测绘学报|董杰：超导重力数据探测到的2011年日本东北大地震(Mw 9.0)前的重力异常和同震重力变化

本文内容来自《测绘学报》 2022年第1期(第国办发(2022)104号)
超导重力数据探测到的2011年日本东北大地震(Mw 9.0)前的重力异常和同震重力变化
董洁1人，1人，温汉江1人，孙2人
1.中国测绘科学研究院，北京100036；2.中国科学院大学地球与行星科学学院，北京100049
基金：国家自然科学基金(41604067；41974093;41331066;41774088);中央高校基本科研业务费(AR2016；AR2103)
高精度超导重力数据已广泛应用于地球动力学研究。大地震前重力异常和同震重力变化的检测有助于震源机制研究和地震预警。同时，高精度的同震观测数据可用于断层滑动模型的反演。本文利用2011年3月日本、中国和欧洲7个超导台站的第二次采样数据，研究了日本东北大地震(Mw 9.0)引起的重力变化。对潮汐、气压和漂移进行预处理和校正后，得到校正后的重力变化。同时，通过对比日本岛附近2861次Mb4级地震，对滤波后的重力变化数据进行分析，排除非主震的影响。发现震前0.12 Hzf0.18 Hz的频带显示出明显的重力异常扰动信息。所有台站在震前89 h开始出现重力异常扰动，Medicina台站震前重力异常扰动最大幅度达到2810-8 m/s2。此外，利用球位错理论和地震的CMT解计算的地面同震重力变化的理论值与超导重力观测非常接近，同震重力变化的绝对值与震中距成反比。近场台站的观测值比远场台站的观测值更接近理论计算值，前者可以作为断层反演的约束条件。
关键词：超导重力数据震前重力异常与日本东北大地震球形位错同震重力变化理论
引用格式：董杰，张泽宇，温涵江，等.超导重力资料探测2011年东北大地震(Mw 9.0)前的重力异常与同震重力变化[J].测绘学报，2022，51 (1): 63-70。doi3360 10.11947
董洁，张泽宇，温涵江，等.用超导重力资料探测2011年东北冲9.0级地震的震前异常与同震重力变化[J].大地测量学与制图学学报，2022，51(1): 63-70。1947年11月10日，澳大利亚地球物理学会。66363636367
阅读全文：http://xb.sinomaps.com/article/2022/1001-1595/2022-1-63.htm
引用单词
超导重力仪(SG)是目前最精确、最稳定的相对重力仪。它具有非常宽的动态线性测量范围、非常低的噪声水平和漂移率。随着全球地球动力学计划(GGP)[1]的实施，超导重力数据被广泛应用于固体潮和海潮模型的分析[2-5]，地球自由振荡谱中基波和谐波振动模式的检测[6-8]，地核运动的检测[9-10]以及重力长周期变化引起的地壳垂直运动[11]。鉴于超导重力观测数据的宽带特性，许多研究表明，连续重力观测可以检测地震前的重力异常[12-13]和同震重力变化[14-15]。例如，2004年的苏门答腊地震(Mw 9.3)和2008年的汶川地震(Ms 8.0)都是用超导重力仪在震前探测到的，而震前重力异常的探测大多是基于超导重力仪在重力异常和震前同震重力变化探测中的作用，对震源机制研究和地震预警具有重要意义，还可以为断层滑动分布的高精度反演提供约束。2011年3月11日世界协调时5时46分发生的日本东北大地震(Mw 9.0)，属于超大型俯冲带地震。本次地震的同震、震后形变和断层反演研究大多使用GPS、GRACE和InSAR数据，但超导重力数据在这些研究中的作用尚未得到详细描述和讨论。目前对地震前重力异常扰动的检测大多来自于单个台站，也有研究考虑了多个台站的数据，但仅仅停留在检测地震前的异常扰动信号，对超导重力数据的应用，尤其是其在断层反演中的作用没有更深入的探讨，需要定量的计算结果。本文通过对2011年3月欧洲Wettzell和Medicina站、日本Mizusawa和Kamioka站、中国新竹站、Whan站和拉萨站等7个超导重力站的观测数据进行预处理，得到重力改正值，并对震前带通滤波重力数据和同期地震活动性进行分析，得到日本东北地区震前重力异常扰动。对地震前后的重力值进行低通滤波，拟合重力变化趋势，对比得到地震引起的同震重力变化。这次地震引起的同震重力变化用球位错理论模拟计算[16-18]。该理论采用的地球模型考虑了地球的曲率、自重和层状结构，更接近真实地球，模拟的形变结果更精确[19-20]，以此来检验超导重力观测值。通过分析超导重力仪探测到的地震前和地震中的重力变化，进一步证明了超导重力数据的高精度和稳定性。
1超导重力数据的预处理
GGP项目中的超导重力仪分布在世界各地。本研究利用2011年3月图1中分布在日本、中国和欧洲的7个超导重力站的连续重力数据进行预处理，分析了地震前和地震中检测到的重力变化。地震引起的同震重力变化在较远的地区很小，那里的台站很难提取到同震重力信号。因此，在计算同震变化时，本文只选取日本的水泽站和神冈站，中国的新竹站、Whan站和拉萨站进行分析。每个站点的位置、来源和CMT解如图1所示。
图1超导重力观测站的位置(黑三角)和2011年日本东北大地震(Mw9.0)及其CMT解图1超导重力站(黑三角)和2011年日本东北冲地震(Mw 9.0)的位置和CMT解
图形选项
超导重力仪的观测精度很高，其二次采样数据可以清晰地显示地震前不同频段的信号特征[13]。本文利用7个超导台站的观测数据进行计算分析，验证了超导重力数据的准确性和稳定性，以及在地震研究中的作用。地震信号分析前，需要对超导原始观测数据进行预处理，使用国际公认的超导重力数据处理软件Tsoft[21]进行处理。以Wettzell站2011年3月1日至2011年3月31日的观测数据为例，其预处理结果如图2所示。图2(a)是经过尖峰和突跃修正的原始重力观测值，图2(b)是这一时期的理论合成潮汐值，图2(c)是大气压力修正值。本文采用大气导纳常数(-0.3310-8ms-2/mbar)计算大气压力重力效应，图2(d)为扣除潮汐、潮汐和大气压力后的大气压力重力效应计算。用同样的方法对其他六个超导台站的数据进行预处理，得到重力改正值。
图2湿策勒站超导重力预处理结果图2湿策勒站超导重力数据预处理结果
图形选项
地震前重力异常扰动的检测与分析
经潮汐、气压、仪器漂移等改正的重力值。可以显示不同频段的不同信号。0.10Hz以下和0.18Hz以上的频带反映地震波信号和非构造信息。0.10~0.18Hz频段的信号在保留重力异常扰动信息的同时，能在很大程度上压制地震波信号[13，22]，0.20~0.25Hz频段的信号反映了与台风有关的扰动信息。为了获得最佳频段的重力异常扰动信息，对超导重力数据进行了功率谱密度分析，发现震前重力异常扰动的优势频段为0.12~0.18Hz，与前人得到的优势频段接近[13，22]。以韦特泽尔台为例，该台基本不含同震信号干扰，其重力校正值如图3(a)所示。同时，欧洲及其周边地区没有大地震，除了一次4.4级地震，基本都在3级左右或3级以下。超导重力仪探测到的信号幅度与地震能量成正比，与震中距成反比，一次5级地震释放的能量相当于1000次3级地震的能量。一个超导站受到1000公里处5级地震的影响与1公里处3级地震的影响一样大。地球上最大距离约20000km，对应星等的能量呈指数变化。日本距离韦特泽尔站不到10000km，因此日本5级地震对该站的影响要比距离欧洲10km的3级地震大得多。地震发生前，日本发生过多次5级以上地震(图4(a))。因此，韦特泽尔台地震前的高频波动主要来自日本地震，欧洲地震对该台没有明显影响。同样，这一时期其他地区的地震影响也是显著的。用功率谱密度和带通滤波分析了韦特泽尔站的重力改正值。结果表明，其能量集中在0.1Hz频带以下(图3(b))，主要是地震波信号。不同频段的带通滤波结果表明，主频带((0.12 ~ 0.18hz)(图3(c))的震前异常扰动最大振幅比非主频带((0.18 ~ 0.25hz)(图3(d))至少高一个数量级。图3(c)显示，从3月7日12: 00开始，振幅明显增大，3月9日2: 45日本发生7.3级地震后，振幅继续增大，最大值约为1610-8m/s2。3月10日以后，振幅一直保持在810-8m/s2左右，直到地震发生，这可能与地震前缓慢的应力积累过程有关。当压力积累到一定程度时
2011年3月，日本岛附近发生2861次Mb4级地震。除去主震，震级较大的地震有3次，分别是震前3月9日2时45分的7.3级地震、震后3月11日6时15分的7.9级余震和震后6时25分的7.7级余震。大多数地震都在5级左右，相应的震级和位置如图4所示。日本东北主震前，该地区地震相对较少(图4(a))，这对震前重力异常扰动的分析非常有利。水泽站离震中最近。该站从主震时开始断电，然后进行震后恢复、线圈调整和冷头调整。数据记录于3月25日恢复。GGP网站没有提供该站的第二次采样数据，因此地震前的重力异常分析被停止。本文对3月5日20时至3月11日5时45分神冈站、Whan站、拉萨站、Wettzell站和Medicina站的重力值，在震前优势频段(0.12Hzf0.18Hz)进行了带通滤波，如图5所示。图5(a)-图5(f)分别对应神冈台、Whan台、拉萨台、Wettzell台、Medicina台震前重力异常扰动的滤波结果，以及主震前4级及以上地震活动。
图5超导重力数据探测到的震前重力异常图5超导重力数据探测到的震前重力异常
图形选项
从图5可以看出，3月7日12: 00以后，5个超导台站的重力值振幅明显增大，欧洲超导台站监测到的异常扰动信号在震前更加明显。如图5中Wettzell站和Medicina站的滤波结果所示，最大振幅分别达到1610-8m/s2和2810-8m/s2，最大振幅发生在7.3级地震之前。但从3月9日21: 24，6.5级地震后到主震(T0)，所有发生的地震都小于6.0级，图中没有出现大的振幅波动，说明滤波结果对小于6.0级的地震不敏感，而欧洲附近同时发生的小于4级的地震很少。表明带通滤波结果主要是日本东北地震主震前的重力异常扰动信号，发生在震前约89小时。其他三个台站个别地震高频扰动信号相对较大，但震前异常扰动幅度不大。Lhsa台的震前异常扰动幅度相对最大，为110-8m/s2，而同期拉萨台周围没有明显的地震活动。最大的地震是3月10日4时58分发生在中缅边境的5.5级地震。这个时间点只有高频扰动，振幅没有增大，说明这次地震。这一现象说明地震前震源区的物质状态发生了一定程度的移动或变化，从而扰动了重力场，具体的物理机制有待于进一步的定量研究。但在很久以前，断层破裂试验也证实了从缓慢滑动到快速破裂的类似过程，反映了孕震过程的一个侧面。实际的孕震过程极其复杂，与地球内部介质、应力分布等因素有关。同时，结果表明，欧洲台站探测到的震前扰动幅度大于日本和中国台站探测到的震前扰动幅度，这与以往震前重力异常的结果[13]相当一致。虽然日本和中国的台站距离震中较近，但并非所有地区都能检测到同样的异常，这可能与断层系统的几何结构有关。不同的断层系统具有不同的物理形变场演化，其震前扰动特征明显不同[24]
3同震重力变化的检测和理论重力值的比较
超导重力观测数据不仅可以探测到震前的重力扰动，还可以探测到地震引起的同震重力变化[14]，特别是在附近没有其他地震的情况下，探测结果会更加可靠。Wettzell站和Medicina站距离本次地震震中非常远，几乎检测不到同震变化，这里就不考虑了。为了尽可能地避开高频信号，本文使用了水泽站、神冈站、新竹站、Whan站和拉萨站五个超导台站的分钟采样数据，对校正后的重力值进行低通滤波，以拟合地震前后的重力趋势。两者的区别在于地震引起的同震重力变化。神冈站、新竹站、Whan站、拉萨站都记录了3月1日至3月31日的相应观测数据。由于这一时期日本岛附近地震较多，为了尽量减少非主震的影响，利用地震前1d和地震后10d的数据进行最小二乘拟合，得到相应的重力趋势，计算出各台站的同震重力变化值，如图6所示。水泽站在地震后因停电而丢失数据，3月25日恢复正常。所以3月25日以后的数据只能用来拟合震后的形变结果，图形不再显示。
图6超导重力仪探测到的同震重力变化图6超导重力仪探测到的同震重力变化
图形选项
根据弹性球面地球位错理论[18]，计算了这次地震引起的同震重力变化。该位错理论使用的地球模型最接近真实地球，地球的径向层状结构采用PREM模型[26]。根据位错理论中给出的格林函数计算空间定点的重力变化和地球表面的垂直位移，采用公式(1)可以得到地球表面重力变化的理论值g(1)，其中(r，，)为空间定点的重力势；Ur(R，，)为计算点的径向位移；是自由空气的重力梯度；r是地球的半径；是经度；是补纬。本文采用美国USGS网站公布的点源CMT解计算了5个超导观测站的重力和位移变化，不同位置的自由空气重力梯度值略有不同。这里统一使用3.0810-6s-2。超导台站的基本情况、重力观测值和理论计算值见表1。
表1超导重力站基本信息、重力观测值和理论计算值表1超导重力站信息和观测到的理论重力变化
电台名称
经度
纬度
海拔/米
中心距离/公里
同震重力值/(10-8m/s2)
超导观测
理论计算
水泽站
141.133东经
北纬39.133度
105.0
140.2
216.0
223.1
神冈站
东经137.308度
北纬36.425度
358.0
494.9
60.0
41.4
新竹站
120.986东经
北纬24.793度
87.6
2515.6
5.1
9.1
Whan车站
东经114.490度
北纬30.516度
80.0
2691.3
0.45
5.6
拉萨站
东经91.035度
北纬29.645度
3638.4
4774.0
-0.23
4.2
表格选项
从表1可以看出，超导重力的观测值与位错理论计算值非常接近，但由于计算方法、震源CMT解反演精度、地形效应、余震等因素的影响，两者之间存在一定偏差。三泽台距离震中最近，但缺少震后3月11日至3月24日的数据。因此，该台监测到的同震重力变化不受该时段余震和其他地震的影响，特别是主震后7.7级和7.9级的余震。与神冈站相比，水泽站的观测值更接近理论值。我国地震引起的近场同震形变比远场形变更接近理论值，因此近场形变可以作为高精度断层反演研究的约束条件。现在空间重力GRACE数据已经应用于断层反演研究[27-28]，高精度的地面连续重力数据也可以为这种反演提供条件约束。这
本文利用2011年3月日本、中国和欧洲的七个超导重力站，水泽站、神冈站、新竹站、Whan站、拉萨站、Wettzell站和Medicina站的数据，对潮汐和气压进行预处理和改正，并对改正后的重力值进行滤波。结合对日本岛附近和欧洲同时发生的几次地震的分析，用最小二乘法提取了2011年日本东北大地震(MW同时超导重力观测到的同震重力变化，并与球位错理论值进行了比较。本文的结果证明了宽频带超导重力数据在高频和低频信号中都具有很高的精度和稳定性。通过对震前校正后的重力数据进行滤波，发现震前0.12Hzf0.18Hz频段的结果基本上完全压制了地震波信号，最大限度地显示了重力异常扰动信息。虽然日本同期地震较多，但大多震级在5级左右，滤波后的重力数据对5级以下的地震不敏感，因此得出结论，震前重力扰动主要是日本东北大地震主震引起的。结果表明，重力异常扰动在震前89小时出现，其中欧洲的韦茨泽尔站和梅迪西纳站的震前扰动较为明显，最大振幅分别达到1610-8和2810-8m/s2。远离震中地区的超导重力仪可以分离地震引起的高频地震波信号，但不一定能探测到同震重力变化。通过比较5个超导台站的同震重力观测值和理论计算值，发现它们非常接近，特别是近场结果可以作为断层滑动模型反演的约束条件。同震重力变化的绝对值与震中距成反比，近场台站的观测值比远场台站的观测值更接近理论计算值。与近场相比，远场的同震形变很小。由于地形、余震等不确定因素，拉萨台观测值与理论值的符号甚至相反。
作者简介
第一作者简介：董洁(1987—)，女，博士，副研究员，研究方向为地震大地测量学。电子邮件： dongjie@casm.ac.cn
初审：张艳玲
点评：宋
终审判决：金俊。
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