日本MW9.0地震大尺度重力變化結果分析*

鄒正波 李 輝 吳云龍 康開軒 談洪波

1)中國地震局地震研究所(中國地震局地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應力研究所武漢科技創新基地，武漢 430071

3)武漢大學測繪學院，武漢 430079

日本MW9.0地震大尺度重力變化結果分析*

鄒正波1，2，3)李 輝1，2)吳云龍1，2)康開軒1，2)談洪波1，2)

1)中國地震局地震研究所(中國地震局地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應力研究所武漢科技創新基地，武漢 430071

3)武漢大學測繪學院，武漢 430079

利用GRACE衛星RL05時變重力場模型，計算2011年3月11日日本9.0級大地震震源區及周邊地區前后1個月、6個月和1年的重力變化情況，發現在震前數年已出現的正負交替現象在震前1年內變得更加明顯。計算了基于地震位錯理論的同震重力變化并向上延拓至衛星高度，結果表明重力衛星可以清晰地探測到該震的同震重力變化。分析震源區周邊4個特征點時間序列變化，結合GMT最佳雙力偶震源機制，發現兩者揭示的震源區周邊物質動力變化狀態具有一致性。

衛星重力;斷層模型;重力變化;向上延拓;震源機制解

1 引言

大地震的孕育與發生將伴隨著斷裂構造帶及周邊地區的垂直及水平變形以及質量密度的改變，從而引起局部重力場的變化，地表可以觀測到這一現象［1－4］。而2002年3月17日重力衛星GRACE發射后，由于其在探測空間大尺度重力場分布和時間變化方面有其獨特的特點，可以探測到更大時間及空間尺度的地球重力場時間變化［5－8］。

實踐表明，一次7.0級以上強震發生之前的數年時間內，地面重力觀測的長期累積變化可達100×10－8ms－2以上，震前重力變化持續時間可達幾年或更長，空間范圍變化可達數百至1 000千米以上。經過GRACE重力衛星十余年的觀測研究表明，GRACE在一些大地震重力觀測中展示了其強大優勢，用其跟蹤大地震前后大范圍空間重力場分布遷移和時間變化是有效的監測方法。Han等［9］使用GRACE的KBR SST數據觀測到了2004年蘇門答臘-安達曼MW9.3地震引起的震源區附近重力場變化達 ±15 ×10－8ms－2，2010年智利8.8 級地震發生后，Han［10］計算了該地震引起的重力場局部同震變化，周新等［11］的計算結果顯示最大重力達7×10－8ms－2。實際上，2007年蘇門答臘 MW8.7 地震和2008年汶川MW7.9地震后，國內學者也對其震前震后 GRACE 重力變化進行了探索研究［12－14］。2011年日本東北部海域9.0級大地震前，鄒正波等［15］曾對其震前幾年震源區周邊大范圍GRACE重力場時空變化進行分析，發現日本大地震前5年存在著較明顯的重力場時空變化，震后Matsuo和周新等［16－18］使用RL04模型數據計算了GRACE觀測的重力變化，在震源附近弧盆區分別有小于－7×10－8ms－2和 － 5 × 10－8ms－2的變化，并與不同震源模型反演的結果對比有近似的結果。

本文將使用GRACE重力衛星新公布的RL05月模型，探討日本東北大地震的震前、震時及震后重力場時空變化信息，并與位錯模型模擬的結果進行對比，給出合理的物理解釋。

2 數據與方法

2.1 重力場模型數據

本文采用由德州大學奧斯汀分校空間研究中心UTCSR(University of Texas at Austin，Center for Space Reseach)發布的RL05重力場模型，RL05模型擁有與RL04相同的信號，但信噪比大幅提高［19］，本文使用的是2004年1月—2012年7月數據模型(其中2011年1月，2011年6月及2012年5月由于缺少加速度計數據而無重力場模型產品)。

2.2 處理方法

Bettadpur［19］認為在使用RL05模型產品時可不濾波，南北異常條帶對結果的影響不大，且相對于RL04模型信噪比有大幅改善，為證實或確認這點，本文做了一個驗證計算，分別選取RL04與RL05的2011年4月與2月的月重力場模型，分別做無平滑處理(圖1(a)、1(b)左)、450 km 高斯平滑(圖 1(a)、1(b)中)和P3M8去相關加450 km高斯平滑處理(圖1(a)、1(b)右)計算重力異常，兩月進行差分，得到日本地震前后1個月的重力差異。

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

計算結果表明:1)對于兩種版本的模型計算的重力變化，直接計算結果，高斯濾波、高斯濾波+去相關，三種結果表現出信號強度逐漸減弱，信噪比逐漸增強的趨勢。不平滑雖然信號強度很大，但噪聲仍占主導地位;采用450 km平滑后結果稍好，而采用去相關加高斯濾波后結果噪聲最小，但信號相較于僅平滑結果更合理;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。

因此本文首先對RL05月重力場模型位系數進行P3M8 去相關處理［20，21］，選取這100 個月的平均作為背景重力場，然后利用去相關處理及450 km的高斯平滑濾波，計算地球表面任意點位的月重力變化。

地震的孕育和發生是長期能量積累與釋放的過程，將伴隨著震源區斷層長期緩慢的應變變形和質量密度的變化，大地震從孕震、發震到震后恢復這一過程會持續多年，因此在研究該過程的重力變化時，需要考慮非地震因素引起的影響，比如天氣和水文等，這些影響一般呈現為周期性變化，包括季節、半年、年度等，本文采用氣候平均態對周期項加以剔除，即每個月取平均后，給出年度平均氣候態、半年度平均態和季節平均態的背景變化，在計算周年變化、半年和季節等重力變化影響時，分別采用各自的氣候平均態做差，結果更為合理。

3 大尺度重力變化及動態過程

利用GRACE衛星RL05模型2004年1月—2012年7月100個月數據，計算了2011年3月11日日本大地震震源區(142.80°E，38.05°N)及周圍地區(120°～160°E，30°～50°N)地震前后 1年內的重力變化(圖2、3、4)。地震前1年，震中西北部呈現大范圍正變化，最大達(5～6)×10－8ms－2，東北邊出現負變化，最大達 －(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))，震后在震源區西部出現明顯的負變化，該區地震前后1個月(2011年2—4月)的重力變化差達(2～3)×10－8ms－2，前后 6 個月的變化差達 6 ×10－8ms－2，前后1年的變化差達10×10－8ms－2，震后震源東南部出現負變化，而東北部和西南部呈現正變化，整個區域重力變化沿地震斷層線與其垂向方向呈明顯的正負四象限分布，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年內震源區周邊出現了比較明顯的衛星重力異常正負交替和遷移現象，至震前1～2年，這種正負異常更明顯，與本文計算的震前震后1個月、6個月和1年的重力變化結果比較，可能預示著巨大地震發生前后衛星重力場變化的一個重要特征，即震前數年，在震源區周邊大范圍空間中已開始形成如前述的重力異常正負變化現象，愈臨近地震，這種變化愈明顯。

4 與地震斷層位錯模型解算結果比較

日本地震以后，許多機構推出其斷層位錯模型，本文選擇有GPS數據約束反演的斷層模型作為參考［22］，該模型由美國全球臺網(GSN)寬頻帶數據和GPS數據聯合反演獲得，震中位置為 142.8°E、38.05°N，震源深度為 24 km，傾角為 14°，斷層走向為193°。模型中也給出沿斷層走向及與傾向方向的25×14個子斷層，子斷層尺度為25 km ×20 km，之后，利用孫文科等［23］的基于位錯模型計算空間固定點同震重力變化程序得到日本大地震震源區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結果的影響，與GRACE所探知的結果更接近，從圖中可以看出沿地震斷層西北和東南形成明顯的正負異常區，正異常區又分成南北兩部分。由于重力衛星自身軌道特征，采用重力場模型解算的重力變化存在嚴重的混頻現象，存在高噪聲的南北向異常條帶，故在利用GRACE提取重力變化過程中，采用去相關及高斯濾波進行處理。這導致結果很大程度上被平均，無法直接與地面觀測結果或模擬結果進行比較，因此，本文對地震位錯理論［23］模擬的同震重力變化進行了與衛星軌道高度相當的(450 km)向上延拓(圖5(b)，這樣才能與GRACE解算的結果具有可比性，圖中顯示，向上延拓后，負異常區的極值點向西北偏移，正異常區融為一個。

圖2 地震前后1個月(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的結果表明，在衛星軌道高度處可探測到日本大地震激發的同震重力變化，在斷層面東南側出現的正異常變化峰值可達3×10－8ms－2，西北側(日本諸島及其周邊)大范圍區域出現負異常區，峰值高達－6 ×10－8ms－2。這與文獻［5］的結果有一定差別。

5 特征點的重力變化

在四象限正負異常區中選取4個特征點研究每個區域時間序列變化特征，4個點 A(138.0°，41.0°)、B(140.0°，30.0°)、C(148.0°，48.0°)和 D(154.0°，35.0°;圖 6)，它們的時間序列重力變化在一定程度上反映了該區時間域重力變化特征。圖7展示了4個特征點2003—2012年間衛星重力變化曲線，總體上，曲線呈正負準周期變化，形態各異，振幅基本上都在(－3～2)×10－8ms－2之間，A 點同震變化最大，達4×10－8ms－2。同時，我們也計算了4個特征點震前震后重力變化曲線的最佳擬合(直線)，震前4個點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個特征點的重力總體呈現增加趨勢，而且變化率基本一致，特別是B、C、D三個點的變化斜率很接近;地震前后各點均出現了重力的跳躍，C點重力出現了負變化，其他三點仍保持正變化，但A點變化明顯加快，B、D點仍保持震前的變化水平。

圖5 位錯模型模擬的日本大地震空間固定點同震重力變化(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A～D的位置分布Fig.6 Location of the points A ～ D

圖7 四個特征點重力變化的時間序列Fig.7 Time-series of gravity changes of the 4 points

特征點的時間序列重力變化反映了點位周邊物質遷移變化，短期內各點除了年周期變化外，總體變化規律性不強，但長趨線性勢線性擬合顯示在震前統一表現為向正方向變化的特性，也就是質量的積聚盈余或者密度的增加，呈現物質的擠壓狀態，經震時短暫能量釋放后，A、B、D點仍保持著物質擠壓狀態，并且A點強度更大，B點強度相對變弱，C點出現了質量分散虧損現象，D點與震前水平一致。結合GMT的矩張量震源機制解與震源區周邊應力狀態，我們發現重力時間序列變化與它們有許多一致性，該區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中大面積藍色區域)長期處于擠壓和質量積聚狀態，在震源機制解中處于左邊窄小P軸壓縮區(A點區)，震時能量釋放后，斷層又重新閉合，并且擠壓強度更大了，D點處于壓縮區另一面上，在面積較大的太平洋板塊上一直保持著向西擠壓狀態，震前震后重力趨勢變化強度不大，B、C兩點分別處于斷層線的東北和西南兩端，屬于應力擴展區，因此重力趨勢變化應為負方向或持平。

6 結果與討論

巨大地震的孕震、發震和震后調整將伴隨著震源區周邊局部重力場的變化，空間的重力衛星是否能感應到或者分辯出這種變化呢?震前、震時和震后又是如何變化?目前還沒有確切的定論，但重力衛星在巨大地震震時的同震變化是非常明顯的，這在2004年蘇門達臘-安達曼大地震、2008年的智利大地震和2011年的日本大地震中被國內外多個地震學者所證實。由于巨大地震前數年震源區周邊衛星重力場將會產生比較明顯的正負異常分布特征，本文通過計算震前震后1個月、6個月和1年的重力差分變化發現，隨著臨近發震時刻，震源區及周邊的重力差變化明顯加劇，點位時間序列重力變化(尤其是A點)也表明日本大地震前數年震源區及周邊重力場均處于緩慢增加狀態，震時A點重力變化差最大，這與該點所處位置正好在震源球的P區(擴張區)有關，另外傾角較小的逆傾斷層使得西北部的上盤幾乎壓在東南部下盤(太平洋板塊)上面，因此震時上盤區垂向位移變化最明顯，而廣大的東部下盤區變化較小。

采用位錯模型解算的空間定點重力變化在負異常區的峰值與震后6個月重力變化峰值一致(圖3)，都達到 6 ×10－8ms－2，但在模型中的正異常區兩者有些差別，實際觀測的震后1個月和6個月的結果都呈現小的負異常，量值在－1×10－8ms－2左右，震后6個月在2個全面異常區之間呈現一條明顯的正異常條帶，主要原因是由于在本文的數據處理中未將陸地水變化及海水效應從結果中扣除，其次由于衛星重力變化顯示了大地震前、時、后震源區周邊物質遷移和動力學變化過程，而位錯模型演算的僅僅是震時的一個靜態過程，所以結果存在一定差異是合理的。通過重力衛星觀測的動態重力場變化，并結合GPS和INSAR的觀測結果，來反演地下物質密度的遷移變化，這將是個有必要深入研究的問題。

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23 孫文科.地震位錯理論［M］.北京:科學出版社，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

中國地震局基本科研業務費專項(IS201116022);國家自然科學基金(40704009，41004030，41004010)

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