2011年日本MW9.0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6×10¹⁸ 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GPS和InSAR数据反演2011年日本东北MW9.0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M_W9.0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50 km范围内, 最大滑动量为49.9 m, 矩张量为4.89×1022 N·m, 所对应的矩震级为M_W9.1, 与地震学反演的结果比较吻合.      

2011年日本9.0级地震的同震位错以及震后应力松弛过程对中国大陆的影响

本文基于日本GEONET的GPS观测资料, 对日本2011年9.0级地震的同震和震后形变过程进行了研究。 结果表明, 日本9.0级地震使中国大陆出现了显著的同震位移, 几乎对整个中国大陆都有影响。 位移量在中国东北地区最大, 接近甚至超过该地区的年运动速率。 震后1年观测到的形变基本上可由沿着断层面的蠕滑进行模拟, 粘弹松弛的贡献不大。 根据所得到的震后蠕滑模型, 震后1年形变所释放的能量等同于发生一个8.7级地震, 其影响主要在东部地区, 最大位移约为年运动速率的30%。 预测在未来2年, 该地震的影响范围将逐渐减小。 地震造成的粘弹松弛在未来50~100年的尺度上, 对东北地区有拉张效应。 日本9.0级地震整体上起到了卸载中国大陆在板块间挤压过程中所累积应变能的作用, 因此该地震发生后的几个月, 中国大陆东部的地震活动水平较震前明显降低。     

震后GPS观测数据揭示的日本M_W9.0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M_W9.0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~(18)Pa·s,220～670km深度之间的地幔黏滞因子最优解为1.5×10~(19)Pa·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.     

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MW9.0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...     

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35 m,较大滑动分布在浅于30 km的震源中心上部,最大破裂集中在20 km深度的地方,其地震矩约为3.63×1022N·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.     

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35 m,较大滑动分布在浅于30 km的震源中心上部,最大破裂集中在20 km深度的地方.其地震矩约为3.63×1022N·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.     

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M_w9.0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35 m,较大滑动分布在浅于30 km的震源中心上部,最大破裂集中在20 km深度的地方.其地震矩约为3.63×10²²N·m,对应的矩震级为M_w9.0.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.     

日本东北9.0级地震的同震与震后滑动

大部分强震都发生在海沟,那里是海洋板块向大陆板块俯冲的地方.大量矩震级MW9.0以上的地震发生在若干区域,包括智利,阿拉斯加,堪察加半岛和苏门答腊岛等.位于太平洋板块俯冲鄂霍茨克板块的日本海沟,历史记载上没有发生过MW9.0地震,除了至今震级还有争议的公元869年Jogan大地震[1](可能超过MW9.0).然而,根据...     

基于GPS观测分析日本9.0级地震同震位错与近场形变特征

2011年3月11日日本本州宫城县东海岸近海发生MW9.0级地震,本文在对GPS同震位移场分布及误差特征分析的基础上,反演了同震位错分布.误差分析结果表明震源北西向300 km、北北西向550 km、南西向700 km范围内的同震位移量值明显大于误差,可以为位错反演提供有效的地表位移约束.沿震源北西向GPS剖面结果和位错反演位移剖面结果均表明同震近场位移符合指数衰减特征.位错反演结果表明,日本9.0级地震最大同震位错为25.8 m,位于震中附近;位错量大于10 m的同震破裂集中在震中附近400 km范围内;日本海沟南段同震位错量相对较小,此次地震为日本海沟地区典型逆冲型地震.根据此次9.0级地震和该地区以往强震破裂空间分布特征,此次9.0级地震破裂既体现了强震原地复发的特点,又体现了强震破裂的填空性.     

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。     

基于InSAR分析2015年尼泊尔MW7.8地震形变场特征及断层滑动分布反演

2015年4月25日尼泊尔发生了M_W7.8地震, 本文基于震前、 震后两景Sentinel-1A雷达影像, 采用D-InSAR两轨差分干涉法提取了此次地震的同震形变场。 结果显示, 同震形变场位于喜马拉雅造山带—主边界逆冲断裂(MBT)和主前锋逆冲断裂(MFT)附近, 形变场整体表现为自西北向往东南方向延伸近150 km的纺锤形包络状, 以大面积隆起抬升形变为主, 视线向最大隆升形变达1.18 m, 抬升区北侧存在一小沉陷区, 以InSAR观测值定位同震最大形变中心。 基于均匀介质弹性半空间模型(Okada模型)与InSAR观测数据反演了断层滑动分布。 反演结果表明该地震属于典型逆冲型地震, 发震断层为主喜马拉雅逆冲断裂(MHT), 同震破裂从主喜马拉雅逆冲断裂(MHT)向上沿着主前锋逆冲断裂(MFT)传递。 基于InSAR同震形变场局部形变细节, 结合震区地质背景、 断裂分布及断层运动特征, 获得了同震破裂拟出露地表迹线。     

Review of the Research of the 2011 MW9.0 Tohoku-Oki Earthquake

On March 11, 2011, a M_W9.0 earthquake occurred in the Japan Trench, causing tremendous casualties, and attracting extensive concern. Based on the results of related research, this paper analyzes the observations, phenomena and understandings of the earthquake from varied aspects, and obtains four main conclusions. (1) The earthquake, occurring in the subduction zone in the Japan Trench located in the northwest boundary of the pacific plate has two zones of concentrated coseismic slip at different depths, and the slip in the deep zone is relatively small. Though there have been many M7.0 historical earthquakes, slips in the shallow zone are large, but there have been few historical strong earthquakes. (2) Constrained by GPS data, the study of fault movement shows that fault movement in the Japan Trench has a background of widely distributed stability and locking (the locking zone is equivalent that of coseismic rupture zone). Perturbation occurred after the 2008 M8.0 Hokkaido earthquake, several M7.0 events had after slips larger than the coseismic slip, and two obvious slow slip events were recorded in 2008 and 2011. Eventually, the March 9, 2011 M7.0 foreshock and the March 11, 2011 M_W9.0 mainshock occurred. The pre-earthquake changing of the fault movement in the Japan Trench is quite clear. (3) Traditional precursory observation show no obvious anomaly, possibly due to monitoring reason. Anomaly before earthquake consists of high stress state in focal zone reflected by some seismic activity parameters, short period anomaly in regional ground motion, etc. (4) The analysis of physical property in focal zone aroused more scientific issues, for example, is there obvious difference between physical property in focal zone and its vicinity? Does frictional property of fault determine seismogenic ability and rupture process? Whether pre-earthquake fault movement include pre-slips? Could deep fluid affect fault movement in focal zone? Experience is the best teacher, and authors hope this paper could be a modest spur to induce others in basic research in earthquake forecast and prediction.     

Joint analysis of b-value and apparent stress before the 2011 MW9.0 Tohoku-Oki,Japan earthquake

Detecting tempo-spatial changes of crust stress associated with major earthquakes has implications for understanding earthquake seismogenic processes. We conducted a joint analysis of b-value and apparent stress in the source region before the March 11, 2011 M_W9.0 Tohoku-Oki, Japan earthquake. Earthquakes that occurred between January 1, 2000 and March 8, 2011 were used to estimate b-values, while source parameters of events with magnitudes of Ms5.0–6.9 between January 1, 1997 and March 8, 2011 were used to calculate the apparent stresses. Our results show that the average b-value decreased steadily from 1.26 in 2003 to 0.99 before the Tohoku-Oki mainshock. This b-value decrease coincided with an increase in the apparent stress from 0.65 MPa to 1.64 MPa. Our results reveal a clear negative correlation between the decrease in b-value and increase in apparent stress, which lasted for approximately eight years prior to the 2011 mainshock. Additionally, spatial pattern results of the relative change in b-value show that the area associated with drastic b-value decreases (25% or greater) was concentrated near the 2011 mainshock epicenter. The joint analysis of b-value and apparent stress provides a promising method for detecting anomalies that could serve as potential indicators of large earthquakes.     

联合GPS和GRACE观测研究日本MW9.0地震震后变形机制

利用GPS和GRACE观测数据研究了日本M_W9.0地震的震后变形特征.GPS观测显示,区域震后位移呈现随指数函数变化特征,变化速率符合大森公式的衰减特性;近五年的震后水平位移累积已达到东向60~165 cm,南向20~65 cm的量值,距震中较远站点已超过同震变化量,且震后变形仍然持续.GRACE观测到显著的震后重力变化,地震破裂两侧的重力变化总体均呈上升趋势,但海洋侧的变化速率较快.联合震后余滑和黏弹性位错理论对震后变形进行了模拟,探索了GPS和GRACE观测的综合应用方法.研究发现,综合考虑震后余滑和黏滞性松弛效应可以对日本地震的震后变形做出较合理的解释,震后初期余滑起主要作用,1至2年以后逐渐减弱,黏滞性松弛作用逐渐增强.在震后变形模拟和区域黏滞性结构反演中形成GPS和GRACE观测结合应用的方法,先基于震后GPS形变估算区域黏滞性结构,而后利用GRACE观测修正深部的黏滞系数,并综合利用这两种观测微调浅层黏滞系数,最终确定区域黏滞性结构.基于该方法反演了日本震源区的地幔黏滞性结构,地震断层破裂两侧的流变参数存在差异,大陆侧的地幔顶层黏滞系数在1.0×10¹⁹ Pa·s量级,而海洋侧的则略小于大陆的,在6.0×10¹⁸ Pa·s量级.

     

利用InSAR技术研究2016年青海门源MW5.9地震同震形变场及断层滑动分布

2016年1月21日, 青海省门源县冷龙岭断裂带附近发生了M_W5.9地震。 基于Sentinel-1A影像, 采用差分干涉雷达测量技术研究了此次地震产生的同震形变场, 结果表明, 门源地震的形变影响范围约20~30 km, 形变态势在升降轨道形变场均显示为隆升, 基本沿冷龙岭断裂呈近似同心圆展布, 推测可能是冷龙岭断裂与民乐—大马营断裂之间的一条逆断层, 沿雷达视线方向最大形变量级约为6 cm。 均匀滑动反演显示门源发震断层长7.3 km, 宽6.2 km, 走向298.6°, 倾角34.5°, 倾向宽度9.5 km, 沿走向滑动量为170 mm, 沿倾向滑动量为460 mm, 矩震级为M_W5.97; 分布式滑动反演显示门源地震以逆冲为主, 兼具少量右旋走滑分量, 滑动量主要集中在沿断层倾向方向, 距离地表5～15 km处, 最大滑动量约0.3 m, 位于断层倾向深度10 km处, 矩震级为M_W5.93。