利用遠(yuǎn)場GPS觀測修正東日本9.0級地震斷層滑動模型

王武星孫文科武艷強(qiáng)顧國華1）中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 1000362）中國科學(xué)院計(jì)算地球動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049

利用遠(yuǎn)場GPS觀測修正東日本9.0級地震斷層滑動模型

王武星1)孫文科2)武艷強(qiáng)1)顧國華1)
1）中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036
2）中國科學(xué)院計(jì)算地球動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049

真實(shí)的地震斷層滑動模型（簡稱地震模型）和介質(zhì)參數(shù)決定了同震變形影響方式和范圍，同震變形對于認(rèn)識和理解地震孕育的前兆信息具有重要意義。通常人們利用GPS近場位移資料研究同震位錯(cuò)變形，或者結(jié)合遠(yuǎn)場和近場資料，但遠(yuǎn)場資料往往不發(fā)揮作用。在此利用GPS觀測的2011年東日本Mw9.0地震同震變形，研究大范圍同震位移的分布規(guī)律和特性，地球介質(zhì)參數(shù)對于遠(yuǎn)場同震變形模擬結(jié)果的影響；從眾多地震模型中判斷最接近真實(shí)情況模型的方法；尤其是遠(yuǎn)場同震位移對地震模型的敏感性或約束作用。

利用“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”GPS基準(zhǔn)站和周邊IGS站地震前后各1周的數(shù)據(jù)，采用GAMIT/GLOBK和QOCA軟件計(jì)算獲得該地震的遠(yuǎn)場同震位移。取北緯31°～ 45°N之間GPS站水平位移東向分量，共136個(gè)站的數(shù)據(jù)，得到其沿經(jīng)度方向的分布，隨著離震中距離越來越遠(yuǎn)，GPS東向位移呈現(xiàn)隨指數(shù)函數(shù)衰減的特征。依據(jù)指數(shù)函數(shù)擬合，考慮GPS解算精度估算該巨大地震的遠(yuǎn)場同震水平位移影響距離約達(dá)3 200 km。為了理論模擬同震變形，選取具有代表性的四個(gè)地震模型，包括Hayes2011、Shao等2011、Wei等2011和Wei等2012模型，利用球形分層地球位錯(cuò)理論模擬計(jì)算該地震的同震水平位移，并與GPS觀測值進(jìn)行比較。以PREM模型為基礎(chǔ)，改變地球分層介質(zhì)參數(shù)，分析其對模擬結(jié)果的影響。利用模擬值與觀測值的RMS誤差最小原則判斷最優(yōu)地震模型。

結(jié)果表明，在選取的地球介質(zhì)參數(shù)使得地震模型的地震矩與其反演時(shí)的量值一致時(shí)，模擬值與觀測值符合較好，在理論模擬同震位移時(shí)要充分考慮地球介質(zhì)參數(shù)對地震矩的縮小或放大作用。即便在這種情況下二者仍有一定的偏離，并未達(dá)到最佳符合程度，RMS值也并非都最小。這表明各地震模型的地震矩與實(shí)際具有一定偏差。近場GPS同震位移對于地震模型的滑動分布等細(xì)節(jié)具有很強(qiáng)的約束作用，而遠(yuǎn)場GPS同震位移隨著離震中距離的增加，與模型的滑動分布等細(xì)節(jié)逐漸解耦，地震破裂近似點(diǎn)源。進(jìn)行的理論和實(shí)際計(jì)算驗(yàn)證，在解算精度保障下，遠(yuǎn)場GPS同震位移對地震模型的總地震矩敏感，可以用于有效約束地震破裂反演時(shí)的地震斷層滑動總量。

為充分發(fā)揮遠(yuǎn)場和近場同震位移的這些特性，提出了一種有效組合遠(yuǎn)、近兩種位移場來研究大地震同震位錯(cuò)變形的新思路和方法。在地震模型反演時(shí)利用近場GPS同震位移約束斷層滑動分布的細(xì)節(jié)，利用遠(yuǎn)場GPS同震位移約束或修正地震斷層滑動總量。基于這種思路和方法，對上述東日本地震的地震模型進(jìn)行了修正，選擇合適的地球介質(zhì)參數(shù)，通過放大或縮小地震矩，使模擬值與觀測值符合達(dá)到最佳，即RMS最小。四個(gè)地震模型計(jì)算結(jié)果的最小RMS誤差是有差異的，其中Wei等2012模型的RMS誤差是最小的，認(rèn)為該模型是其中的最優(yōu)模型。實(shí)際上，Wei等2012模型是利用日本本島的強(qiáng)震記錄波形、陸地和海底GPS觀測等資料反演獲得。這驗(yàn)證了組合遠(yuǎn)、近兩種位移場研究大地震同震位錯(cuò)變形方法的有效性。