基于GRACERL05數(shù)據(jù)探測汶川MS8.0地震的震前和同震重力變化

基于GRACERL05數(shù)據(jù)探測汶川MS8.0地震的震前和同震重力變化摘要：利用GRACE衛(wèi)星RL05月重力場模型數(shù)據(jù)，采用去相關(guān)和300km半徑的高斯平滑濾波，獲取了2008年汶川MS8.0地震的震前和同震重力變化，以及震中周邊4個特征點的重力變化時間序列。最后利用最小二乘擬合方法計算了震前震中附近區(qū)域的重力變化年變率。結(jié)果表明，GRACE衛(wèi)星觀測到的同震重力變化約為-3~3，震前震中附近區(qū)域的重力變化率約為-1.5~1/a；各特征點的相對重力變化總體呈“減小-增大（發(fā)震）-減小”的特點。關(guān)鍵詞：GRACE；汶川MS8.0地震；震前和同震重力變化0引言2008-5-1214:28中國四川省汶川縣發(fā)生MS8.0特大地震，研究表明，這是一次以逆沖為主、兼少量右旋走滑分量的地震，斷層向西北方向傾斜，走向為229°(陳云泰等，2009)。地震孕育過程中，震源區(qū)附近的介質(zhì)密度變化和地殼形變必然會產(chǎn)生重力場的變化。汶川地震發(fā)生后，許多學者基于地面重力觀測數(shù)據(jù)對該地震進行了深入研究。祝意青（2008,2009）利用重復地面重力資料對汶川MS8.0地震做出了較好的中期預測，并系統(tǒng)分析了區(qū)域重力場時空動態(tài)演化特征與龍門山斷裂帶構(gòu)造活動及與汶川地震的關(guān)系；申重陽（2009）基于地面流動重力數(shù)據(jù)以及GPS等數(shù)據(jù)，分析研究了重力場動態(tài)變化特征和汶川地震孕育機理。另外，有些學者基于GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)對汶川大地震進行了研究。王武星（2010）結(jié)合區(qū)域構(gòu)造運動特點和GPS位移，對GRACE觀測的時變重力場特征及汶川地震的動力機制進行了初步解釋和討論；鄒正波（2013）利用GRACE衛(wèi)星資料，計算了中國大陸及周緣地區(qū)在汶川地震前后兩年的重力變化；陳國雄（2012）利用小波多尺度分析方法對汶川及周邊地區(qū)的GRACE衛(wèi)星時變重力場進行了分解，得到了不同深度的重力場細節(jié)和逼近。本文基于最新發(fā)布的GRACE衛(wèi)星RL05數(shù)據(jù)，采用去相關(guān)和300km半徑的高斯平滑濾波，成功提取了汶川MS8.0地震的震前和同震重力變化，為研究該地震孕震過程和發(fā)震機理提供了地球動力學依據(jù)。11數(shù)據(jù)及處理方法1.1數(shù)據(jù)來源采用美國德克薩斯大學空間研究中心（UTCSR）公布的2004.05~2010.05共73個最大階數(shù)為60階的RL05月重力場模型數(shù)據(jù)，該模型已扣除了大氣、海洋的非潮汐部分影響以及固體潮、極潮、海潮的潮汐部分影響。1.2處理方法由GRACE重力場模型計算橢球面上的重力場變化公式可表達為（邢樂樂，2010；Hofmann-WellenhofB，2006）：式中，GM為地心引力常數(shù)；R為地球平均半徑；分別為地心余緯度和地心經(jīng)度；為橢球面上一點的矢徑，分別為參考橢球的長半軸和扁率；N為展開的最高階數(shù)；、為完全規(guī)格化的引力位異常系數(shù)；為完全規(guī)格化的勒讓德函數(shù)。為了消除GRACE衛(wèi)星重力場圖像中的南北異常條帶現(xiàn)象以及重力場模型中位系數(shù)奇偶階之間的相關(guān)性，本文采用了300km高斯平滑濾波以及P3M6方法進行去相關(guān)處理（ChenJL，2007）。2結(jié)果分析2.1震前和同震重力變化為盡可能避免季節(jié)性區(qū)域水文特征影響，采用常規(guī)疊積法計算了2004~2009年每年1~4月份平均重力場的差分變化，見圖1（紅色五角星代表MS8.0地震的震中）。從圖1(a~d)可知：1)2005年相較于2004年，震中東部以及西部呈現(xiàn)大范圍的重力正值變化，其余呈現(xiàn)重力負值變化，并且震中以西的正變化區(qū)呈現(xiàn)近似菱形，這與祝意青[3]通過地面重力觀測得到的2002~2005年川滇菱形塊體呈重力正值變化是相似的。只不過由于GRACE衛(wèi)星的空間分辨率以及數(shù)據(jù)處理方式的原因，GRACE衛(wèi)星觀測到的重力正變化區(qū)數(shù)值更小，且范圍更大。2)2006年相較于2005年，震中及附近區(qū)域重力變化非常劇烈，上期的菱形正值變化區(qū)轉(zhuǎn)為急劇負值變化，震中以東的重力正值變化減緩。3)2007年相較于2006年，研究范圍內(nèi)整體重力變化不大，震中東北部由上期的正值變化轉(zhuǎn)為負值變化，震中東南部的正值變化加劇，而震中以西的負值變化減緩。4)2008年相較于2007年，震中西南部的正值變化加劇，震中東北部由上期的負值轉(zhuǎn)為正值變化，震中東南部由上期的正值變化轉(zhuǎn)為負值變化。由圖1(e)可知:1)發(fā)生地震后，2009年相較于2008年，整個研究范圍重力呈現(xiàn)完全的反轉(zhuǎn)變化。2)GRACE衛(wèi)星實際檢測到的同震重力變化為-3~3。3)整個區(qū)域同震重力變化呈現(xiàn)明顯的正負四象限分布，其西北與東南呈負正值變化，西南與東北呈負值變化，地震發(fā)生在正負四象限的交界部位。(a)2005-2004(b)2006-2005(c)2007-2006(d)2008-2007(e)2009-2008圖1GRACE衛(wèi)星檢測到的震前與同震重力變化(單位：)Fig.1PreseismicandCoseismicGravityChangesDetectedbyGRACE(unit:)2.2特征點的重力變化為了分析此次地震的震前和同震時間序列重力變化，我們在四象限正負異常區(qū)選取了A(109°E,36°N)、B(97°E,28°N)、C(105°E,25°N)、D(91°E,32°N)四個特征點作為計算點(見圖1（e）)。通過計算獲取各點位從2004.05~2010.05(不包含地震發(fā)生的2008年5月)的月重力變化時間序列（圖2）。從圖2可以看出，這些形變時間序列有較好的周期性特征，這主要是由于降水等季節(jié)性氣候變化引起的。為了更清楚得分析與地震相關(guān)的重力變化信號，采用最小二乘擬合方法，去除其中包含的年、半年周期項信號以及S2潮汐波的影響，獲取新的重力變化時間序列（圖3）。圖2各特征點的重力變化時間序列(單位：)Fig.2GravityChangesatPointsA,B,CandD(unit:)圖3各特征點的非季節(jié)性重力變化時間序列(單位：)Fig.3Non-seasonalGravityChangesatPointsA,B,CandD(unit:)從圖3可知：1)所選點位的重力變化總體呈現(xiàn)一個顯著特點，即各點在發(fā)生地震前后數(shù)年均經(jīng)歷了重力減小-轉(zhuǎn)折增大-發(fā)震-轉(zhuǎn)折減小的過程，這個特點與唐山地震（李瑞浩等，1997）前的重力變化相似。2)位于沉降區(qū)的A點和B點地震后便發(fā)生重力轉(zhuǎn)折下降變化，而位于隆升區(qū)的C點和D點地震后延續(xù)以往的重力增長變化趨勢，直到2009年才開始轉(zhuǎn)為下降變化，這可能和震后斷層的余滑作用以及震后粘滯調(diào)整有關(guān)。3)B點在2005年4月份有一個趨勢性的轉(zhuǎn)折變化，其余3個特征點（比如圖3(d)中的D點）則沒有此變化。2005-3-29蘇門答臘島附近海域發(fā)生MW8.7大地震，由于B點位于發(fā)生蘇門答臘MW8.7地震的滇緬地塊與青藏地塊的交接部位，所以上述趨勢性的轉(zhuǎn)折變化可能是由于蘇門答臘MW8.7地震的遠場同震效應造成的。另外，從圖3(b)中也可以看出，GRACE衛(wèi)星探測到的蘇門答臘MW8.7地震的遠場同震重力變化約為2。2.3震前重力長期變化趨勢鑒于重力年變率在探測強震中的應用，本文計算了震前4a（2004.05~2008.04）研究區(qū)域的重力年變率（圖4）。從圖4可以看出：地震前，震中以西及東北大部分區(qū)域呈重力負值變化，震中以南大部分區(qū)域及西北呈重力正值變化，其中重力負變化最大速率發(fā)生在震中以西約為-1.5，重力正變化最大速率發(fā)生在震中西南約為1。重力長期變化率很好地反映了汶川地震孕育、發(fā)展的深層動力過程：青藏高原內(nèi)部的地殼物質(zhì)在應力的作用下向東擴展，由于受到強硬的四川盆地的阻擋，中下地殼物質(zhì)向四川盆地以北和以南地區(qū)遷移（祝意青等，2009），導致地下物質(zhì)密度增加，最終使震中西北及西南大部分區(qū)域產(chǎn)生重力上升變化；青藏高原由于物質(zhì)的流出，導致地下密度減小，所以震中以西的大部分區(qū)域呈現(xiàn)重力下降變化；而四川盆地相對穩(wěn)定，所以在震中以東大部分區(qū)域重力變化不明顯。圖4震前重力年變率(單位：)Fig.4PreseismicGravityChangesRates(unit:)3結(jié)語GRACE衛(wèi)星清楚地探測到了汶川MS8.0地震的隆升與沉降區(qū)的同震重力變化，這說明GRACE衛(wèi)星具備探測此類地震的能力。重力長期變化率清晰地反映了地震孕育、發(fā)展過程中由于地下物質(zhì)流動所導致的重力變化前兆信息。各特征點所經(jīng)歷的“減小-增大（發(fā)震）-減小”相對重力異常變化較好地反映了汶川地震孕育發(fā)生過程中的時序進程變化。感謝美國德克薩斯大學空間研究中心（UTCSR）提供本文計算所需的GRACE月重力場模型數(shù)據(jù)。參考文獻:陳運泰,許力生,張勇,等.汶川特大地震震源特性分析報告[C]//紀念汶川地震一周年—抗震減災專題學術(shù)討論會,2009.祝意青,梁偉鋒,徐云馬.重力資料對2008年汶川Ms8.0地震的中期預測[J].國際地震動態(tài),2008(7):36-39.祝意青,徐云馬,呂弋培,等.龍門山斷裂帶重力變化與汶川8.0級地震關(guān)系研究[J].地球物理學報,2009,52(10):2538-2546.申重陽,李輝,孫少安,等.重力場動態(tài)變化與汶川Ms8.0地震孕育過程[J].地球物理學報,2009,52(10):2547-2557.王武星,石耀霖,顧國華,等.GRACE衛(wèi)星觀測到的與汶川Ms8.0地震有關(guān)的重力變化[J].地球物理學報,2010,53(8):1767-1777.鄒正波,李輝,康開軒,等.汶川地震與衛(wèi)星重力變化[J].大地測量與地球動力學,2013(S1):5-7.陳國雄,孫勁松,劉天佑.GRACE衛(wèi)星時變重力場的小波多尺度分解——以2008年汶川Ms8.0大地震為例[J].武漢大學學報:信息科學版,2012,37(6):679-682.邢樂林,李輝,周新,等.GRACE衛(wèi)星重力觀測在強震監(jiān)測中的應用及分析[J].大地測量與地球動力學,2010,30(4):51-54.WangW,SunW,JiangZ.Comparisonoffaultmodelsofthe2008Wenchuanearthquake(Ms8.0)andspatialdistributionsofco-seismicdeformations[J].Tectonophysics,2010,491(1-4):85-95.Hofmann-WellenhofB,MoritzH.PhysicalGeodesy[J].2006.ChenJL,WilsonCR,TapleyBD,etal.GRACEdetectscoseismicandpostseismicdeformationfromtheSumatra-Andamanearthquake[J].GeophysicalResearchLetters,2007,34(13):173-180.李瑞浩,黃建梁,李輝,等.唐山地震前后區(qū)域重力場變化機制[J].地震學報,1997,19(4):399-407.Pre-seismicandCo-seismicGravityVariationoftheWenchuanMS8.0EarthquakeDetectedbyGRACERL05DataAbstractTheUTCSRGRACERL05monthlygravityfieldmodelsareprocessedbyusingde-correlationand300kmradiusGaussiansmoothing,andthepre-seismicandco-seismicgravityvariationofWenchuanMS8.0earthquakeareextractedsuccessfully.Besides,timeseriesofgravityvariationof4characteristicpointsaroundtheepicenterarecalculatedbythesamemethod.Finally,Pre-seismicgravityvariationratesaroundtheepicenterarecalculatedbyusingleastsquares.Theresultsshowthatco-seismicgravityvariationabout-3~3，