智利MW8.8地震同震重力梯度变化

姜永涛张永志王 帅武艳军

1）中国陕西 710064 长安大学

2）中国河南 473061 南阳师范学院

智利MW8.8地震同震重力梯度变化

姜永涛1），2）张永志1）王 帅1）武艳军1）

1）中国陕西 710064 长安大学

2）中国河南 473061 南阳师范学院

利用GFZ Release 05 卫星重力GRACE观测数据，计算2010年2月27日智利MW8.8逆冲型地震的同震重力和重力梯度变化，分析其分布特征，可知：由GRACE探测到的同震重力变化在断层俯冲区域可达-9.5μGal，断层隆升区域可达+3.5μGal，结果与利用SNREI地球模型的位错理论计算的同震重力变化较一致，说明利用GFZ Release 05 DDK5滤波数据，更能精确的反映同震重力场变化；GRACE检测的智利地震同震径向重力梯度变化Trr最大可达-600μE，位于发震断层东侧俯冲区域；通过对同震重力梯度分布特征分析，初步判断发生同震物质迁移的区域范围在断层俯冲区域为（67°—72°W，33°—38°S），在断层隆升区域为（73°—77°W，35°—39°S）。

智利MW8.8地震；GRACE；位错理论；同震重力梯度变化；物质迁移

0 引言

2010年2月29日智利MW8.8地震是典型的逆冲型板间地震，是震区西侧纳兹卡板块以65 mm/a的挤压速率快速向稳定的南美板块俯冲（Kendrick et al，2003），使得板间应力积累到一定程度引发破裂的结果。该地震为双向破裂，断层平均滑动量可达6—7 m，破裂面长度达600 km，引起的地表同震垂直位移最大可达2.1 m（Farías et al，2010），对智利海岸破裂带造成了永久形变，引起震区较大的重力场变化。GRACE（Gravity Recovery And Climate Experiment）卫星重力能够检测出大地震（Gross et al，2002），理论上对于大于M9.0的剪切源和大于M 7.5的张裂源地震都可以被GRACE探测到（Sun et al，2004）。已有研究表明，GRACE卫星能够获得智利MW8.8地震引起的重力变化，且与球形位错理论得到的结果有较好的一致性（Heki et al，2010；周新等，2011）。为了丰富与强震有关的重力场变化参数，本文主要从重力梯度角度探讨此次地震的同震重力梯度变化特征。

1 数据与方法

1.1 GRACE时变重力场数据

本文采用GRACE时变重力场模型为90阶的GFZ Release 05数据（http://icgem.gfzpotsdam.de/ICGEM/ICGEM.html），该数据对海洋潮汐、极潮等进行模型改正，去除了大气和海洋的非潮汐部分影响，并对位系数进行DDK5去相关滤波处理（Kusche et al，2010），其时变重力场模型主要反映地球的质量变化（Dahle，2013）。

1.2 求算重力异常和重力梯度变化

由GRACE重力场模型计算椭球面上的重力变化公式为

地心坐标系下重力梯度变化的求算公式为（Novák et al，2006）

式中δ为Kronecker函数。

2 同震重力异常和重力梯度变化特征

为了减小季节因素影响，在求算智利MW8.8地震的同震重力场变化时，震前数据采用2009年3—5月GRACE重力场平均，震后数据采用2010年3—5月重力场平均，将平均重力场位系数做差，可以得到反映同震重力场变化的代入公式（1）和（2），得到同震重力和重力梯度变化见图1和图2。值得说明的是，本文所用GRACE重力场模型阶数为90，主要反映同震重力场变化的中长波分量，在对GRACE时变重力场模型位系数去相关平滑处理的同时，一定程度上压制了高阶重力场变化信息（Kusche et al，2010）。

图1 智利地震同震重力变化特征Fig.1 Characteristics of co-seismic gravity changes of 2010 Chile MW8.8 earthquake

2.1 同震重力异常变化特征

由图1见，此次逆冲型地震的同震重力变化整体上呈现二象限分布，断层滑动区（图1中白色矩形框）位于正负重力变化的梯度带上，断层俯冲区域（断层面上方，即陆地部分）表现出明显的负重力变化，呈现规则的椭圆形状，最大幅度为-9.5μGal，位于（69.5°W，35°S）；断层隆起区域（断层面下方，海洋区域）呈现出正重力变化，最大可达+3.5μGal，位于（75.5°W，36.5°S），与周新等（2011）和Heki 等（2010）的研究结果一致，但在量值和细节上，与基于USGS有限断层模型利用SNREI地球模型的位错理论得到的同震重力变化（周新等，2011）更为符合，原因主要可能是，本文采用90阶DDK5去相关滤波重力场数据，相对于60阶CSR Level 2重力场模型包含更多的位系数，因此更能精确地反映重力场变化。

图1中断层俯冲区域的负重力变化可能主要是由于断层面破裂导致断层上盘应力变小，引起地壳松弛效应所致，地表形变引起的物质迁移（负重力变化）一定程度上也影响了同震重力变化；断层隆起区域尽管有一定程度的洋壳松弛，但区域呈现正重力变化，说明由于海底隆升造成的海水扰动（正重力变化）对区域重力变化的影响占主导地位。

2.2 同震重力梯度变化特征

强震会引起震区附近地表形变和地壳密度变化（地壳松弛效应），由重力场模型计算的是一种空间重力场变化，不能反映地表形变（升降）的重力效应，但是可以探测因形变而产生的地壳物质重新分布的重力效应。

由图2可以看出，对逆冲型强震引起的物质迁移不同的重力梯度有不同的响应。Tθθ为同震地壳物质迁移引起的异常引力位在纬度方向上的二阶导数，反映了NS向水平重力分量在NS方向上的变化梯度。此次逆冲型地震在断层破裂带东侧引起达300μE的正重力梯度变化，在破裂带西南侧引起了可达-100μE的负重力梯度变化。Tθθ的0值线大致勾画了发生同震物质迁移地壳的南北边界，在断层东侧主要分布在33°—37°S，断层西侧主要分布在36°—39°S。同样从 的分布图上大致可以看出地震引起的地壳物质迁移的东西边界，断层东侧主要分布在67°—72°W，断层西侧主要分布在72°—77°W。此外，从和分布特征还可以看出，强震引起的地壳密度变化在空间分布上具有差异性，如断层俯冲区域，地壳物质迁移的最大值约位于（69.5°W，35°S），可能说明震前这里的压应力状态相对较强。 为同震物质迁移引起的NS向水平重力分量在WE方向上的变化梯度，也在一定程度上反映了发生同震物质迁移地壳的分布特征。

图2 智利地震同震重力梯度变化特征Fig.2 Characteristics of co-seismic gravity gradient changes of 2010 Chile MW8.8 earthquake

Trr为同震物质迁移引起的异常引力位在矢径方向上的二阶导数，可认为是同震重力变化在垂直方向上的变化梯度。由图2可见，断层俯冲区域呈现出巨大的负重力梯度变化，量值最大可达-650μE，位于（69.5°W，35°S）附近；断层隆升区域呈现正重力梯度变化，最大幅度为+240μE，位于（75°W，36.5°S）。 直接反映同震物质迁移分布情况（Saad A H，2006），可见断层东侧的物质迁移在（69.5°W，35°S）附近最大，且分布范围与由 和得到的结果一致；断层西侧物质迁移在（75°W，36.5°S）附近最大。 分别为同震重力变化在纬度和经度方向上的一阶导数，可以反映发生同震物质迁移的边界信息。由图2可以看出，和 的峰值和槽点大致勾画出断层东侧发生物质迁移的边界，即（67°—72°W，33°—38°S），同样得出的断层西侧的物质迁移边界为（73°—77°W，35°—39°S）。

3 结束语

本文利用GRACE卫星时变重力场数据，计算了智利MW8.8逆冲型地震的同震重力梯度变化，GRACE检测的同震径向重力梯度变化Trr最大可达-600μE，位于发震断层东侧俯冲区域；对此次强震引起的同震物质迁移，不同的重力梯度有不同的响应。重力梯度丰富了与地震有关的重力场变化信息，随着未来地面和卫星重力梯度测量技术的发展，重力梯度将会在地震或地壳运动相关研究中发挥越来越重要的作用。

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Characteristics of co-seismic gravity gradient changes of 2010 Chile MW8.8 earthquake

Jiang Yongtao1），2），Zhang Yongzhi1），Wang Shuai1）and Wu Yanjun1）
1） Chang'an University，Shaanxi Province 710064，China
2） Nanyang Normal University，Henan Province 473061，China

We calculate the co-seismic gravity and gravity gradient changes correlate with Chile MW8.8 earthquake using the satellite gravity model of GFZ release 05 which had processed by DDK5 decorrelate filtering.By analyzing the Characteristics of the results，we draw the following conclusions:①The co-seismic gravity changes are negative in fault subduction zone，which can reach -9.5μGal at peak.In fault uplift zone，it shows positive changes，and the maxim value is +3.5μGal.Our co-seismic gravity change agree very well with that calculated using a dislocation theory for a spherical earth model，which means the GFZ release 05 data have a better resolution of the gravity change for this event.②The different gravity gradient has different response to this event.By analyzing we can draw a preliminary conclusions that the area where has been through co-seismic material migration is located in（67 °—72°W，33°—38°S） for the fault subduction zone，and（73°—77°W，35°—39°S） for fault uplift zone.And the magnitude of material migration has the character of higher in the center and lower around it.

Chile MW8.8 earthquake，GRACE，dislocation，co-seismic gravity gradient changes，material migration

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.01.010

姜永涛（1985—），男，山东菏泽人，长安大学在读博士生，主要研究方向为地壳形变与地球动力学E-mail: 1212203jiang@sina.com

国家自然科学基金项目（41374028，41274083，41304013），国土资源大调查项目（1212010914015），中央高校基本科研业务费专项资金（CHD2012TD004）资助

本文收到日期：2014-09-11