中國科學(xué)與測量與地球物理研究所
胡小剛 薛秀秀 郝曉光
我們利用測地所高精度重力觀(guān)測數據對3月11日日本仙臺9.0級大地震的震源機制和深度進(jìn)行約束。長(cháng)期以來(lái)，測地所在武漢，拉薩和南極中山站建立了重力觀(guān)測站（參見(jiàn)圖1），利用高精度超導重力儀監測地球的時(shí)變重力場(chǎng)。這些高精度重力儀記錄到了日本仙臺大地震激發(fā)的地球自由震蕩。地球長(cháng)周期自由震蕩的簡(jiǎn)正模的振幅大小依賴(lài)于地震矩、地震深度、震源斷層的破裂方式。自由震蕩重力觀(guān)測數據中包含了地震激發(fā)的地面運動(dòng)和重力場(chǎng)變化。
日本大地震后，多家國際學(xué)術(shù)機構，如美國USGS、哈佛大學(xué)、法國IPGS，利用觀(guān)測到的地震體波和面波計算了震源機制，地震矩心矩張量，地震深度，給出了矩震級的大小（表1）。根據這些計算結果，我們計算了武漢，拉薩和南極中山站的自由震蕩模擬值，將自由震蕩的重力觀(guān)測值與這些模擬值進(jìn)行比較（圖1、2），可對這些機構的計算結果進(jìn)行鑒定和約束。
表1 日本仙臺大地震的地震矩心矩張量、地震深度、震源機制解、震級
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M0 |
Mrr |
Mtt |
Mpp |
Mrt |
Mrp |
Mtp |
depth(km) |
Strike (o) |
dip (o) |
slip (o) |
Mw |
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Harvard |
5.31 |
1.73 |
-0.281 |
-1.45 |
2.12 |
4.55 |
-0.657 |
20 |
203 |
10 |
88 |
9.1 |
|
USGS1 |
4.50 |
2.03 |
-0.16 |
-1.87 |
2.06 |
3.49 |
-0.6 |
10 |
187 |
14 |
68 |
9.0 |
|
USGS2 |
3.90 |
1.82 |
-0.13 |
-1.69 |
1.34 |
3.17 |
-0.56 |
24 |
193 |
14 |
81 |
9.0 |
|
IPGS |
4.26 |
1.695 |
-0.147 |
-1.548 |
1.403 |
3.637 |
-0.534 |
19.5 |
196 |
12 |
85 |
9.0 |
矩張量的單位是10E22 N.m
Harvard 是哈佛大學(xué)利用地頻面波反演的震源機制解
USGS1是美國USGS利用地震體波反演的震源機制解
USGS2是美國USGS利用W-phase波反演的震源機制解
IPGS 是法國IPGS利用W-phase波反演的震源機制解
我們著(zhù)重對簡(jiǎn)正模0S0進(jìn)行了比較和分析。0S0是徑向簡(jiǎn)正模，其相應的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)只有徑向運動(dòng)而沒(méi)有任何橫向運動(dòng)，在傳播過(guò)程中不會(huì )受到地球自轉、地球介質(zhì)橫向不均勻和方位各向異性的影響。因此比較和分析簡(jiǎn)正模0S0得出的結果比較可靠。圖3、4、5的比較結果顯示哈佛大學(xué)的結果最接近觀(guān)測值，而美國USGS利用地震體波反演的震源機制解明顯大于觀(guān)測值。0S0的振幅大小與地震矩心矩張量的徑向分量Mrr以及震源深度有關(guān)。USGS1的Mrr值最大，震源深度最淺，這是導致其自由震蕩模擬值明顯大于觀(guān)測值的主要原因。
根據地震矩心矩張量理論，徑向分量Mrr=M0*sin(2*dip)*sin(slip)。因此影響0S0的振幅的參數是地震矩標量值M0、斷層面傾角dip、斷層滑動(dòng)方向slip以及震源深度depth。表1顯示，哈佛大學(xué)的震源機制解給出的地震矩標量值M0最大，并由此給出矩震級為Mw9.1，但由于其斷層面傾角dip最小，導致徑向分量Mrr較小，使得0S0的振幅明顯小于由USGS1震源機制解得到的振幅。
我們進(jìn)一步的分析表明：對于表1的結果，在M0不變的情況下，dip和slip減小、depth增大會(huì )使0S0的振幅變小，其中depth增大50%可導致0S0的振幅約變小5%，slip減小10%可導致0S0的振幅變小不超過(guò)1%，而dip減小10%可導致0S0的振幅變小大于10%。因此，斷層面傾角dip 對徑向分量Mrr的影響最大。dip偏大（14o）、depth過(guò)小（10km）是導致USGS1的結果嚴重偏離自由振蕩重力觀(guān)測值的主要原因。
如果哈佛大學(xué)的震源機制解給出的斷層面傾角是正確的，即dip的值較小（10o），日本仙臺大地震的震源深度大約為20km，其震級可能達到Mw9.1級。
圖1中國科院測量與地球物理研究所重力觀(guān)測站的位置及日本仙臺大地震震源位置
圖2（a）為武漢超導重力儀自由振蕩觀(guān)測數據和哈佛震源機制解模擬數據在時(shí)間域的比較。（b）為（a）的局部放大圖。
圖3 四個(gè)震源機制模型模擬計算的武漢九峰臺簡(jiǎn)正模0S0與實(shí)際觀(guān)測數據譜的比較，時(shí)間窗為100小時(shí)。
圖4 四個(gè)震源機制模型模擬計算的拉薩臺簡(jiǎn)正模0S0與實(shí)際觀(guān)測數據譜的比較，時(shí)間窗為60小時(shí)。
圖5 四個(gè)震源機制模型模擬計算的南極中山臺簡(jiǎn)正模0S0與實(shí)際觀(guān)測數據譜的比較，時(shí)間窗為100小時(shí)。
