基于汶川主震及余震的一种新型地震预警震级估计参数τ_(log)研究

我国四川地区在2008年发生了一次面波震级达8.0级的强烈大地震,诱发了多处灾难性滑坡灾害并造成了重大人员伤亡.作为防震减灾最为行之有效的方法之一,地震预警系统亟待在四川地区建立起来.在地震预警系统中,对地震震级的快速估算是最为重要且困难的工作之一.目前世界上提出较早、应用较为广泛的快速震级估计的参数主要有:最大卓越周期(τ_p~(max))、特征周期(τ_c)和最大位移幅值(P_d).本文介绍了一种新型的震级估计参数对数周期(τ_(log))并利用2008年汶川主震及其余震P波和S波初期部分的信息,研究了该参数与震级的相关性,并与前人研究同为周期/频率相关算法的τ_p~(max)和τ_c参数进行对比,然后进一步研究时间窗口长度对震级估计误差的影响并进行了评价.结果表明:对于主震事件(M 8.0),短时窗的τ_(log)参数无法避免震级低估(震级饱和)现象,当时间窗口到达第5s时,震级饱和现象能有效地被克服;对于中等震级地震事件(M 5.0~6.5),能够较好地反映地震规模大小,震级估算误差能较好地满足地震预警系统精度要求;在小震级事件(M5.0)中,τ_(log)方法的震级估计误差更小,相比起τ_c方法显得更为优越,在地震预警系统的实际应用中,能够有效地降低对于小震事件的误(漏)报率.     

地震预警参数τ_p~(max),τ_c和P_d在四川地区快速震级估计中的应用

为控制和减轻四川省龙门山断裂带地区的潜在地震威胁,建立一套适用并服务于该地区地震预警系统的震级估计模型显得尤为重要。本文利用2008年汶川地震(MW7.9)主、余震和2013年芦山地震(MW6.6)主、余震P波初期部分的信息,研究了最大卓越周期(τ_p~(max))、特征周期(τ_c)和峰值地动位移(P_d)三个预警参数与地震震级的相关性,并建立了对应的震级估计模型。然后将基于四川地区数据所建立的模型与前人所研究的基于其他地区数据所建立的模型进行比较、分析和评价。结果表明,τ_p~(max)参数与所选数据库地震震级呈现分段相关,分别为4.0~6.0级和6.0~8.0级;而τ_c参数在所选数据库整段震级范围内呈现明显的相关,且没有出现震级饱和现象,但是该参数的拟合回归线斜率略低于其他地区;而P_d参数与震级在4.0~6.0级的相关性最好,对于大震级却出现了较为明显的震级饱和现象。值得注意的是,通过增大时窗或缩窄滤波频带可以在一定程度上改善震级饱和现象,但是拟合回归线斜率会有所减小,不同参数所表现出来的差异性以及与其他区域模型的差异应与龙门山断裂带地区的区域特性有关。本研究为我国四川省地震预警系统中震级估计模型的建立提供了参考。     

基于2014年云南地区地震的地震预警参数与快速震级估算研究

根据2014年云南地区M6.1盈江地震、M6.5鲁甸地震和M6.6景谷地震的主震、余震P波初期部分的信息,研究了地震震级快速估算中3个预警参数（最大卓越周期τ_p^max、特征周期τ_c和最大位移幅值P_d）与震级的相关性,提出了云南地区的震级估计模型,并对其进行分析,再和其它地区的震级估计模型进行对比和评价。结果表明:3种方法均能在短时间内（2~4 s）有效地进行震级估算,P_d方法估算效果最优,τ_c方法次优,τ_p^max方法较弱。在震级较大的主震震级估计中,3种方法均没有出现明显的震级低估（震级饱和）现象。对于τ_p^max方法,云南地区的估计模型与南加州地区较为接近,但与四川地区区别较大,可能与该方法的计算稳定性有关;而τ_c方法的估计模型则与四川及世界其它地区均较为接近,更具有普适性和稳定性。在地震预警系统的实际应用中,由于云南地区尚未建立密集的地震监测台网系统,因此在短时间内难以得到较为准确的震中距。与震源距相独立的τpmax和τc两种算法则显得较为实用,其中:τ_c方法略优于τ_p^max方法,同时能较好地满足地震预警系统的精度要求,因此推荐使用τc方法应用于云南地区地震预警系统中的快速震级估算。     

利用2014年云南地震验证与研究四川地震预警快速震级估算模型

地震预警系统是防震减灾中最为行之有效的方法之一,其中对地震震级的估算是非常重要且困难的。目前,比较成熟的地震震级估计方法包括：基于最大卓越周期（τ_p^max）、特征周期（τ_c）和最大位移幅值（P_d）方法。利用2014年云南地3次大地震主震及余震P波初期部分的信息,验证与研究了四川地区地震预警快速震级估算模型在云南地区的适用性,结果表明3种参数模型均能在短时间内有效地进行震级估算。对于本研究数据库而言,P_d-4 s时窗模型最优,3个参数模型求得的估计震级在大震下均没有出现明显的震级饱和现象。但由于目前难以在短时窗下得到准确的震源/中距,因此推荐在云南地区地震预警系统中使用τ_p^max和τ_c模型来估计震级。     

一种基于位移源谱的地震预警快速震级估算方法及影响因素研究

地震预警(EEW)系统是防震减灾中最有效的方法之一,对地震震级的估算是非常重要且困难的。目前,比较成熟的地震震级估算方法主要有基于最大卓越周期τpmax、特征周期τc和位移幅值最大值Pd的震级估算方法,但这些方法存在一个重要缺陷,即对大地震(M_w≥6.5)的震级估算会出现震级低估现象,也称为震级饱和~([1-2])。为克服上述缺陷,借鉴位移源谱方法,探讨了基于单台站P波位移源谱开展地震震级估算的适用性,进一步研究了震源距和场地条件对该方法估算地震震级可靠性的影响,得到了该方法的最佳适用范围。研究通过用多组地震记录检验,表明了位移源谱方法能较好的估算大地震震级,可以有效地解决震级估算时震级饱和问题,此外,在不同震源距和场地条件下,该方法均能提供稳定的震级估算。虽然对于中小地震,位移源谱方法在短时窗下的震级估算有系统性的误差,但是长时窗震级估算中克服了震级饱和现象,同时具有精度高和离散性小的独特优点,具有普遍适用性和稳定性,适用于地震预警系统。     

近场全波形反演：芦山7.0级地震及余震矩张量解

2013年4月20日四川芦山发生了7.0级地震.该地震是自2008年汶川8.0级地震以来发生在龙门山断裂带上的最强地震,截至5月5日,四川省数字遥测台网记录到了52个（M_L≥4.0）余震.我们搜集了信噪比相对较高的宽频带数据,根据已有的三个分别适合于四川盆地和龙门山断裂东南地区、西南山区、西北山区速度模型,利用TDMT_INVC方法计算矩张量,获得了芦山主震及其16个余震的高质量矩张量解;根据P轴、B轴和T轴的倾角对主震及余震的断层类型进行了分类,结果表明：芦山地震的震级为M_w6.46（矩震级）,地震矩为0.61×10¹⁹Nm,震源深度为13 km,震源机制类型为逆断层.芦山余震类型简单,主要为逆冲型;芦山地震序列震中分布于龙门山断裂带西南端的彭县—灌县断裂上,本研究获得的主震和余震的震源机制主要为逆冲型,这表明了龙门山断裂西南端主要为逆冲特征.芦山地震震源性质与汶川地震相近,发震间隔时间短,且均发生于同一构造单元内,表明了该地震与汶川地震可能有密切关系.     

基于Kik-net井下基岩强震动记录的持续地震预警震级估算方法

基于地震预警中不同预警参数估算的震级差别很大,且原因不清楚,使得震级估算的准确性难以得到保证。利用井下基岩观测点的强震动记录可以最大限度减少场地条件的影响,震级估算具有干扰小、质量高的优点。选用日本Kik-net 358个台站井下基岩观测点的14 423条强震动记录数据,通过分析预警参数τ~p_(max)、τ_c、τ_(log)、P_d、IV~2分别在P波初至1 s、2 s、3 s等时段下的震级估算效果,揭示了以前未有解释的造成基于各参数估算的震级差异的原因,并给出一种震级持续估算方法。本文发现:τ~p_(max)受场地条件影响明显,建议采用基岩场地强震动记录数据进行计算;τ_c和τ_(log)受加速度记录积分计算影响容易使得震级估算偏大;P_d采用P波初至4 s进行计算,可以避免6.5～7.2级地震的震级饱和。提出了实时调整预警参数的震级持续估算方法,即基岩强震动记录的初至1 s、2 s P波的τ~p_(max)估算震级,初至3 s P波的P_d估算震级,并以初至4 s地震波的P_d估算震级作为最终的估算震级。     

西西里岛东部地震预警参数评估

地震预警系统正在成为适用于实时地震风险管理的一个工具。事实上,由于地震预警系统是在短时间内减轻地震风险的有效方法,因此在全球许多国家已经实施或正在进行试验。地震预警系统是以利用震后地震信号初始部分测量的一些参数之间的关系为基础的。本文我们介绍了在西西里岛东部为实施地震预警系统的初步探索,该地区遭受了几次破坏性地震的袭击。使用意大利国家地球物理和火山研究所的宽频带台站记录的M_L≥2.8的地震数据,我们估算了P波和S波的初至波的峰值地动位移Pd,地面运动周期τ_c和峰值地动速度(PGV)。我们发现P_d与地震的大小有关,可以用来为该地区的地震预警系统估算震级。我们还推导了τ_c和ML之间以及P_d和PGV之间的关系,这些关系可以用于给定台站周围的现场预警,并评估潜在的破坏性影响,这些关系可能对未来在该地区实施地震预警系统有实际的参考意义。     

机器学习在地震紧急预警系统震级预估中的应用

地震预警是地震减灾工作的重要途径,而震级预估是整个地震紧急预警系统中重要且较为困难的一个环节.目前,世界上多个国家和地区都已建立了各自的地震预警系统,并且形成了特征频率(τ_p和τ_c等)相关和特征振幅(Pd等)相关的两类震级紧急预警的方法,但各有局限性.本文在已有的方法和理论基础上,运用机器学习算法,将日本KIK和KNET台网从2015年至2017年所记录到的843条地震目录,55426条记录作为全数据集,设计、训练出一套用于常见震级范围的机器学习震级预估模型.与已有方法的预估结果相比,机器学习方法不仅使预估的整体误差和方差下降,同时多台联合评估单一地震事件的截面方差也更低.本研究的结果显示了机器学习算法在震级紧急预估问题上具有较广阔的应用前景,同时也为较为复杂的深度学习类算法框架下端到端模型提供了实践基础和研究可能.     

浅谈芦山地震

地震序列是对地震现象的回顾性描述,只有在地震序列结束后它才有可能被确切无疑地判定.鉴于龙门山断裂带或地震带的整体性、统一性和系统性,不可否认在其西南段发生的芦山地震是与汶川地震一样的同属于龙门山断裂带的事件.鉴于芦山地震的震源位置、震源机制、震级大小和破裂区覆盖的范围,目前可认为它是汶川地震迄今最大的余震.鉴于地震序列的判定是对地震现象的唯象的描述,有相当的任意性,对芦山地震究竟是"新的主震"还是"汶川余震"的"讨论"实质上是在根据经验判定地震的类型,即使目前看"主震说"提出的4条"论据"明显缺乏说服力,"余震说"比较有说服力,但最后都需要等到地震序列结束之后才有可能"定论".作者认为,相对于需要等到地震序列结束之后才能"定论"、甚而在地震序列结束之后未必能"定论"的芦山地震究竟是"新的主震"还是"汶川余震"问题,应当更为关注芦山地震的发生引出的一些重要的亟待研究的科学问题与防震减灾问题.     

地震预警中两种利用卓越周期估算震级方法的比较

利用地震P波初始信息快速估算震级是地震预警系统中的重要部分之一,文中详细介绍了地震预警研究中常用的两种卓越周期估算震级方法:τpmax方法和τc方法。为了评估这两种方法哪一种震级估算精度更高,文中通过设置不同的估算震级时间窗以及不同的滤波频带,利用震级范围4.1～7.9的22次地震的强震观测记录对这两种方法进行了比较分析。比较的结果表明:本文计算得到的τpmax值和τc值与震级之间均存在线性比例关系,与前人的研究结果一致;在相同的0.075～3 Hz带通滤波条件下,利用P波触发后3 s地震记录计算的τc值可获得最优的震级估计结果,τc与震级的相关系数为0.78,标准差为0.16。仅经过0.075 Hz高通滤波得到的τpmax值与震级的线性相关度比0.075～3Hz带通滤波得到的τpmax值与震级的线性相关度低,而是否经过低通滤波对τc值与震级的线性比例关系没有影响。建议在地震预警系统中优先采用3 sτc方法作为震级估算方法。     

基于汶川主震及余震的预警参数与震级相关性研究

地震预警作为一种能够有效减轻地震灾害的手段已经被世界上越来越多的国家和地区所研究,并在实际应用中取得了显著的减灾实效.利用汶川主震及其余震P波和S波初期部分的信息,研究了最终地震震级与4个预警参数的相关性.考察的4个参数是位移幅值(P_d)、速度平方积分(IV2)、P波卓越周期和特征周期(τ_p和τ_c).使用的数据集时间跨度从2008年5月12日至2008年10月4日,共计218次震级大于等于4级的地震事件,包括主震8.0、最大余震6.5和7次大于等于6.0级的事件.P_d、IV2和τ_c在震级小于等于6.5级时与最终震级具有较好的相关性,没有出现震级饱和现象,验证了前人的统计结果.但是在估算主震震级时,都存在不同程度的低估现象,IV2参数尤其明显.另外,P_d和IV2统计曲线在M6级附近存在着一个斜率变化,并且P_d结果与前人统计结果相差较大.τ_p的统计结果表明该参数不适合应用到汶川地区的地震预警系统中.     

基于汶川强震记录预警参数研究及在仪器中的应用

地震预警作为一种能够有效减轻地震灾害的手段已经被世界上越来越多的国家和地区所研究,并在实际应用中取得了显著的减灾实效.利用汶川主震及其余震的强震观测记录研究了特征周期τc与震级的相关性、位移幅值Pd与峰值速度PGV的相关性以及τc和Pd的乘积与震级的关系.统计结果表明,τc与震级以及Pd与PGV之间都有较好的相关性,验证前人的统计结果.另外,τc和Pd的乘积与震级的关系也与台湾地区的结果一致.最后,研究结果被应用到了两款不同的仪器中,形成一套现地地震预警系统.     

2021年5月21日云南漾濞地震及5月22日青海玛多地震的支持向量机震级估算

2021年5月21日及5月22日,云南漾濞县与青海玛多县分别发生破坏性地震,主震震级分别为M_s6.4级与M_s7.4级。本文基于机器学习中的支持向量机方法,以多类型特征参数为输入建立地震预警震级估算模型SVM-M,离线模拟云南漾濞M_s5.6级前震、M_s6.4级主震以及青海玛多M_s7.4级主震的连续震级估算。结果表明:对于云南漾濞M_s5.6级前震,支持向量机方法在首台触发后1s可估算震级为5.6级,且随着首台触发时间的增加,估算震级一直在实际震级附近波动;对于云南漾濞M_s6.4级主震和青海玛多M_s7.4级主震,随着首台触发时间的增加,支持向量机方法对于大震低估问题得到了有效的改善,且震级估算结果逐渐接近实际震级。同时,这3次地震的震级估算离线模拟表明:引入震源距的支持向量机方法（SVM-M1模型）对于震级估算有更好的稳定性,且在地震预警系统的震级估算中有着潜在的应用前景。     

2013年芦山地震序列震源机制与震源区构造变形特征分析

基于四川区域地震台网记录的波形资料,利用CAP波形反演方法,同时获取了2013年4月20日芦山M7.0级地震序列中88个M≥3.0级地震的震源机制解、震源矩心深度与矩震级,进而利用应变花（strain rosette）和面应变（areal strain）As值,分析了芦山地震序列震源机制和震源区构造运动与变形特征.获得的主要结果有：（1）芦山M7.0级主震破裂面参数为走向219°/倾角43°/滑动角101°,矩震级为M_W6.55,震源矩心深度15 km.芦山地震余震区沿龙门山断裂带走向长约37 km、垂直断裂带走向宽约16 km.主震两侧余震呈不对称分布,主震南西侧余震区长约27 km、北东侧长约10 km.余震分布在7~22 km深度区间,优势分布深度为9~14 km,序列平均深度约13 km,多数余震分布在主震上部.粗略估计的芦山地震震源体体积为37 km×16 km×16 km.（2）面应变As值统计显示,芦山地震序列以逆冲型地震占绝对优势,所占比例超过93%.序列主要受倾向NW、倾角约45°的近NE-SW向逆冲断层控制;部分余震发生在与上述主发震断层近乎垂直的倾向SE的反冲断层上;龙门山断裂带前山断裂可能参与了部分余震活动.P轴近水平且优势方位单一,呈NW-SE向,与龙门山断裂带南段所处区域构造应力场方向一致,反映芦山地震震源区主要受区域构造应力场控制,芦山地震是近NE-SW向断层在近水平的NW-SE向主压应力挤压作用下发生逆冲运动的结果.序列中6次非逆冲型地震均发生在主震震中附近,且主震震中附近P轴仰角变化明显,表明主震对其震中附近局部区域存在明显的应力扰动.（3）序列整体及不同震级段的应变花均呈NW向挤压白瓣形态,显示芦山地震震源区深部构造呈逆冲运动、NW向纯挤压变形.各震级段的应变花方位与形状一致,具有震级自相似性特征,揭示震源区深部构造运动和变形模式与震级无关.（4）不同深度的应变花形态以NW-NWW向挤压白瓣为优势,显示震源区构造无论是总体还是分段均以NW-NWW向挤压变形为特征.但应变花方位与形状随深度仍具有较明显的变化,可能反映了震源区构造变形在深度方向上存在分段差异.（5）芦山地震震源体尺度较小,且主震未发生在龙门山断裂带南段主干断裂上,南段长期积累的应变能未能得到充分释放,南段仍存在发生强震的危险.     

黏滑实验的震级评估和应力降分析

本文通过三种结构模型的黏滑地震模拟实验,利用高频速度连续观测系统获得了地震失稳过程的速度特征,讨论了最大位移量的选取方法,估算了实验室黏滑型地震的矩震级,探讨了黏滑类型、应力降大小与震级的关系.结果表明,黏滑型地震的应力降过程可能包含一次到多次高频振荡,对应若干次黏滑子事件.高频振荡的摆动幅度很大,包含有多种频率成分,峰值速度0.003~0.008 m·s^-1.初步估计黏滑型地震的震级范围为-4.4~-3级,断层构造面的差异对各种黏滑模型的地震震级分布有明显影响.总体来看应力降与地震震级没有明显相关性,决定地震震级的主要因素应当是震源尺度.     

用接收函数建立区域模型的震源机制反演及其在芦山地震序列研究中的应用

本文提出并试验了一种基于接收函数建立区域模型进行震源机制反演的方法.选取四川地震台网记录的M≥3且信噪比高的近震波形资料,反演得到了芦山地震序列中74个地震的震源机制.通过对震源深度和震源机制的综合分析,探讨了芦山地震的发震构造和区域应力场状态.采用接收函数方法反演获取了26个台站下方的S波速度结构,对不同区域的台站反演结果进行叠加平均,以此区域平均S波速度作为本文震源机制反演使用的区域模型的S波速度;区域模型的P波速度由经验公式给出.反演稳定性测试表明,使用不同模型或对原始波形记录加入随机噪声的反演结果与原始反演相比,震源深度最大误差为1km,断层面各参数误差水平也很低,且显示的发震类型是一致的,其中随机噪声带来的误差小于模型带来的误差.主震反演得到的震源机制解为:震源深度17km,矩震级6.47;节面Ⅰ走向213°,倾角51°,滑动角98°;节面Ⅱ走向20°,倾角40°,滑动角80°;显示芦山主震可视为纯逆冲型地震,发震构造可能是某个具有较大倾角的逆冲断层,而不是低缓的推覆构造的基底滑脱面.同时本文反演获取的73个M≥3余震的震源机制绝大多数也显示了类似的发震类型,逆冲型地震为67个,占92%,具有绝对优势;走滑型地震为5个,正断型地震为1个.其中5个走滑型地震中的4个均分布在震源区的东北端.整个芦山地震序列深度集中在12~20km,且沿震源区短轴的余震深度剖面有自西向东呈逐步变浅的趋势,呈现清晰的铲形断面结构,结合本地地质构造,可以推断芦山地震序列主要发生在龙门山前山断裂以东的逆冲推覆体内的一个隐伏断裂上.P轴方位角优势方位与区域应力场及汶川震源区南段的相一致,表明芦山序列地震活动主要受区域应力场控制,且汶川震后该区应该不存在应力场变化.P轴仰角随深度分布则显示了孕震层在浅部为脆性上地壳,而深部已经进入了中地壳低速层.断层面的几何形态简单,倾角均值在不同深度保持稳定在55°左右,与主震倾角接近,这与汶川震源区南段的研究结果明显不同,揭示了龙门山断裂带南段与此次芦山发震断裂在断层面几何形态上的明显差异.     

2013年4月20日四川芦山7.0级地震震源破裂特征

2013年4月20日四川芦山发生7.0级地震.本文运用反投影远震P波的方法研究了中心频率为1 Hz的芦山地震震源破裂特征.研究结果显示2013年芦山7.0级地震破裂长度约为20 km,震源破裂时间约为26 s.本文认为在芦山地震的开始阶段(0~4 s)震源的破裂是向震中位置两侧进行的.而芦山地震破裂的第二阶段(5~26 s)是单侧破裂.芦山地震最大能量释放区域位于震中以北.本文对比了运用相同方法研究的发生在同一断裂带上的2008年汶川地震震源破裂特征.发现2013年芦山地震和2008年汶川地震有三点相似之处,即,破裂主要沿北东走向的龙门山断裂带发展;最大能量释放区域没有位于震中;能量都是通过多次子事件来释放的,且第二次能量释放是最大能量释放.对比两次地震破裂区域,可以看出芦山地震的破裂区域是在2008年汶川地震破裂区域的西南端发展的.两次地震的破裂区域占了整个龙门山断裂带的三分之二.     

利用人工爆破检验四川芦山及邻区地震定位精度

采用MSDP地震分析软件提供的Loc3D和HYPOSAT两种定位方法对芦山科考的8次人工爆破事件进行绝对定位,将定位结果与已知爆破参数进行对比分析。结果显示:两种方法和两种速度模型都能较为准确地测定爆破事件的震中位置,震中定位精度均可优于2.5 km;根据爆破点位置、炸药当量估算震级和定位震级的对比,可验证四川盆地属于介质低衰减区,川西高原属于介质高衰减区,两个区域地震震级平均偏差为0.3;震源深度误差受最近台站震中距的影响比较大,当最近台站震中距小于10 km时,两种定位方法反演的震源深度误差均可优于3 km。     

2022年6月1日四川芦山MS6.1地震的震源参数及其构造启示

2022年6月1日四川芦山发生M_S6.1地震.基于四川区域台网的地震资料，采用HypoDD(双差重定位)方法对芦山M_S6.1地震序列M_L≥1.0的地震事件(2022年6月1日至7日)进行了重定位，利用gCAP(generalized Cut And Paste)波形反演方法获取了序列中M_S≥3.0地震的震源机制和矩心深度，同时用Bootstrap方法评估了主震震源机制结果的稳定性以及计算了不同机构得到的多个震源机制中心解的最小旋转角，计算了现今区域应力场体系在2022年芦山M_S6.1地震和2013年芦山M_S7.0地震震源机制节面产生的相对剪应力和正应力，并根据芦山M_S6.1地震序列重定位后的震源位置拟合了发震断层面，分析了该地震序列的发震构造.获得的主要结果如下：(1)芦山M_S6.1地震序列主要沿着双石—大川断裂呈现NE-SW向的优势展布，初始破裂深度主要集中在10～18 km,平均深度14.5 km,整体呈现西...