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              利用重力觀測約束日本仙台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

              胡小刚 薛秀秀 郝晓光

              我們利用測地所高精度重力觀測數據對3月11日日本仙台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台大地震激發的地球自在震蕩。地球長周期自在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。自在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。

              日本大地震後,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在震蕩模擬值,將自在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 日本仙台大地震的地震矩心矩张量、地震深度、震源机制解、震级

               

              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

              矩张量的单位是10E22 N.m

              Harvard 是哈佛大学利用地频面波反演的震源机制解

              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。因而比較和分析簡正模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,這是導致其自在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)。因而影響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,並由此給出矩震級爲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。

              我们进一步的分析表明:对于表1的结果,在M0不变的情况下,dip和slip减小、depth增大会使0S0的振幅变小,其中depth增大50%可导致0S0的振幅约变小5%,slip减小10%可导致0S0的振幅变小不超过1%,而dip减小10%可导致0S0的振幅变小大于10%。因而,断层面倾角dip 对径向分量Mrr的影响最大。dip偏大(14o)、depth过小(10km)是导致USGS1的结果严重偏离自在振荡重力观测值的主要原因。

              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),日本仙台大地震的震源深度大約爲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台大地震震源位置

              圖2(a)爲武漢超導重力儀自在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)爲(a)的局部放大圖。

              图3 四个震源机制模型模仿计算的武汉九峰台简正模0S0与实际观测数据谱的比较,时间窗为100小时。

              图4 四个震源机制模型模仿计算的拉萨台简正模0S0与实际观测数据谱的比较,时间窗为60小时。

              图5 四个震源机制模型模仿计算的南极中山台简正模0S0与实际观测数据谱的比较,时间窗为100小时。

               
               
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