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重力卫星资料应用于特大地震同震效应探测和震源机制反演的研究

龚正  
【摘要】:重力卫星技术的出现和发展丰富了人类对地观测的手段,使长期连续研究全球重力场变化成为了可能。相比其他大地测量手段,重力卫星可以在不接触目标区域的同时完成测量工作,这为地处偏远无法长期有效直接观测的地区提供了可行的观测方法。特大地震以其破坏性强,成灾广泛成为人类的梦魇,而其往往发生于离陆地较远的海洋之下(如2004年Sumatra-Andaman地震,2010年智利Maule地震,2011年Tohoku-Oki地震等),人类常用的大地测量技术(如GPS、InSAR等)对于特大地震的观测存在局限性,这时重力卫星可以充分发挥优势,补充这些特大地震发震范围内的重力变化信息,有利于对特大地震的震源机制研究,从而增进对特大地震的理解。本文研究了如何应用GRACE重力卫星资料探测特大地震的同震效应,并且创新性的联合GRACE重力卫星数据和GPS数据反演特大地震的震源参数以及滑动分布。本文详细介绍了GRACE重力卫星计划的基本情况以及数据产品,选择了合适的GRACE Level 2数据作为本文研究采用的数据。为了消除GRACE数据中存在的各种误差,需要进行后处理过程,本文系统性分析比较了不同的后处理方法,并认为后处理过程中在消除误差的同时如果不能尽量保留数据本身的目标信号就失去了观测地震等局部重力场变化的机会。展示了Slepian函数方法的原理,并以2004年Sumatra-Andaman地震为例验证了Slepian函数法的计算效果,可以看出Slepian函数法能够在消除误差的同时有效地提取GRACE中的同震重力变化信号,为利用GRACE数据反演打下了基础。本文模拟分析了不同震源参数对地表重力变化的影响程度,在震级不变的情况下,断层倾角和滑动角对地表重力变化的影响较大,不仅影响数值大小,也会明显改变重力变化的几何分布。模拟不同震级和不同震源参数配置产生的地表重力效应,并分析了不同断层参数产生的地震是否可被GRACE重力卫星探测到。通过模拟不同震级以及不同的断层参数可以看出,对于Mw8.0级的地震只有条件非常苛刻才可能被GRACE重力卫星探测到,以汶川地震为例的计算证明了这一点。对于汶川地震这样接近Mw8.0级的陆地地震来说,GRACE能观察到的变化很有限,此时水文变化的影响大于地震变化的影响,需要更大的地震才能使GRACE观测到显著的同震重力变化。对于Mw8.5级以上的地震,理论上较容易被GRACE探测到。本文系统研究了在震源机制反演和滑动分布反演中GRACE重力数据的作用,分别利用重力数据单独反演以及联合模拟GPS数据一起反演。经过350km高斯滤波的重力数据仍然能够单独有效反演出震源机制说明,顾及空间分辨率GRACE卫星数据在震源机制反演中仍然能扮演重要角色。在划分断层面时,子断层数量越多,数值的起伏越大,粗糙度越高。断层面上滑动分布的数值在上部较准确,这可能是由于重力数据对深部运动不够敏感。而在联合反演中,引入了Helmert方差分量估计法来确定GRACE数据和GPS数据的权比。从反演结果看比单独使用GRACE更加准确。同时对于不同的子断层划分,数量多的情况下滑动分布的起伏相对于GRACE单独反演的结果仍然显著减小,可以认为联合反演能够有效抵御划分多断层带来的数据不稳定。不论是在单独反演还是在联合反演中地表的观测值越多,反演的结果越准确,但是在联合反演过程中,观测值增多伴随着GRACE数据权重的下降,这可能反映了GRACE数据存在的相关性,所以增加GPS点提供的额外信息更丰富。从模拟的结果来看,GRACE重力数据和GPS数据可以互相补充信息,在联合反演发震断层的几何和运动参数时得到较为理想的反演结果,这为反演2011年日本Tohoku-Oki地震提供了计算基础。本文以2011日本Tohoku-Oki地震作为实例分析GRACE卫星数据在探测同震信号和震源机制反演中的效果。首先讨论了Tohoku-Oki地震的地质构造背景,这起地震能量大,破坏力强,尤其垂直方向上有显著变化,可以利用GRACE探测同震重力变化。经过前震余震的分析,可以看出来前震余震虽然有一定效应,但是低于GRACE能够探测到的信号,所以在实际处理中可以不用考虑,而洋底起伏变化导致的海水质量变化效应则十分显著,必须予以扣除。本文利用GRACE计算了同震重力变化,可以看出来探测得到的同震重力变化较为准确,与正演模拟结果在几何形状上较为相似,能反映出断层运动特征。随后分别利用GRACE单独反演震源参数和滑动分布以及联合GRACE和GPS反演。反演的结果从一定程度上拟合其他研究,符合地震学的部分结论,同时联合GRACE和GPS反演的准确度要高于单独使用GRACE反演的准确度。以上实例有效证明重力卫星资料可以应用于特大地震同震效应探测和震源机制反演的研究中。


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