联合卫星重力和GNSS观测反演地震断层参数的研究

郑增记

西安邮电大学电子工程学院，陕西 西安 710121

地震的发生会造成巨大的破坏和损失，大地测量技术能观测地震形变和反演地震断层的错动情况，对于减少地震灾害具有非常重要的现实意义。GNSS技术已广泛用于震源参数的反演工作，但对于发生在海域的地震，由于GNSS站点往往位于陆地一侧，导致对断层的约束能力有限。卫星重力技术因其全天候、全球覆盖、连续性，以及不受地域地形限制等诸多特点，可弥补海洋一侧常规观测不足。联合GNSS和GRACE两种观测手段反演震源机制，可进一步提高反演海域地震的震源参数。为此，论文基于GRACE和GNSS观测的同震和震后形变，联合反演了断层参数和地幔黏滞性系数等，主要成果如下。

(1) 比较分析了GRACE时变重力场同震和震后信号提取中常用的叠积法和最小二乘拟合法。通过2004年苏门答腊Mw9.3地震的对比分析发现，叠积法不仅容易引入长周期年际变化项信号及趋势项信号，而且难以分离震后信号；最小二乘拟合法可以精确分离同震和震后信号，但对采用的数据长度要求较高，如果时间段较短，无法剔除长周期信号。此外，采用最小二乘拟合法提取GRACE信号时，拟合因子需尽量接近实际情况。GRACE数据时间范围较长的情况下，建议采用最小二乘拟合法。

(2) 基于GRACE Level-2数据首次成功地提取了2007年Bengkulu地震的同震重力变化信号并分离了垂直位移与密度变化引起的重力效应。基于最小二乘拟合法提取的Bengkulu地震的同震重力呈“正-负”分布，振幅为-2.0～1.3 μGal，与位错理论模拟结果符合较好，证明了观测结果的可靠性。此外，同震垂直位移引起的重力变化和密度重新分布引起的重力变化量级相当，并且震中以西垂直位移因素占主导作用，而震中以东密度变化因素占主导作用。

(3) 基于GNSS数据反演了2007年Bengkulu地震的滑动分布，并联合GRACE和GNSS数据反演了2007年Bengkulu地震的断层几何参数。反演结果表明，此次Mw8.4地震以逆冲为主，兼具轻微的右旋走滑，并且此次破裂具有明显的分段特征，地震发生后，沿着断层面向西北方向破裂，最大破裂点并不在震源附近，而是在震源西北方向180 km左右。联合反演得到的断层长度、宽度、均匀滑动量和滑移角的最优值分别为427、330、0.78 m和114°，相应的地震矩为3.30×1021Nm，矩震级为8.31。与仅基于GRACE反演结果相比，联合反演结果精度提高了50%，显示了联合反演的优越性。

(4) 针对去相关滤波造成的信号扭曲现象，从空间域和频率域分析了重力和重力梯度北向分量的优越性，并基于重力和重力梯度的北向分量反演了2012年苏门答腊Mw8.6地震的断层参数。结果表明，重力和重力梯度的北向分量相较其余分量可以很好地削弱条带误差，并且阶方差最小。GRACE反演结果显示发震断层为滑移角175.26°的右旋走滑断层，断层的走向为113.63°，倾角近乎垂直为89.99°，平均滑移量为28.18 m，地震矩为12.85×1021Nm，相应的矩震级为8.71。

(5) 针对传统格网搜索法在反演地幔黏滞性系数时计算量大的缺陷，提出利用震后间隔较长时间数据反演稳态黏度，震后较短时间数据反演瞬态黏度的反演策略，并利用上述方法，联合GRACE和GNSS数据反演了2004年苏门答腊地震的地幔黏滞性系数。Burgers体可以很好地描述苏门答腊Mw9.3地震后的长期形变，其瞬态黏度在震后1 a起主导作用，2～4 a瞬态黏度和稳态黏度相互耦合，5～7 a稳态黏度起主导作用。远场GNSS数据反演结果的一致性较好，其中ηm=3.2×1018Pa·s，ηk=2×1018Pa·s，而不同GRACE特征点反演结果差异性较大。