2011年3月11日日本東北-近海M9.0地震之前的地表位移＊

陳界宏 溫士忠 劉正彥 服部克巳 韓 鵬芳原容英 汪中和 葉大綱 顏宏元

1）國立中正大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)系，嘉義621

2）國家地震工程研究中心，臺(tái)北106

3）國立中央大學(xué)太空科學(xué)研究所，中壢320

4）太空及遙測研究中心，國立中央大學(xué)，中壢320

5）千葉大學(xué)科學(xué)研究生院，稲毛，千葉263-8522，日本

6）電氣通信大學(xué)信息工程研究院通信工程及信息學(xué)系，調(diào)布，東京，日本

7）電氣通信大學(xué)地震電磁研究站，調(diào)布，東京，日本

8）中央研究院地球科學(xué)研究所，臺(tái)北115

9）國立臺(tái)北大學(xué)不動(dòng)產(chǎn)與城鄉(xiāng)環(huán)境學(xué)系，新臺(tái)北237

10）國立中央大學(xué)地球物理研究所，中壢320

研究快訊

2011年3月11日日本東北-近海M9.0地震之前的地表位移＊

陳界宏1）溫士忠2）劉正彥3，4）服部克巳5）韓 鵬5）芳原容英6，7）汪中和8）葉大綱9）顏宏元10）

1）國立中正大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)系，嘉義621

2）國家地震工程研究中心，臺(tái)北106

3）國立中央大學(xué)太空科學(xué)研究所，中壢320

4）太空及遙測研究中心，國立中央大學(xué)，中壢320

5）千葉大學(xué)科學(xué)研究生院，稲毛，千葉263-8522，日本

6）電氣通信大學(xué)信息工程研究院通信工程及信息學(xué)系，調(diào)布，東京，日本

7）電氣通信大學(xué)地震電磁研究站，調(diào)布，東京，日本

8）中央研究院地球科學(xué)研究所，臺(tái)北115

9）國立臺(tái)北大學(xué)不動(dòng)產(chǎn)與城鄉(xiāng)環(huán)境學(xué)系，新臺(tái)北237

10）國立中央大學(xué)地球物理研究所，中壢320

本研究利用1 243個(gè)架設(shè)于日本地面的GPS臺(tái)站所取得的每日地表位移資料，來揭示2011年3月11日毀滅性的M9東北-近海地震前的地表位移。研究中用HHT（希爾伯特-黃）帶通濾波扣除長期板塊運(yùn)動(dòng)、短期噪音及與頻率相關(guān)的變化的影響，所得的殘余位移資料與東北-近海地震相關(guān)的震源機(jī)制參數(shù)進(jìn)行比對(duì)。分析結(jié)果顯示，由殘余地表位移推斷出的南向運(yùn)動(dòng)與東北-近海地震斷層的走向一致，并且在震前第65天變得尤為明顯。這項(xiàng)觀測顯示剪應(yīng)力在東北-近海地震的潛伏期非常重要。在震前第47天，西向的地殼運(yùn)動(dòng)與最大水平壓應(yīng)力軸的角度一致，該向西運(yùn)動(dòng)范圍涵蓋了整個(gè)日本，并在距離震中75km的地方形成了一塊受阻的區(qū)域（42°N，142°E）。本研究還將水平位移與從殘余GPS資料得到的垂直位移結(jié)合構(gòu)建全面的圖像，用來判斷俯沖帶破壞性地震的地表形變。

地表位移；全球定位系統(tǒng)；希爾伯特-黃變換；東北-近海地震

引言

日本坐落在環(huán)太平洋地震帶的西北緣。五大板塊間強(qiáng)烈的相互運(yùn)動(dòng)（即歐亞大陸板塊、阿穆爾板塊、鄂霍次克海板塊、太平洋板塊、菲律賓海板塊；見圖1）［1-3］形成復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，并且產(chǎn)生了許多毀滅性的地震。在2011年3月11日05：46：18UT，一個(gè)毀滅性的9級(jí)地震發(fā)生在日本本州島的東北海岸，宮城縣附近（38.10°N，142.86°E）。這個(gè)地震發(fā)生在鄂霍次克海板塊和太平洋板塊的邊界，被科學(xué)家們稱為東北-近海地震。震源機(jī)制解顯示東北-近海地震是逆沖型地震，斷層走向?yàn)?02°，傾角為10°，斜度為90°［4］。許多研究報(bào)告指出，同震位移主要在日本的東部（即≥139°E）［59］。日本海上保安廳估計(jì)此次同震位移是東向22m，南向10m［10］。海底強(qiáng)烈的同震位移引起了巨大的海嘯，并奪走了超過10 000人的生命［11］。

圖1 日本1 243個(gè)GPS臺(tái)站的位置。本文使用的GPS臺(tái)站（紅點(diǎn)）標(biāo)于地表高程底圖之上，震源機(jī)制從USGS報(bào)告中取得。根據(jù)Robinson和McGinty［12］的方法，主軸P（壓縮軸）大約為115°

GPS是一種觀測應(yīng)力擾動(dòng)導(dǎo)致地表形變的常見測量方法。Chen等［13］用20～150天周期的帶通濾波器，采用希爾伯特-黃轉(zhuǎn)換［1416］，以下簡稱HHT（譯者注），有效減小了噪音、長期板塊運(yùn)動(dòng)［17-21］、瞬間同震位移［22-23］以及來自于GPS連續(xù)數(shù)據(jù)半年及一年周期［24-27］所導(dǎo)致的影響，以此來適應(yīng)自然信號(hào)非線性及非穩(wěn)定的特性。Chen等［13］發(fā)現(xiàn)消除長期板塊運(yùn)動(dòng)的影響后，殘余地表形變的水平方向大多數(shù)情況下是隨機(jī)的。地震發(fā)生前混亂的方向會(huì)逐漸轉(zhuǎn)而趨于同一個(gè)相近的方向，且與即將發(fā)生的逆沖型地震的最大水平應(yīng)力軸角度一致。同時(shí)，這個(gè)方向與逆斷層的走向正交并且在震前和震后產(chǎn)生完全相反的旋轉(zhuǎn)，并與地震彈性回跳理論一致［28］。Chen等［29］使用臺(tái)灣100個(gè)GPS觀測站數(shù)據(jù)推導(dǎo)得到的殘余位移方向，構(gòu)建了地表殘余位移的時(shí)空地圖，用以全面了解孕震過程中的應(yīng)力擾動(dòng)。在臺(tái)灣的許多逆沖型地震中，能反復(fù)觀測到水平殘余運(yùn)動(dòng)與地震參數(shù)（即斷層走向、地震位置、最大壓應(yīng)力軸等）之間的一致性。同時(shí)，透過物理機(jī)制發(fā)現(xiàn)，1999年9月20日臺(tái)灣集集7.6級(jí)地震時(shí)，殘余位移的變化與地下水水位的上升及／或下降有關(guān)［30］。

本研究中，我們使用日本國土地理院的1 243個(gè)地面GPS臺(tái)站自2010年1月1日至2011年3月10日間的地表位移資料，檢驗(yàn)及了解東北-近海地震孕震過程中的應(yīng)力擾動(dòng)。由Chen等［13］提出的這個(gè)方法被應(yīng)用來消除所有臺(tái)站南北、東西和垂直3軸的GPS數(shù)據(jù)中的長期板塊運(yùn)動(dòng)、短期噪音以及與頻率（即半年及年周期）相關(guān)變化的影響。南北及東西方向的殘余GPS數(shù)據(jù)用來計(jì)算水平方向角的方向（即GPS方向角）。同時(shí)也分析了大量垂直方向的殘余GPS數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步結(jié)合水平方向角得到全面的圖像，并以此來比較東北-近海地震的震源機(jī)制參數(shù)及了解與俯沖帶地震相關(guān)的地殼運(yùn)動(dòng)的演化過程。

1 資料及分析

本研究使用自2010年1月1日至2011年3月10日間，自日本所取得的1 243個(gè)連續(xù)GPS觀測站數(shù)據(jù)，以避免東北-近海地震巨大的同震變化導(dǎo)致的影響。將取得的GPS數(shù)據(jù)通過HHT做周期為20～150天的帶通濾波，以得到殘余位移量。同時(shí)檢驗(yàn)震前90天到震前1天的GPS方位角與殘余垂直移動(dòng)量。為了解空間域內(nèi)與地震相關(guān)的應(yīng)力的擾動(dòng)，首先建立一個(gè)0.5°×0.5°的空間移動(dòng)窗。計(jì)算空間移動(dòng)窗內(nèi)，每兩個(gè)觀測站之間的GPS方向角之差的平均。計(jì)算所得的GPS平均角度差的倒數(shù)，并用于建立GPS指數(shù)。因?yàn)殚L期板塊運(yùn)動(dòng)的影響已經(jīng)被消除，殘余位移方位角差的平均通常大約為90°（詳情請(qǐng)參看文獻(xiàn)［13］、［29］），GPS指數(shù)約等于0.011（＝1／90；圖2中的粉紅色）。當(dāng)與地震有關(guān)的應(yīng)力擾動(dòng)了近地表地殼時(shí)，混亂的殘余位移運(yùn)動(dòng)方向逐漸轉(zhuǎn)向趨于同一個(gè)相近的方向來適應(yīng)應(yīng)力負(fù)載。這些趨近同向的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了相對(duì)較小的平均差值及相對(duì)較大的GPS指數(shù)（圖3中的黃色）。此外，相對(duì)較小的GPS指數(shù)（0.011）也能出現(xiàn)在震前幾天，因?yàn)榕c地震相關(guān)的應(yīng)力的擾動(dòng)轉(zhuǎn)為彈性位能儲(chǔ)藏在地殼中，為將來的斷層破裂做準(zhǔn)備。另一方面，由相同空間移動(dòng)窗（即0.5°×0.5°）計(jì)算全部的臺(tái)站的垂直位移得出的平均數(shù)量，結(jié)合GPS的方向角以構(gòu)建3-D圖像以理解東北-近海地震的震前與該地震有關(guān)的構(gòu)造演化。

圖2 東北-近海地震震前GPS方向角的時(shí)空變化。陸地上的顏色（從黃色到粉色）表明GPS方向角（GPS指數(shù)）的平均差異的倒數(shù)，這些方向角為0.5°×0.5°的空間移動(dòng)窗，涵蓋所有GPS觀測站計(jì)算的結(jié)果。由于應(yīng)力積累，倒數(shù)值大于0.02（GPS方向角的平均差異小于50°；黃色），地表位移的方向及幅值用箭頭表示。用GPS方向角的中位數(shù)來計(jì)算幅值的方向。當(dāng)?shù)箶?shù)值小于0.02（粉色）時(shí)，GPS方向角的平均差異大于50°，表明空間區(qū)域內(nèi)GPS方向角的方向并不明確，地表位移的顯著方向無法被確定

2 觀測與解釋

圖2和圖3分別顯示了東北-近海地震震前第90天、第80天、第65天、第57天、第47天、第30天、第10天、第3天、以及第1天的GPS的水平殘余位移方向與垂直殘余位移量。

圖3 東北-近海地震震前殘余垂直位移的時(shí)空變化。陸地上的顏色（從藍(lán)色到紅色）表明垂直殘余位移的數(shù)量，這些位移經(jīng)歷過0.5°×0.5°的空間移動(dòng)窗（圖示里圖示顏色的解釋可參考本文的網(wǎng)絡(luò)版）

在東北-近海地震震前第90天到第80天之間，GPS水平殘余運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)隨機(jī)方向并產(chǎn)生約0.011（≈1°／90°）的GPS指數(shù)，這個(gè)指數(shù)幾乎覆蓋了整個(gè)日本。透過比較，殘余垂直位移出現(xiàn)輕微的上升和下沉（＜±1 mm）。分析結(jié)果表明，這個(gè)時(shí)間段在日本近地表地殼沒有顯著的與地震相關(guān)的應(yīng)力存在。在東北-近海地震前第80天到第65天時(shí)，隨機(jī)取向的GPS方位角逐漸朝向南方，導(dǎo)致GPS指數(shù)＞0.04（＝1°／25°）。這意味著，應(yīng)力繼續(xù)擾動(dòng)，并使得近地表地殼向南方移動(dòng)。需要注意的是，在垂直殘余位移部分，可以清晰地看到研究區(qū)域強(qiáng)烈隆起＞10 mm（圖3）。在東北-近海地震震前約第57天的時(shí)候，近水平的運(yùn)動(dòng)方向再一次變成任意方向，這顯示與地震相關(guān)的應(yīng)力擾動(dòng)的轉(zhuǎn)移。約在震前第47天，水平殘余位移的方向重新排列，并轉(zhuǎn)向西方運(yùn)動(dòng)，除了離震中約75km遠(yuǎn)的一個(gè)區(qū)域（42°N，142°E）。震前第65天觀察到的強(qiáng)烈隆起逐漸緩解，并在地震發(fā)生前47天的時(shí)候開始下沉。在震前第47天到第1天之間，水平殘余位移再次變得無方向性；垂直殘余位移，除了日本東北的一個(gè)區(qū)域（42°N，142°E）外，其余研究區(qū)域持續(xù)性輕微上升（1～4mm），直到東北-近海地震發(fā)生。值得一提的是，來自前震（M＝7.3，2011年3月9日）的劇烈影響，導(dǎo)致部分地區(qū)發(fā)生西向運(yùn)動(dòng)并且使整個(gè)日本板塊下沉（＜4mm），而這些都很快被隨后的M9東北-近海地震覆蓋了。

簡言之，東北-近海地震震前的應(yīng)力擾動(dòng)可分為4個(gè)階段。第一階段：從震前第90天至第80天，日本的地殼表面沒有顯著的應(yīng)力擾動(dòng)。第二階段：從震前第80天至第65天，水平殘余運(yùn)動(dòng)逐漸向南且地殼上升。第三階段：震前第65天至第47天，向南運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向向西并且地殼下沉。第四階段：震前第47天至第1天，應(yīng)力擾動(dòng)逐漸接近斷層破裂的臨界值。在這個(gè)階段，并沒有顯著的GPS方位角變化和垂直殘余的位移。Tsuru-ta等人［31］研究日本地表位移資料的時(shí)間序列變化，發(fā)現(xiàn)2011年1月水平分量有明顯的異常變化。原始數(shù)據(jù)中出現(xiàn)異常變化的時(shí)間（即2011年1月）與那些從殘余數(shù)據(jù)中得到的異常時(shí)間是一致的。

3 討論和結(jié)論

在第一階段中觀察到無特定方向的殘余位移，表明該研究區(qū)域沒有明顯的應(yīng)力擾動(dòng)，這與以前的研究［13，29］是一致的。在第二階段，GPS方位角約為160°～200°，這與斷層走向（202°）一致。其中從日本的西南、中部和東北部分可以發(fā)現(xiàn)殘余GPS的方位角分別朝向東南、南和西南方向。在同一時(shí)期，圖3顯示跨越鄂霍次克海和阿穆爾板塊的顯著隆起。這些分析結(jié)果表明，向南應(yīng)力主要作用在鄂霍次克海和阿穆爾板塊，被阻擋在鄂霍次克海和阿穆爾板塊的兩側(cè)和太平洋及菲律賓海板塊的某些地方。鄂霍次克海和阿穆爾板塊的抬升將分別減輕太平洋和菲律賓海板塊向下俯沖的荷載。盡管如此，地殼的隆起會(huì)降低鄂霍次克海和阿穆爾板塊的阻力和／或增加太平洋和菲律賓海板塊向下俯沖的移動(dòng)性。因此，從東北-近海地震震前的第57天開始，向南的應(yīng)力會(huì)迅速地朝西轉(zhuǎn)移，這對(duì)打破和／或解鎖兩個(gè)楔形板塊的初始狀態(tài)起了重要作用。

在第三階段中，GPS方位角的方向向西并與最大水平壓應(yīng)力的角度（約115°）一致［32］。近同向的水平運(yùn)動(dòng)包圍的無序取向的區(qū)域表明由應(yīng)力擾動(dòng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)在這個(gè)特定的區(qū)域（42°N，142°E）受阻。鄂霍次克板塊的西向運(yùn)動(dòng)以及輕微的下沉，表明了太平洋板塊在向下俯沖。沒有明顯的方向變化和微小的垂直位移，表示太平洋板塊的俯沖作用在第四階段受到阻擋。鄂霍次克板塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能被轉(zhuǎn)移或儲(chǔ)存為后續(xù)地震的彈性勢能。7.3級(jí)前震發(fā)生在東北-近海地震前2天，并且導(dǎo)致了鄂霍次克板塊的東向運(yùn)動(dòng)和劇烈的下沉。大地震引起的同震和震后效應(yīng)應(yīng)該保持很長一段時(shí)間［13，29］。然而，在7.3級(jí)前震的情況下，明顯的同震和震后效應(yīng)迅速減輕了。這種突然的減輕可能來自于即將到來的更大的9級(jí)地震，亦或來自于使用數(shù)據(jù)末端的邊界效應(yīng)。

值得一提的是，與地震參數(shù)（即斷層走向和最大水平壓應(yīng)力軸）相關(guān)的GPS方位角的涵蓋范圍要比利用同震效應(yīng)所估計(jì)的范圍大很多。Dobrovolsky等［33］利用地表形變構(gòu)建地震孕育區(qū)的半徑和震級(jí)大小之間的關(guān)系表明，一個(gè)9級(jí)的地震對(duì)應(yīng)的半徑約為7 400km。因此，觀察到的殘余位移不是因同震位移引起的，而是由于孕震區(qū)域內(nèi)應(yīng)力累積所引起的。觀測到的殘余位移主要是被東北-近海地震孕育過程中的大型地質(zhì)構(gòu)造演化影響所致。同時(shí)也考慮沿著俯沖區(qū)的速度結(jié)構(gòu)的斷層圖像，以及地殼形變，以此來檢驗(yàn)本研究中殘余位移的變化。速度結(jié)構(gòu)的斷層圖像可以通過P波和S波的到達(dá)時(shí)間來估計(jì)，是一種揭示地震產(chǎn)生機(jī)制的方法［34］。與東北-近海地震相關(guān)的大型逆沖區(qū)內(nèi)，能夠自北到南［35］和自西向東［36-37］觀測到顯著的速度結(jié)構(gòu)非均勻性。與地震相關(guān)的地表位移可能是由于地殼的不均勻性導(dǎo)致的，這在陸地利用空間高密集的GPS數(shù)據(jù)能觀察到。另一方面，沿著強(qiáng)烈地震俯沖帶的地殼形變的演化已被廣泛報(bào)道［38-42］。當(dāng)俯沖板塊被上覆板塊卡住，上覆板塊將受到擠壓（圖4）。這種相互作用導(dǎo)致上覆板塊主導(dǎo)邊緣被下拉，而內(nèi)部地區(qū)向上隆起。東北-近海地震震前的第三階段中，被西向運(yùn)動(dòng)所包圍的特定區(qū)域的隨機(jī)取向表明俯沖板塊被卡住了（見圖3和圖4）。垂直殘余位移引起的輕微下沉與板塊邊緣的向下拖拽是一致的（圖3）。當(dāng)沿著俯沖帶發(fā)生強(qiáng)烈地震后，被卡住的上覆板塊主導(dǎo)邊緣得到釋放，其背后的凸起也會(huì)下沉。由7.3級(jí)前震引起的垂直殘余位移中的劇烈的下沉，預(yù)計(jì)會(huì)伴隨著主導(dǎo)邊緣背后隆起部分的下沉。本研究中的觀測與前人的模型在時(shí)間和空間域上并不完全一致，但是沿俯沖板塊有關(guān)地震發(fā)生的地質(zhì)演化過程是一致的。

圖4 俯沖的東北-近海地震地質(zhì)演化示意圖

一般情況下，大地震（M＞7）的孕育需要很長的時(shí)間。而東北-近海地震及其前震的時(shí)間間隔極短（在同一區(qū)域內(nèi)只有2天），這也刷新了地震發(fā)生和／或地震周期的科學(xué)觀測記錄。然而，在這項(xiàng)研究中的分析顯示，當(dāng)GPS數(shù)據(jù)短期和長期的影響被減輕時(shí)，與地震有關(guān)的位移可能變得明顯和／或容易被觀測到。GPS方位角集中方向的現(xiàn)象不僅在日本東北-近海地震之前能夠觀測到，而且在臺(tái)灣地區(qū)的幾個(gè)5～7級(jí)地震前也能觀測到［13，29］。圖5顯示了2011年東北-近海地震和1999年集集地震前約85天，分別使用日本的GPS臺(tái)站（1 243個(gè)臺(tái)站）和臺(tái)灣的GPS臺(tái)站（15個(gè)臺(tái)站）計(jì)算的GPS指數(shù)的變化（參見附錄A和［30］），用于交叉比較。類似的GPS指數(shù)的變化能一致地被觀測到（即通常保持在較低的GPS指數(shù)，然后因與地震相關(guān)的應(yīng)力擾動(dòng)而突然增加，最后由于逐漸接近斷層破裂的臨界值而降低）。有趣的是，圖5表示，從GPS指數(shù)的峰值到地震發(fā)生得到的領(lǐng)先時(shí)間明顯地與地震震級(jí)大小成正比。9級(jí)東北-近海地震和7.6級(jí)集集地震的領(lǐng)先時(shí)間分別是震前68天和58天。另一個(gè)例子是發(fā)生在臺(tái)灣的5.1級(jí)地震，領(lǐng)先時(shí)間點(diǎn)是震前12天［13］。但是，對(duì)于領(lǐng)先時(shí)間和震級(jí)之間的關(guān)系，需要做更多的工作來獲得有意義的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖5 2011年東北-近海以及1999年集集地震震前GPS指數(shù)的變化。紅線和藍(lán)線分別代表東北-近海以及集集地震震前GPS指數(shù)的變化。向下的紅色箭頭代表本研究第二和第三階段中GPS方向角的對(duì)準(zhǔn)方向（圖示顏色的解釋可參考本文的網(wǎng)絡(luò)版）

附錄A

圖A 臺(tái)灣7.6級(jí)集集地震（1999年9月20日）中用來計(jì)算GPS方向角的GPS臺(tái)站的位置

總之，任意且不確定的地表形變能夠在東北-近海地震發(fā)生前80天左右觀測到。在東北-近海地震發(fā)生前80天到65天，明顯的南向位移方向與破裂斷層走向一致；同時(shí)，地殼上升的現(xiàn)象，能夠從GPS垂直向的殘余位移中得到。從震前第65天到第47天開始，向南位移轉(zhuǎn)移為向西方向，表明在研究區(qū)域的地殼淺部有壓應(yīng)力作用。同時(shí)，俯沖板塊被卡住，導(dǎo)致主導(dǎo)邊緣輕微下沉。雖然，觀測與地震有關(guān)的微小變形是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但是GPS殘余位移可以為我們提供更多有價(jià)值的關(guān)于東北-近海地震的孕震信息。沿著這條線索進(jìn)行更多的研究來捕獲震前信號(hào)變得非常重要。

文獻(xiàn)來源：Chieh-Hung Chen，Strong Wen，Jann-Yeng Liu et al.Surface displacements in Japan before the 11March 2011 M9.0Tohoku-Oki earthquake.Journal of Asian Earth Sciences，2014，80：165-171

（翻譯：北京工業(yè)大學(xué)研究生 章菲；初校：臺(tái)灣國立中正大學(xué) 陳界宏；復(fù)校：中國地震局地震預(yù)測研究所 江在森）

（作者電子信箱，陳界宏：nononochchen＠gmail.com；譯者電子信箱，章菲：7353282＠emails.bjut.edu.cn）

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2014-04-10。