基于GRACERL05數(shù)據(jù)探測(cè)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(cè)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(chǎng)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(gè)特征點(diǎn)的重力變化時(shí)間序列。最后利用最小二乘擬合方法計(jì)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(cè)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(diǎn)的相對(duì)重力變化總體呈“減小-增大（發(fā)震）-減小”的特點(diǎn)。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(guó)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?yàn)?29°(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(huì)產(chǎn)生重力場(chǎng)的變化。汶川地震發(fā)生后，許多學(xué)者基于地面重力觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該地震進(jìn)行了深入研究。祝意青（2008,2009）利用重復(fù)地面重力資料對(duì)汶川MS8.0地震做出了較好的中期預(yù)測(cè)，并系統(tǒng)分析了區(qū)域重力場(chǎng)時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征與龍門山斷裂帶構(gòu)造活動(dòng)及與汶川地震的關(guān)系；申重陽(yáng)（2009）基于地面流動(dòng)重力數(shù)據(jù)以及GPS等數(shù)據(jù)，分析研究了重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化特征和汶川地震孕育機(jī)理。另外，有些學(xué)者基于GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)汶川大地震進(jìn)行了研究。王武星（2010）結(jié)合區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和GPS位移，對(duì)GRACE觀測(cè)的時(shí)變重力場(chǎng)特征及汶川地震的動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行了初步解釋和討論；鄒正波（2013）利用GRACE衛(wèi)星資料，計(jì)算了中國(guó)大陸及周緣地區(qū)在汶川地震前后兩年的重力變化；陳國(guó)雄（2012）利用小波多尺度分析方法對(duì)汶川及周邊地區(qū)的GRACE衛(wèi)星時(shí)變重力場(chǎng)進(jìn)行了分解，得到了不同深度的重力場(chǎng)細(xì)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(jī)理提供了地球動(dòng)力學(xué)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(guó)德克薩斯大學(xué)空間研究中心（UTCSR）公布的2004.05~2010.05共73個(gè)最大階數(shù)為60階的RL05月重力場(chǎng)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(chǎng)模型計(jì)算橢球面上的重力場(chǎng)變化公式可表達(dá)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(diǎn)的矢徑，分別為參考橢球的長(zhǎng)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(chǎng)圖像中的南北異常條帶現(xiàn)象以及重力場(chǎng)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(jìn)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(jì)算了2004~2009年每年1~4月份平均重力場(chǎng)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(fù)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(cè)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(cè)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(fù)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(fù)值變化，震中東南部的正值變化加劇，而震中以西的負(fù)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(fù)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(fù)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(gè)研究范圍重力呈現(xiàn)完全的反轉(zhuǎn)變化。2)GRACE衛(wèi)星實(shí)際檢測(cè)到的同震重力變化為-3~3。3)整個(gè)區(qū)域同震重力變化呈現(xiàn)明顯的正負(fù)四象限分布，其西北與東南呈負(fù)正值變化，西南與東北呈負(fù)值變化，地震發(fā)生在正負(fù)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(cè)到的震前與同震重力變化(單位：)Fig.1PreseismicandCoseismicGravityChangesDetectedbyGRACE(unit:)2.2特征點(diǎn)的重力變化為了分析此次地震的震前和同震時(shí)間序列重力變化，我們?cè)谒南笙拚?fù)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(gè)特征點(diǎn)作為計(jì)算點(diǎn)(見圖1（e）)。通過計(jì)算獲取各點(diǎn)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(shí)間序列（圖2）。從圖2可以看出，這些形變時(shí)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(hào)，采用最小二乘擬合方法，去除其中包含的年、半年周期項(xiàng)信號(hào)以及S2潮汐波的影響，獲取新的重力變化時(shí)間序列（圖3）。圖2各特征點(diǎn)的重力變化時(shí)間序列(單位：)Fig.2GravityChangesatPointsA,B,CandD(unit:)圖3各特征點(diǎn)的非季節(jié)性重力變化時(shí)間序列(單位：)Fig.3Non-seasonalGravityChangesatPointsA,B,CandD(unit:)從圖3可知：1)所選點(diǎn)位的重力變化總體呈現(xiàn)一個(gè)顯著特點(diǎn)，即各點(diǎn)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(gè)特點(diǎn)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(diǎn)和B點(diǎn)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(diǎn)和D點(diǎn)地震后延續(xù)以往的重力增長(zhǎng)變化趨勢(shì)，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(diǎn)在2005年4月份有一個(gè)趨勢(shì)性的轉(zhuǎn)折變化，其余3個(gè)特征點(diǎn)（比如圖3(d)中的D點(diǎn)）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(diǎn)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(shì)性的轉(zhuǎn)折變化可能是由于蘇門答臘MW8.7地震的遠(yuǎn)場(chǎng)同震效應(yīng)造成的。另外，從圖3(b)中也可以看出，GRACE衛(wèi)星探測(cè)到的蘇門答臘MW8.7地震的遠(yuǎn)場(chǎng)同震重力變化約為2。2.3震前重力長(zhǎng)期變化趨勢(shì)鑒于重力年變率在探測(cè)強(qiáng)震中的應(yīng)用，本文計(jì)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(fù)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(fù)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(zhǎng)期變化率很好地反映了汶川地震孕育、發(fā)展的深層動(dòng)力過程：青藏高原內(nèi)部的地殼物質(zhì)在應(yīng)力的作用下向東擴(kuò)展，由于受到強(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)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(duì)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(yǔ)GRACE衛(wèi)星清楚地探測(cè)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(cè)此類地震的能力。重力長(zhǎng)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(dòng)所導(dǎo)致的重力變化前兆信息。各特征點(diǎn)所經(jīng)歷的“減小-增大（發(fā)震）-減小”相對(duì)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(shí)序進(jìn)程變化。感謝美國(guó)德克薩斯大學(xué)空間研究中心（UTCSR）提供本文計(jì)算所需的GRACE月重力場(chǎng)模型數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn):陳運(yùn)泰,許力生,張勇,等.汶川特大地震震源特性分析報(bào)告[C]//紀(jì)念汶川地震一周年—抗震減災(zāi)專題學(xué)術(shù)討論會(huì),2009.祝意青,梁偉鋒,徐云馬.重力資料對(duì)2008年汶川Ms8.0地震的中期預(yù)測(cè)[J].國(guó)際地震動(dòng)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(jí)地震關(guān)系研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2009,52(10):2538-2546.申重陽(yáng),李輝,孫少安,等.重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化與汶川Ms8.0地震孕育過程[J].地球物理學(xué)報(bào),2009,52(10):2547-2557.王武星,石耀霖,顧國(guó)華,等.GRACE衛(wèi)星觀測(cè)到的與汶川Ms8.0地震有關(guān)的重力變化[J].地球物理學(xué)報(bào),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(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2013(S1):5-7.陳國(guó)雄,孫勁松,劉天佑.GRACE衛(wèi)星時(shí)變重力場(chǎng)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(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2012,37(6):679-682.邢樂林,李輝,周新,等.GRACE衛(wèi)星重力觀測(cè)在強(qiáng)震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),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(chǎng)變化機(jī)制[J].地震學(xué)報(bào),1997,19(4):399-407.Pre-seismicandCo-seismicGravityVariationoftheWenchuanMS8.0EarthquakeDetectedbyGRACERL05DataAbstractTheUTCSRGRACERL05monthlygravityfieldmodelsareprocessedbyusingde-correlationand300kmradiusGaussiansmoothing,andthepre-seismicandco-seismicgravityvariationofWenchuanMS8.0earthquakeareextractedsuccessfully.Besides,timeseriesofgravityvariationof4characteristicpointsaroundtheepicenterarecalculatedbythesamemethod.Finally,Pre-seismicgravityvariationratesaroundtheepicenterarecalculatedbyusingleastsquares.Theresultsshowthatco-seismicgravityvariationabout-3~3，