利用空间大地测量数据研究日本东北和智利的地震循环过程

Seismic cycles of the circum-pacific subductions, where two largest earthquakes – the 2011 Tohoku (Mw 9.0) and the 2010 Chile (Mw 8.8) – occurred, are an international hot topic in the recent years. Although there are a large amount of studies on the physical processes of the two earthquakes, many problems are still unsolved. For example, did the shallow of subducting plate lock during interseismic period? How does viscoelastic relaxation affect the earthquake cycle? Can afterslip occur in the seismogenic zone where the large rupture happens?.To solve these problems, in this proposal, we will investigate the whole seismic cycle process including interseismic coupling (locking), coseismic slip and afterslip by using space geodetic data such as GPS and GRACE for Tohoku and Chile subduction zones. To clarify the seismic cycles, we will invert for coseismic slip, study on the time dependent slip inversion from geodetic time series, establish a viscoelastic relaxation model under a spherically layered Earth with a Burgers body of two viscosities, uncouple viscoelastic relaxation and afterslip from GPS and GRACE, obtain the interseismic coupling and estimate uncertainties of models. Finally, we will implement interseismic coupling, coseismic slip and afterslip models to validate the rate – state friction law. And we will also summarize the characteristics of seismic cycle of the circum-pacific subductions by analyzing and comparing the events. The results of this proposal can provide experience for intraplate events and the theoretical foundation for disaster reduction.

环太平洋俯冲带的地震循环是国际地震学的研究热点。日本东北和智利分别在2011年和2010年发生了近年来全球最大的两次地震。尽管它们的物理机制已被广泛研究，但由于研究采用的数据和方法不同，仍然存在很多未解决的问题。如：靠近海沟处是否存在震间闭锁？黏弹性松弛怎样影响地震循环？余滑的位置是否与同震的相重叠？.为了解决这些问题，本课题将利用空间大地测量GPS和GRACE数据，对包括震间耦合、同震滑移及余滑在内的地震循环过程进行全面研究。内容包括：反演同震滑移分布；反演时间依赖的断层滑移演化；建立双粘滞度Burgers体的球体黏弹性松弛模型；通过迭代拟合震后GPS和GRACE数据得到粘滞度和余滑模型；确定震间耦合度；对模型的精度进行评估。最后，利用地震循环过程模型检验速率—状态摩擦定律。比较分析环太平洋俯冲带的地震循环，总结该类事件过程的特征，为板内地震的研究提供经验，为防震减灾提供理论依据。

本研究通过分析GPS和GRACE时间序列，提取了各地震循环阶段（震间、同震和震后）的变形和重力变化。基于贝叶斯框架，给出了一种能够同时确定空间平滑因子、时间平滑因子和断层滑移分布演化的方法，并估计了反演结果不确定度。利用平静期的GPS位移场，扣除块体旋转效应后得到了俯冲带的耦合度。基于Markov Chain Monte Carlo方法，利用GPS同震位移场和GRACE同震重力变化反演了2011年日本东北Mw9.0和2010年智利Mw8.8地震的同震滑移分布。建立了径向分层、自重、无自转、可压缩、球形的Maxwell体和Burgers体地球位错理论模型，正演了两次地震事件的震后黏弹性松弛效应。考虑地幔黏弹性松弛效应后，根据时间依赖的断层滑移反演方法，利用震后剩余GPS变形资料反演了余滑分布演化，并检验了状态-摩擦定律模型。结果表明，2011日本东北地震的最大滑移量达到约60m，破裂过程持续了约120s，40 -100s为主破裂，从震源向海沟浅处传播，再向深处传播，释放约81%的地震矩。海底GPS震后变形观测和GRACE震后重力变化数据表明，2011日本东北地震后经历了快速的黏弹性松弛调整，需要一个Burgers体黏弹性松弛模型解释观测数据。利用GPS资料，通过迭代反演确定了地幔的黏度参数和余滑分布，最佳模型为：软流圈(40-220km)的瞬变(Kelvin)黏滞度为1×10^18 Pa s，稳态(Maxwell)黏滞度为1×10^19 Pa s，上、下地幔的稳态黏滞度分别为10^20 Pa s和10^21 Pa s；余滑分布主要集中在同震滑移的正下方，与同震滑移形成互补，累积余滑最大达到8m。利用GRACE震后重力变化确定的黏滞度参数与GPS结果相似，只是软流圈瞬变黏滞度为5×10^18 Pa s。2010年智利地震的最大滑移量超过15m，累积余滑达到1m。日本和智利俯冲带在整个地震循环中，断层同震滑移最大的位置发生在震间期耦合度最高的地方，即断层的浅部；余滑主要集中在比同震滑移更深的韧性区，即条件稳定区域。研究结果进一步增进对环太平洋俯冲带地震循环过程特征的理解，可作为全球其他俯冲带地震循环的研究的依据，也可为大陆逆冲带地震循环过程研究的提供参考。