2011年3月11日日本东北-近海M9.0地震之前的地表位移＊

陈界宏 温士忠 刘正彦 服部克巳 韩 鹏芳原容英 汪中和 叶大纲 颜宏元

1）国立中正大学地球与环境科学系，嘉义621

2）国家地震工程研究中心，台北106

3）国立中央大学太空科学研究所，中坜320

4）太空及遥测研究中心，国立中央大学，中坜320

5）千叶大学科学研究生院，稲毛，千叶263-8522，日本

6）电气通信大学信息工程研究院通信工程及信息学系，调布，东京，日本

7）电气通信大学地震电磁研究站，调布，东京，日本

8）中央研究院地球科学研究所，台北115

9）国立台北大学不动产与城乡环境学系，新台北237

10）国立中央大学地球物理研究所，中坜320

研究快讯

2011年3月11日日本东北-近海M9.0地震之前的地表位移＊

陈界宏1）温士忠2）刘正彦3，4）服部克巳5）韩 鹏5）芳原容英6，7）汪中和8）叶大纲9）颜宏元10）

1）国立中正大学地球与环境科学系，嘉义621

2）国家地震工程研究中心，台北106

3）国立中央大学太空科学研究所，中坜320

4）太空及遥测研究中心，国立中央大学，中坜320

5）千叶大学科学研究生院，稲毛，千叶263-8522，日本

6）电气通信大学信息工程研究院通信工程及信息学系，调布，东京，日本

7）电气通信大学地震电磁研究站，调布，东京，日本

8）中央研究院地球科学研究所，台北115

9）国立台北大学不动产与城乡环境学系，新台北237

10）国立中央大学地球物理研究所，中坜320

本研究利用1 243个架设于日本地面的GPS台站所取得的每日地表位移资料，来揭示2011年3月11日毁灭性的M9东北-近海地震前的地表位移。研究中用HHT（希尔伯特-黄）带通滤波扣除长期板块运动、短期噪音及与频率相关的变化的影响，所得的残余位移资料与东北-近海地震相关的震源机制参数进行比对。分析结果显示，由残余地表位移推断出的南向运动与东北-近海地震断层的走向一致，并且在震前第65天变得尤为明显。这项观测显示剪应力在东北-近海地震的潜伏期非常重要。在震前第47天，西向的地壳运动与最大水平压应力轴的角度一致，该向西运动范围涵盖了整个日本，并在距离震中75km的地方形成了一块受阻的区域（42°N，142°E）。本研究还将水平位移与从残余GPS资料得到的垂直位移结合构建全面的图像，用来判断俯冲带破坏性地震的地表形变。

地表位移；全球定位系统；希尔伯特-黄变换；东北-近海地震

引言

日本坐落在环太平洋地震带的西北缘。五大板块间强烈的相互运动（即欧亚大陆板块、阿穆尔板块、鄂霍次克海板块、太平洋板块、菲律宾海板块；见图1）［1-3］形成复杂的地质构造，并且产生了许多毁灭性的地震。在2011年3月11日05：46：18UT，一个毁灭性的9级地震发生在日本本州岛的东北海岸，宫城县附近（38.10°N，142.86°E）。这个地震发生在鄂霍次克海板块和太平洋板块的边界，被科学家们称为东北-近海地震。震源机制解显示东北-近海地震是逆冲型地震，断层走向为202°，倾角为10°，斜度为90°［4］。许多研究报告指出，同震位移主要在日本的东部（即≥139°E）［59］。日本海上保安厅估计此次同震位移是东向22m，南向10m［10］。海底强烈的同震位移引起了巨大的海啸，并夺走了超过10 000人的生命［11］。

图1 日本1 243个GPS台站的位置。本文使用的GPS台站（红点）标于地表高程底图之上，震源机制从USGS报告中取得。根据Robinson和McGinty［12］的方法，主轴P（压缩轴）大约为115°

GPS是一种观测应力扰动导致地表形变的常见测量方法。Chen等［13］用20～150天周期的带通滤波器，采用希尔伯特-黄转换［1416］，以下简称HHT（译者注），有效减小了噪音、长期板块运动［17-21］、瞬间同震位移［22-23］以及来自于GPS连续数据半年及一年周期［24-27］所导致的影响，以此来适应自然信号非线性及非稳定的特性。Chen等［13］发现消除长期板块运动的影响后，残余地表形变的水平方向大多数情况下是随机的。地震发生前混乱的方向会逐渐转而趋于同一个相近的方向，且与即将发生的逆冲型地震的最大水平应力轴角度一致。同时，这个方向与逆断层的走向正交并且在震前和震后产生完全相反的旋转，并与地震弹性回跳理论一致［28］。Chen等［29］使用台湾100个GPS观测站数据推导得到的残余位移方向，构建了地表残余位移的时空地图，用以全面了解孕震过程中的应力扰动。在台湾的许多逆冲型地震中，能反复观测到水平残余运动与地震参数（即断层走向、地震位置、最大压应力轴等）之间的一致性。同时，透过物理机制发现，1999年9月20日台湾集集7.6级地震时，残余位移的变化与地下水水位的上升及／或下降有关［30］。

本研究中，我们使用日本国土地理院的1 243个地面GPS台站自2010年1月1日至2011年3月10日间的地表位移资料，检验及了解东北-近海地震孕震过程中的应力扰动。由Chen等［13］提出的这个方法被应用来消除所有台站南北、东西和垂直3轴的GPS数据中的长期板块运动、短期噪音以及与频率（即半年及年周期）相关变化的影响。南北及东西方向的残余GPS数据用来计算水平方向角的方向（即GPS方向角）。同时也分析了大量垂直方向的残余GPS数据，并进一步结合水平方向角得到全面的图像，并以此来比较东北-近海地震的震源机制参数及了解与俯冲带地震相关的地壳运动的演化过程。

1 资料及分析

本研究使用自2010年1月1日至2011年3月10日间，自日本所取得的1 243个连续GPS观测站数据，以避免东北-近海地震巨大的同震变化导致的影响。将取得的GPS数据通过HHT做周期为20～150天的带通滤波，以得到残余位移量。同时检验震前90天到震前1天的GPS方位角与残余垂直移动量。为了解空间域内与地震相关的应力的扰动，首先建立一个0.5°×0.5°的空间移动窗。计算空间移动窗内，每两个观测站之间的GPS方向角之差的平均。计算所得的GPS平均角度差的倒数，并用于建立GPS指数。因为长期板块运动的影响已经被消除，残余位移方位角差的平均通常大约为90°（详情请参看文献［13］、［29］），GPS指数约等于0.011（＝1／90；图2中的粉红色）。当与地震有关的应力扰动了近地表地壳时，混乱的残余位移运动方向逐渐转向趋于同一个相近的方向来适应应力负载。这些趋近同向的运动，产生了相对较小的平均差值及相对较大的GPS指数（图3中的黄色）。此外，相对较小的GPS指数（0.011）也能出现在震前几天，因为与地震相关的应力的扰动转为弹性位能储藏在地壳中，为将来的断层破裂做准备。另一方面，由相同空间移动窗（即0.5°×0.5°）计算全部的台站的垂直位移得出的平均数量，结合GPS的方向角以构建3-D图像以理解东北-近海地震的震前与该地震有关的构造演化。

图2 东北-近海地震震前GPS方向角的时空变化。陆地上的颜色（从黄色到粉色）表明GPS方向角（GPS指数）的平均差异的倒数，这些方向角为0.5°×0.5°的空间移动窗，涵盖所有GPS观测站计算的结果。由于应力积累，倒数值大于0.02（GPS方向角的平均差异小于50°；黄色），地表位移的方向及幅值用箭头表示。用GPS方向角的中位数来计算幅值的方向。当倒数值小于0.02（粉色）时，GPS方向角的平均差异大于50°，表明空间区域内GPS方向角的方向并不明确，地表位移的显著方向无法被确定

2 观测与解释

图2和图3分别显示了东北-近海地震震前第90天、第80天、第65天、第57天、第47天、第30天、第10天、第3天、以及第1天的GPS的水平残余位移方向与垂直残余位移量。

图3 东北-近海地震震前残余垂直位移的时空变化。陆地上的颜色（从蓝色到红色）表明垂直残余位移的数量，这些位移经历过0.5°×0.5°的空间移动窗（图示里图示颜色的解释可参考本文的网络版）

在东北-近海地震震前第90天到第80天之间，GPS水平残余运动呈现随机方向并产生约0.011（≈1°／90°）的GPS指数，这个指数几乎覆盖了整个日本。透过比较，残余垂直位移出现轻微的上升和下沉（＜±1 mm）。分析结果表明，这个时间段在日本近地表地壳没有显著的与地震相关的应力存在。在东北-近海地震前第80天到第65天时，随机取向的GPS方位角逐渐朝向南方，导致GPS指数＞0.04（＝1°／25°）。这意味着，应力继续扰动，并使得近地表地壳向南方移动。需要注意的是，在垂直残余位移部分，可以清晰地看到研究区域强烈隆起＞10 mm（图3）。在东北-近海地震震前约第57天的时候，近水平的运动方向再一次变成任意方向，这显示与地震相关的应力扰动的转移。约在震前第47天，水平残余位移的方向重新排列，并转向西方运动，除了离震中约75km远的一个区域（42°N，142°E）。震前第65天观察到的强烈隆起逐渐缓解，并在地震发生前47天的时候开始下沉。在震前第47天到第1天之间，水平残余位移再次变得无方向性；垂直残余位移，除了日本东北的一个区域（42°N，142°E）外，其余研究区域持续性轻微上升（1～4mm），直到东北-近海地震发生。值得一提的是，来自前震（M＝7.3，2011年3月9日）的剧烈影响，导致部分地区发生西向运动并且使整个日本板块下沉（＜4mm），而这些都很快被随后的M9东北-近海地震覆盖了。

简言之，东北-近海地震震前的应力扰动可分为4个阶段。第一阶段：从震前第90天至第80天，日本的地壳表面没有显著的应力扰动。第二阶段：从震前第80天至第65天，水平残余运动逐渐向南且地壳上升。第三阶段：震前第65天至第47天，向南运动转向向西并且地壳下沉。第四阶段：震前第47天至第1天，应力扰动逐渐接近断层破裂的临界值。在这个阶段，并没有显著的GPS方位角变化和垂直残余的位移。Tsuru-ta等人［31］研究日本地表位移资料的时间序列变化，发现2011年1月水平分量有明显的异常变化。原始数据中出现异常变化的时间（即2011年1月）与那些从残余数据中得到的异常时间是一致的。

3 讨论和结论

在第一阶段中观察到无特定方向的残余位移，表明该研究区域没有明显的应力扰动，这与以前的研究［13，29］是一致的。在第二阶段，GPS方位角约为160°～200°，这与断层走向（202°）一致。其中从日本的西南、中部和东北部分可以发现残余GPS的方位角分别朝向东南、南和西南方向。在同一时期，图3显示跨越鄂霍次克海和阿穆尔板块的显著隆起。这些分析结果表明，向南应力主要作用在鄂霍次克海和阿穆尔板块，被阻挡在鄂霍次克海和阿穆尔板块的两侧和太平洋及菲律宾海板块的某些地方。鄂霍次克海和阿穆尔板块的抬升将分别减轻太平洋和菲律宾海板块向下俯冲的荷载。尽管如此，地壳的隆起会降低鄂霍次克海和阿穆尔板块的阻力和／或增加太平洋和菲律宾海板块向下俯冲的移动性。因此，从东北-近海地震震前的第57天开始，向南的应力会迅速地朝西转移，这对打破和／或解锁两个楔形板块的初始状态起了重要作用。

在第三阶段中，GPS方位角的方向向西并与最大水平压应力的角度（约115°）一致［32］。近同向的水平运动包围的无序取向的区域表明由应力扰动导致的运动在这个特定的区域（42°N，142°E）受阻。鄂霍次克板块的西向运动以及轻微的下沉，表明了太平洋板块在向下俯冲。没有明显的方向变化和微小的垂直位移，表示太平洋板块的俯冲作用在第四阶段受到阻挡。鄂霍次克板块运动的动能被转移或储存为后续地震的弹性势能。7.3级前震发生在东北-近海地震前2天，并且导致了鄂霍次克板块的东向运动和剧烈的下沉。大地震引起的同震和震后效应应该保持很长一段时间［13，29］。然而，在7.3级前震的情况下，明显的同震和震后效应迅速减轻了。这种突然的减轻可能来自于即将到来的更大的9级地震，亦或来自于使用数据末端的边界效应。

值得一提的是，与地震参数（即断层走向和最大水平压应力轴）相关的GPS方位角的涵盖范围要比利用同震效应所估计的范围大很多。Dobrovolsky等［33］利用地表形变构建地震孕育区的半径和震级大小之间的关系表明，一个9级的地震对应的半径约为7 400km。因此，观察到的残余位移不是因同震位移引起的，而是由于孕震区域内应力累积所引起的。观测到的残余位移主要是被东北-近海地震孕育过程中的大型地质构造演化影响所致。同时也考虑沿着俯冲区的速度结构的断层图像，以及地壳形变，以此来检验本研究中残余位移的变化。速度结构的断层图像可以通过P波和S波的到达时间来估计，是一种揭示地震产生机制的方法［34］。与东北-近海地震相关的大型逆冲区内，能够自北到南［35］和自西向东［36-37］观测到显著的速度结构非均匀性。与地震相关的地表位移可能是由于地壳的不均匀性导致的，这在陆地利用空间高密集的GPS数据能观察到。另一方面，沿着强烈地震俯冲带的地壳形变的演化已被广泛报道［38-42］。当俯冲板块被上覆板块卡住，上覆板块将受到挤压（图4）。这种相互作用导致上覆板块主导边缘被下拉，而内部地区向上隆起。东北-近海地震震前的第三阶段中，被西向运动所包围的特定区域的随机取向表明俯冲板块被卡住了（见图3和图4）。垂直残余位移引起的轻微下沉与板块边缘的向下拖拽是一致的（图3）。当沿着俯冲带发生强烈地震后，被卡住的上覆板块主导边缘得到释放，其背后的凸起也会下沉。由7.3级前震引起的垂直残余位移中的剧烈的下沉，预计会伴随着主导边缘背后隆起部分的下沉。本研究中的观测与前人的模型在时间和空间域上并不完全一致，但是沿俯冲板块有关地震发生的地质演化过程是一致的。

图4 俯冲的东北-近海地震地质演化示意图

一般情况下，大地震（M＞7）的孕育需要很长的时间。而东北-近海地震及其前震的时间间隔极短（在同一区域内只有2天），这也刷新了地震发生和／或地震周期的科学观测记录。然而，在这项研究中的分析显示，当GPS数据短期和长期的影响被减轻时，与地震有关的位移可能变得明显和／或容易被观测到。GPS方位角集中方向的现象不仅在日本东北-近海地震之前能够观测到，而且在台湾地区的几个5～7级地震前也能观测到［13，29］。图5显示了2011年东北-近海地震和1999年集集地震前约85天，分别使用日本的GPS台站（1 243个台站）和台湾的GPS台站（15个台站）计算的GPS指数的变化（参见附录A和［30］），用于交叉比较。类似的GPS指数的变化能一致地被观测到（即通常保持在较低的GPS指数，然后因与地震相关的应力扰动而突然增加，最后由于逐渐接近断层破裂的临界值而降低）。有趣的是，图5表示，从GPS指数的峰值到地震发生得到的领先时间明显地与地震震级大小成正比。9级东北-近海地震和7.6级集集地震的领先时间分别是震前68天和58天。另一个例子是发生在台湾的5.1级地震，领先时间点是震前12天［13］。但是，对于领先时间和震级之间的关系，需要做更多的工作来获得有意义的统计结果。

图5 2011年东北-近海以及1999年集集地震震前GPS指数的变化。红线和蓝线分别代表东北-近海以及集集地震震前GPS指数的变化。向下的红色箭头代表本研究第二和第三阶段中GPS方向角的对准方向（图示颜色的解释可参考本文的网络版）

附录A

图A 台湾7.6级集集地震（1999年9月20日）中用来计算GPS方向角的GPS台站的位置

总之，任意且不确定的地表形变能够在东北-近海地震发生前80天左右观测到。在东北-近海地震发生前80天到65天，明显的南向位移方向与破裂断层走向一致；同时，地壳上升的现象，能够从GPS垂直向的残余位移中得到。从震前第65天到第47天开始，向南位移转移为向西方向，表明在研究区域的地壳浅部有压应力作用。同时，俯冲板块被卡住，导致主导边缘轻微下沉。虽然，观测与地震有关的微小变形是一个巨大的挑战，但是GPS残余位移可以为我们提供更多有价值的关于东北-近海地震的孕震信息。沿着这条线索进行更多的研究来捕获震前信号变得非常重要。

文献来源：Chieh-Hung Chen，Strong Wen，Jann-Yeng Liu et al.Surface displacements in Japan before the 11March 2011 M9.0Tohoku-Oki earthquake.Journal of Asian Earth Sciences，2014，80：165-171

（翻译：北京工业大学研究生 章菲；初校：台湾国立中正大学 陈界宏；复校：中国地震局地震预测研究所 江在森）

（作者电子信箱，陈界宏：nononochchen＠gmail.com；译者电子信箱，章菲：7353282＠emails.bjut.edu.cn）

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2014-04-10。