利用卫星时变重力检测大地震的重力变化以及约束断层滑动模型

Detection of the seismic gravity effects caused by large earthquakes is the focus in the field of the application of temporal satellite gravimetry. We propose to detect seismic gravity changes of large earthquakes and constrain the fault slip models using GRACE temporal gravity data. This study mainly includes the improvment of monthly data filtering method, and the analysis of the effectiveness of seismic effect change through various signal retieving techniques. Moreover, this study also include the synthetic test of the efficiency of GRACE detection of gravity changes caused by large earthquakes, and the quantitative analysis via different earthquake case studies during the period of GRACE mission. Further more, we will preliminarily use GRACE observations to constrain (and also invert) fault slip models of large earthquakes. The results of this study would help constrain seismic fault slip models and monitor the large-scale crustal changes in earthquake-prone areas, and also provide important information for the earthquake prediction research, which are of great economic value and scientific significance.

检测大地震引起的重力变化效应是目前卫星时变重力场应用研究的国际前沿及热点问题。本项目拟基于GRACE时变重力数据检测大地震的重力变化，并用以约束断层滑动模型。主要研究GRACE月重力场模型数据滤波方法的优化，分析各种信号提取技术对于地震变化效应的有效性，同时模拟研究GRACE对地震引起重力变化效应的检测能力，对能被GRACE检测到的地震给出限定条件，并结合GRACE任务期间的各大地震实例进行定量分析，进而将GRACE观测的地震重力变化应用于断层滑动模型的约束。GRACE对大地震的检测结果可用于约束地震断层滑动分布模型以及监测地震多发区的大尺度地壳变化，为地震预测研究提供有用信息，具有重要的科学及实际应用价值。

卫星时变重力观测具有覆盖率广以及对整体质量迁移敏感的优点，可作为其他地面地震大地测量监测手段的有效补充。检测大地震引起的同震及震后重力变化效应是目前卫星时变重力场应用研究的国际前沿问题。本项目基于GRACE时变重力数据检测大地震的重力变化，并用以约束断层滑动模型。在项目执行期间，课题组着重研究了GRACE月重力场模型数据滤波方法的优化，各种信号提取技术对于地震变化效应的有效性分析，同时模拟研究了GRACE对地震引起重力变化效应的检测能力，结合GRACE任务期间的大地震实例进行了定量分析，并基于GRACE观测的地震重力变化有效信号对断层滑动模型进行了初步约束。项目取得的主要成果包括：1) 基于Forward Modeling恢复方法有效改正GRACE观测的信号衰减和泄露，并基于实例分析验证了其有效性；2) 改进了Forward Modeling方法，将其应用于GRACE 区域地震变化特征信号的有效恢复，进而用于断层滑动模型的比较分析和约束；3) 提出一种自GRACE观测提取同震变化信号的北向梯度方法，可显著提高信号检测及有效分离的灵敏度，并基于2010智利地震和2011日本地震实例分析验证了方法的可靠性，指出仅采用一个月的GRACE震后数据即可检测日本地震同震信号，并基于2008汶川地震正演模型进行了模拟检测试验，发现陆地水效应和GRACE本身噪声是影响其信号检测的两个主要因素；4) 研究了地震正演模型的改进，提出一种基于水平形变和地形模型估算地形效应影响的方法，基于2011日本地震实例首次指出其影响在GRACE的地震形变研究中不能忽略。本项目研究成果可用于约束改进地震断层滑动分布模型，用于深入理解地壳内部结构及物理信息，并有助于监测地震多发区的大尺度地壳变化，为地震预测研究提供有用信息，具有重要的科学及实际应用价值。