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利用GRACE卫星重力场研究地震重力变化

邹正波  
【摘要】:地震的能量积累、快速释放、缓慢恢复的整个过程均伴随着运移及质量再分布,能够导致地球重力场数千千米的空间变化及数秒到数十年的时间变化,因此重力可作为一种重要的地震监测手段应用于地震科学研究和预报工作。然而目前以接触式测量为基础的地面观测技术,存在着非均匀性、时空局限性等不足,难以追踪地震前的重力场时空演变过程,不能满足地震预测所需的信息量,并受到观测环境条件和投资等限制。据推测,未来十年,我国将可能进入新一轮大地震活跃期,因此我国未来将面临的地震形势非常严峻,这对提高地震信息提取能力和包括地震前兆机理在内的地震研究水平提出了迫切要求。卫星重力具有空间广域性、时间准实时性、长期近连续观测等优点,本文将针对如何有效利用重力卫星提取地震相关重力信号及如何实现卫星重力数据的快速地震应用展开深入的探讨,成果将为地震重力研究提供前所未有的长时间、大尺度、高分辨率的系统支持。本文的主要工作及具体成果如下:阐述开展地震重力研究的背景和意义,分析了当前地面地震重力研究现状及存在的不足,提出开展卫星重力地震研究的重要性和必要性,并对目前国内外卫星重力在地震应用中的研究现状进行总结和分析,提出开展本文研究的目的和意义。构造性重力变化提取是研究地震重力变化的前提,本文通过研究初步给出了GRACE构造性重力时变信号提取的系统方法。首先对GRACE数据进行了介绍和分析,并针对当前主要几种处理GRACE南北向异常条带的滤波方法进行了探讨和总结,给出重力周期性变化及水文因素对构造性重力变化提取干扰的处理方法。利用实例说明了重力差分变化及累积变化这两种动态变化在地震应用中的用途和差异。研究了基于地震位错理论提取理论同震重力变化的方法和注意事项,并考虑了海水对同震变化的影响;提出利用GRACE时空数据提取地震的同震重力变化的三种方法:差分法、最小二乘法、经验正交函数方法;给出两种可行的比较卫星重力同震变化与理论同震重力变化的检测方法。为验证构造性重力变化提取方法的正确性,针对全球若干巨震震例的重力变化进行了研究。考虑到巨大地震震级、地震类型、发生区域及其对人类造成的人员伤亡和财产损失,选择了2004年苏门答腊-安达曼Mw9.1地震、2011年日本-宫城Mw9.0地震、2010年智利-马乌莱Mw8.8地震、2012年苏门答腊Mw8.6地震和2008年中国-汶川Mw7.9地震进行了分析。成功提取到相关震例的震前、同震、震后重力变化及震源区周边局部重力场的动态演变过程,为开展地震孕震机理,地震震源参数反演,震源区地面粘滞性系数研究提供了数据支撑。分析震前重力变化特征后给出了苏门答腊-安达曼Mw9.1地震、日本-宫城Mw9.0地震与苏门答腊Mw8.6存在震前异常变化的证据:①苏门答腊-安达曼Mw9.1地震震中区周边在地震前一年(2004-2003)发震断层两侧出现明显“正-负”异常;②日本-宫城Mw 9.0地震前3年震中区左侧出现异常的重力增加,且震前半年开始正变化量减少直至发震。③2012年苏门答腊Mw8.6地震震中右侧(靠近内陆)震前3年开始出现重力异常增加,并逐年增强。研究表明作为一种新的观测手段,卫星重力确实具有探测大地震震前重力变化的能力,对地震应用及监测预测具有参考价值。通过现有的震例分析显示同震重力变化与震源机制之间存在密不可分的联系。低倾角逆冲型地震的同震重力变化在压缩区重力增加,拉张区重力减小;走滑性地震同震重力压缩区重力减小,拉张区重力增加。这一成果揭示了地震同震重力变化与板块运动之间的动力学关系。经验正交函数方法是一种有效应用于卫星重力地震研究的数学方法,能有效提取区域重力场时空特征,能定量给出地震变化在区域重力场的贡献率。震例研究说明周期性信号的预先处理有助于突出地震相关重力同震时间和空间特征。较之提取走滑性地震的时空效应,该方法在提取逆冲型地震时效果更佳。研究了中国大陆及周边重力变化的动态变化与地震之间存在的可能联系和规律,研究表明:多数地震并非发生在重力变化最大的地点,而是发生在具有构造背景的重力变化的高梯度上或者零值线附近,这为利用卫星重力资料判定地震地点提供了一定的预报依据。时间判定则以岩石破裂应力应变关系为依据。


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