［19］，本文使用的是2004年1月—2012年7月數(shù)據(jù)模型(其中2011年1月，2011年6月及2012年5月由于缺少加速度計(jì)數(shù)據(jù)而無(wú)重力場(chǎng)模型產(chǎn)品)。

2.2 處理方法

Bettadpur［19］認(rèn)為在使用RL05模型產(chǎn)品時(shí)可不濾波，南北異常條帶對(duì)結(jié)果的影響不大，且相對(duì)于RL04模型信噪比有大幅改善，為證實(shí)或確認(rèn)這點(diǎn)，本文做了一個(gè)驗(yàn)證計(jì)算，分別選取RL04與RL05的2011年4月與2月的月重力場(chǎng)模型，分別做無(wú)平滑處理(圖1(a)、1(b)左)、450 km 高斯平滑(圖 1(a)、1(b)中)和P3M8去相關(guān)加450 km高斯平滑處理(圖1(a)、1(b)右)計(jì)算重力異常，兩月進(jìn)行差分，得到日本地震前后1個(gè)月的重力差異。

圖1 2011年4月與2月的RL04及RL05重力差分結(jié)果(單位:10－8ms－2)Fig.1 Gravity difference ruslts between April and February，2011 of RL04 and RL05(unit:10 －8ms－2)

計(jì)算結(jié)果表明:1)對(duì)于兩種版本的模型計(jì)算的重力變化，直接計(jì)算結(jié)果，高斯濾波、高斯濾波+去相關(guān)，三種結(jié)果表現(xiàn)出信號(hào)強(qiáng)度逐漸減弱，信噪比逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。不平滑雖然信號(hào)強(qiáng)度很大，但噪聲仍占主導(dǎo)地位;采用450 km平滑后結(jié)果稍好，而采用去相關(guān)加高斯濾波后結(jié)果噪聲最小，但信號(hào)相較于僅平滑結(jié)果更合理;2)比較圖1(a)、(b)，表明RL05模型的信噪比顯著提高;3)Rl05模型的直接結(jié)果存在著顯著的南北異常條帶，不能直接用于分析，需要采用濾波技術(shù)。

因此本文首先對(duì)RL05月重力場(chǎng)模型位系數(shù)進(jìn)行P3M8 去相關(guān)處理［20，21］，選取這100 個(gè)月的平均作為背景重力場(chǎng)，然后利用去相關(guān)處理及450 km的高斯平滑濾波，計(jì)算地球表面任意點(diǎn)位的月重力變化。

地震的孕育和發(fā)生是長(zhǎng)期能量積累與釋放的過(guò)程，將伴隨著震源區(qū)斷層長(zhǎng)期緩慢的應(yīng)變變形和質(zhì)量密度的變化，大地震從孕震、發(fā)震到震后恢復(fù)這一過(guò)程會(huì)持續(xù)多年，因此在研究該過(guò)程的重力變化時(shí)，需要考慮非地震因素引起的影響，比如天氣和水文等，這些影響一般呈現(xiàn)為周期性變化，包括季節(jié)、半年、年度等，本文采用氣候平均態(tài)對(duì)周期項(xiàng)加以剔除，即每個(gè)月取平均后，給出年度平均氣候態(tài)、半年度平均態(tài)和季節(jié)平均態(tài)的背景變化，在計(jì)算周年變化、半年和季節(jié)等重力變化影響時(shí)，分別采用各自的氣候平均態(tài)做差，結(jié)果更為合理。

3 大尺度重力變化及動(dòng)態(tài)過(guò)程

利用GRACE衛(wèi)星RL05模型2004年1月—2012年7月100個(gè)月數(shù)據(jù)，計(jì)算了2011年3月11日日本大地震震源區(qū)(142.80°E，38.05°N)及周?chē)貐^(qū)(120°～160°E，30°～50°N)地震前后 1年內(nèi)的重力變化(圖2、3、4)。地震前1年，震中西北部呈現(xiàn)大范圍正變化，最大達(dá)(5～6)×10－8ms－2，東北邊出現(xiàn)負(fù)變化，最大達(dá) －(1～2)×10－8ms－2，隨著地震臨近，變化同震更明顯(圖2、3和圖4(a))，震后在震源區(qū)西部出現(xiàn)明顯的負(fù)變化，該區(qū)地震前后1個(gè)月(2011年2—4月)的重力變化差達(dá)(2～3)×10－8ms－2，前后 6 個(gè)月的變化差達(dá) 6 ×10－8ms－2，前后1年的變化差達(dá)10×10－8ms－2，震后震源東南部出現(xiàn)負(fù)變化，而東北部和西南部呈現(xiàn)正變化，整個(gè)區(qū)域重力變化沿地震斷層線與其垂向方向呈明顯的正負(fù)四象限分布，這種分布在重力差分圖中最明顯(圖 2、3 和圖 4(c))，鄒正波等［14］曾指出，日本大地震之前5年內(nèi)震源區(qū)周邊出現(xiàn)了比較明顯的衛(wèi)星重力異常正負(fù)交替和遷移現(xiàn)象，至震前1～2年，這種正負(fù)異常更明顯，與本文計(jì)算的震前震后1個(gè)月、6個(gè)月和1年的重力變化結(jié)果比較，可能預(yù)示著巨大地震發(fā)生前后衛(wèi)星重力場(chǎng)變化的一個(gè)重要特征，即震前數(shù)年，在震源區(qū)周邊大范圍空間中已開(kāi)始形成如前述的重力異常正負(fù)變化現(xiàn)象，愈臨近地震，這種變化愈明顯。

4 與地震斷層位錯(cuò)模型解算結(jié)果比較

日本地震以后，許多機(jī)構(gòu)推出其斷層位錯(cuò)模型，本文選擇有GPS數(shù)據(jù)約束反演的斷層模型作為參考［22］，該模型由美國(guó)全球臺(tái)網(wǎng)(GSN)寬頻帶數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合反演獲得，震中位置為 142.8°E、38.05°N，震源深度為 24 km，傾角為 14°，斷層走向?yàn)?93°。模型中也給出沿?cái)鄬幼呦蚣芭c傾向方向的25×14個(gè)子斷層，子斷層尺度為25 km ×20 km，之后，利用孫文科等［23］的基于位錯(cuò)模型計(jì)算空間固定點(diǎn)同震重力變化程序得到日本大地震震源區(qū)及周邊同震重力變化分布如圖5(a)，該程序中考慮了自由空氣改正和地形變對(duì)結(jié)果的影響，與GRACE所探知的結(jié)果更接近，從圖中可以看出沿地震斷層西北和東南形成明顯的正負(fù)異常區(qū)，正異常區(qū)又分成南北兩部分。由于重力衛(wèi)星自身軌道特征，采用重力場(chǎng)模型解算的重力變化存在嚴(yán)重的混頻現(xiàn)象，存在高噪聲的南北向異常條帶，故在利用GRACE提取重力變化過(guò)程中，采用去相關(guān)及高斯濾波進(jìn)行處理。這導(dǎo)致結(jié)果很大程度上被平均，無(wú)法直接與地面觀測(cè)結(jié)果或模擬結(jié)果進(jìn)行比較，因此，本文對(duì)地震位錯(cuò)理論［23］模擬的同震重力變化進(jìn)行了與衛(wèi)星軌道高度相當(dāng)?shù)?450 km)向上延拓(圖5(b)，這樣才能與GRACE解算的結(jié)果具有可比性，圖中顯示，向上延拓后，負(fù)異常區(qū)的極值點(diǎn)向西北偏移，正異常區(qū)融為一個(gè)。

圖2 地震前后1個(gè)月(2011－02與2011－04)的重力變化(單位:10－8ms－2)Fig.2 Gravity changes before and after one month(February to April in 2011)of the earthquake(unit:10 －8 ms－2)

圖3 地震前后6個(gè)月(2010-10—2011-02與2011-04—09)的重力變化(單位:10－8ms－2)Fig.3 Gravity changes before and after six months of the earthquake(unit:10 －8ms－2)

圖4 地震前后1年的重力變化特征(2010-03—2011-02與2011-04—2012-03;單位:10－8ms－2)Fig.4 Gravity changes before and after one year of the earthquake(unit:10 －8ms－2)

圖5的結(jié)果表明，在衛(wèi)星軌道高度處可探測(cè)到日本大地震激發(fā)的同震重力變化，在斷層面東南側(cè)出現(xiàn)的正異常變化峰值可達(dá)3×10－8ms－2，西北側(cè)(日本諸島及其周邊)大范圍區(qū)域出現(xiàn)負(fù)異常區(qū)，峰值高達(dá)－6 ×10－8ms－2。這與文獻(xiàn)［5］的結(jié)果有一定差別。

5 特征點(diǎn)的重力變化

在四象限正負(fù)異常區(qū)中選取4個(gè)特征點(diǎn)研究每個(gè)區(qū)域時(shí)間序列變化特征，4個(gè)點(diǎn) A(138.0°，41.0°)、B(140.0°，30.0°)、C(148.0°，48.0°)和 D(154.0°，35.0°;圖 6)，它們的時(shí)間序列重力變化在一定程度上反映了該區(qū)時(shí)間域重力變化特征。圖7展示了4個(gè)特征點(diǎn)2003—2012年間衛(wèi)星重力變化曲線，總體上，曲線呈正負(fù)準(zhǔn)周期變化，形態(tài)各異，振幅基本上都在(－3～2)×10－8ms－2之間，A 點(diǎn)同震變化最大，達(dá)4×10－8ms－2。同時(shí)，我們也計(jì)算了4個(gè)特征點(diǎn)震前震后重力變化曲線的最佳擬合(直線)，震前4個(gè)點(diǎn)的重力變化率依次為0.142 7、0.064 5、0.073 3、0.069 4 × 10－8ms－2/a，震后為0.696 1、0.014 6、－0.188 1、0.066 4 ×10－8ms－2/a，可以看出，震前4個(gè)特征點(diǎn)的重力總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而且變化率基本一致，特別是B、C、D三個(gè)點(diǎn)的變化斜率很接近;地震前后各點(diǎn)均出現(xiàn)了重力的跳躍，C點(diǎn)重力出現(xiàn)了負(fù)變化，其他三點(diǎn)仍保持正變化，但A點(diǎn)變化明顯加快，B、D點(diǎn)仍保持震前的變化水平。

圖5 位錯(cuò)模型模擬的日本大地震空間固定點(diǎn)同震重力變化(單位:10 －8ms－2)Fig.5 Co-seismic gravity changes of the points fitting on the space simulated by the dislocation model(unit:10－8ms－2)

圖6 點(diǎn)A～D的位置分布Fig.6 Location of the points A ～ D

圖7 四個(gè)特征點(diǎn)重力變化的時(shí)間序列Fig.7 Time-series of gravity changes of the 4 points

特征點(diǎn)的時(shí)間序列重力變化反映了點(diǎn)位周邊物質(zhì)遷移變化，短期內(nèi)各點(diǎn)除了年周期變化外，總體變化規(guī)律性不強(qiáng)，但長(zhǎng)趨線性勢(shì)線性擬合顯示在震前統(tǒng)一表現(xiàn)為向正方向變化的特性，也就是質(zhì)量的積聚盈余或者密度的增加，呈現(xiàn)物質(zhì)的擠壓狀態(tài)，經(jīng)震時(shí)短暫能量釋放后，A、B、D點(diǎn)仍保持著物質(zhì)擠壓狀態(tài)，并且A點(diǎn)強(qiáng)度更大，B點(diǎn)強(qiáng)度相對(duì)變?nèi)?，C點(diǎn)出現(xiàn)了質(zhì)量分散虧損現(xiàn)象，D點(diǎn)與震前水平一致。結(jié)合GMT的矩張量震源機(jī)制解與震源區(qū)周邊應(yīng)力狀態(tài)，我們發(fā)現(xiàn)重力時(shí)間序列變化與它們有許多一致性，該區(qū)太平洋板塊向西俯沖插入到日本板塊下面，并一直擠壓著日本板塊，使得震源西北部(圖4中大面積藍(lán)色區(qū)域)長(zhǎng)期處于擠壓和質(zhì)量積聚狀態(tài)，在震源機(jī)制解中處于左邊窄小P軸壓縮區(qū)(A點(diǎn)區(qū))，震時(shí)能量釋放后，斷層又重新閉合，并且擠壓強(qiáng)度更大了，D點(diǎn)處于壓縮區(qū)另一面上，在面積較大的太平洋板塊上一直保持著向西擠壓狀態(tài)，震前震后重力趨勢(shì)變化強(qiáng)度不大，B、C兩點(diǎn)分別處于斷層線的東北和西南兩端，屬于應(yīng)力擴(kuò)展區(qū)，因此重力趨勢(shì)變化應(yīng)為負(fù)方向或持平。

6 結(jié)果與討論

巨大地震的孕震、發(fā)震和震后調(diào)整將伴隨著震源區(qū)周邊局部重力場(chǎng)的變化，空間的重力衛(wèi)星是否能感應(yīng)到或者分辯出這種變化呢?震前、震時(shí)和震后又是如何變化?目前還沒(méi)有確切的定論，但重力衛(wèi)星在巨大地震震時(shí)的同震變化是非常明顯的，這在2004年蘇門(mén)達(dá)臘-安達(dá)曼大地震、2008年的智利大地震和2011年的日本大地震中被國(guó)內(nèi)外多個(gè)地震學(xué)者所證實(shí)。由于巨大地震前數(shù)年震源區(qū)周邊衛(wèi)星重力場(chǎng)將會(huì)產(chǎn)生比較明顯的正負(fù)異常分布特征，本文通過(guò)計(jì)算震前震后1個(gè)月、6個(gè)月和1年的重力差分變化發(fā)現(xiàn)，隨著臨近發(fā)震時(shí)刻，震源區(qū)及周邊的重力差變化明顯加劇，點(diǎn)位時(shí)間序列重力變化(尤其是A點(diǎn))也表明日本大地震前數(shù)年震源區(qū)及周邊重力場(chǎng)均處于緩慢增加狀態(tài)，震時(shí)A點(diǎn)重力變化差最大，這與該點(diǎn)所處位置正好在震源球的P區(qū)(擴(kuò)張區(qū))有關(guān)，另外傾角較小的逆傾斷層使得西北部的上盤(pán)幾乎壓在東南部下盤(pán)(太平洋板塊)上面，因此震時(shí)上盤(pán)區(qū)垂向位移變化最明顯，而廣大的東部下盤(pán)區(qū)變化較小。

采用位錯(cuò)模型解算的空間定點(diǎn)重力變化在負(fù)異常區(qū)的峰值與震后6個(gè)月重力變化峰值一致(圖3)，都達(dá)到 6 ×10－8ms－2，但在模型中的正異常區(qū)兩者有些差別，實(shí)際觀測(cè)的震后1個(gè)月和6個(gè)月的結(jié)果都呈現(xiàn)小的負(fù)異常，量值在－1×10－8ms－2左右，震后6個(gè)月在2個(gè)全面異常區(qū)之間呈現(xiàn)一條明顯的正異常條帶，主要原因是由于在本文的數(shù)據(jù)處理中未將陸地水變化及海水效應(yīng)從結(jié)果中扣除，其次由于衛(wèi)星重力變化顯示了大地震前、時(shí)、后震源區(qū)周邊物質(zhì)遷移和動(dòng)力學(xué)變化過(guò)程，而位錯(cuò)模型演算的僅僅是震時(shí)的一個(gè)靜態(tài)過(guò)程，所以結(jié)果存在一定差異是合理的。通過(guò)重力衛(wèi)星觀測(cè)的動(dòng)態(tài)重力場(chǎng)變化，并結(jié)合GPS和INSAR的觀測(cè)結(jié)果，來(lái)反演地下物質(zhì)密度的遷移變化，這將是個(gè)有必要深入研究的問(wèn)題。

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11 周新，孫文科，付廣裕.衛(wèi)星重力GRACE監(jiān)測(cè)出2010年智利Mw8.8地震的同震重力變化［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2011，54(7):1 745 －1 749.(Zhou Xin，Sun，Wenke and Fu Guangyu.Gravity satellite GRACE detects co-seismic gravity changes caused by 2010 Mw 8.8 Chile earthquake［J］.Chin J Geophys.，2011b，54(7):1 745 – 1 749)

12 王武星，等.GRACE衛(wèi)星觀測(cè)到的與汶川Ms8.0地震有關(guān)的重力變化［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2010，53(8):1 767 －1 777.(Wang Wuxing，et al.Gravity changes associated with the Ms8.0 earthquake detected by GRACE［J］.Chinese J Geophys.，2010，53(8):1 767 －1 777)

13 邢樂(lè)林，等，GRACE衛(wèi)星重力觀測(cè)在強(qiáng)震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及分析［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，30(4):51－54.(Xing Leling，et al，Application and analysis of GRACE satellite gravity observation in monitoring strong earthquake［J］.Geodesy and Geodesy，2010，30(4):51－54)

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23 孫文科.地震位錯(cuò)理論［M］.北京:科學(xué)出版社，2012.(Sun Wenke.Dislocation theory of earthquake［M］.Beijing:Science Press，2012)

ANALYSIS ON LARGE-SCALE GRAVITY CHANGES RESULTS OF JAPAN MW9.0 EARTHQUAKE

Zou Zhengbo1，2，3)，Li Hui1，2)，Wu Yunlong1，2)，Kang Kaixuan1，2)and Tan Hongbo1，2)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics，CEA，Wuhan 430071
3)School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan430079

Gravity changes in the earthquake source area and the surrounding area before and after 1 month，6 months and 1 year of Japan MW9.0 earthquake on March 11，2011 were calculated by using GRACE RL05 time variable gravity field models.We find that a plus or minus alternate phenomenon is more obvious within 1 year before the earthquake.By calculating the co-seismic gravity changes based on the earthquake dislocation theory and these of upward continuation to the satellite altitude，the results show that the co-seismic gravity changes of the earthquake can be clearly detected by the GRACE satellite.Combined with the GMT best double couple focal mechanism，time series gravity changes of four feature points in the surrounding region are analyzed.We find that dynamic change status of surrounding material of the focal region revealed by the two methods are consistent.

satellite gravity;fault model;gravity changes;upward continuation;focal mechanism solution

P315.72+5

A

1671-5942(2013)05-0001-06

2012-10-23

中國(guó)地震局基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(IS201116022);國(guó)家自然科學(xué)基金(40704009，41004030，41004010)

鄒正波，女，博士生，主要從事衛(wèi)星重力研究.E－mail:zouzb@126.com