鄒正波 李 輝 吳云龍 吳桂桔 康開軒

1 中國(guó)地震局地震研究所（地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

2 中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

3 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢市珞瑜路129號(hào)，430079

2015－04－25尼泊爾M8.1級(jí)地震發(fā)生在喜馬拉雅斷裂帶中段，是地震研究的熱點(diǎn)區(qū)域。重力觀測(cè)對(duì)研究巨大地震震源區(qū)內(nèi)部物質(zhì)變化具有重要意義。自20世紀(jì)60年代邢臺(tái)地震之后，我國(guó)就開始地面定點(diǎn)和流動(dòng)重力測(cè)量，并在多次大地震測(cè)報(bào)中發(fā)揮重要作用［1－2］。然而地面重力測(cè)量受觀測(cè)條件限制存在空間分布不均勻和時(shí)間分辨率低等不足，難以追蹤大地震造成的大范圍重力變化及空間遷移過(guò)程，而大范圍、長(zhǎng)時(shí)間、近連續(xù)的衛(wèi)星重力觀測(cè)成為地面觀測(cè)的有力補(bǔ)充。研究表 明［1，3－6］，GRACE衛(wèi)星有能力為大地震孕震階段的重力場(chǎng)變化提供證據(jù)。因此，本文利用GRACE重力衛(wèi)星觀測(cè)資料研究此次地震前震源區(qū)及周邊的重力變化特征，并結(jié)合球形位錯(cuò)模型模擬該地震同震重力場(chǎng)變化，為研究該地震孕震過(guò)程和發(fā)震機(jī)理提供地球動(dòng)力學(xué)依據(jù)。

1 衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)與方法

1.1 衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)

本文利用美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分?？臻g研究中心公布的2002－04～2015－01 共141個(gè)最大階次達(dá)60階的RL05月重力場(chǎng)模型數(shù)據(jù)，該模型扣除了大氣、海洋、固體潮、海潮及極潮等影響，其中部分月份由于缺少觀測(cè)數(shù)據(jù)而無(wú)重力場(chǎng)模型數(shù)據(jù)。考慮到GRACE在C20項(xiàng)的不足，利用由5顆SLR衛(wèi)星按同樣時(shí)間長(zhǎng)度解算得到的C20項(xiàng)替換。

為研究地球動(dòng)力學(xué)相關(guān)信息，需分離水文因素的影響。選取全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)GLDAS（global land data assimilation system）模型1°×1°數(shù)據(jù)，將陸地水變化信息（土壤水、雪水及總植冠水）轉(zhuǎn)化為與GRACE數(shù)據(jù)相當(dāng)?shù)?0階月水文模型（球諧系數(shù)）序列［7］，并將其從衛(wèi)星信號(hào)中扣除（GRACE－GLDAS）。

1.2 重力變化信號(hào)提取

為消除南北異常條帶的影響，對(duì)GRACE 數(shù)據(jù)選取400km 扇形濾波，并選取2003～2010的月重力場(chǎng)模型作為背景，計(jì)算該區(qū)域重力場(chǎng)的時(shí)空變化；而水文信號(hào)利用GLDAS月數(shù)據(jù)（對(duì)其進(jìn)行球諧轉(zhuǎn)化后采用GRACE 數(shù)據(jù)相同的處理方法）加以扣除，以分析地球動(dòng)力學(xué)對(duì)區(qū)域重力場(chǎng)的影響?？紤]到GRACE的空間分辨率及該地震孕震與中國(guó)大陸存在的聯(lián)系，故而選取20°～45°E、65°～110°N作為研究區(qū)域。

1.3 長(zhǎng)期變化率、周期變化及時(shí)間序列重力變化

由于GRACE提取的重力變化時(shí)間序列反映了全球質(zhì)量重新分布的過(guò)程，其中海洋、大氣及水文等重力場(chǎng)信號(hào)均具有周期性特征，且模型可能扣除不完全，可利用周期函數(shù)進(jìn)行分析。將信號(hào)分為周期信號(hào)及線性信號(hào)兩部分，采用最小二乘法對(duì)未知參數(shù)進(jìn)行求解，分離點(diǎn)位重力長(zhǎng)期變化及周期性信號(hào)影響，為后續(xù)討論提供依據(jù)。

2 衛(wèi)星重力變化結(jié)果

2.1 年度重力變化

利用GRACE扣除GLDAS陸地水質(zhì)量變化影響后的長(zhǎng)期重力資料，獲得平均年度重力變化。以此為背景，得到2003～2014年累計(jì)重力場(chǎng)變化。圖1中紅點(diǎn)為相應(yīng)年度發(fā)生的M7.0以上地震震中分布（表1）。

表1 2002－04～2015－04研究區(qū)大于M7.0地震信息Tab.1 Earthquakes with magnitude larger than M7.0 in study area during 2002April to 2015April

分析圖1、表1可以發(fā)現(xiàn)：

1）重力變化存在明顯的分時(shí)段特征。以2008年為界，前后區(qū)域重力變化特征不同。2003～2008年重力變化以增加為主，且7級(jí)以上地震很少，僅在2008－03、05發(fā)生兩個(gè)地震；2009～2014以重力減小占主導(dǎo)，7級(jí)以上地震發(fā)生5個(gè)。這一特征可能顯示地震對(duì)區(qū)域重力場(chǎng)的影響。

2）重力變化存在顯著的正負(fù)分區(qū)特征。①印度北部重力負(fù)變化顯著，重力值逐年減少，從5 μGal變化到－1μGal，再到－5μGal；②青藏高原東角重力變化也出現(xiàn)由正變負(fù)的特征，特別是緬甸弧地區(qū)，重力變化由－1μGal到－5μGal，2011年后開始有所恢復(fù)；③青藏高原中部（新疆西藏青海交界）自2009年開始出現(xiàn)持續(xù)增加現(xiàn)象；④板塊邊界成為這些區(qū)域分布的重要依據(jù)。

3）衛(wèi)星重力變化為地震預(yù)測(cè)的地點(diǎn)判定提供了大尺度的依據(jù)。已有的時(shí)變重力資料的震例研究表明，地震多發(fā)生在重力變化與主斷裂構(gòu)造走向一致的重力梯度帶上，發(fā)生在重力正負(fù)變化的轉(zhuǎn)化帶上即重力變化的零值線附近［2］，如圖2。

4）重力變化為尼泊爾地震的孕震過(guò)程及孕震環(huán)境提供了有力證據(jù)。衛(wèi)星重力變化表征的是空間固定點(diǎn)的重力變化，不受地面高程影響，其變化來(lái)源于質(zhì)量遷移，且與質(zhì)量變化成正比。2014年重力變化顯示，尼泊爾地震震中位于重力正負(fù)變化的交界區(qū)域，其孕震背景為印度板塊沿北東方向以45mm／a的速率擠壓歐亞板塊。由該地震的震源機(jī)制可知，發(fā)震斷層的南部區(qū)域處于斷層的壓縮區(qū)，質(zhì)量增加、重力為正；北部位于斷層的拉張區(qū)，重力減少。

圖1 2003～2014年尼泊爾及周緣重力變化Fig.1 Annual gravity variation in Nepal and its periphery

2.2 重力長(zhǎng)期變化趨勢(shì)

對(duì)研究區(qū)GRACE－GLDAS結(jié)果進(jìn)行時(shí)間序列分析，扣除年、半年周期重力變化后得到的線性變化率即為該點(diǎn)2002－04～2015－01 的重力長(zhǎng)期變化率，如圖2。圖中紅點(diǎn)表示相應(yīng)年度發(fā)生的7級(jí)地震震中位置（表1），黑點(diǎn)代表2015年M8.1尼泊爾地震震中，藍(lán)色線條為一級(jí)塊體及二級(jí)塊體邊界。

圖2 尼泊爾及周緣重力長(zhǎng)期變化率Fig.2 Gravity long term change rate in Nepal and its periphery

由圖2（a）不難發(fā)現(xiàn)：1）在尼泊爾震中區(qū)兩側(cè)近東西向存在顯著的重力變化，印度北部地區(qū)重力變化最大，其最大速率為－0.7μGal／a，青藏高原東角負(fù)變化特征顯著；2）其他地區(qū)重力變化相對(duì)平穩(wěn)，青藏高原中部以0.2μGal／a的速度增加，新疆天山以－0.1μGal／a的速率減小，四川、貴州等地以正變化特征為主；3）結(jié)合斷層分布發(fā)現(xiàn)，多數(shù)斷層邊界區(qū)域重力變化均極小或者為0，例如南北地震帶地區(qū)。

年重力變化（圖1）具有分段特征，同時(shí)與地震有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，將長(zhǎng)期變化以2008－05 M8.0 汶川地震為界進(jìn)行時(shí)間分段研究：1）2002－04～2008－04（圖2（b））青藏高原西南部、印度北部以－1μGal／a的速率減小，而川青甘交界及周邊重力增速也達(dá)到0.3μGal／a；2）2008－05～2015－01（圖2（c））發(fā)生M7.0以上地震7次，青藏高原東角及周邊的重力長(zhǎng)期較小，尼泊爾地震震中位于重力變化高梯度帶的零值線附近；3）7 級(jí)以上地震震中空間分布及塊體邊界顯示，玉樹地震、蘆山地震、汶川地震、緬甸地震等均發(fā)生在塊體邊界且重力變化緩慢區(qū)域或零值線附近，而非極值區(qū)。

2.3 震中時(shí)間序列變化

以震中點(diǎn)的GRACE－GLDAS重力長(zhǎng)期變化為基礎(chǔ)，扣除年、半年周期重力信號(hào)，給出點(diǎn)位時(shí)間序列。由于GRACE 空間分辨率小，因此該點(diǎn)時(shí)間序列反映的是所在區(qū)域重力變化特征。結(jié)果顯示，震源區(qū)在13a中基本保持重力減小（圖3，藍(lán)色點(diǎn)線為時(shí)間變化序列，紅色曲線是藍(lán)色曲線的多項(xiàng)式擬合），峰值達(dá)5～－4μGal，且從2012年開始經(jīng)歷震前重力增加－減少－增加的動(dòng)力變化過(guò)程。鑒于唐山地震［8］、日本地震［9］在地震發(fā)生前數(shù)年經(jīng)歷了重力減小－增加－發(fā)震－減小的過(guò)程，雖然GRACE數(shù)據(jù)未能更新到4月，但其震前的基本特征已經(jīng)具備，因此可將此規(guī)律應(yīng)用到日后的地震預(yù)報(bào)實(shí)踐中。

圖3 震中點(diǎn)重力時(shí)間序列變化Fig.3 Time series gravity change of the epicenter

3 理論模擬同震重力場(chǎng)變化

選取USGS公布的有限斷層模型，該模型的發(fā)震斷層參數(shù)為：傾角為10°，斷層走向?yàn)?95°，沿?cái)鄬幼呦蚺c傾向分成11×11個(gè)子斷層，子斷層尺度為20km×15km。利用球形位錯(cuò)理論模擬計(jì)算尼泊爾M8.1地震震源區(qū)及周邊的空間固定點(diǎn)同震重力場(chǎng)變化信息［10］。

賈民育等［11］認(rèn)為，監(jiān)測(cè)8級(jí)地震孕震重力變化，要求地面重力測(cè)網(wǎng)的空間分辨率達(dá)到1 160 km；而褚慶忠等［1］總結(jié)多個(gè)地震發(fā)現(xiàn)，7～8級(jí)地震震前地表重力變化的范圍可達(dá)500km，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)0.5～3a?？紤]到地震的影響范圍及GRACE重力衛(wèi)星的分辨率，以震中點(diǎn)為中心區(qū)域（23°～33°E，80°～90°N），網(wǎng)格間距為0.1°×0.1°。模擬結(jié)果（圖4）證實(shí)，斷層重力場(chǎng)變化基本沿?cái)鄬觾蓚?cè)對(duì)稱分布，且在壓縮區(qū)增加（斷層下盤），拉張區(qū)（上盤）減少。

為研究GRACE月重力場(chǎng)模型能否探測(cè)到這一變化，將同震重力變化進(jìn)行分析處理（圖5）。第一步，球諧展開后截?cái)喑?0×60的球諧系數(shù)；第二步，對(duì)球諧系數(shù)進(jìn)行400km 扇形濾波處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)球諧展開截?cái)啵亓ψ兓稍瓉?lái)的－50～70μGal減少至－0.7～0.8μGal（圖5）；而經(jīng)第二步處理后，截?cái)嘀亓ψ兓档土私粋€(gè)數(shù)量級(jí)（圖5（b）），空間范圍也發(fā)生很大變化。兩步處理均使模型分辨率由原來(lái)的0.1°×0.1°變?yōu)?°×3°乃至更大，數(shù)值更小。因此，以現(xiàn)有的GRACE衛(wèi)星的月尺度全球重力場(chǎng)模型提取該同震變化是難以實(shí)現(xiàn)的。采用局部重力場(chǎng)方法改善現(xiàn)有模型的空間分辨率及觀測(cè)精度，或直接利用地震前后經(jīng)過(guò)震中點(diǎn)附近的星間距離及其變率數(shù)據(jù)提取同震變化可能是更有效的途徑。此外，2017年發(fā)射的裝載有星間激光測(cè)距儀的GRACE Follow On衛(wèi)星也很值得期待。

圖4 位錯(cuò)模型模擬的尼泊爾大地震空間固定點(diǎn)同震大地水準(zhǔn)面及重力變化Fig.4 The coseismic geoid and gravity changes of the points fitting on the space simulated by dislocation model

圖5 處理后的同震重力變化Fig.5 Processed coseismic gravity changes

4 結(jié) 語(yǔ)

利用衛(wèi)星重力資料對(duì)2015尼泊爾地震震前區(qū)域重力場(chǎng)變化進(jìn)行計(jì)算與分析，得出如下結(jié)論：

1）區(qū)域重力變化表現(xiàn)出顯著的分區(qū)分段特點(diǎn)，這些特點(diǎn)與地震發(fā)生及構(gòu)造分布存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，體現(xiàn)了地震對(duì)區(qū)域重力場(chǎng)的影響。

2）震中區(qū)附近M7.0 級(jí)以上歷史地震及尼泊爾M8.1地震震前衛(wèi)星重力結(jié)果顯示，地震基本發(fā)生在具有構(gòu)造背景的斷層邊界重力變化梯度帶的過(guò)渡帶上，且位于重力變化的零值線附近。

3）震前衛(wèi)星重力變化及理論模擬的同震重力變化顯示出重力變化與動(dòng)力學(xué)的關(guān)系，壓縮區(qū)重力增加，拉張區(qū)重力減少。

4）多個(gè)地震震例顯示，重力變化在震前1～2 a出現(xiàn)減?。黾樱l(fā)震－增加－減小的現(xiàn)象。

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