聯(lián)合衛(wèi)星重力和GNSS觀測(cè)反演地震斷層參數(shù)的研究

鄭增記

西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121

地震的發(fā)生會(huì)造成巨大的破壞和損失，大地測(cè)量技術(shù)能觀測(cè)地震形變和反演地震斷層的錯(cuò)動(dòng)情況，對(duì)于減少地震災(zāi)害具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。GNSS技術(shù)已廣泛用于震源參數(shù)的反演工作，但對(duì)于發(fā)生在海域的地震，由于GNSS站點(diǎn)往往位于陸地一側(cè)，導(dǎo)致對(duì)斷層的約束能力有限。衛(wèi)星重力技術(shù)因其全天候、全球覆蓋、連續(xù)性，以及不受地域地形限制等諸多特點(diǎn)，可彌補(bǔ)海洋一側(cè)常規(guī)觀測(cè)不足。聯(lián)合GNSS和GRACE兩種觀測(cè)手段反演震源機(jī)制，可進(jìn)一步提高反演海域地震的震源參數(shù)。為此，論文基于GRACE和GNSS觀測(cè)的同震和震后形變，聯(lián)合反演了斷層參數(shù)和地幔黏滯性系數(shù)等，主要成果如下。

(1) 比較分析了GRACE時(shí)變重力場(chǎng)同震和震后信號(hào)提取中常用的疊積法和最小二乘擬合法。通過2004年蘇門答臘Mw9.3地震的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，疊積法不僅容易引入長(zhǎng)周期年際變化項(xiàng)信號(hào)及趨勢(shì)項(xiàng)信號(hào)，而且難以分離震后信號(hào)；最小二乘擬合法可以精確分離同震和震后信號(hào)，但對(duì)采用的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度要求較高，如果時(shí)間段較短，無法剔除長(zhǎng)周期信號(hào)。此外，采用最小二乘擬合法提取GRACE信號(hào)時(shí)，擬合因子需盡量接近實(shí)際情況。GRACE數(shù)據(jù)時(shí)間范圍較長(zhǎng)的情況下，建議采用最小二乘擬合法。

(2) 基于GRACE Level-2數(shù)據(jù)首次成功地提取了2007年Bengkulu地震的同震重力變化信號(hào)并分離了垂直位移與密度變化引起的重力效應(yīng)?；谧钚《藬M合法提取的Bengkulu地震的同震重力呈“正-負(fù)”分布，振幅為-2.0～1.3 μGal，與位錯(cuò)理論模擬結(jié)果符合較好，證明了觀測(cè)結(jié)果的可靠性。此外，同震垂直位移引起的重力變化和密度重新分布引起的重力變化量級(jí)相當(dāng)，并且震中以西垂直位移因素占主導(dǎo)作用，而震中以東密度變化因素占主導(dǎo)作用。

(3) 基于GNSS數(shù)據(jù)反演了2007年Bengkulu地震的滑動(dòng)分布，并聯(lián)合GRACE和GNSS數(shù)據(jù)反演了2007年Bengkulu地震的斷層幾何參數(shù)。反演結(jié)果表明，此次Mw8.4地震以逆沖為主，兼具輕微的右旋走滑，并且此次破裂具有明顯的分段特征，地震發(fā)生后，沿著斷層面向西北方向破裂，最大破裂點(diǎn)并不在震源附近，而是在震源西北方向180 km左右。聯(lián)合反演得到的斷層長(zhǎng)度、寬度、均勻滑動(dòng)量和滑移角的最優(yōu)值分別為427、330、0.78 m和114°，相應(yīng)的地震矩為3.30×1021Nm，矩震級(jí)為8.31。與僅基于GRACE反演結(jié)果相比，聯(lián)合反演結(jié)果精度提高了50%，顯示了聯(lián)合反演的優(yōu)越性。

(4) 針對(duì)去相關(guān)濾波造成的信號(hào)扭曲現(xiàn)象，從空間域和頻率域分析了重力和重力梯度北向分量的優(yōu)越性，并基于重力和重力梯度的北向分量反演了2012年蘇門答臘Mw8.6地震的斷層參數(shù)。結(jié)果表明，重力和重力梯度的北向分量相較其余分量可以很好地削弱條帶誤差，并且階方差最小。GRACE反演結(jié)果顯示發(fā)震斷層為滑移角175.26°的右旋走滑斷層，斷層的走向?yàn)?13.63°，傾角近乎垂直為89.99°，平均滑移量為28.18 m，地震矩為12.85×1021Nm，相應(yīng)的矩震級(jí)為8.71。

(5) 針對(duì)傳統(tǒng)格網(wǎng)搜索法在反演地幔黏滯性系數(shù)時(shí)計(jì)算量大的缺陷，提出利用震后間隔較長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)反演穩(wěn)態(tài)黏度，震后較短時(shí)間數(shù)據(jù)反演瞬態(tài)黏度的反演策略，并利用上述方法，聯(lián)合GRACE和GNSS數(shù)據(jù)反演了2004年蘇門答臘地震的地幔黏滯性系數(shù)。Burgers體可以很好地描述蘇門答臘Mw9.3地震后的長(zhǎng)期形變，其瞬態(tài)黏度在震后1 a起主導(dǎo)作用，2～4 a瞬態(tài)黏度和穩(wěn)態(tài)黏度相互耦合，5～7 a穩(wěn)態(tài)黏度起主導(dǎo)作用。遠(yuǎn)場(chǎng)GNSS數(shù)據(jù)反演結(jié)果的一致性較好，其中ηm=3.2×1018Pa·s，ηk=2×1018Pa·s，而不同GRACE特征點(diǎn)反演結(jié)果差異性較大。