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2011年3月11日的日本Mw9.0地震是日本有地震记录以来震级最大的一次地震,发生在太平洋板块俯冲到欧亚板块和北美板块的俯冲带上,属于海沟逆冲型巨大地震。此次地震造成巨大的同震及震后变形,而且引发了巨大海啸,给日本造成了惨重的经济损失和人员伤亡。但同时,日本岛丰富的GPS连续观测资料使得这次地震成为利用大地测量手段观测研究大地震变形问题的难得震例。现代大地测量技术,尤其是GPS和卫星重力技术可以提供日益精确且详细的地球位移场和重力场,为研究大地震引起的区域位移、重力的时空演化规律提供了坚实的观测基础。基于GPS和卫星重力观测资料研究大地震震后变形特征,已经成为认识和理解俯冲带大地震物理过程的重要手段。这正是本论文研究的基本出发点。本论文主要利用截至2015年12月的GPS和GRACE观测数据研究日本Mw 9.0大地震的震后变形特征,探索其物理机制。研究工作主要包括以下几个部分:(1)基于GPS和GRACE观测资料,提取出同震及震后位移和重力变化,分析此次日本地震引起的震后位移及重力变化的时空演化规律。(2)通过对前人研究工作的学习和模拟计算比较,确定研究区域的地球分层模型,选取最优的地震断层滑动模型。(3)结合震后余滑和黏弹性位错理论对日本Mw9.0地震的变形机制进行了研究;探索了在模拟研究中将GPS观测的地表形变和GRACE观测的重力变化综合应用的方法;综合利用GPS和GRACE观测资料估算了日本地震区域的地幔黏滞性结构。论文的研究结果显示:(1)区域震后位移呈现指数函数变化特征,变化速率符合大森公式的衰减特性;近五年的震后位移累积已达到东向60～165 cm,南向20～65cm的量值,距离震中较远处的G104、G105及J192站点所观测的震后位移累积变化已超过同震位移,并且震后变形仍然持续。GRACE观测到地震断层两侧产生了明显的同震重力变化,并且呈正负分布,海洋侧隆起区域的同震重力变化信号明显要弱于俯冲区域:震后重力变化也较显著,地震破裂两侧的重力变化趋势基本相同,总体上均呈上升趋势,但是仍存在差异,海洋侧的重力变化更明显,变化速率更快。(2)联合震后余滑模型和黏弹性位错理论对震后变形进行了模拟计算,发现在本文的时间尺度下,综合考虑震后余滑和黏滞性松弛效应可以对日本Mw 9.0地震引起震后形变和重力变化做出较合理的解释,说明此次地震的震后变形主要由这两种物理机制共同作用。(3)此次日本地震区域与苏门答腊Mw 9.3地震区域相似,断层破裂两侧存在壳幔结构的横向不均匀性,两侧的流变参数存在差异,大陆侧的地幔黏滞系数在1.0×1019Pas量级,而海洋侧的黏滞系数则在6.0×1018 Pas量级。(4)在震后变形模拟研究中,形成了先基于震后GPS形变估算区域黏滞性结构,而后利用GRACE观测资料来修正深部的黏滞系数,并综合利用GPS和GRACE微调浅层黏滞系数,最终估计出区域黏滞性结构的方法。结果表明综合应用震后重力和GPS形变资料反演大的逆掩地震区域黏滞性结构是一种可行的方法。