基于GRACERL05数据探测汶川MS8.0地震的震前和同震重力变化

基于GRACERL05数据探测汶川MS8.0地震的震前和同震重力变化摘要：利用GRACE卫星RL05月重力场模型数据，采用去相关和300km半径的高斯平滑滤波，获取了2008年汶川MS8.0地震的震前和同震重力变化，以及震中周边4个特征点的重力变化时间序列。最后利用最小二乘拟合方法计算了震前震中附近区域的重力变化年变率。结果表明，GRACE卫星观测到的同震重力变化约为-3~3，震前震中附近区域的重力变化率约为-1.5~1/a；各特征点的相对重力变化总体呈“减小-增大（发震）-减小”的特点。关键词：GRACE；汶川MS8.0地震；震前和同震重力变化0引言2008-5-1214:28中国四川省汶川县发生MS8.0特大地震，研究表明，这是一次以逆冲为主、兼少量右旋走滑分量的地震，断层向西北方向倾斜，走向为229°(陈云泰等，2009)。地震孕育过程中，震源区附近的介质密度变化和地壳形变必然会产生重力场的变化。汶川地震发生后，许多学者基于地面重力观测数据对该地震进行了深入研究。祝意青（2008,2009）利用重复地面重力资料对汶川MS8.0地震做出了较好的中期预测，并系统分析了区域重力场时空动态演化特征与龙门山断裂带构造活动及与汶川地震的关系；申重阳（2009）基于地面流动重力数据以及GPS等数据，分析研究了重力场动态变化特征和汶川地震孕育机理。另外，有些学者基于GRACE卫星数据对汶川大地震进行了研究。王武星（2010）结合区域构造运动特点和GPS位移，对GRACE观测的时变重力场特征及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论；邹正波（2013）利用GRACE卫星资料，计算了中国大陆及周缘地区在汶川地震前后两年的重力变化；陈国雄（2012）利用小波多尺度分析方法对汶川及周边地区的GRACE卫星时变重力场进行了分解，得到了不同深度的重力场细节和逼近。本文基于最新发布的GRACE卫星RL05数据，采用去相关和300km半径的高斯平滑滤波，成功提取了汶川MS8.0地震的震前和同震重力变化，为研究该地震孕震过程和发震机理提供了地球动力学依据。11数据及处理方法1.1数据来源采用美国德克萨斯大学空间研究中心（UTCSR）公布的2004.05~2010.05共73个最大阶数为60阶的RL05月重力场模型数据，该模型已扣除了大气、海洋的非潮汐部分影响以及固体潮、极潮、海潮的潮汐部分影响。1.2处理方法由GRACE重力场模型计算椭球面上的重力场变化公式可表达为（邢乐乐，2010；Hofmann-WellenhofB，2006）：式中，GM为地心引力常数；R为地球平均半径；分别为地心余纬度和地心经度；为椭球面上一点的矢径，分别为参考椭球的长半轴和扁率；N为展开的最高阶数；、为完全规格化的引力位异常系数；为完全规格化的勒让德函数。为了消除GRACE卫星重力场图像中的南北异常条带现象以及重力场模型中位系数奇偶阶之间的相关性，本文采用了300km高斯平滑滤波以及P3M6方法进行去相关处理（ChenJL，2007）。2结果分析2.1震前和同震重力变化为尽可能避免季节性区域水文特征影响，采用常规叠积法计算了2004~2009年每年1~4月份平均重力场的差分变化，见图1（红色五角星代表MS8.0地震的震中）。从图1(a~d)可知：1)2005年相较于2004年，震中东部以及西部呈现大范围的重力正值变化，其余呈现重力负值变化，并且震中以西的正变化区呈现近似菱形，这与祝意青[3]通过地面重力观测得到的2002~2005年川滇菱形块体呈重力正值变化是相似的。只不过由于GRACE卫星的空间分辨率以及数据处理方式的原因，GRACE卫星观测到的重力正变化区数值更小，且范围更大。2)2006年相较于2005年，震中及附近区域重力变化非常剧烈，上期的菱形正值变化区转为急剧负值变化，震中以东的重力正值变化减缓。3)2007年相较于2006年，研究范围内整体重力变化不大，震中东北部由上期的正值变化转为负值变化，震中东南部的正值变化加剧，而震中以西的负值变化减缓。4)2008年相较于2007年，震中西南部的正值变化加剧，震中东北部由上期的负值转为正值变化，震中东南部由上期的正值变化转为负值变化。由图1(e)可知:1)发生地震后，2009年相较于2008年，整个研究范围重力呈现完全的反转变化。2)GRACE卫星实际检测到的同震重力变化为-3~3。3)整个区域同震重力变化呈现明显的正负四象限分布，其西北与东南呈负正值变化，西南与东北呈负值变化，地震发生在正负四象限的交界部位。(a)2005-2004(b)2006-2005(c)2007-2006(d)2008-2007(e)2009-2008图1GRACE卫星检测到的震前与同震重力变化(单位：)Fig.1PreseismicandCoseismicGravityChangesDetectedbyGRACE(unit:)2.2特征点的重力变化为了分析此次地震的震前和同震时间序列重力变化，我们在四象限正负异常区选取了A(109°E,36°N)、B(97°E,28°N)、C(105°E,25°N)、D(91°E,32°N)四个特征点作为计算点(见图1（e）)。通过计算获取各点位从2004.05~2010.05(不包含地震发生的2008年5月)的月重力变化时间序列（图2）。从图2可以看出，这些形变时间序列有较好的周期性特征，这主要是由于降水等季节性气候变化引起的。为了更清楚得分析与地震相关的重力变化信号，采用最小二乘拟合方法，去除其中包含的年、半年周期项信号以及S2潮汐波的影响，获取新的重力变化时间序列（图3）。图2各特征点的重力变化时间序列(单位：)Fig.2GravityChangesatPointsA,B,CandD(unit:)图3各特征点的非季节性重力变化时间序列(单位：)Fig.3Non-seasonalGravityChangesatPointsA,B,CandD(unit:)从图3可知：1)所选点位的重力变化总体呈现一个显著特点，即各点在发生地震前后数年均经历了重力减小-转折增大-发震-转折减小的过程，这个特点与唐山地震（李瑞浩等，1997）前的重力变化相似。2)位于沉降区的A点和B点地震后便发生重力转折下降变化，而位于隆升区的C点和D点地震后延续以往的重力增长变化趋势，直到2009年才开始转为下降变化，这可能和震后断层的余滑作用以及震后粘滞调整有关。3)B点在2005年4月份有一个趋势性的转折变化，其余3个特征点（比如图3(d)中的D点）则没有此变化。2005-3-29苏门答腊岛附近海域发生MW8.7大地震，由于B点位于发生苏门答腊MW8.7地震的滇缅地块与青藏地块的交接部位，所以上述趋势性的转折变化可能是由于苏门答腊MW8.7地震的远场同震效应造成的。另外，从图3(b)中也可以看出，GRACE卫星探测到的苏门答腊MW8.7地震的远场同震重力变化约为2。2.3震前重力长期变化趋势鉴于重力年变率在探测强震中的应用，本文计算了震前4a（2004.05~2008.04）研究区域的重力年变率（图4）。从图4可以看出：地震前，震中以西及东北大部分区域呈重力负值变化，震中以南大部分区域及西北呈重力正值变化，其中重力负变化最大速率发生在震中以西约为-1.5，重力正变化最大速率发生在震中西南约为1。重力长期变化率很好地反映了汶川地震孕育、发展的深层动力过程：青藏高原内部的地壳物质在应力的作用下向东扩展，由于受到强硬的四川盆地的阻挡，中下地壳物质向四川盆地以北和以南地区迁移（祝意青等，2009），导致地下物质密度增加，最终使震中西北及西南大部分区域产生重力上升变化；青藏高原由于物质的流出，导致地下密度减小，所以震中以西的大部分区域呈现重力下降变化；而四川盆地相对稳定，所以在震中以东大部分区域重力变化不明显。图4震前重力年变率(单位：)Fig.4PreseismicGravityChangesRates(unit:)3结语GRACE卫星清楚地探测到了汶川MS8.0地震的隆升与沉降区的同震重力变化，这说明GRACE卫星具备探测此类地震的能力。重力长期变化率清晰地反映了地震孕育、发展过程中由于地下物质流动所导致的重力变化前兆信息。各特征点所经历的“减小-增大（发震）-减小”相对重力异常变化较好地反映了汶川地震孕育发生过程中的时序进程变化。感谢美国德克萨斯大学空间研究中心（UTCSR）提供本文计算所需的GRACE月重力场模型数据。参考文献:陈运泰,许力生,张勇,等.汶川特大地震震源特性分析报告[C]//纪念汶川地震一周年—抗震减灾专题学术讨论会,2009.祝意青,梁伟锋,徐云马.重力资料对2008年汶川Ms8.0地震的中期预测[J].国际地震动态,2008(7):36-39.祝意青,徐云马,吕弋培,等.龙门山断裂带重力变化与汶川8.0级地震关系研究[J].地球物理学报,2009,52(10):2538-2546.申重阳,李辉,孙少安,等.重力场动态变化与汶川Ms8.0地震孕育过程[J].地球物理学报,2009,52(10):2547-2557.王武星,石耀霖,顾国华,等.GRACE卫星观测到的与汶川Ms8.0地震有关的重力变化[J].地球物理学报,2010,53(8):1767-1777.邹正波,李辉,康开轩,等.汶川地震与卫星重力变化[J].大地测量与地球动力学,2013(S1):5-7.陈国雄,孙劲松,刘天佑.GRACE卫星时变重力场的小波多尺度分解——以2008年汶川Ms8.0大地震为例[J].武汉大学学报:信息科学版,2012,37(6):679-682.邢乐林,李辉,周新,等.GRACE卫星重力观测在强震监测中的应用及分析[J].大地测量与地球动力学,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,黄建梁,李辉,等.唐山地震前后区域重力场变化机制[J].地震学报,1997,19(4):399-407.Pre-seismicandCo-seismicGravityVariationoftheWenchuanMS8.0EarthquakeDetectedbyGRACERL05DataAbstractTheUTCSRGRACERL05monthlygravityfieldmodelsareprocessedbyusingde-correlationand300kmradiusGaussiansmoothing,andthepre-seismicandco-seismicgravityvariationofWenchuanMS8.0earthquakeareextractedsuccessfully.Besides,timeseriesofgravityvariationof4characteristicpointsaroundtheepicenterarecalculatedbythesamemethod.Finally,Pre-seismicgravityvariationratesaroundtheepicenterarecalculatedbyusingleastsquares.Theresultsshowthatco-seismicgravityvariationabout-3~3，