2018, Vol. 38
2. 中国地震局第二监测中心，西安市西影路316号，710054
2010-02-27智利西海岸发生MW8.8特大地震，是现代地震记录以来全球第五大地震[1]。地震对智利海岸破裂带造成永久形变，为利用现代大地测量技术研究地震引起的重力场变化提供了较好的机会。GRACE重力卫星是跟踪大地震前后大范围空间重力场分布迁移和时间变化的有效监测手段，已在2004年苏门答腊MW9.3地震[2-3]、2011年东日本MW9.0地震[4-5]、2008年汶川MW8.0地震[6]、2015年尼泊尔MW8.1地震[7-8]重力场变化检测中展现了巨大的优势。有学者利用GRACE Level-1数据[9]、GRACE Level-2数据[1, 10]及Slepian函数[11]等研究了2010年智利大地震造成的重力场变化(数据截至2010-06)。
为进一步认知智利大震震前、同震及震后重力时空变化特征，本文利用时间跨度更长(2003-01~2016-03)的GRACE RL05 Level-2数据，分析智利地区长期的重力变化，通过提取重力变化极值域与震源域特征点的重力变化时间序列，分析地震震前、同震及震后重力变化特征，并与球体位错理论模拟的同震重力进行对比分析，探讨智利大震的发震构造动力学机制。
1 研究方法 1.1 GRACE数据处理与重力变化选用CSR发布的GRACE RL05 Level-2完全规格化球谐系数、最高阶次为60阶的月重力场模型，选取2003-01~2016-03共145个月数据进行分析。由于GRACE卫星对于低阶项不敏感，C20项用SLR得到的二阶项代替[12]，并添加一阶项进行地心改正[13]，采用P3M6方法去除奇数阶和偶数阶球谐系数的相关性，为进一步削弱南北条带影响，采用300 km高斯平滑抑制高阶球谐系数的噪声。随时间变化的地球外部引力场可表示为[14]：
| $ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;V\left( {r, \theta, \lambda, t} \right) = \\ \frac{{GM}}{r} + \frac{{GM}}{r}\left[{\sum\limits_{l = 2}^N {{{\left( {\frac{a}{r}} \right)}^l}} \sum\limits_{m = 0}^l {\left( {{C_{lm}}\left( t \right)\cos m\lambda + } \right.} } \right.\\ \left. {\;\;\;\;\;\;\;\left. {{S_{lm}}\left( t \right)\sin m\lambda } \right) \cdot {{\bar P}_{lm}}\left( {\cos \theta } \right)} \right] \end{array} $ | (1) |
式中，V(r, θ, λ, t)为与空间位置和时间变化相关的地球外部引力位，(r, θ, λ)对应球坐标系下的向径、余纬和经度，t为时间，GM为引力常数，a为地球赤道平均半径，Clm(t)和Slm(t)为时变球谐系数，Plm(cosθ)为完全规格化的l阶m次缔合勒让德函数。
在提取长时间序列时变重力场时，通常选取一段时间的平均值作为背景场，则每月时变重力场模型可表达为该月重力场相对于背景场的变化。由于GRACE探测的主要是地球时变重力场的低阶部分，而地球扁率及地形对低阶重力场随时间的变化量影响较小，因此可在半径为a的球面上表示每月重力场的变化，将其近似为地球表面上的重力场变化。月重力场变化可表示为[14]：
| $ \Delta g\left( {\theta, \lambda } \right) = \frac{{GM}}{{{a^2}}}\sum\limits_{l = 2}^N {\left( {l + 1} \right)} \sum\limits_{m = 0}^l {\left( {\Delta {C_{lm}}\cos m\lambda + \Delta {S_{lm}}\sin m\lambda } \right)} \cdot {\overline P _{lm}}\left( {\cos \theta } \right) $ | (2) |
式中，Δg(θ, λ)为重力变化，ΔClm和ΔSlm为月模型球谐系数相对于背景场平均系数的变化量。
此外，考虑到GRACE观测结果受水文因素影响，从而影响地球动力学相关信息的分析[14]，进一步利用全球陆地数据同化系统(global land data assimilation system, GLDAS)2.5°×2.5°格网数据提取水文信息，并采用与GRACE重力卫星数据相同的处理方法处理后，从计算结果中加以扣除，以消除水文因素的影响[7-8]。
1.2 理论同震重力变化为检验GRACE观测结果的可靠性，采用球体位错理论，利用Hayes反演智利地震发震断层参数[1]进行理论同震重力变化计算。理论计算获得的是地表重力变化，不仅包含地表形变引起的重力变化，还包括因形变导致的质量重新分布所产生的重力变化，而GRACE观测结果反映的是空固点的重力变化[15]，因此需采用空固点计算方法。对于海域地震，海洋部分还需考虑海底位移产生的海水扰动作用，并进行海水质量改正[15]。同时，为与GRACE观测结果进行比较，对理论计算结果在空间域进行300 km的高斯滤波。
2 智利地区重力变化特征 2.1 长期重力变化以地震前2004-01~2009-12共72个月重力场模型为背景场，计算2007~2015年的年平均重力变化，获得智利地区长期重力场空间变化特征。如图 1所示，震源球代表智利MW8.8地震震源机制，黑色矩形线框代表发震断层在地表上的投影。
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图 1 智利地区长期重力场空间变化特征 Fig. 1 Spatial variation characteristics of long-term gravity field of the Chile region |
从图 1可看出，2007~2009年震前智利地区重力变化相对平缓；2010年(地震发生年)在发震断层上、下盘分别产生两个明显的符号相反的重力变化，发震断层下盘出现约1.5 μGal的正重力变化，上盘出现约-5 μGal的负重力变化；2011~2015年(震后阶段)发震断层下盘正重力变化逐年增大，2014年达到最大，约4 μGal，2015年正重力变化空间范围有所减小。发震断层上盘负重力变化在地震后也呈逐渐增大趋势，2012年达到最大负重力约-6 μGal，同时负重力空间范围也达到最大，2013~2015年负重力变化总体呈减小趋势。
2.2 智利MW8.8地震同震重力变化为进一步探究智利MW8.8地震同震重力场变化特征，利用震后23个月重力场模型平均值(2010-03~2012-03)与震前25个月重力场模型平均值(2008-01~2010-01)，获取此次地震的同震重力变化，如图 2所示。
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图 2 智利MW8.8 GRACE同震重力变化 Fig. 2 Coseismic gravity changes of MW8.8 Chile earthquake detected by GRACE |
位错理论计算结果(图 3)显示，发震断层两盘呈现出显著的正、负重力变化特征，断层下盘出现约5 μGal的正重力变化，上盘出现约-7.5 μGal的负重力变化，最大变化幅值大于GRACE检测到的结果(对比图 2与图 3)。分析两者差异的原因，可能是理论断层模型、噪声背景以及GRACE观测数据中同震与震后信号的强相关性影响所致[16]。对比图 2与图 3可看出，GRACE观测结果在重力分布形态和量级上与位错理论计算结果总体具有较好的一致性，也进一步论证了GRACE卫星检测8级以上大震引起重力变化的能力[17]。
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图 3 位错理论模拟同震重力变化 Fig. 3 Coseismic gravity changes of MW8.8 Chile earthquake calculated by dislocation theory |
从图 2可看出，与苏门答腊同震重力变化结果相类似[16]，GRACE检测到的智利地震同震重力变化也呈现出发震断层两盘明显的正、负重力变化现象，发震断层下盘(俯冲区)出现约1.5 μGal的正重力变化，上盘(隆升区)出现约-5.8 μGal的负重力变化，同震重力变化振幅约为7.3 μGal。
2.3 重力变化极值域特征点重力变化为研究重力变化的时间特征，在图 2中重力变化最大与最小值区域选取两个特征点A(36.9°S，76.2°W)和B(35.2°S，69.4°W)(白色三角形)，扣除年、半年周期性影响，对数据缺失月份采用三次样条插值，采用五点平滑和最小二乘拟合得到A、B两点长期重力变化的时间序列(图 4、图 5，地震发生月份2010-02除外)。
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图 4 A点重力变化时间序列 Fig. 4 Time series of the gravity changes of point A |
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图 5 B点重力变化时间序列 Fig. 5 Time series of the gravity changes of point B |
从图 4、图 5可以看出，智利地震造成特征点明显的重力变化“跃迁”现象，位于发震断层下盘的A点同震重力变化幅度约为1.5 μGal，位于上盘的B点同震重力变化幅度约为-5.8 μGal，发震断层上盘较下盘重力变化更加显著，这与2004年苏门答腊MW9.3地震重力变化与质量分布模式较为一致[16]。震前A点重力变化基本在0 μGal附近波动，总体略呈增加趋势，震后A点重力变化则呈持续增加趋势。震前B点重力变化虽较A点跳跃性大，但基本也在0 μGal附近波动，总体也略呈增加趋势，震后B点重力则呈现出显著的负重力变化特征，但随时间推移，震后B点重力呈现出逐渐恢复增加的趋势。
2.4 震源域特征点重力变化为进一步探究智利大地震震源域重力变化时间特征，采用与§2.3相同的数据处理方法获得震源域特征点(36.1°S，72.9°W)(震源球)的长期重力变化时间序列(图 6)。
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图 6 震源域特征点重力变化时间序列 Fig. 6 Time series of the gravity changes of typical point in the epicenter area |
从图 6可以看出，震源域特征点重力变化振幅范围在-4 ~4 μGal之间，也呈现出显著的重力变化“跃迁”现象。震前特征点重力整体呈增加趋势，震后虽突然呈负重力特征，但随时间推移震后特征点重力呈迅速增加的趋势。从平滑后时间序列可看出，在一定程度上，智利大地震前2007~2010年震源域特征点就呈现出了类似“减小-增加-减小-增加-发震”的变化特征(图 6中蓝色虚线框所示)，这与尼泊尔[7-8]、唐山[18]、东日本[5]等大地震在地震发生前数年经历的重力波动现象类似，该特征的获取对于认知此次MW8.8地震及智利地区地震孕育与发生具有一定的参考价值。
此外，从图 4~6所示的3个特征点震后重力时序中均可发现，约在2012-03、2014-04及2015-09这3个特征点重力均出现异常变化现象(绿色椭圆)，这种重力变化异常现象可能与MW8.8地震附近发生的2012-03-25莫尔MW7.1地震(35.200°S，72.217°W)、2014-04-01伊基克MW8.2地震(19.610°S，70.769°W)以及2015-09-26伊亚佩尔MW8.3地震(31.573°S，71.674°W)有关。
3 发震构造动力学机制讨论从震源机制解来看，智利地区的地震主要以逆冲作用为主，与其所处的南美洲板块西缘的俯冲带密切相关[19]。纳兹卡板块以8 cm/a的速度向东对南美洲板块西缘持续俯冲挤压，使得两大板块的俯冲交界带成为孕育和发生大震的天然场所，2010-02-27智利MW8.8地震就发生在纳兹卡板块与南美洲板块的碰撞交界带上。
据海洋板块俯冲型孕震研究表明[20]，地震不同阶段地表所表现出的变形特征，以及板块交界带发震断层两盘重力变化亦有所差异：大震前较稳定线性应变积累阶段，洋-陆板块边界接触面基本处于闭锁状态，纳兹卡板块向下俯冲南美洲板块过程中，造成大陆岩石圈不断缩短，板块交界带产生应力应变积累，板块边界的不断挤压与地壳加厚造成板块交界区域重力增加；大震前非线性应变阶段，经长时间应力应变积累，板块交界带应力应变水平逐渐增强并接近极限状态，板块交界区域重力持续增大；同震破裂应力应变迅速释放阶段，当应力应变积累并超出临界值时，发生大震并导致板块交界带应力应变迅速释放，造成发震断层上盘大陆岩石圈从震前挤压抬升状态“瞬间”转变为松弛下沉状态[21]，大陆岩石圈边界区域出现大范围重力下降，而发震断层下盘大洋岩石圈物质俯冲涌入重力增加；震后应力应变调整阶段，由于地层的粘弹性松弛调整作用，发震断层两盘重力变化会在一段时间内呈现出与同震类似的正、负差异性特征。
4 结语利用GRACE重力卫星数据获取智利地区长时间序列及MW8.8地震同震重力场变化特征。长期重力变化空间分布及特征点时序清晰地呈现出智利地震造成的显著同震重力变化现象，与位错理论计算结果的对比分析证明了GRACE检测强震同震重力变化信号的可靠性。
震源域特征点长期时序结果揭示出重力在大震前的2007~2010年就呈现出“减小-增加-减小-增加-发震”的变化波动特征，该特征可为此次MW8.8地震及智利地区今后的地震预测提供一定的参考信息。
本文采用的GRACE重力卫星数据在时间段、滤波半径以及特征点位置选取上与前人研究有所差别[1, 9-11]，但检测到的智利地震同震重力变化在量级与空间分布特征上较为一致，特别是本文采用的重力数据时间段更长，较为详细地刻画出了智利地区重力在MW8.8地震前后的“震前-同震-震后”变化特征。
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