地球內(nèi)部同震變形的理論研究及實(shí)例分析

董 杰

中國測繪科學(xué)研究院，北京 100036

近年來，地震的研究一般局限于地表的變化，對地表同震變形的位錯理論研究已發(fā)展到分層球形地球模型的位錯理論，這是一個非常接近真實(shí)地球的模型，而由地震引起的地球內(nèi)部同震變形研究卻很少。地震的發(fā)生一般會伴隨著孕震、發(fā)震、應(yīng)力調(diào)整等過程，并開始新的地震的孕育，研究地球內(nèi)部同震變形的特征對地球深部運(yùn)動及對下一次地震的孕育過程及機(jī)理的分析具有重要意義。本文在球形位錯理論的基礎(chǔ)上，通過比較分析地球的分層構(gòu)造、自重及曲率對地表同震變形和斷層滑動模型反演的影響，得出球形地球模型在內(nèi)部變形計算上更優(yōu)于半無限空間模型?；谇蛐蔚厍蚰Ｐ?，開發(fā)了一套計算獨(dú)立點(diǎn)震源引起的地球內(nèi)部同震變形的格林函數(shù)，并給出點(diǎn)震源引起的地球內(nèi)部球面上和徑向剖面上的變形結(jié)果，通過比較半無限空間模型和球模型的地球內(nèi)部計算結(jié)果分析地球內(nèi)部變形受曲率的影響。主要內(nèi)容如下。

(1) 研究了2011年日本東北大地震(Mw9.0)產(chǎn)生的地表同震變形受地球的分層構(gòu)造、自重及曲率的影響，并定量給出了近場重力、大地水準(zhǔn)面變化及遠(yuǎn)場位移受到的影響大小，分層構(gòu)造能夠產(chǎn)生約20%的影響，曲率和自重的影響相對較小。遠(yuǎn)場的理論計算位移與GPS觀測結(jié)果對比顯示，基于自重的層狀球模型計算結(jié)果與GPS觀測更吻合，說明該模型最接近于真實(shí)的地球。斷層滑動模型的反演結(jié)果也證明了層狀構(gòu)造的影響非常大。不考慮三者影響的半無限空間模型在高精度斷層反演及解釋精密大地測量觀測數(shù)據(jù)時具有非常大的局限性。

(2) 由于球形位錯理論的數(shù)值計算困難，首先研究不帶自重的均質(zhì)球的內(nèi)部變形理論，利用一套解析的基本解，帶入球心初始條件、地表面邊界條件、球心到內(nèi)核-地幔-地殼積分及采用震源函數(shù)等進(jìn)行數(shù)值積分解算，給出了4個獨(dú)立點(diǎn)源(走滑點(diǎn)源、傾滑點(diǎn)源、水平引張點(diǎn)源與垂直引張點(diǎn)源)產(chǎn)生的地球內(nèi)部位移和應(yīng)變格林函數(shù)，該套格林函數(shù)可以快速地計算任意高階的變形值，優(yōu)于傳統(tǒng)的球形位錯理論中的數(shù)值計算，不需要采用任何漸近解或數(shù)值截斷技巧；通過獨(dú)立點(diǎn)源的任意組合可以將其進(jìn)一步擴(kuò)展到地震有限斷層引起的地球內(nèi)部變形計算中，使其可以計算任意地震(點(diǎn)源)引起的地球內(nèi)部任意位置處的位移和應(yīng)變變化等。以30 km處(淺源)的和637 km處(深源)的走滑點(diǎn)源為例，計算它們產(chǎn)生的地球內(nèi)部球面上和內(nèi)部徑向剖面上的位移，并討論了不同深度球面上的變形受到的曲率影響。研究結(jié)果顯示，震源上方和下方相同震中距位置處的同震位移并不相同，地表的同震變形并不是最大的，震源附近區(qū)域內(nèi)的變形才是最大的，隨震中距的增加而衰減，但是受到的曲率影響卻是隨震中距的增加而增大，30 km處震源在地下2500 km處的變形受到的曲率影響在50%左右，相對而言，深源地震產(chǎn)生的地球內(nèi)部變形受到的曲率影響更大。

(3) 研究了2011年日本東北大地震(Mw9.0)與2015年尼泊爾地震(Mw7.8)引起的地球內(nèi)部變形，這兩次地震都屬于逆沖型地震，地處復(fù)雜的板塊交界處，給當(dāng)?shù)氐娜嗣駧砹司薮鬄?zāi)害，結(jié)果顯示地球內(nèi)部斷層因受到應(yīng)力積累、俯沖擠壓，釋放能量而產(chǎn)生巨大位移，尤其在接近斷層位置處位移最大，斷層附近位移與地表的走向趨勢一致但振幅更大；地球深部的位移振幅比較小，但它的位移走向發(fā)生了變化，這都影響到震后的應(yīng)力調(diào)整，對后續(xù)地震或附近其他地震的孕育及機(jī)理形成提供了理論依據(jù)。