GRACE数据解算同震重力异常研究

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翻新时间：2022-10-29

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GRACE数据解算同震重力异常研究

摘要：本文基于卫星重力观测资料相比于传统地面重力观测数据探测地震内部规律和特征的优越性，利用GRACE提供时间分辨率为月的高精度地球重力场模型，推求了2008年Ms8.0级汶川大地震期间中国大陆及邻近地区的地球重力场时变信息，提取了大地震引起的重力场同震变化信号。初步探讨了地震时期重力场的演变情况，为地震、滑坡等自然灾害特征分析和解释提供参考。

关键词：时变重力场；GRACE；同震变化；汶川地震

中图分类号：C35 文献标识码： A

引言

1基于GRACE重力场模型推求时变信号的方法

在球近似下，假设将地球质量系统的重新分布归结到地球质量分布不规则部分中去，则计算重力场变化就转化为重力异常的变化。根据布隆斯公式：

（2.1）

h是沿椭球法线向外的高程，T为扰动位，即由于地球质量分布与正常椭球质量分布不一致引起的引力位差。综合边界条件：，可将地球重力异常的球函数级数展开式写成带谐系数表达式：

（2.2）

若选取一段时间内的平均重力场模型为背景场，则每月的时变重力场模型可以表达为该月重力场相对于背景场的变化。假定重力异常变化是由地球质量系统重新分布所致，短时间内的质量变化均发生在地球表面，因此可以认为，从而地球表面上的每月重力场变化可表达为：

（2.3）

其中，r为球面半径（6378136.3m），和为余纬和经度，和是月模型球谐系数相对于背景场（如几年内的平均场）系数的变化量，为完全正规化的缔合勒让德函数。

据此可推测因地球上发生的各种物理现象，如内部热流、地壳膨胀、地震火山活动等伴随质量变化所产生的重力场时间变化。

为了利用GRACE数据研究地震同震变化，需要从其观测中消弱其他效应的影响，从而提取出地震同震变化信号。基于地震同震变化信号自身的时空变化特征，目前较为常用的提取方法是叠积法、时间序列法。

2算例及结果

采用上述方法得到重力变化分布如图1所示，图序为（a，b，c）。分别是07年1到4月与08年1到4月，08.1～4―09.1～4，09.1～4―10.1～4，卫星重力场数据计算的汶川区域一季度差分时变重力异常，单位为uGal；体现了震前、同震和震后重力变化；图中红色五角星标示震源位置，蓝色圆点标示余震中心。

图1 汶川地区地震时期季度时变图

图2 GRACE月重力场在参考点（30.9N，103.4E）的时间序列

综合来看，汶川地震的震前、同震的两个阶段，震源位置在空间分布上一直处于重力异常正负变化强烈带上；震后重力变化为正值且逐渐趋于均衡，而强度和范围明显增大。时变重力异常是由地球表面形状和内部岩石圈深部高密度塑性物质的流动等综合效应所决定的，则震源处发生的震前时变很可能与青藏高原下层壳幔质量的向上塑性挤压和往南东方向偏移流动有关[2] [3]。如位于图幅中部龙门山地区西北-东南向的变化带从同震时变的近直线分布向上推挤在震后形成呈右旋扭动的变化形态。说明GRACE卫星具有探测分析地震时期重力变化同震效应的能力。

同样，对于2004年苏门答腊地震用GRACE卫星数据做过分析，结果可以满足研究地震诱发机理等应用，现由于文章篇幅有限，不做详细描述。