邢樂林，劉曉玲，郭清風(fēng)

（1. 中國地震局 地震研究所，湖北 武漢 430071；2. 湖北省基礎(chǔ)地理信息中心，湖北 武漢 430074；3. 湖北省測繪成果檔案館，湖北 武漢 430074）

全球陸地水儲量對檢測同震重力變化的影響

邢樂林1，劉曉玲2，郭清風(fēng)3

（1. 中國地震局 地震研究所，湖北 武漢 430071；2. 湖北省基礎(chǔ)地理信息中心，湖北 武漢 430074；3. 湖北省測繪成果檔案館，湖北 武漢 430074）

以2011年日本Mw9．0地震為例，探討了同震重力變化理論模擬計算所涉及到的幾個關(guān)鍵問題，并利用GLDAS全球陸地水儲量模型對GRACE衛(wèi)星檢測到的同震重力變化進行了修正。結(jié)果表明，水文效應(yīng)變化振幅達4 μGal，該影響不可忽略。

日本Mw9．0地震；GRACE；同震重力變化；位錯理論

大地震同震重力變化能否被GRACE衛(wèi)星檢測到，是GRACE研究學(xué)者目前所感興趣的問題之一。Sun[1]通過地震斷層模型正演結(jié)果與GRACE觀測精度分析指出，大于Mw9．0的剪切型或者大于Mw7．5的張裂型地震所產(chǎn)生的同震重力變化可以被GRACE檢測到，隨后發(fā)生的2004年蘇門答臘Mw9．3地震證實了這個結(jié)論。Han[2]首次利用GRACE星間跟蹤數(shù)據(jù)檢測到了蘇門答臘大地震引起的同震重力變化，成功提取了由地震斷層錯動引起的重力變化，并由此推測了地震引起的洋底地殼膨脹效應(yīng)。隨后，眾多學(xué)者對GRACE檢測2004年蘇門答臘大地震所產(chǎn)生的重力變化進行了研究。Chen[3]利用GRACE月重力場模型提取了其同震形變變化，分析了地震斷層上升和下降區(qū)域的兩個特征點的震后形變變化；Ogawa[4]利用地震前后2 a的近場區(qū)域大地水準(zhǔn)面變化的時間序列，采用周期變化項、同震階躍項和震后指數(shù)恢復(fù)項擬合得到位于安達曼海域的重力負(fù)變化特征及緩慢震后恢復(fù)效應(yīng)；Panet[5]根據(jù)全球水儲量模型消除水文效應(yīng)的年際變化影響，對2004年蘇門答臘大地震區(qū)域的GRACE大地水準(zhǔn)面變化時間序列進行了小波分析，揭示了安達曼海域短期震后變化效應(yīng)及震后9個月仍存在變化；De Linage[6]采用4．6 a的GRACE月重力場模型數(shù)據(jù)結(jié)合位錯理論正演結(jié)果，提取了2004年蘇門答臘地震的同震和震后變化信號；Broerse[7]探討了海水效應(yīng)對2004年蘇門答臘地震的同震形變和重力場變化的影響；Heki[8]采用GRACE月重力場模型結(jié)合位錯理論正演結(jié)果，檢測到了約-5 μGal的智利Mw8．8地震同震重力變化負(fù)異常區(qū)域；Han[9]利用GRACE星間觀測數(shù)據(jù)結(jié)合位錯理論正演結(jié)果，證實了GRACE衛(wèi)星對智利Mw8．8地震引起的重力變化效應(yīng)檢測能力，重力變化正異常部分幅度變化較小的原因在于洋底地殼膨脹與地表形變引起的重力變化效應(yīng)相互抵消；為了抑制重力場變化的季節(jié)性效應(yīng)，突出同震變化信號，周新[10]利用GRACE月重力場模型數(shù)據(jù)，震前數(shù)據(jù)采用2003～2009年每年3～6月的重力變化平均值，震后數(shù)據(jù)采用2010年3～6月的平均值，提取了同震重力變化，其結(jié)論與Heki的類似，但水文效應(yīng)仍較為明顯。

日本Mw9．0地震發(fā)生后，邢樂林等利用2002年至2010年的GRACE數(shù)據(jù)，采取了年際擬合方法消除水文效應(yīng)的周期性變化，計算了地震近場區(qū)域近9 a來的重力年變率[11]。不少學(xué)者利用GRACE數(shù)據(jù)檢測到了可信的同震重力變化[12-14]約為-7．0 μGal。本文著重利用GLDAS全球陸地水儲量對GRACE衛(wèi)星檢測到的同震重力變化進行修正，并證實了該方法的有效性。

1 模擬計算

1.1 地表同震重力變化

為了計算地表的同震重力變化，采用USGS在2011年日本Mw9．0地震后公布的有限斷層模型作為斷層參數(shù)[15]，利用球體位錯理論[16]計算該強震引起的地表同震重力變化。理論計算結(jié)果涵蓋以震中為中心的研究區(qū)域（130～155°E，25～50°N），格網(wǎng)間隔為0．2°，其地表同震重力計算結(jié)果如圖1a所示（文中所用圖片審圖號均為GS（2012）3075號）。

1.2 固點同震重力變化

圖1a的計算結(jié)果為地表同震重力變化，其結(jié)果適合地面重力測量，而GRACE衛(wèi)星檢測到的同震重力變化為空固點同震重力變化，并不包含地表垂直形變引起的空間改正部分。因此，需對地表同震重力變化進行空間改正，公式為[17]：

式中，Δg（θ，λ）為空固點同震重力變化；δg（θ，λ）為位錯理論計算的地表同震重力變化，向下為正方向；Δh（θ，λ）為位錯模型計算的地表垂直形變，向上為正方向；β為地表重力垂直梯度，采用β=308．6 μGal/m。其空固點同震重力變化結(jié)果如圖1b所示。

圖1 日本Mw9.0地震同震重力變化

地震引起的同震地表重力變化為-913～201 μGal，包括兩部分：一部分為地震引起的地表垂直形變引起的計算點位置變化導(dǎo)致的重力變化，另一部分為地震導(dǎo)致質(zhì)量重新分布引起的重力變化。比較圖1b與1a，二者的分布特征相似，但符號相反，且經(jīng)過空間改正后空固點重力變化幅度有所減少，為-192～493 μGal。

1.3 海水質(zhì)量改正

對于發(fā)生在海域或海陸交界的地震，地震引起地表發(fā)生垂直形變的同時，由于海水質(zhì)量的補償作用，海水質(zhì)量對重力的改正與海底地表垂直形變有關(guān)，可由布格層改正獲得，其海水質(zhì)量改正公式為[8]：

圖2 經(jīng)海水質(zhì)量改正后的同震重力變化

從圖2看出，經(jīng)海水質(zhì)量改正后的同震重力變化為-138～297 μGal，與未經(jīng)海水質(zhì)量改正的圖1b相比，重力正變化的改正幅度較大，約為200 μGal。可見，位錯理論計算的空固點同震重力變化中的海水質(zhì)量改正不可忽視，其量級可達到幾百μGal。

1.4 空間平滑

由于GRACE重力衛(wèi)星在軌道高度處觀測，其GSM月重力場模型為60階次，其空間分辨率約為350 km，對較大尺度的長波信息較為敏感，而位錯理論計算的同震重力變化含豐富的高階信息，因此為了模擬GRACE檢測結(jié)果，需將經(jīng)海水質(zhì)量改正后的空固點同震重力變化進行350 km的空間平滑[2]。

經(jīng)空間改正、海水質(zhì)量改正以及空間平滑處理后的適合GRACE衛(wèi)星檢測到的同震重力變化理論模擬結(jié)果如圖3所示，同震重力變化約為-6～6 μGal，且負(fù)異常較為明顯。

圖3 經(jīng)350 km空間平滑和海水質(zhì)量改正后的空固同震重力變化

2 GRACE衛(wèi)星檢測同震重力變化

2.1 GRACE數(shù)據(jù)及處理

本文采用CSR數(shù)據(jù)中心發(fā)布的Level-2 RL05版GSM數(shù)據(jù)，時間段為2002年4月至2011年12月，最高階次為60階，其時變重力場模型主要反映了地球的質(zhì)量變化[3]。為提高計算結(jié)果的精度，采用SLR測量得到的項替換GRACE的項[18]。為了有效提取重力場變化信息，采用P3M8去相關(guān)法并結(jié)合350 km高斯濾波[19,20]，較好地去除了GRACE數(shù)據(jù)高階次系數(shù)相關(guān)性引起的條帶現(xiàn)象。

通過式（3）計算日本Mw9．0地震近場區(qū)域1°×1°格網(wǎng)點（θ，λ）上的月重力場Δg（θ，λ）的時間變化序列：

在獲得格網(wǎng)點月重力場時間變化序列后，以2011年4月的重力變化與均值較差獲得含水文效應(yīng)的同震重力變化，如圖4所示。檢測到的同震重力變化信息含有較為明顯的水文效應(yīng)，主要在（50°N，135°E）和（35°N，132°E）兩個區(qū)域。

圖4 GRACE檢測到的含水文效應(yīng)的同震重力變化

2.2 全球陸地水儲量對同震重力變化的影響

本文采用的水文模型，其土壤水份變化和積雪變化數(shù)據(jù)來自美國國家宇航局（NASA）哥達空間飛行中心的全球陸地數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（GLDAS），其空間分辨率在經(jīng)度和緯度方向的空間格點間隔為1°[21]，時間跨度從2002年4月至2011年12月。根據(jù)式（4）對GLDAS月水儲量變化進行球諧分析，展開至60階次的重力場球諧系數(shù)：

其中，ρE=5．517×103kg/m3為地球平均密度，kl為l階負(fù)荷Love數(shù)[22]。

圖5給出了2011年4月份的全球水儲量變化對重力變化的影響，可看出（50°N，135°E）和（35°N，132°E）兩個區(qū)域存在明顯水文效應(yīng)。將圖4與圖5較差即得消除水文效應(yīng)的GRACE衛(wèi)星檢測到的同震重力變化，如圖6。與模擬重力變化圖3相比較可看出，二者仍存在一定的差異，主要在（146°E，46°N）區(qū)域存在一個負(fù)重力異常。GRACE檢測到的同震重力變化亦呈現(xiàn)負(fù)-正-負(fù)的分布，且-6 μGal的同震重力負(fù)變化較為明顯，但同震重力正變化較模擬值小且具有一定的分散式分布。差異原因主要來自以下幾個方面[10]：地震斷層模型不精確；GLDAS模型不精確；同震信號和震后信號沒有進行有效分離。

3 結(jié) 語

日本Mw9．0地震產(chǎn)生的同震重力變化信號能夠被GRACE衛(wèi)星所觀測到。理論模擬計算結(jié)果與觀測結(jié)果具有較好的一致性，檢測到了同震重力變化呈負(fù)-正-負(fù)的分布形態(tài)，負(fù)重力變化較為明顯，約為-6 μGal，這是GRACE能夠有效檢測出大地震同震重力變化的第三個典型震例，進一步驗證了Sun等關(guān)于GRACE檢測同震重力變化能力的觀點，為GRACE在地震研究方面提供了理論和實踐依據(jù)。為了有效提取大地震同震重力變化，去相關(guān)、高斯濾波和水文效應(yīng)均應(yīng)加以考慮，才能獲得逼近理論模擬計算結(jié)果的GRACE衛(wèi)星檢測結(jié)果。

圖5 全球陸地水儲量變化對重力變化的影響

圖6 GRACE檢測到的消除水文效應(yīng)的同震重力變化

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P227

B

1672-4623（2014）03-0066-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.03.021

邢樂林，副研究員，主要從事重力變化與解釋方面的研究。

2013-08-20。

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目（41204019）。