智利MW8.8地震同震重力梯度變化

姜永濤張永志王 帥武艷軍

1）中國陜西 710064 長安大學

2）中國河南 473061 南陽師范學院

智利MW8.8地震同震重力梯度變化

姜永濤1），2）張永志1）王 帥1）武艷軍1）

1）中國陜西 710064 長安大學

2）中國河南 473061 南陽師范學院

利用GFZ Release 05 衛(wèi)星重力GRACE觀測數(shù)據(jù)，計算2010年2月27日智利MW8.8逆沖型地震的同震重力和重力梯度變化，分析其分布特征，可知：由GRACE探測到的同震重力變化在斷層俯沖區(qū)域可達-9.5μGal，斷層隆升區(qū)域可達+3.5μGal，結(jié)果與利用SNREI地球模型的位錯理論計算的同震重力變化較一致，說明利用GFZ Release 05 DDK5濾波數(shù)據(jù)，更能精確的反映同震重力場變化；GRACE檢測的智利地震同震徑向重力梯度變化Trr最大可達-600μE，位于發(fā)震斷層東側(cè)俯沖區(qū)域；通過對同震重力梯度分布特征分析，初步判斷發(fā)生同震物質(zhì)遷移的區(qū)域范圍在斷層俯沖區(qū)域為（67°—72°W，33°—38°S），在斷層隆升區(qū)域為（73°—77°W，35°—39°S）。

智利MW8.8地震；GRACE；位錯理論；同震重力梯度變化；物質(zhì)遷移

0 引言

2010年2月29日智利MW8.8地震是典型的逆沖型板間地震，是震區(qū)西側(cè)納茲卡板塊以65 mm/a的擠壓速率快速向穩(wěn)定的南美板塊俯沖（Kendrick et al，2003），使得板間應力積累到一定程度引發(fā)破裂的結(jié)果。該地震為雙向破裂，斷層平均滑動量可達6—7 m，破裂面長度達600 km，引起的地表同震垂直位移最大可達2.1 m（Farías et al，2010），對智利海岸破裂帶造成了永久形變，引起震區(qū)較大的重力場變化。GRACE（Gravity Recovery And Climate Experiment）衛(wèi)星重力能夠檢測出大地震（Gross et al，2002），理論上對于大于M9.0的剪切源和大于M 7.5的張裂源地震都可以被GRACE探測到（Sun et al，2004）。已有研究表明，GRACE衛(wèi)星能夠獲得智利MW8.8地震引起的重力變化，且與球形位錯理論得到的結(jié)果有較好的一致性（Heki et al，2010；周新等，2011）。為了豐富與強震有關(guān)的重力場變化參數(shù)，本文主要從重力梯度角度探討此次地震的同震重力梯度變化特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 GRACE時變重力場數(shù)據(jù)

本文采用GRACE時變重力場模型為90階的GFZ Release 05數(shù)據(jù)（http://icgem.gfzpotsdam.de/ICGEM/ICGEM.html），該數(shù)據(jù)對海洋潮汐、極潮等進行模型改正，去除了大氣和海洋的非潮汐部分影響，并對位系數(shù)進行DDK5去相關(guān)濾波處理（Kusche et al，2010），其時變重力場模型主要反映地球的質(zhì)量變化（Dahle，2013）。

1.2 求算重力異常和重力梯度變化

由GRACE重力場模型計算橢球面上的重力變化公式為

地心坐標系下重力梯度變化的求算公式為（Novák et al，2006）

式中δ為Kronecker函數(shù)。

2 同震重力異常和重力梯度變化特征

為了減小季節(jié)因素影響，在求算智利MW8.8地震的同震重力場變化時，震前數(shù)據(jù)采用2009年3—5月GRACE重力場平均，震后數(shù)據(jù)采用2010年3—5月重力場平均，將平均重力場位系數(shù)做差，可以得到反映同震重力場變化的代入公式（1）和（2），得到同震重力和重力梯度變化見圖1和圖2。值得說明的是，本文所用GRACE重力場模型階數(shù)為90，主要反映同震重力場變化的中長波分量，在對GRACE時變重力場模型位系數(shù)去相關(guān)平滑處理的同時，一定程度上壓制了高階重力場變化信息（Kusche et al，2010）。

圖1 智利地震同震重力變化特征Fig.1 Characteristics of co-seismic gravity changes of 2010 Chile MW8.8 earthquake

2.1 同震重力異常變化特征

由圖1見，此次逆沖型地震的同震重力變化整體上呈現(xiàn)二象限分布，斷層滑動區(qū)（圖1中白色矩形框）位于正負重力變化的梯度帶上，斷層俯沖區(qū)域（斷層面上方，即陸地部分）表現(xiàn)出明顯的負重力變化，呈現(xiàn)規(guī)則的橢圓形狀，最大幅度為-9.5μGal，位于（69.5°W，35°S）；斷層隆起區(qū)域（斷層面下方，海洋區(qū)域）呈現(xiàn)出正重力變化，最大可達+3.5μGal，位于（75.5°W，36.5°S），與周新等（2011）和Heki 等（2010）的研究結(jié)果一致，但在量值和細節(jié)上，與基于USGS有限斷層模型利用SNREI地球模型的位錯理論得到的同震重力變化（周新等，2011）更為符合，原因主要可能是，本文采用90階DDK5去相關(guān)濾波重力場數(shù)據(jù)，相對于60階CSR Level 2重力場模型包含更多的位系數(shù)，因此更能精確地反映重力場變化。

圖1中斷層俯沖區(qū)域的負重力變化可能主要是由于斷層面破裂導致斷層上盤應力變小，引起地殼松弛效應所致，地表形變引起的物質(zhì)遷移（負重力變化）一定程度上也影響了同震重力變化；斷層隆起區(qū)域盡管有一定程度的洋殼松弛，但區(qū)域呈現(xiàn)正重力變化，說明由于海底隆升造成的海水擾動（正重力變化）對區(qū)域重力變化的影響占主導地位。

2.2 同震重力梯度變化特征

強震會引起震區(qū)附近地表形變和地殼密度變化（地殼松弛效應），由重力場模型計算的是一種空間重力場變化，不能反映地表形變（升降）的重力效應，但是可以探測因形變而產(chǎn)生的地殼物質(zhì)重新分布的重力效應。

由圖2可以看出，對逆沖型強震引起的物質(zhì)遷移不同的重力梯度有不同的響應。Tθθ為同震地殼物質(zhì)遷移引起的異常引力位在緯度方向上的二階導數(shù)，反映了NS向水平重力分量在NS方向上的變化梯度。此次逆沖型地震在斷層破裂帶東側(cè)引起達300μE的正重力梯度變化，在破裂帶西南側(cè)引起了可達-100μE的負重力梯度變化。Tθθ的0值線大致勾畫了發(fā)生同震物質(zhì)遷移地殼的南北邊界，在斷層東側(cè)主要分布在33°—37°S，斷層西側(cè)主要分布在36°—39°S。同樣從 的分布圖上大致可以看出地震引起的地殼物質(zhì)遷移的東西邊界，斷層東側(cè)主要分布在67°—72°W，斷層西側(cè)主要分布在72°—77°W。此外，從和分布特征還可以看出，強震引起的地殼密度變化在空間分布上具有差異性，如斷層俯沖區(qū)域，地殼物質(zhì)遷移的最大值約位于（69.5°W，35°S），可能說明震前這里的壓應力狀態(tài)相對較強。 為同震物質(zhì)遷移引起的NS向水平重力分量在WE方向上的變化梯度，也在一定程度上反映了發(fā)生同震物質(zhì)遷移地殼的分布特征。

圖2 智利地震同震重力梯度變化特征Fig.2 Characteristics of co-seismic gravity gradient changes of 2010 Chile MW8.8 earthquake

Trr為同震物質(zhì)遷移引起的異常引力位在矢徑方向上的二階導數(shù)，可認為是同震重力變化在垂直方向上的變化梯度。由圖2可見，斷層俯沖區(qū)域呈現(xiàn)出巨大的負重力梯度變化，量值最大可達-650μE，位于（69.5°W，35°S）附近；斷層隆升區(qū)域呈現(xiàn)正重力梯度變化，最大幅度為+240μE，位于（75°W，36.5°S）。 直接反映同震物質(zhì)遷移分布情況（Saad A H，2006），可見斷層東側(cè)的物質(zhì)遷移在（69.5°W，35°S）附近最大，且分布范圍與由 和得到的結(jié)果一致；斷層西側(cè)物質(zhì)遷移在（75°W，36.5°S）附近最大。 分別為同震重力變化在緯度和經(jīng)度方向上的一階導數(shù)，可以反映發(fā)生同震物質(zhì)遷移的邊界信息。由圖2可以看出，和 的峰值和槽點大致勾畫出斷層東側(cè)發(fā)生物質(zhì)遷移的邊界，即（67°—72°W，33°—38°S），同樣得出的斷層西側(cè)的物質(zhì)遷移邊界為（73°—77°W，35°—39°S）。

3 結(jié)束語

本文利用GRACE衛(wèi)星時變重力場數(shù)據(jù)，計算了智利MW8.8逆沖型地震的同震重力梯度變化，GRACE檢測的同震徑向重力梯度變化Trr最大可達-600μE，位于發(fā)震斷層東側(cè)俯沖區(qū)域；對此次強震引起的同震物質(zhì)遷移，不同的重力梯度有不同的響應。重力梯度豐富了與地震有關(guān)的重力場變化信息，隨著未來地面和衛(wèi)星重力梯度測量技術(shù)的發(fā)展，重力梯度將會在地震或地殼運動相關(guān)研究中發(fā)揮越來越重要的作用。

周新，孫文科，付廣裕.重力衛(wèi)星 GRACE 檢測出 2010 年智利MW8.8 地震的同震重力變化［J］.地球物理學報，2011，54（7）：1745-1749.

Dahle C.GFZ GRACE level-2 processing standards document for level-2 product release 0005［M］.Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ，2013.

Eshagh M，Sj?berg L E.Atmospheric effects on satellite gravity gradiometry data［J］.Journal of Geodynamics，2009，47（1）： 9-19.

Farías M，Vargas G，Tassara A et al.Land-level changes produced by the MW8.8 2010 Chilean earthquake［J］.Science，2010，329（5994）： 916-916.

Gross R S，Chao B F.The gravitational signature of earthquakes［M］//Gravity，Geoid and Geodynamics 2000.Springer Berlin Heidelberg，2002： 205-210.

Heki K，Matsuo K.Coseismic gravity changes of the 2010 earthquake in central Chile from satellite gravimetry［J］.Geophysical Research Letters，2010，37（24）.

Kendrick E，Bevis M，Smalley Jr R et al.The Nazca-South America Euler vector and its rate of change［J］.Journal of South American Earth Sciences，2003，16（2）： 125-131.

Kusche J，Schmidt R，Petrovic S et al.Decorrelated GRACE time-variable gravity solutions by GFZ，and their validation using a hydrological model［J］.Journal of Geodesy，2009，83（10）： 903-913.

Novák P，Grafarend E W.The effect of topographical and atmospheric masses on spaceborne gravimetric and gradiometric data［J］.Studia Geophysica et Geodaetica，2006，50（4）： 549-582.Saad A H.Understanding gravity gradients-A tutorial［J］.The Leading Edge，2006，25（8）： 942-949.

Sun W，Okubo S.Coseismic deformations detectable by satellite gravity missions： A case study of Alaska（1964，2002） and Hokkaido（2003） earthquakes in the spectral domain［J］.Journal of Geophysical Research： Solid Earth（1978-2012），2004，109（B4）.

Characteristics of co-seismic gravity gradient changes of 2010 Chile MW8.8 earthquake

Jiang Yongtao1），2），Zhang Yongzhi1），Wang Shuai1）and Wu Yanjun1）
1） Chang'an University，Shaanxi Province 710064，China
2） Nanyang Normal University，Henan Province 473061，China

We calculate the co-seismic gravity and gravity gradient changes correlate with Chile MW8.8 earthquake using the satellite gravity model of GFZ release 05 which had processed by DDK5 decorrelate filtering.By analyzing the Characteristics of the results，we draw the following conclusions:①The co-seismic gravity changes are negative in fault subduction zone，which can reach -9.5μGal at peak.In fault uplift zone，it shows positive changes，and the maxim value is +3.5μGal.Our co-seismic gravity change agree very well with that calculated using a dislocation theory for a spherical earth model，which means the GFZ release 05 data have a better resolution of the gravity change for this event.②The different gravity gradient has different response to this event.By analyzing we can draw a preliminary conclusions that the area where has been through co-seismic material migration is located in（67 °—72°W，33°—38°S） for the fault subduction zone，and（73°—77°W，35°—39°S） for fault uplift zone.And the magnitude of material migration has the character of higher in the center and lower around it.

Chile MW8.8 earthquake，GRACE，dislocation，co-seismic gravity gradient changes，material migration

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.01.010

姜永濤（1985—），男，山東菏澤人，長安大學在讀博士生，主要研究方向為地殼形變與地球動力學E-mail: 1212203jiang@sina.com

國家自然科學基金項目（41374028，41274083，41304013），國土資源大調(diào)查項目（1212010914015），中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（CHD2012TD004）資助

本文收到日期：2014-09-11