全球陆地水储量对检测同震重力变化的影响

邢乐林，刘晓玲，郭清风

（1. 中国地震局 地震研究所，湖北 武汉 430071；2. 湖北省基础地理信息中心，湖北 武汉 430074；3. 湖北省测绘成果档案馆，湖北 武汉 430074）

全球陆地水储量对检测同震重力变化的影响

邢乐林1，刘晓玲2，郭清风3

（1. 中国地震局 地震研究所，湖北 武汉 430071；2. 湖北省基础地理信息中心，湖北 武汉 430074；3. 湖北省测绘成果档案馆，湖北 武汉 430074）

以2011年日本Mw9．0地震为例，探讨了同震重力变化理论模拟计算所涉及到的几个关键问题，并利用GLDAS全球陆地水储量模型对GRACE卫星检测到的同震重力变化进行了修正。结果表明，水文效应变化振幅达4 μGal，该影响不可忽略。

日本Mw9．0地震；GRACE；同震重力变化；位错理论

大地震同震重力变化能否被GRACE卫星检测到，是GRACE研究学者目前所感兴趣的问题之一。Sun[1]通过地震断层模型正演结果与GRACE观测精度分析指出，大于Mw9．0的剪切型或者大于Mw7．5的张裂型地震所产生的同震重力变化可以被GRACE检测到，随后发生的2004年苏门答腊Mw9．3地震证实了这个结论。Han[2]首次利用GRACE星间跟踪数据检测到了苏门答腊大地震引起的同震重力变化，成功提取了由地震断层错动引起的重力变化，并由此推测了地震引起的洋底地壳膨胀效应。随后，众多学者对GRACE检测2004年苏门答腊大地震所产生的重力变化进行了研究。Chen[3]利用GRACE月重力场模型提取了其同震形变变化，分析了地震断层上升和下降区域的两个特征点的震后形变变化；Ogawa[4]利用地震前后2 a的近场区域大地水准面变化的时间序列，采用周期变化项、同震阶跃项和震后指数恢复项拟合得到位于安达曼海域的重力负变化特征及缓慢震后恢复效应；Panet[5]根据全球水储量模型消除水文效应的年际变化影响，对2004年苏门答腊大地震区域的GRACE大地水准面变化时间序列进行了小波分析，揭示了安达曼海域短期震后变化效应及震后9个月仍存在变化；De Linage[6]采用4．6 a的GRACE月重力场模型数据结合位错理论正演结果，提取了2004年苏门答腊地震的同震和震后变化信号；Broerse[7]探讨了海水效应对2004年苏门答腊地震的同震形变和重力场变化的影响；Heki[8]采用GRACE月重力场模型结合位错理论正演结果，检测到了约-5 μGal的智利Mw8．8地震同震重力变化负异常区域；Han[9]利用GRACE星间观测数据结合位错理论正演结果，证实了GRACE卫星对智利Mw8．8地震引起的重力变化效应检测能力，重力变化正异常部分幅度变化较小的原因在于洋底地壳膨胀与地表形变引起的重力变化效应相互抵消；为了抑制重力场变化的季节性效应，突出同震变化信号，周新[10]利用GRACE月重力场模型数据，震前数据采用2003～2009年每年3～6月的重力变化平均值，震后数据采用2010年3～6月的平均值，提取了同震重力变化，其结论与Heki的类似，但水文效应仍较为明显。

日本Mw9．0地震发生后，邢乐林等利用2002年至2010年的GRACE数据，采取了年际拟合方法消除水文效应的周期性变化，计算了地震近场区域近9 a来的重力年变率[11]。不少学者利用GRACE数据检测到了可信的同震重力变化[12-14]约为-7．0 μGal。本文着重利用GLDAS全球陆地水储量对GRACE卫星检测到的同震重力变化进行修正，并证实了该方法的有效性。

1 模拟计算

1.1 地表同震重力变化

为了计算地表的同震重力变化，采用USGS在2011年日本Mw9．0地震后公布的有限断层模型作为断层参数[15]，利用球体位错理论[16]计算该强震引起的地表同震重力变化。理论计算结果涵盖以震中为中心的研究区域（130～155°E，25～50°N），格网间隔为0．2°，其地表同震重力计算结果如图1a所示（文中所用图片审图号均为GS（2012）3075号）。

1.2 固点同震重力变化

图1a的计算结果为地表同震重力变化，其结果适合地面重力测量，而GRACE卫星检测到的同震重力变化为空固点同震重力变化，并不包含地表垂直形变引起的空间改正部分。因此，需对地表同震重力变化进行空间改正，公式为[17]：

式中，Δg（θ，λ）为空固点同震重力变化；δg（θ，λ）为位错理论计算的地表同震重力变化，向下为正方向；Δh（θ，λ）为位错模型计算的地表垂直形变，向上为正方向；β为地表重力垂直梯度，采用β=308．6 μGal/m。其空固点同震重力变化结果如图1b所示。

图1 日本Mw9.0地震同震重力变化

地震引起的同震地表重力变化为-913～201 μGal，包括两部分：一部分为地震引起的地表垂直形变引起的计算点位置变化导致的重力变化，另一部分为地震导致质量重新分布引起的重力变化。比较图1b与1a，二者的分布特征相似，但符号相反，且经过空间改正后空固点重力变化幅度有所减少，为-192～493 μGal。

1.3 海水质量改正

对于发生在海域或海陆交界的地震，地震引起地表发生垂直形变的同时，由于海水质量的补偿作用，海水质量对重力的改正与海底地表垂直形变有关，可由布格层改正获得，其海水质量改正公式为[8]：

图2 经海水质量改正后的同震重力变化

从图2看出，经海水质量改正后的同震重力变化为-138～297 μGal，与未经海水质量改正的图1b相比，重力正变化的改正幅度较大，约为200 μGal。可见，位错理论计算的空固点同震重力变化中的海水质量改正不可忽视，其量级可达到几百μGal。

1.4 空间平滑

由于GRACE重力卫星在轨道高度处观测，其GSM月重力场模型为60阶次，其空间分辨率约为350 km，对较大尺度的长波信息较为敏感，而位错理论计算的同震重力变化含丰富的高阶信息，因此为了模拟GRACE检测结果，需将经海水质量改正后的空固点同震重力变化进行350 km的空间平滑[2]。

经空间改正、海水质量改正以及空间平滑处理后的适合GRACE卫星检测到的同震重力变化理论模拟结果如图3所示，同震重力变化约为-6～6 μGal，且负异常较为明显。

图3 经350 km空间平滑和海水质量改正后的空固同震重力变化

2 GRACE卫星检测同震重力变化

2.1 GRACE数据及处理

本文采用CSR数据中心发布的Level-2 RL05版GSM数据，时间段为2002年4月至2011年12月，最高阶次为60阶，其时变重力场模型主要反映了地球的质量变化[3]。为提高计算结果的精度，采用SLR测量得到的项替换GRACE的项[18]。为了有效提取重力场变化信息，采用P3M8去相关法并结合350 km高斯滤波[19,20]，较好地去除了GRACE数据高阶次系数相关性引起的条带现象。

通过式（3）计算日本Mw9．0地震近场区域1°×1°格网点（θ，λ）上的月重力场Δg（θ，λ）的时间变化序列：

在获得格网点月重力场时间变化序列后，以2011年4月的重力变化与均值较差获得含水文效应的同震重力变化，如图4所示。检测到的同震重力变化信息含有较为明显的水文效应，主要在（50°N，135°E）和（35°N，132°E）两个区域。

图4 GRACE检测到的含水文效应的同震重力变化

2.2 全球陆地水储量对同震重力变化的影响

本文采用的水文模型，其土壤水份变化和积雪变化数据来自美国国家宇航局（NASA）哥达空间飞行中心的全球陆地数据同化系统（GLDAS），其空间分辨率在经度和纬度方向的空间格点间隔为1°[21]，时间跨度从2002年4月至2011年12月。根据式（4）对GLDAS月水储量变化进行球谐分析，展开至60阶次的重力场球谐系数：

其中，ρE=5．517×103kg/m3为地球平均密度，kl为l阶负荷Love数[22]。

图5给出了2011年4月份的全球水储量变化对重力变化的影响，可看出（50°N，135°E）和（35°N，132°E）两个区域存在明显水文效应。将图4与图5较差即得消除水文效应的GRACE卫星检测到的同震重力变化，如图6。与模拟重力变化图3相比较可看出，二者仍存在一定的差异，主要在（146°E，46°N）区域存在一个负重力异常。GRACE检测到的同震重力变化亦呈现负-正-负的分布，且-6 μGal的同震重力负变化较为明显，但同震重力正变化较模拟值小且具有一定的分散式分布。差异原因主要来自以下几个方面[10]：地震断层模型不精确；GLDAS模型不精确；同震信号和震后信号没有进行有效分离。

3 结 语

日本Mw9．0地震产生的同震重力变化信号能够被GRACE卫星所观测到。理论模拟计算结果与观测结果具有较好的一致性，检测到了同震重力变化呈负-正-负的分布形态，负重力变化较为明显，约为-6 μGal，这是GRACE能够有效检测出大地震同震重力变化的第三个典型震例，进一步验证了Sun等关于GRACE检测同震重力变化能力的观点，为GRACE在地震研究方面提供了理论和实践依据。为了有效提取大地震同震重力变化，去相关、高斯滤波和水文效应均应加以考虑，才能获得逼近理论模拟计算结果的GRACE卫星检测结果。

图5 全球陆地水储量变化对重力变化的影响

图6 GRACE检测到的消除水文效应的同震重力变化

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P227

B

1672-4623（2014）03-0066-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.03.021

邢乐林，副研究员，主要从事重力变化与解释方面的研究。

2013-08-20。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41204019）。