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利用球形地球位错理论研究日本M_(W)9.0地震引起的稳态变形与库仑应力变化

地球物理学报 2022年第12期65卷 4760-4774页

作者：陈伟刘泰唐河佘雅文付广裕中国地震局地震预测重点实验室(地震预测研究所) 北京100036 中国科学院大学计算地球动力学重点实验室北京100049 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083

稳态地震变形是指由地震引起的、超长时间尺度内震后黏弹性松弛效应的累加,通过对稳态地震变形的研究,可以研究大地震导致的地球总体震后形变场,有利于分析周边地区对该地震的极限响应.本文首先利用球形地球地震位错理论,计算了日本M_(W... 详细信息

稳态地震变形是指由地震引起的、超长时间尺度内震后黏弹性松弛效应的累加,通过对稳态地震变形的研究,可以研究大地震导致的地球总体震后形变场,有利于分析周边地区对该地震的极限响应.本文首先利用球形地球地震位错理论,计算了日本M_(W)9.0地震在日本列岛和中国东部地区产生的稳态水平位移.结果表明,日本M_(W)9.0地震在日本本岛引起的稳态水平位移最大可达到8 m,大体上是同震水平位移的两倍;在中国东北地区产生的稳态水平位移最大值超过0.8 m,在华北地区产生的稳态水平位移最大值为0.5 m左右,是同震水平位移的30~40倍.接着,本文根据前人研究成果,结合地质资料,建立了中国东北和华北地区15条主要断裂带的几何与滑动构造模型,然后利用球形地球位错理论计算了日本M_(W)9.0地震在上述断裂带上引起的同震与稳态库仑应力变化.结果表明,该强震在中国东北和华北地区主要断裂带上引起的同震库仑应力变化均不超过1 kPa;稳态库仑应力变化显著超过同震结果,但除了依兰—伊通断裂带北段和嫩江断裂带南段的一部分以外,其他断裂带上的稳态库仑应力变化均未超过10 kPa这个地震触发阈值.因此日本M_(W)9.0地震对中国东北和华北地区地震危险性影响有限,不会显著改变区内主要断裂带的应力状态和地震活动性.

关键词：日本M_(W)9.0地震球形地球位错理论稳态变形库仑应力变化地震危险性

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球形地球位错理论在日本Mw9.0地震中的应用研究

球形地球位错理论在日本Mw9.0地震中的应用研究

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作者：陈飞中国地震局地震预测研究所

学位级别：硕士

日本Mw9.0地震的发生不仅在日本群岛引起了巨大的同震和震后变形,而且对中国、韩国和朝鲜等远场地区也存在一定影响。GPS(Global Positioning System)从上世纪50年代开始发展至今,技术已经越来越成熟,利用GPS数据研究大地震震后变形已... 详细信息

日本Mw9.0地震的发生不仅在日本群岛引起了巨大的同震和震后变形,而且对中国、韩国和朝鲜等远场地区也存在一定影响。GPS(Global Positioning System)从上世纪50年代开始发展至今,技术已经越来越成熟,利用GPS数据研究大地震震后变形已经成为一种新的常态。本文采用震后2.5年至4.5年近场日本本岛上的23个GPS站点以及远场8个GPS站点的观测数据,基于较为完备的黏弹性球形地球位错理论,通过研究震后地幔黏滞性松弛效应,揭示了日本Mw9.0地震周边地区地幔黏滞性结构的垂向变化,同时利用球形地球位错理论研究了日本Mw9.0地震在郯庐断裂带北段引起的同震库仑应力变化,评估了地球的曲率效应在远场造成的影响。本文利用大范围的震后GPS数据和黏弹性球形地球位错理论,定量研究了日本Mw9.0地震周边地区地幔黏滞性结构的垂向变化。首先结合陆地和海底的GPS观测数据,以及基于球形地球位错理论格林函数和贝叶斯反演方法,反演了该地震的同震位错模型,发现其最大错动量高达59 m。然后在均一地幔黏滞性结构的假设前提下,确定了震源周边地区地幔黏滞因子的最优解,发现依据该地幔黏滞因子获得的理论远场震后位移和GPS观测结果之间的均方根误差高达0.81 cm,不能解释远场观测结果。为解决上述问题,本文对震中周边地区地幔黏滞性结构沿垂向方向进行分层,建立了一个随深度变化的地幔黏滞性结构模型,然后综合利用远近场的GPS数据对该地区地幔黏滞因子进行反演研究,结果表明,震源周边地区岩石圈弹性层厚度最优解为40 km,40～220 km深度的地幔黏滞因子最优解为6×10Pa?s,220～670 km深度之间的地幔黏滞因子最优解为1.5×10Pa?s。上述地幔黏滞性结构使远场的均方根误差降为0.12 cm,仅为利用均一地幔黏滞性结构所得均方根误差值的15%,大大提高了远场模拟结果的准确性。最后,观测值和模拟值之间的均方根误差分析表明,近场震后变形数据主要约束浅层的地幔黏滞性结构,而远场震后变形数据主要约束深部的地幔黏滞性结构。基于反演出的日本Mw9.0地震同震位错模型和球形地球位错理论,本文计算了该地震在郯庐断裂带北段0至40 km深度引起的同震库仑应力变化,并通过对球形地球位错理论与平面半空间位错理论计算结果进行比较,定量分析了地球曲率对相关计算结果的影响。首先,为了更加精确的体现郯庐断裂带北段上同震库仑应力的空间变化,在系统总结与郯庐断裂带北段有关研究的基础上,本文对该断裂带进行了尽可能详细的划分,给出了各分段的断层几何参数,建立了分段构造模型。其次,利用球形地球位错理论计算了日本Mw9.0地震在郯庐断裂带北段上引起的同震库仑应力变化(?CFS),结果表明,该地震在郯庐断裂带北段上引起的?CFS最大值不超过0.003 MPa,表明该地震没有显著改变郯庐断裂带北段的应力状态。最后,引入误差百分比,定量分析了平面半空间位错理论的计算结果相对于球形地球位错理论计算结果的差异,发现二者之间在郯庐断裂带北段的平均差异为7.7%;在方正地堑的差异为16.8%,局部深度断层最大差异达到25.5%,表明地球曲率的贡献不可忽略。鉴于此,在研究日本Mw9.0地震引起的远场(如郯庐断裂带)同震库仑应力变化的时候,有必要利用球形地球位错理论替代平面半空间位错理论展开研究。

关键词：日本Mw9.0地震地幔黏滞因子(黏滞因子) 球形地球位错理论郯庐断裂带北段同震库仑应力变化

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2011年日本Mw9.0地震引起的稳态变形与地震危险性研究

2011年日本Mw9.0地震引起的稳态变形与地震危险性研究

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作者：陈伟中国地震局地震预测研究所

学位级别：硕士

2011年日本东北部海域发生了Mw9.0地震,该地震不仅在日本本岛等近场区域引起了显著的同震和震后变形,还在中国东部、韩国和朝鲜等远场地区引起了不同程度的变形。本研究基于黏弹性球体位错理论,联合陆地和海底同震GPS数据以及日本本岛33... 详细信息

2011年日本东北部海域发生了Mw9.0地震,该地震不仅在日本本岛等近场区域引起了显著的同震和震后变形,还在中国东部、韩国和朝鲜等远场地区引起了不同程度的变形。本研究基于黏弹性球体位错理论,联合陆地和海底同震GPS数据以及日本本岛330个陆地GPS站点5～10年的震后数据,反演了日本Mw9.0地震的断层滑动模型。接着,计算了日本Mw9.0地震在日本列岛和中国东部地区产生的稳态水平位移以及该地震在中国东北和华北地区主要断裂带上引起的库仑应力变化,分析了该地震对中国东北和华北地区地震危险性产生的影响。首先,选取了日本本岛330个陆地GPS站点的观测数据,这些观测数据的时间跨度为日本地震震前2年和震后10年,利用这些观测数据获取了日本Mw9.0地震震后5～10年的年平均位移,认为该时段的位移几乎完全由地幔黏弹性松弛效应引起;接着,利用黏弹性球体位错理论对震后5～10年的位移进行反复拟合,确定了日本Mw9.0地震震源及周边地区的地幔黏滞性系数最优解(9.0×10Pa·s);然后,联合同震和震后位移数据,引入黏弹性位错格林函数,反演了2011年日本Mw9.0地震的断层滑动分布。结果表明,该地震同震破裂的最大值达到了62.72 m,同震滑动的总地震矩为4.48×10Nm,相应的矩震级为Mw9.034。由于黏弹性松弛效应引起的震后位移中包含了同震破裂的信息,基于黏弹性球体地震位错理论,联合同震和震后位移数据反演断层同震破裂,有效提高了日本Mw9.0地震断层滑动分布的可靠性。本研究提出的反演方法为同震观测结果缺乏的大地震震后科考提供了理论支撑:在大地震发生之后,即使在同震期间没有足够的观测数据,也可以在震后通过对震源区的加密观测积累震后数据,使用本研究提出的反演方法优化同震断层滑动模型。稳态地震变形是指由地震引起的、超长时间尺度内震后黏弹性松弛效应的累加,通过对稳态地震变形的研究,可以研究大地震导致的地球总体震后形变场,有利于分析周边地区对该地震的极限响应。本研究首先利用球形地球地震位错理论,计算了日本Mw9.0地震在日本列岛和中国东部地区产生的稳态水平位移。结果表明,日本Mw9.0地震在日本本岛引起的稳态水平位移最大可达到8 m,大体上是同震水平位移的两倍;在中国东北地区产生的稳态水平位移最大值超过0.8 m,在华北地区产生的稳态水平位移最大值在0.5 m左右,是同震水平位移的几十倍,可见该强震对周边地区形变场的影响极为显著。接着,本研究根据前人研究成果,结合地质资料,建立了中国东北和华北地区15条主要断裂带的几何与滑动构造模型,然后利用日本Mw9.0地震断层滑动模型计算了该地震在上述断裂带上引起的同震与稳态库仑应力变化。结果表明,该强震在中国东北和华北地区主要断裂带上引起的同震库仑应力变化均不超过1 k Pa;稳态库仑应力变化显著超过同震结果,但除了依兰-伊通断裂带北段和嫩江断裂带南段的一部分以外,其他断裂带上的稳态库仑应力变化均未超过10 k Pa这个地震触发阈值。因此日本Mw9.0地震对中国东北和华北地区地震危险性影响有限,不会显著改变区内主要断裂带的应力状态和地震活动性。

关键词：球形地球位错理论滑动分布反演稳态变形库仑应力变化地震危险性

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震后GPS观测数据揭示的日本MW9.0地震周边地区地幔黏滞性结构垂向变化

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地球物理学报 2020年第6期63卷 2210-2220页

作者：陈飞刘泰付广裕佘雅文中国地震局地震预测研究所北京100036 中国地震局地球物理研究所北京100081 河北地震局石家庄050021

本文利用大范围的震后GPS数据和黏弹性球形地球位错理论,定量研究了日本MW9.0地震周边地区地幔黏滞性结构的垂向变化.首先结合陆地和海底的GPS观测数据,以及基于球形地球位错理论格林函数和贝叶斯反演方法,反演了该地震的同震滑动分布,... 详细信息

本文利用大范围的震后GPS数据和黏弹性球形地球位错理论,定量研究了日本MW9.0地震周边地区地幔黏滞性结构的垂向变化.首先结合陆地和海底的GPS观测数据,以及基于球形地球位错理论格林函数和贝叶斯反演方法,反演了该地震的同震滑动分布,发现其最大错动量高达59m.然后在均一地幔黏滞性结构的假设前提下,确定了震源周边地区地幔黏滞因子的最优解,发现依据该地幔黏滞因子获得的理论远场震后位移和GPS观测结果之间的均方根误差高达0.81cm,不能解释远场观测结果.为解决上述问题,本文对震中周边地区地幔黏滞性结构沿垂向方向进行分层,建立了一个随深度变化的地幔黏滞性构造模型,然后综合利用远近场的GPS数据对该地区地幔黏滞因子进行反演研究,结果表明,震源周边地区岩石圈弹性层厚度最优解为40km,40~220km深度的地幔黏滞因子最优解为6×10^18Pa·s,220~670km深度之间的地幔黏滞因子最优解为1.5×10^19Pa·s.上述地幔黏滞性构造使远场的均方根误差降为0.12cm,仅为利用均一地幔黏滞性构造所得均方根误差值的15%,大大提高了远场模拟结果的准确性.最后,观测值和模拟值之间的均方根误差分析表明,近场震后形变数据主要约束浅层的地幔黏滞性结构,而远场震后形变数据主要约束深部的地幔黏滞性结构.

关键词：日本MW9.0地震球形地球位错理论地幔黏滞因子(黏滞因子) 震后形变岩石圈弹性层厚度(弹性厚度)

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