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利用重力觀測約束日本仙臺大地震的震源機制和深度
2011-04-11| 【 】|閱讀次數: |文章來源:測量與地球物理研究所

中國科學與測量與地球物理研究所

胡小剛 薛秀秀 郝曉光

我們利用測地所高精度重力觀測數據對3月11日日本仙臺9.0級大地震的震源機制和深度進行約束。長期以來,測地所在武漢,拉薩和南極中山站建立了重力觀測站(參見圖1),利用高精度超導重力儀監測地球的時變重力場。這些高精度重力儀記錄到了日本仙臺大地震激發的地球自由震蕩。地球長周期自由震蕩的簡正模的振幅大小依賴于地震矩、地震深度、震源斷層的破裂方式。自由震蕩重力觀測數據中包含了地震激發的地面運動和重力場變化。

日本大地震后,多家國際學術機構,如美國USGS、哈佛大學、法國IPGS,利用觀測到的地震體波和面波計算了震源機制,地震矩心矩張量,地震深度,給出了矩震級的大小(表1)。根據這些計算結果,我們計算了武漢,拉薩和南極中山站的自由震蕩模擬值,將自由震蕩的重力觀測值與這些模擬值進行比較(圖1、2),可對這些機構的計算結果進行鑒定和約束。

表1 日本仙臺大地震的地震矩心矩張量、地震深度、震源機制解、震級

 

M0

Mrr

Mtt

Mpp

Mrt

Mrp

Mtp

depth(km)

Strike (o)

dip (o)

slip (o)

Mw

Harvard

5.31

1.73

-0.281

-1.45

2.12

4.55

-0.657

20

203

10

88

9.1

USGS1

4.50

2.03

-0.16

-1.87

2.06

3.49

-0.6

10

187

14

68

9.0

USGS2

3.90

1.82

-0.13

-1.69

1.34

3.17

-0.56

24

193

14

81

9.0

IPGS

4.26

1.695

-0.147

-1.548

1.403

3.637

-0.534

19.5

196

12

85

9.0

矩張量的單位是10E22 N.m

Harvard 是哈佛大學利用地頻面波反演的震源機制解

USGS1是美國USGS利用地震體波反演的震源機制解

USGS2是美國USGS利用W-phase波反演的震源機制解

IPGS 是法國IPGS利用W-phase波反演的震源機制解

我們著重對簡正模0S0進行了比較和分析。0S0是徑向簡正模,其相應的質點振動只有徑向運動而沒有任何橫向運動,在傳播過程中不會受到地球自轉、地球介質橫向不均勻和方位各向異性的影響。因此比較和分析簡正模0S0得出的結果比較可靠。圖3、4、5的比較結果顯示哈佛大學的結果最接近觀測值,而美國USGS利用地震體波反演的震源機制解明顯大于觀測值。0S0的振幅大小與地震矩心矩張量的徑向分量Mrr以及震源深度有關。USGS1的Mrr值最大,震源深度最淺,這是導致其自由震蕩模擬值明顯大于觀測值的主要原因。

根據地震矩心矩張量理論,徑向分量Mrr=M0*sin(2*dip)*sin(slip)。因此影響0S0的振幅的參數是地震矩標量值M0、斷層面傾角dip、斷層滑動方向slip以及震源深度depth。表1顯示,哈佛大學的震源機制解給出的地震矩標量值M0最大,并由此給出矩震級為Mw9.1,但由于其斷層面傾角dip最小,導致徑向分量Mrr較小,使得0S0的振幅明顯小于由USGS1震源機制解得到的振幅。

我們進一步的分析表明:對于表1的結果,在M0不變的情況下,dip和slip減小、depth增大會使0S0的振幅變小,其中depth增大50%可導致0S0的振幅約變小5%,slip減小10%可導致0S0的振幅變小不超過1%,而dip減小10%可導致0S0的振幅變小大于10%。因此,斷層面傾角dip 對徑向分量Mrr的影響最大。dip偏大(14o)、depth過小(10km)是導致USGS1的結果嚴重偏離自由振蕩重力觀測值的主要原因。

如果哈佛大學的震源機制解給出的斷層面傾角是正確的,即dip的值較小(10o),日本仙臺大地震的震源深度大約為20km,其震級可能達到Mw9.1級。

圖1中國科院測量與地球物理研究所重力觀測站的位置及日本仙臺大地震震源位置

圖2(a)為武漢超導重力儀自由振蕩觀測數據和哈佛震源機制解模擬數據在時間域的比較。(b)為(a)的局部放大圖。

圖3 四個震源機制模型模擬計算的武漢九峰臺簡正模0S0與實際觀測數據譜的比較,時間窗為100小時。

圖4 四個震源機制模型模擬計算的拉薩臺簡正模0S0與實際觀測數據譜的比較,時間窗為60小時。

圖5 四個震源機制模型模擬計算的南極中山臺簡正模0S0與實際觀測數據譜的比較,時間窗為100小時。

 
 
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