尼泊尔M_W 7.9地震同震及震后地表形变及重力变化模拟

基于USGS公布滑动分布模型,本文利用用地壳分层模型,考虑到自重及黏弹特性,采用数值模拟的方法,对尼泊尔M_W7.9大地震同震及黏弹松弛效应引起的震后形变场及重力变化进行模拟计算,并与发震断层地表投影面附近区域实测同震GPS水平形变数据对比,结果显示:(1)同震形变场及重力变化均显示该次地震主要表现为逆冲型,且主要形变及重力变化主要发生在发震断层地表投影区域,离断层越远区域,形变量及重力变化值越小;(2)震后形变量及重力变化均增大,且影响范围逐渐增大,其中,垂直形变变化趋势与重力变化相反,表明地表高程变化与重力变化具密切的联系;(3)模拟同震结果与实测同震水平形变结果比较符合,少数台站点差异较大,但运动趋势与实测结果基本一致,一定程度上验证了模拟同震及震后形变量及重力变化的可靠性.     

鲁甸地震同震与震后形变、重力时空分布的理论模拟

基于位错理论,考虑重力和黏弹性的影响,在分层介质模型下计算鲁甸地震引起的同震、震后形变和重力变化.结果表明形变和重力的显著变化主要发生于断层在地表投影附近区域.同震形变场显示发震断层有明显的走滑性质.考虑黏弹松弛效应,随着时间的推移,震后形变和重力有了明显改变,同震效应为正的区域得到加强,为负区域进一步减弱.震后松弛效应的影响范围相比同震明显增加.在靠近断层的GPS观测台站处,计算了由黏弹松弛效应引起的震后形变和重力时间序列.震后松弛效应引起的重力变化在50年之后均达到同震水平,除了NJ13的纬向、垂直位移,NJ16的垂直位移,NJ15的径向位移,其余台站的所有震后形变都超过1mm.观测台站的震后重力和垂直位移时间序列在震后100年趋于稳定,纬向位移和经向位移在震后50年趋于稳定.     

利用GRACE数据反演日本Mw9.0地震区域黏滞性

利用CSR(Center for Space Research)发布的GRACE RL05月重力场模型数据,通过水文模型GLDAS(Global Land Data Assimilation System)和CPC(Climate Prediction Center)扣除土壤水和雪水的影响,根据冰川模型扣除GIA(Global Isostatic Adjustment)的影响,采用P3M6去相关滤波和300 km扇形滤波,基于最小二乘拟合的方法得到日本M_W 9.0地震的同震及断层上下盘两个特征点重力变化时间序列,利用PSGRN/PSCMP模型对日本M_W 9.0地震区域黏滞性进行了反演,并计算了同震及震后5年研究区域重力变化的空间分布.结果表明,扣除土壤水和冰川均衡调整因素的影响,同震重力变化为-5.2×10~(-8)～2.9×10~(-8) ms~(-2);两个特征点在震后5年重力均增加,下盘重力增加较大;日本M_W 9.0地震区域黏滞性横向差异较明显,断层上下盘的地幔黏滞系数分别为2.5×10~(18) Pa·s、5.0×10~(17) Pa·s时,与GRACE观测值较接近,综合考虑断层上下盘的震后重力变化,区域黏滞系数大约为1.5×10~(18) Pa·s.     

汶川大地震震后重力变化和形变的黏弹分层模拟

基于有限矩形位错理论及陈运泰等、JiChen等通过地震波反演的断层模型,结合研究区地壳——上地幔平均波速分层结构,利用PSGRN/PSCMP软件模拟计算了黏弹分层半空间中汶川地震（Ms8.0）产生的同震及其震后地表形变和重力变化,同时给出了震后形变和重力变化的年变化率．模拟结果表明,同震形变和重力变化显示出发震断层倾滑逆冲兼具右旋走滑综合特征;其变化主要发生于断层在地表的投影区附近,震后地表重力变化和形变量均不断增大,影响的范围也不断扩张;震后50a间近场年均形变量可达10mm,年均重力变化量可达2times;10-8m/s2,而远场年均形变量一般低于2mm,年均重力变化量一般低于0.4times;10-8m/s2;形变和重力变化在震后200a内变化较为显著,变化率逐渐减小,水平位移在400a后基本稳定不变,垂直位移、重力变化和大地水准面变化在800a后基本稳定不变．      

基于库仑应力变化分析2015年尼泊尔MS8.1地震对中国大陆的影响

本文采用分层黏弹性介质模型, 模拟了2015年4月25日尼泊尔M_S8.1地震产生的同震和震后地表位移场, 计算了尼泊尔大地震引起的青藏高原及其周缘主要断裂上的同震和震后库仑应力变化。 地表位移场结果显示, 此次尼泊尔8.1级地震对中国大陆的影响区域主要是拉萨地块和羌塘地块, 对拉萨块体的影响主要表现为水平向南朝喜马拉雅构造带的汇聚作用, 垂直同震位移以下降为主, 震后以上升为主。 静态库仑破裂应力变化的计算结果显示, 尼泊尔大地震对青藏块体中南部的拉张性断层影响最为显著, 其中, 使尼泊尔地震北部的拉张断层的库仑应力显著增加, 个别断层库仑应力增加量超过0.01MPa, 而使其两侧的拉张断层库仑应力明显降低; 对青藏块体中部的走滑断裂则以正影响为主; 另外, 对南北地震带主要以负影响为主, 但量值微小。     

2016年11月13日新西兰凯库拉(Kaikoura)MW7.8地震同震位移和应力数值分析

2016年11月13日新西兰南岛北端凯库拉（Kaikoura）发生了M_W7.8大地震,造成了强烈的地表变形并引发大面积滑坡和海啸的发生.基于美国地质调查局（USGS）断层滑动模型,建立全球同震横向不均匀并行椭球型地球模型,计算了此次新西兰凯库拉大地震产生的同震形变和应力及库仑应力变化.初步计算结果表明：新西兰凯库拉M_W7.8地震造成断层上盘东北向抬升,下盘西南俯冲;引起发震区域同震位移较大,从凯库拉到坎贝拉（Campbell）以及首都惠灵顿（Wellington）整体上东北向抬升,最大同震水平位移1.2 m,垂直位移1.1 m.此次大地震释放了发震断层上积累的压应力,但增加了发震断层两端的挤压力;同时,同震剪应力变化增加了NE-SW向断层发生右旋滑动的危险性;采用此次地震发震断层参数计算得出的最大库仑应力变化增加区域集中在发震断层两端,可达到MPa量级.当分别采用新西兰北岛Awatere断裂系和南岛Wellington断裂系参数计算库仑应力变化时,发现新西兰北岛和南岛震中以南区域的库仑应力均增加,可触发部分余震的发生.     

利用同震和震后位移数据联合反演2011年日本MW9.0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_W9.0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_W9.0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_W9.0地震震源及周边地区的地幔黏滞性系数最优解(9.0×10¹⁸ 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_W9.0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4.48×10²² Nm, 相应的矩震级为M_W9.03。 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_W9.0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。     

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.     

玉树M_S7.1地震同震效应模拟与绝对重力检验

利用玉树震后地质调查获取的地表破裂位移,参考余震精定位结论以及地震波和InSAR反演结果,构建了玉树Ms7.1地震发震断层模型.基于弹性-粘弹分层介质模型中平面矩形位错理论,考虑介质自重的影响,模拟了玉树地震同震形变和重力变化.图像显示,玉树绝对重力点刚好位于同震重力变化极值附近,变化量达到25.02 ×10-8 m·s-2.通过对震前重力变化以及对两台FG-5绝对重力仪的一致性进行讨论,认为实测玉树台27.2 ×10-8 m·s-2为同震重力变化,这与基于位错理论的同震模拟结果一致,是对位错理论近场变化的1次很好的验证.     

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.     

重力卫星在地震循环过程中的应用

正本文回顾了重力卫星在地震研究中的作用,并对未来下一代重力卫星资料在地震孕育、发生方面的应用研究做出展望。一般而言,地震循环分为震间、震前、同震和震后等物理过程。重力卫星GRACE能够检测到全球俯冲带特大地震(如2006年苏门答腊M_W9.3、2008年智利M_W8.8和2011年日本东北M_W9.0)的同震破裂和震后地幔黏弹性松弛引起的大尺度地球质量迁移。对于一次M9地震,经过350 km空间平滑后,同震重力最大减小超过10μgal,且能够被位错理论     

球体和黏弹性球体位错理论在尼泊尔Ms8.1地震中的应用与分析

本文利用球体位错理论和黏弹性球体位错理论,基于USGS发布的尼泊尔地震断层滑动模型,分别计算该地震造成的同震水平和垂直位移场,两种位错理论计算结果高度吻合,且都与实测GPS同震位移在空间分布和量级上具有较好的一致性,表明了两种位错理论的可靠性和实用性.为了更好的比较和分析这两种位错模型,分别模拟尼泊尔地震同震水平和垂直位移场,两种位错模型模拟结果均验证了尼泊尔地震主要以逆冲滑动为主,该次地震造成的水平位移较大,地震造成的南北方向上的水平位移最突出,且集中在加德满都附近区域;但模拟结果也存在差异,在近场两组结果水平位移和垂直位移差异占同震信号的不足3%,在远场两组结果的水平位移差异占信号的5%～9%左右,而垂直位移差异占信号的比例普遍在10%以上,显示出地球的黏滞性对近场水平同震位移和垂直同震位移影响较小,对远场水平位移影响有限,但是对垂直位移影响较大,即表明在计算远场同震位移时应该考虑地球黏滞性的影响.     

利用GRACE观测数据研究苏门答腊区域的黏滞性结构

本文尝试利用卫星重力观测资料和震后黏弹性松弛理论研究苏门答腊地区的区域流变结构,为更好地认识区域地球动力学环境提供依据．利用GRACE卫星重力资料,计算了2004年苏门答腊Mw9．3地震的同震及震后的重力变化．计算中使用平滑半径为500km的高斯滤波器．结果显示苏门答腊Mw9．3地震破裂东侧以陆地为主的上盘同震下沉量很大,造成约9x10＾-8mS＾－2的重力下降阶变,而西侧处于海水下的下盘重力同震上升较小约2x10＾－8mS＾－2,但其震后上升较快．流变结构对岩石的变形有很大的影响,是地球动力学数值模拟取得可靠科学结果的基础．本文尝试了利用卫星重力变化时间序列来反演苏门答腊地区的黏滞性结构;即基于GRACE时变重力场,利用自重力、黏弹性、平面分层模型模拟了该地震的同震和震后变形,并将获得的空间固定点的重力变化与GRACE重力场及点位时间序列进行比较,估计该地区的黏滞性系数在1．0x10＾18PaS的量级,且断层两侧的流变参数存在差异．最后结合苏门答腊区域的构造特点讨论了黏滞性系数的影响因素．     

GPS测定的四川九寨沟MW6.6地震同震形变

2017年8月8日四川阿坝州九寨沟发生M_W6.6地震,震源机制解显示该地震为左旋走滑型地震。对震中周围的GPS连续站观测资料进行处理,获得高频GPS动态形变和静态同震水平位移。震中100km范围内四川松潘和甘肃武都站观测到1 Hz动态形变。距离震中约69km的松潘站观测的同震水平位移为7.4mm。根据少量的GPS静态同震位移反演的同震破裂模型显示本次地震的最大滑动量为376mm,地震矩为7.25×1018 N·m,等效矩震级为M_W6.6。正演计算的同震三维形变场显示本次地震的最大水平位移可达4~5cm,垂直位移呈四象限分布,最大可达1.5cm,区域内10个流动GPS站可观测到同震形变。     

泸定M6.8地震同震重力与形变效应模拟研究——闭锁剪力孕震模式的新证据

2022年泸定M6.8地震为近期川滇地区显著强震。本文基于Okubo平面矩形弹性位错理论,采用已有的由地震波反演获得的同震破裂模型,模拟研究了泸定M6.8地震产生的地表同震重力变化、垂直位移和水平位移。结果表明:(1)同震重力变化图像具有以发震断层为界,呈正、负四象限对称分布特征,与震前(2019年9月—2020年9月)实测重力变化图像和发震断层左旋走滑特征具有一致性,说明其孕震过程可用闭锁剪力模型来解释;(2)在远场区域,同震垂直位移图像与重力变化图像类似,位错引起的介质密度变化效应大于地表垂直位移效应,而近场地表垂直位移效应大于介质密度变化效应,显示出负相关性;(3)同震水平位移图像具有对称的四象限特征,与GNSS实测结果显示的变形特性一致。该结果可为地震前后重力、形变观测结果的解释提供依据,同时为强震孕育的机理研究提供线索,尤其为闭锁剪力孕震模式的进一步完善提供了新的实例依据。     

基于GPS和强震资料反演汶川8.0级地震的同震滑动模型

通过震中附近GPS同震位移资料,采用SDM反演法,应用均匀介质模型和分层地壳结构模型分别反演汶川8.0级地震的同震滑动,并加入强震资料进行反演对比分析,结果表明:两种模型反演的同震滑动分布与发震断层的科考结果吻合,分层地壳结构模型的反演结果整体上要优于均匀地壳结构模型的反演结果;GPS与强震数据分别反演得到的同震位移方...     

GRACE卫星重力在地震研究中的应用进展

地球重力场恢复与气候实验卫星(GRACE)在运行期间提供了大量的地球时变重力场观测数据,在大地测量、地球环境变化等领域有非常广泛的应用.在固体地球科学研究中,GRACE重力场数据被广泛应用于天然地震研究,由于地震过程中存在大范围的质量迁移,大型地震引起的重力变化可以被GRACE卫星探测到.同时GRACE记录的地震同震及震后长期的重力场变化对反演地震震源参数也起到了帮助作用.本文从GRACE卫星重力场在地震研究中的应用出发,在回顾了GRACE卫星重力在地震应用的主要进展的基础上,总结了以地震研究为应用目标的数据处理方法与流程,为地震同震及震后卫星重力数据处理提供了技术思路.本文结合前人在2004年M_W9.3苏门答腊地震、2010年M_W8.8智利地震、2011年M_W9.0日本东北地震的研究成果,针对地震重力变化的同震观测、震后观测、间接观测等领域,总结了GRACE卫星重力的主要应用进展,提出了其中涉及的GRACE数据处理与地震综合解释的主要研究问题.在总结技术研究进展的基础上,本文以2004年M_W9.3苏门答腊地震为研究对象,对GRACE卫星重力数据序列进行处理,得到该地震的同震重力变化特性,并以此为基础进行了地震同震重力变化的特征分析.在回顾和总结的基础上,本文结合GRACE-Follow on计划的优势,提出未来GRACE卫星应用于地震研究的发展展望.     

利用震后黏弹性位错理论研究苏门答腊地震(M_w9.3)的震后重力变化

本文利用2003—2011年的GRACE RL05数据提取了苏门答腊地震(Mw9.3)引起的震后重力变化,发现断层两侧震后重力变化速率存在明显差异,断层下盘总体变化率为0.55μGal/yr,断层上盘为0.16μGal/yr.基于子断层叠加的编程思想,本文将Tanaka的黏弹球体位错理论配套计算程序(简称黏弹位错程序)加以改造,克服了其近场计算精度不足(甚至错误)的缺陷,可用来研究大地震引起的近场震后位移与重力变化.本文利用改造后的黏弹位错程序计算了2004年苏门答腊地震(Mw9.3)产生的同震重力变化,计算结果在空间分布和量级上均与利用弹性位错程序计算获得的结果一致,验证了我们对黏弹位错程序进行改造的正确性.最后,结合GRACE卫星观测数据,本文利用Tanaka的黏弹位错理论研究了苏门答腊地区的地幔黏性因子.结果表明,该地区地幔黏滞性具有显著的横向差异,当发震断层上下两盘的地幔黏滞性系数分别取8×1018 Pa·s和1×1018 Pa·s时,模拟的震后重力变化在总体空间分布和变化趋势上与GRACE卫星观测结果更接近.     

利用GPS观测资料分析2008年于田Ms7.3地震的同震位移及震后形变

2008年3月21日新疆于田发生Ms7.3级地震.本文通过处理、分析GPS数据,得到破裂断层北侧100 km附近的同震位移及震后形变信息.在观测区域GPS点监测到10 mm左右的同震位移,其中最大为南向14 mm,东向5 mm.同震位移呈现一致性的东南向运动特征,证实于田地震存在显著的左旋走滑分量.震后台站向西南方向运...     

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.