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【周新等-JGR等】重力卫星数据揭示俯冲板块特大地震引起的质量迁移
来源: 发布时间:2018-06-15


重力卫星GRACE的观测时间序列不仅能够检测到陆地水储量、两极和高原冰川变化、海洋等引起的地球大尺度质量迁移,还能够检测出发生在俯冲板块边界的特大地震引起的重力场变化,如2004年苏门答腊Mw 9.32010年智利Mw 8.82011年日本东北Mw 9.0等地震事件。重力卫星能够为地震研究提供地球质量重新分布的约束,对进一步理解地震发生、震后衰减和地震孕育有着重要意义。本研究将以2011年日本东北地震为例,阐明重力卫星数据在地震研究中的作用。

通过时间序列分析,经过350 km半径高斯空间平滑后的重力卫星GRACE观测结果表明,日本东北地震引起约 -6 – 2 μgal的重力变化(图1左)。基于断层滑移模型(图1中),采用球体位错理论计算,并考虑海水质量重新分布产生的影响和空间分辨率后的结果表明,理论重力场变化与GRACE观测相吻合(图1右)。


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1. (左)重力卫星GRACE观测的2011日本东北Mw 9.0地震重力变化;(中)用于理论模拟计算的断层滑动模型;(右)理论同震重力场变化。单位为μgal.

 

一般而言,由于GRACE卫星轨道的特征,观测的大地水准面和重力变化对断层滑动分布模型不敏感。事实上,如果对位场做水平向导数,即计算垂线偏差,发现利用不同的断层滑动分布模型计算得到的垂线偏差不同,有的滑动分布模型无法解释GRACE观测 (2-3)。这意味着垂线偏差对断层模型敏感,可以用于约束震源参数。

 

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2. GRACE观测的2011日本东北地震的垂线偏差,左边为南北向,右边为东西向。单位为ms.


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3. 分别利用ARIA(上)和USGS(下)断层滑动模型计算得到的同震垂线偏差变化。单位为ms.

 

尽管GRACE空间分辨率约为330 km,但能够提供传统观测手段无法覆盖到的海洋区域的观测资料,能够为断层滑动分布模型提供约束。利用GRACE观测的同震重力变化资料,联合陆地GPS和海底GPS (GPS-A) 资料,可以得到断层滑移模型(图4)。联合反演模型的地震矩为4.8×1022 Nm,相当于Mw 9.05,略大于单独用GPS反演结果。

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4. (a) 利用GRACEGPS观测数据反演的2011日本东北地震断层滑动模型。(b)为拟合的同震重力变化。(c)为拟合残差。

 

本研究成果的主要完成人为周新、 Gabriele Cambiotti、孙文科、 Roberto Sabadini等,

相关论文发表于:

Zhou, X., W. Sun, B. Zhao, G. Fu, J. Dong, and Z. Nie (2012), Geodetic observations detecting coseismic displacements and gravity changes caused by the Mw = 9.0 Tohoku-Oki earthquake, J. Geophys. Res., 117, B05408, doi:10.1029/2011JB008849.

(原文链接https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2011JB008849

Wenke Sun, Xin Zhou. Coseismic deflection change of the vertical caused by the 2011 Tohoku-Oki earthquake (Mw 9.0), Geophysical Journal International, Volume 189, Issue 2, 1 May 2012, Pages 937–955, https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2012.05434.x

(原文链接https://academic.oup.com/gji/article/189/2/937/625519

Zhou, X., Cambiotti, G., Sun, W. K., and Sabadini, R. (2018). Co-seismic slip distribution of the 2011 Tohoku (MW 9.0) earthquake inverted from GPS and space-borne gravimetric data. Earth Planet. Phys., 2, 120138. http://doi.org/10.26464/epp2018013




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