三维黏弹地球模型下俯冲带特大地震事件的震后慢滑动研究

Richer geodetic measurements enable us to understand the postseismic slow slip and the viscoelastic relaxation due to the upper mantle. Postseismic physics of many earthquakes occurring on subduction zones have been studied extensively. However, due to the differences of data and methods used by researchers, there are many unsolved problems. One of them is that how elastic plate thickness, heterogeneity, topography and viscosity structure of a 3-D Earth model impact the postseismic slip distribution..To answer this question, in this proposal, we use GPS and GRACE to investigate the relationship between postseismic slow slip and 3-D Earth model parameters of a subduction zone. First, we build a 1-D and a 3-D Earth model with a Burgers body of two viscosities, respectively. Then, we use semi-analysis dislocation theory and finite-element method to compute the Green’s function for the two Earth models. Using the method of time-dependent fault slip inversion, we invert for the elastic plate thickness, the viscosities on the two sides of subducting plate as well as postseismic slow slip distribution. Through comparison of several subduction zones, we obtain the effect of Earth model uncertainties on the postseismic slow slip. Besides, we build a finite-element dislocation model in a 3-D viscoelastic Earth that can be used to model the postseismic gravity change. The results of this proposal can help us further understand the postseismic physical processes of subduction zones.

日益丰富的观测资料使得地震震后慢滑动和黏弹性松弛过程的研究成为可能。尽管多个俯冲带地震事件（如2011日本Mw9.0）的震后物理机制被广泛研究，由于使用的方法和数据的差异，仍然存在诸多未解决的问题。其中之一是三维黏弹地球模型的弹性板厚度、横向不均匀性、地形和黏滞结构如何影响震后慢滑动的分布。.为了解决该问题，本项目将利用GPS和GRACE数据，对俯冲带的震后慢滑动和地球黏弹结构之间的关系进行研究。构建具有双黏滞度Burgers体的一维和三维地球模型，分别利用半解析位错理论和有限元法计算格林函数，按照时间依赖的滑移反演方法，从观测数据中同时迭代反演得到弹性板厚度、俯冲板片两侧的黏滞结构和震后慢滑动分布。通过对比分析多个俯冲带事件，得到三维地球结构对确定震后慢滑动的影响。除此之外，还将建立一个三维黏弹地球位错模型，用于模拟震后重力变化。项目的结果将有助于进一步理解俯冲带的震后物理过程。

大地测量观测资料揭示了俯冲带地震的震后物理机制主要是余滑和地幔的黏弹性松弛，这两种效应存在折中关系。一些因素包括俯冲带的横向不均匀性、上覆板块的弹性岩石圈厚度和黏度，影响了震后地幔黏弹松弛引起的地表变形，间接影响了板块边界余滑的估计。本研究通过建立一维径向分层和考虑三维横向不均匀性的黏弹位错模型，分别计算震后黏弹松弛和余滑效应，对比估计横向不均匀性和黏度结构对余滑的影响。主要结果如下：1）给出了一种固定Talbot路径积分的快速Laplace变换方法，基于该方法，建立了径向分层、自重、无自转、可压缩、Burgers体流变的球形地球位错理论，可处理任意多层地球结构，可用于计算地球内部位移场。2）分别求解了4种平衡方程，估计了预应力、浮力和自重在震后黏弹性松弛变形中的作用。结果表明，震后变形的模拟可以忽略自重项；预应力起到恢复力作用，阻碍变形；预应力和浮力的影响与断层倾角和破裂尺度有关。3）建立了有限元模型，求解了包括应力和预应力两项的平衡方程。与一维层状模型的半解析解进行了对比，两者在水平位移上一致；在近场和远场垂直位移有较小的差异，原因是有限元模型忽略了重力梯度。考虑到观测和模型误差，该微小差异不影响有限元模型的实际应用。4）从震后大地测量数据中分别去除一维层状地球模型和三维地球模型的黏弹性松弛效应后，反演了余滑分布，对比并估计了横向不均匀性的影响。以2011年日本东北Mw9.0地震为例，结果表明，俯冲板片和三维黏度结构，特别是陆地地幔的冷鼻结构，对余滑有显著影响。一维层状模型下，余滑主要集中在同震滑移的正下方，与同震滑移形成互补；三维地球模型下，极少的区域发生余滑，即震后GPS变形数据不再需要大量的余滑，地幔的黏弹性松弛是主要过程。研究结果进一步理解了三维地球结构在震后变形中的作用，为地震循环的研究提供了参考。