日本MW9.0地震大尺度重力变化结果分析*

邹正波 李 辉 吴云龙 康开轩 谈洪波

1)中国地震局地震研究所(中国地震局地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉 430071

3)武汉大学测绘学院，武汉 430079

日本MW9.0地震大尺度重力变化结果分析*

邹正波1，2，3)李 辉1，2)吴云龙1，2)康开轩1，2)谈洪波1，2)

1)中国地震局地震研究所(中国地震局地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉 430071

3)武汉大学测绘学院，武汉 430079

利用GRACE卫星RL05时变重力场模型，计算2011年3月11日日本9.0级大地震震源区及周边地区前后1个月、6个月和1年的重力变化情况，发现在震前数年已出现的正负交替现象在震前1年内变得更加明显。计算了基于地震位错理论的同震重力变化并向上延拓至卫星高度，结果表明重力卫星可以清晰地探测到该震的同震重力变化。分析震源区周边4个特征点时间序列变化，结合GMT最佳双力偶震源机制，发现两者揭示的震源区周边物质动力变化状态具有一致性。

卫星重力;断层模型;重力变化;向上延拓;震源机制解

1 引言

大地震的孕育与发生将伴随着断裂构造带及周边地区的垂直及水平变形以及质量密度的改变，从而引起局部重力场的变化，地表可以观测到这一现象［1－4］。而2002年3月17日重力卫星GRACE发射后，由于其在探测空间大尺度重力场分布和时间变化方面有其独特的特点，可以探测到更大时间及空间尺度的地球重力场时间变化［5－8］。

实践表明，一次7.0级以上强震发生之前的数年时间内，地面重力观测的长期累积变化可达100×10－8ms－2以上，震前重力变化持续时间可达几年或更长，空间范围变化可达数百至1 000千米以上。经过GRACE重力卫星十余年的观测研究表明，GRACE在一些大地震重力观测中展示了其强大优势，用其跟踪大地震前后大范围空间重力场分布迁移和时间变化是有效的监测方法。Han等［9］使用GRACE的KBR SST数据观测到了2004年苏门答腊-安达曼MW9.3地震引起的震源区附近重力场变化达 ±15 ×10－8ms－2，2010年智利8.8 级地震发生后，Han［10］计算了该地震引起的重力场局部同震变化，周新等［11］的计算结果显示最大重力达7×10－8ms－2。实际上，2007年苏门答腊 MW8.7 地震和2008年汶川MW7.9地震后，国内学者也对其震前震后 GRACE 重力变化进行了探索研究［12－14］。2011年日本东北部海域9.0级大地震前，邹正波等［15］曾对其震前几年震源区周边大范围GRACE重力场时空变化进行分析，发现日本大地震前5年存在着较明显的重力场时空变化，震后Matsuo和周新等［16－18］使用RL04模型数据计算了GRACE观测的重力变化，在震源附近弧盆区分别有小于－7×10－8ms－2和 － 5 × 10－8ms－2的变化，并与不同震源模型反演的结果对比有近似的结果。

本文将使用GRACE重力卫星新公布的RL05月模型，探讨日本东北大地震的震前、震时及震后重力场时空变化信息，并与位错模型模拟的结果进行对比，给出合理的物理解释。

2 数据与方法

2.1 重力场模型数据

本文采用由德州大学奥斯汀分校空间研究中心UTCSR(University of Texas at Austin，Center for Space Reseach)发布的RL05重力场模型，RL05模型拥有与RL04相同的信号，但信噪比大幅提高［19］，本文使用的是2004年1月—2012年7月数据模型(其中2011年1月，2011年6月及2012年5月由于缺少加速度计数据而无重力场模型产品)。

2.2 处理方法

Bettadpur［19］认为在使用RL05模型产品时可不滤波，南北异常条带对结果的影响不大，且相对于RL04模型信噪比有大幅改善，为证实或确认这点，本文做了一个验证计算，分别选取RL04与RL05的2011年4月与2月的月重力场模型，分别做无平滑处理(图1(a)、1(b)左)、450 km 高斯平滑(图 1(a)、1(b)中)和P3M8去相关加450 km高斯平滑处理(图1(a)、1(b)右)计算重力异常，两月进行差分，得到日本地震前后1个月的重力差异。

图1 2011年4月与2月的RL04及RL05重力差分结果(单位:10－8ms－2)Fig.1 Gravity difference ruslts between April and February，2011 of RL04 and RL05(unit:10 －8ms－2)

计算结果表明:1)对于两种版本的模型计算的重力变化，直接计算结果，高斯滤波、高斯滤波+去相关，三种结果表现出信号强度逐渐减弱，信噪比逐渐增强的趋势。不平滑虽然信号强度很大，但噪声仍占主导地位;采用450 km平滑后结果稍好，而采用去相关加高斯滤波后结果噪声最小，但信号相较于仅平滑结果更合理;2)比较图1(a)、(b)，表明RL05模型的信噪比显著提高;3)Rl05模型的直接结果存在着显著的南北异常条带，不能直接用于分析，需要采用滤波技术。

因此本文首先对RL05月重力场模型位系数进行P3M8 去相关处理［20，21］，选取这100 个月的平均作为背景重力场，然后利用去相关处理及450 km的高斯平滑滤波，计算地球表面任意点位的月重力变化。

地震的孕育和发生是长期能量积累与释放的过程，将伴随着震源区断层长期缓慢的应变变形和质量密度的变化，大地震从孕震、发震到震后恢复这一过程会持续多年，因此在研究该过程的重力变化时，需要考虑非地震因素引起的影响，比如天气和水文等，这些影响一般呈现为周期性变化，包括季节、半年、年度等，本文采用气候平均态对周期项加以剔除，即每个月取平均后，给出年度平均气候态、半年度平均态和季节平均态的背景变化，在计算周年变化、半年和季节等重力变化影响时，分别采用各自的气候平均态做差，结果更为合理。

3 大尺度重力变化及动态过程

利用GRACE卫星RL05模型2004年1月—2012年7月100个月数据，计算了2011年3月11日日本大地震震源区(142.80°E，38.05°N)及周围地区(120°～160°E，30°～50°N)地震前后 1年内的重力变化(图2、3、4)。地震前1年，震中西北部呈现大范围正变化，最大达(5～6)×10－8ms－2，东北边出现负变化，最大达 －(1～2)×10－8ms－2，随着地震临近，变化同震更明显(图2、3和图4(a))，震后在震源区西部出现明显的负变化，该区地震前后1个月(2011年2—4月)的重力变化差达(2～3)×10－8ms－2，前后 6 个月的变化差达 6 ×10－8ms－2，前后1年的变化差达10×10－8ms－2，震后震源东南部出现负变化，而东北部和西南部呈现正变化，整个区域重力变化沿地震断层线与其垂向方向呈明显的正负四象限分布，这种分布在重力差分图中最明显(图 2、3 和图 4(c))，邹正波等［14］曾指出，日本大地震之前5年内震源区周边出现了比较明显的卫星重力异常正负交替和迁移现象，至震前1～2年，这种正负异常更明显，与本文计算的震前震后1个月、6个月和1年的重力变化结果比较，可能预示着巨大地震发生前后卫星重力场变化的一个重要特征，即震前数年，在震源区周边大范围空间中已开始形成如前述的重力异常正负变化现象，愈临近地震，这种变化愈明显。

4 与地震断层位错模型解算结果比较

日本地震以后，许多机构推出其断层位错模型，本文选择有GPS数据约束反演的断层模型作为参考［22］，该模型由美国全球台网(GSN)宽频带数据和GPS数据联合反演获得，震中位置为 142.8°E、38.05°N，震源深度为 24 km，倾角为 14°，断层走向为193°。模型中也给出沿断层走向及与倾向方向的25×14个子断层，子断层尺度为25 km ×20 km，之后，利用孙文科等［23］的基于位错模型计算空间固定点同震重力变化程序得到日本大地震震源区及周边同震重力变化分布如图5(a)，该程序中考虑了自由空气改正和地形变对结果的影响，与GRACE所探知的结果更接近，从图中可以看出沿地震断层西北和东南形成明显的正负异常区，正异常区又分成南北两部分。由于重力卫星自身轨道特征，采用重力场模型解算的重力变化存在严重的混频现象，存在高噪声的南北向异常条带，故在利用GRACE提取重力变化过程中，采用去相关及高斯滤波进行处理。这导致结果很大程度上被平均，无法直接与地面观测结果或模拟结果进行比较，因此，本文对地震位错理论［23］模拟的同震重力变化进行了与卫星轨道高度相当的(450 km)向上延拓(图5(b)，这样才能与GRACE解算的结果具有可比性，图中显示，向上延拓后，负异常区的极值点向西北偏移，正异常区融为一个。

图2 地震前后1个月(2011－02与2011－04)的重力变化(单位: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)

图3 地震前后6个月(2010-10—2011-02与2011-04—09)的重力变化(单位:10－8ms－2)Fig.3 Gravity changes before and after six months of the earthquake(unit:10 －8ms－2)

图4 地震前后1年的重力变化特征(2010-03—2011-02与2011-04—2012-03;单位:10－8ms－2)Fig.4 Gravity changes before and after one year of the earthquake(unit:10 －8ms－2)

图5的结果表明，在卫星轨道高度处可探测到日本大地震激发的同震重力变化，在断层面东南侧出现的正异常变化峰值可达3×10－8ms－2，西北侧(日本诸岛及其周边)大范围区域出现负异常区，峰值高达－6 ×10－8ms－2。这与文献［5］的结果有一定差别。

5 特征点的重力变化

在四象限正负异常区中选取4个特征点研究每个区域时间序列变化特征，4个点 A(138.0°，41.0°)、B(140.0°，30.0°)、C(148.0°，48.0°)和 D(154.0°，35.0°;图 6)，它们的时间序列重力变化在一定程度上反映了该区时间域重力变化特征。图7展示了4个特征点2003—2012年间卫星重力变化曲线，总体上，曲线呈正负准周期变化，形态各异，振幅基本上都在(－3～2)×10－8ms－2之间，A 点同震变化最大，达4×10－8ms－2。同时，我们也计算了4个特征点震前震后重力变化曲线的最佳拟合(直线)，震前4个点的重力变化率依次为0.142 7、0.064 5、0.073 3、0.069 4 × 10－8ms－2/a，震后为0.696 1、0.014 6、－0.188 1、0.066 4 ×10－8ms－2/a，可以看出，震前4个特征点的重力总体呈现增加趋势，而且变化率基本一致，特别是B、C、D三个点的变化斜率很接近;地震前后各点均出现了重力的跳跃，C点重力出现了负变化，其他三点仍保持正变化，但A点变化明显加快，B、D点仍保持震前的变化水平。

图5 位错模型模拟的日本大地震空间固定点同震重力变化(单位: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)

图6 点A～D的位置分布Fig.6 Location of the points A ～ D

图7 四个特征点重力变化的时间序列Fig.7 Time-series of gravity changes of the 4 points

特征点的时间序列重力变化反映了点位周边物质迁移变化，短期内各点除了年周期变化外，总体变化规律性不强，但长趋线性势线性拟合显示在震前统一表现为向正方向变化的特性，也就是质量的积聚盈余或者密度的增加，呈现物质的挤压状态，经震时短暂能量释放后，A、B、D点仍保持着物质挤压状态，并且A点强度更大，B点强度相对变弱，C点出现了质量分散亏损现象，D点与震前水平一致。结合GMT的矩张量震源机制解与震源区周边应力状态，我们发现重力时间序列变化与它们有许多一致性，该区太平洋板块向西俯冲插入到日本板块下面，并一直挤压着日本板块，使得震源西北部(图4中大面积蓝色区域)长期处于挤压和质量积聚状态，在震源机制解中处于左边窄小P轴压缩区(A点区)，震时能量释放后，断层又重新闭合，并且挤压强度更大了，D点处于压缩区另一面上，在面积较大的太平洋板块上一直保持着向西挤压状态，震前震后重力趋势变化强度不大，B、C两点分别处于断层线的东北和西南两端，属于应力扩展区，因此重力趋势变化应为负方向或持平。

6 结果与讨论

巨大地震的孕震、发震和震后调整将伴随着震源区周边局部重力场的变化，空间的重力卫星是否能感应到或者分辩出这种变化呢?震前、震时和震后又是如何变化?目前还没有确切的定论，但重力卫星在巨大地震震时的同震变化是非常明显的，这在2004年苏门达腊-安达曼大地震、2008年的智利大地震和2011年的日本大地震中被国内外多个地震学者所证实。由于巨大地震前数年震源区周边卫星重力场将会产生比较明显的正负异常分布特征，本文通过计算震前震后1个月、6个月和1年的重力差分变化发现，随着临近发震时刻，震源区及周边的重力差变化明显加剧，点位时间序列重力变化(尤其是A点)也表明日本大地震前数年震源区及周边重力场均处于缓慢增加状态，震时A点重力变化差最大，这与该点所处位置正好在震源球的P区(扩张区)有关，另外倾角较小的逆倾断层使得西北部的上盘几乎压在东南部下盘(太平洋板块)上面，因此震时上盘区垂向位移变化最明显，而广大的东部下盘区变化较小。

采用位错模型解算的空间定点重力变化在负异常区的峰值与震后6个月重力变化峰值一致(图3)，都达到 6 ×10－8ms－2，但在模型中的正异常区两者有些差别，实际观测的震后1个月和6个月的结果都呈现小的负异常，量值在－1×10－8ms－2左右，震后6个月在2个全面异常区之间呈现一条明显的正异常条带，主要原因是由于在本文的数据处理中未将陆地水变化及海水效应从结果中扣除，其次由于卫星重力变化显示了大地震前、时、后震源区周边物质迁移和动力学变化过程，而位错模型演算的仅仅是震时的一个静态过程，所以结果存在一定差异是合理的。通过重力卫星观测的动态重力场变化，并结合GPS和INSAR的观测结果，来反演地下物质密度的迁移变化，这将是个有必要深入研究的问题。

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23 孙文科.地震位错理论［M］.北京:科学出版社，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

中国地震局基本科研业务费专项(IS201116022);国家自然科学基金(40704009，41004030，41004010)

邹正波，女，博士生，主要从事卫星重力研究.E－mail:zouzb@126.com