打印重力卫星GRACE的观测时间序列不仅能够检测到陆地水储量、两极和高原冰川变化、海洋等引起的地球大尺度质量迁移，还能够检测出发生在俯冲板块边界的特大地震引起的重力场变化，如2004年苏门答腊Mw 9.3，2010年智利Mw 8.8和2011年日本东北Mw 9.0等地震事件。重力卫星能够为地震研究给予地球质量重新分布的约束，对进一步理解地震发生、震后衰减和地震孕育有着重要意义。本研究将以2011年日本东北地震为例，阐明重力卫星数据在地震研究中的作用。
顺利获得时间序列分析，经过350 km半径高斯空间平滑后的重力卫星GRACE观测结果表明，日本东北地震引起约 -6 – 2 μgal的重力变化（图1左）。基于断层滑移模型（图1中），采用球体位错理论计算，并考虑海水质量重新分布产生的影响和空间分辨率后的结果表明，理论重力场变化与GRACE观测相吻合（图1右）。
图1.
（左）重力卫星GRACE观测的2011日本东北Mw 9.0地震重力变化；（中）用于理论模拟计算的断层滑动模型；（右）理论同震重力场变化。单位为μgal.
一般而言，由于GRACE卫星轨道的特征，观测的大地水准面和重力变化对断层滑动分布模型不敏感。事实上，如果对位场做水平向导数，即计算垂线偏差，发现利用不同的断层滑动分布模型计算得到的垂线偏差不同，有的滑动分布模型无法解释GRACE观测 (图2-3)。这意味着垂线偏差对断层模型敏感，可以用于约束震源参数。
图2.
GRACE观测的2011日本东北地震的垂线偏差，左边为南北向，右边为东西向。单位为ms.
图3.
分别利用ARIA（上）和USGS（下）断层滑动模型计算得到的同震垂线偏差变化。单位为ms.
尽管GRACE空间分辨率约为330 km，但能够给予传统观测手段无法覆盖到的海洋区域的观测资料，能够为断层滑动分布模型给予约束。利用GRACE观测的同震重力变化资料，联合陆地GPS和海底GPS (GPS-A) 资料，可以得到断层滑移模型（图4）。联合反演模型的地震矩为4.8×1022 Nm，相当于Mw 9.05，略大于单独用GPS反演结果。
图4.
(a) 利用GRACE和GPS观测数据反演的2011日本东北地震断层滑动模型。(b)为拟合的同震重力变化。(c)为拟合残差。
本研究成果的主要完成人为周新、 Gabriele Cambiotti、孙文科、 Roberto Sabadini等，
相关论文发表于：
Zhou, X., W. Sun, B. Zhao, G. Fu, J. Dong, and Z. Nie (2012), Geodetic observations detecting coseismic displacements and gravity changes caused by the Mw = 9.0 Tohoku-Oki earthquake, J. Geophys. Res., 117, B05408, doi:10.1029/2011JB008849.
（原文链接http://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2011JB008849）
Wenke Sun, Xin Zhou. Coseismic deflection change of the vertical caused by the 2011 Tohoku-Oki earthquake (Mw 9.0), Geophysical Journal International, Volume 189, Issue 2, 1 May 2012, Pages 937–955, http://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2012.05434.x
（原文链接http://academic.oup.com/gji/article/189/2/937/625519）
Zhou, X., Cambiotti, G., Sun, W. K., and Sabadini, R. (2018). Co-seismic slip distribution of the 2011 Tohoku (MW 9.0) earthquake inverted from GPS and space-borne gravimetric data. Earth Planet. Phys., 2, 120–138. http://doi.org/10.26464/epp2018013
