震源时间函数与震源破裂过程

简要介绍了现代数字地震学的两个重要概念。一个是震源时间函数，另一个是地震震源的时空破裂过程。首先，从地震断层位移表示定量出发，介绍震源时间函数和震源破裂过程的基本概念。然后，分别介绍两种从远场地震记录中提取震源时间函数和获取有限断层面上时空破裂过程图像的反演方法。     

近震源破裂过程反演研究--Ⅱ.9.21中国台湾集集地震破裂过程的近场反演

根据非线性规划研究的最新成果所设计的一种全新的震源破裂过程的反演方法, 用近场地震波观测资料反演了1999年9月21日发生在中国台湾省集集Mw7.6地震震源破裂过程.为了使反演中设置的断层模型与集集地震实际破裂面尽可能一致, 以尽可能减小由于断层模型设置的不确定性对震源破裂过程反演结果的影响, 设立的断层模型为与集集地震造成的主要地表破裂尽可能拟合的弯曲面模型.反演结果显示: (1) 集集地震震源的破裂大体持续了32 s, 其中主要破裂发生在第6～27 s间, 破裂主要集中发生在断层北段向东拐弯处.(2) 震源破裂以逆冲为主, 平均滑动角为64.5°, 与USGS, Harvard及CWB(台湾中央气象局)的结果相当.标量地震矩为7.76×1020牛顿米, 稍大于USGS和Harvard反演的标量地震矩.(3) 集集地震震源的破裂存在清晰的成核过程, 成核过程经历6 s后, 地震矩释放明显加速.起始破裂从断层南段开始, 10 s后破裂主要集中在断层北段发生.最后将反演结果与震后GPS观测结果进行了对照分析, 并对反演结果的科学意义进行了讨论.     

近震源破裂过程反演研究

根据非线性规划研究的最新成果所设计的一种全新的震源破裂过程的反演方法, 用近场地震波观测资料反演了1999年9月21日发生在中国台湾省集集Mw7.6地震震源破裂过程. 为了使反演中设置的断层模型与集集地震实际破裂面尽可能一致, 以尽可能减小由于断层模型设置的不确定性对震源破裂过程反演结果的影响, 设立的断层模型为与集集地震造成的主要地表破裂尽可能拟合的弯曲面模型. 反演结果显示: (1) 集集地震震源的破裂大体持续了32 s, 其中主要破裂发生在第6~27 s间, 破裂主要集中发生在断层北段向东拐弯处. (2) 震源破裂以逆冲为主, 平均滑动角为64.5°, 与USGS, Harvard及CWB(台湾中央气象局)的结果相当. 标量地震矩为7.76×10²⁰牛顿米, 稍大于USGS和Harvard反演的标量地震矩. (3) 集集地震震源的破裂存在清晰的成核过程, 成核过程经历6 s后, 地震矩释放明显加速. 起始破裂从断层南段开始, 10 s后破裂主要集中在断层北段发生. 最后将反演结果与震后GPS观测结果进行了对照分析, 并对反演结果的科学意义进行了讨论.     

近震源破裂过程反演研究——I.方法和数字试验

利用非线性规划研究的最新成果,设计了一种全新的震源破裂过程的反演方法,同时反演震源破裂的时间图像和滑动在破裂面上的分布.该方法与目前震源过程破裂反演计算所用的两类主要方法(线性矩阵方法和全局搜索寻优方法)相比,在线性矩阵方法对初始模型依赖大、解不稳定和全局搜索寻优方法在高维解空间寻优效率不高、易出现伪解等方面有较显著改善.数字试验的测试表明,本方法计算效率高,反演结果稳定、可靠,可有效应用于实际地震震源过程的反演研究中.     

近震源破裂过程反演研究——Ⅰ. 方法和数字试验

利用非线性规划研究的最新成果, 设计了一种全新的震源破裂过程的反演方法, 同时反演震源破裂的时间图像和滑动在破裂面上的分布. 该方法与目前震源过程破裂反演计算所用的两类主要方法(线性矩阵方法和全局搜索寻优方法)相比, 在线性矩阵方法对初始模型依赖大、解不稳定和全局搜索寻优方法在高维解空间寻优效率不高、易出现伪解等方面有较显著改善. 数字试验的测试表明, 本方法计算效率高, 反演结果稳定、可靠, 可有效应用于实际地震震源过程的反演研究中.     

大地震震源破裂模型:从快速响应到联合反演的技术进展及展望

解析大地震的破裂模型是研究地震成因、破裂动力学机制和探究活动断层结构等研究方向的基础.在地震防灾、应急响应和危险性评估等实际问题中发挥着重要的作用.文章对近年来在大地震破裂模型反演的方法及应用上取得的进展进行综述和分析,结合北京大学地球物理专业相关研究人员在大地震破裂模型的快速反演、震源反投影、大地测量、地震波与形变观测数据的联合反演、复杂地球模型中破裂过程的反演及强地面运动模拟等方面的工作,分析不同研究方法的特长以及不足.提出从短期快速响应到长期科学问题的系统化研究思路,并对从震源模型反演到强地面运动预测的一体化自动应急系统,以及全动力学反演方法进行了分析和展望.     

利用地震波形反演研究震源破裂时空过程

本文对近10多年来利用地震波形反演推断震源破裂时空过程这一领域的研究进展作一简单介绍．论述了理论地震图的计算、反演确定震源参数、以及解释反演结果三方面的发展,并对反演结果进行了归纳总结．研究表明,在本文所提到的地震中,多数大地震的震中附近只有相对小的滑动,而在多数中等地震的震中或其附近有较大的滑动．本文认为,在进一步提高反演解答的稳定性和可信程度的基础上,在大地构造背景下研究震源的性质,对一批不同震级、发生在不同构造区的地震进行系统研究是有意义的．     

基于震源位置搜索的破裂过程联合反演方法及其在典型内陆浅源强震中的应用

众所周知,破裂过程的反演依赖于震源位置和断层面参数.然而,在一些台站稀疏地区,由于震源位置的精度不高,在进行破裂过程反演时,断层面上的初始破裂点的位置难以得到有效确定.     

近震源地震波波形资料反演震源破裂过程的可靠性分析

用近震源波形资料拟合反演地震的震源破裂过程,所包含的一些不确定因素将对反演结果的精度及可靠性产生影响,文中的数值实验分析了所假定的反演断层模型参数的某些不确定性对反演结果的影响程度,并对观测波形的截取长度对反演精度的影响进行了讨论．结果表明：(1)近震源地震波形资料能较好地分辨断层浅部的破裂过程.然而对断层深部的位错分布的约束和反演能力较差．联合使用近、远场地震波资料进行反演,能反演出一个更为完全的整个断层破裂过程的图像.(2)用近震源地震波资料反演时,反演结果对所假定的反演断层的走向和倾角非常敏感.断层走向偏离真实值2°或倾角偏离真实值5°都会导致一个虚假的反演结果.(3)反演中所使用的介质速度结构模型的不确定性,也会对反演结果产生影响.     

用复合型法反演震源破裂过程的研究

本文探讨了用P波频谱研究不对称双侧破裂方式与正交破裂方式的方法,研究了用复合型法反演震源参数的可行性。 用这种方法反演了1966年3月8日邢台马兰6.8级地震及1966年3月22日东旺6.7级地震的震源参数。通过与用网格尝试法反演的结果及余震分布等进行比较,认为这种反演方法除了与过去的网格尝试法类似,可以得到最优拟合参数解外,还可以大大减少计算量,实现了网格尝试法难以实现的更复杂的震源模式的反演。 本文还用此方法研究了1962年3月19日广东河源6.1级地震及1969年7月26日广东阳江6.4级地震的破裂过程。研究结果表明:河源地震的破裂方式是正交三侧破裂。北西方向为主破裂,破裂长度8km,破裂速度0.6km/s. 南东方向破裂长度较短,约2km,破裂速度2.0km/s.正交侧指向南西,破裂长度3km,破裂速度0.5km/s,这个结果与余震分布图所显示的图象很相象。阳江地震的破裂方式是不对称双侧破裂。主破裂方向为北东东,破裂长度14km,破裂速度0.8km/s;朝南西西向的破裂长度5km,破裂速度0.6km/s。      

基于强震动资料的破裂过程快速反演及其自动化的可行性

破裂过程快速反演是目前快速获取地震灾害特征的主要手段之一,是震后应急工作的重要内容.近十年来基于远震资料开展的手动快速反演工作取得了长足进步,但在响应时间方面存在固有的局限,阻碍了反演效率的持续提升.我们根据新近发展的IDS （Iterative Deconvolution and Stacking）自动反演方法,尝试反演近场强震动资料确定破裂过程,探讨破裂过程反演自动化的可行性.对近几年国内发生的强震——包括2013年芦山M_W6.6地震、2016年青海门源M_W5.9地震和2016年新疆阿克陶M_W6.6地震——的应用结果表明,采用IDS方法反演强震数据可以得到稳定可靠的破裂模型,且反演计算时间都控制在几十秒内.此外,以2008年汶川M_W7.9地震为例,测试了不同子断层尺度、截止频率和地壳速度结构模型对反演结果的影响,发现滑动分布主要特征不强烈依赖于反演参数和地壳模型,证实了自动反演的稳定性和很强的适应能力.这一研究表明,基于强震动资料的自动反演可能是破裂过程快速反演的主要发展方向.特别地,在未来强震动台网持续发展、强震动数据的质量和共享速度都得到进一步提高之后,这一工作可望纳入到地震参数的常规自动测定工作中,为震后应急和海域地震的海啸预警提供急需的震源模型.     

乳山震群震源谱参数的稳健反演

本文引入截止频率f_(max)提出基于Brune模型的高频截止(High-Cut)模型,采用两步反演的方法来拟合求解震源谱的特征参数,并给出其误差范围;实际应用显示该模型的理论谱对观测谱有很好的拟合,可明显改善拐角频率识别的准确度.将该方法应用于2013—2015年的乳山震群,计算了乳山震群25次M_L≥3.0事件的震源参数(地震矩、破裂半径、应力降等),进一步对乳山震群的震源破裂特性进行了讨论.结果显示:拐角频率、应力降与震源尺度大小明显相关;高频衰减系数γ与震源破裂区的复杂程度以及破裂性质有关,当观测记录中混杂有其他事件的波形或微破裂时,高频衰减系数大于2,并且不确定性增大;截止频率f_(max)与地震大小存在一定相关性;使用Beresnev(2001)给出的震源半径计算公式,得到的乳山震群的结果显示与华北地区的经验关系较为一致;乳山震群的应力降明显偏小(最大不超过0.15 MPa),一方面反映了震中区域的构造应力水平,另一方面可能还意味着此次震群是一个相对非耗散型的脆性破裂过程,属于低摩擦应力的断层作用.     

强烈地震震源破裂和深层过程与地震短临预测探索

强烈地震震源区和其周边地域的介质,在力源作用下开始破裂,即微破裂,而当其在应力不断积累、逐渐发展并形成具有一定规模的“破裂链”时,即应力集中达到临界状态时,震源介质所积累的巨大能量以波动的形式瞬间释放,并冲出地表发生地震,且在地表产生一系列的破坏和大型断裂.在强烈地震发生后依据设定的初始模型和远、近地震台网记录,通过震源机制解计算,可求得震源介质的破裂长度和破裂过程.事实表明,一系列大地震的“孕育”、发生和发展,由震源深处到地表均呈现出强烈的破裂效应,其破裂长度可由几公里、几十公里、乃至千余公里长.有的地震在发生前确亦存在着破裂响应和迹象.为此,若在地表和深井中能进行破裂效应的观测,以捕捉初始微破裂和其形成“破裂链”的动力过程,这对于短临地震预测可能是一个十分重要的途径.     

2001年昆仑山口西MS8.1地震破裂时空过程的统一模型

2001年昆仑山口西M_S8.1地震经历了一个复杂的破裂过程,其破裂长、幅度大、破裂速度多变,成为大陆型地震研究的典型地震。本文融合近场高精度大地测量观测（4幅InSAR影像,34个GPS点位同震位移）和高信噪比远震波形记录,基于有限断层反演理论,联合反演得到该地震同震破裂时空过程的统一模型;同时,基于欧洲区域台网波形数据,利用反投影方法获得高频破裂的时空展布。联合反演结果表明,破裂自西向东传播的过程中走向有所变化,破裂尺度达400km,最大滑移量达8m,地震矩大小为6.1×10²⁰Nm,对应的矩震级M_W为7.78。主断层破裂经历了3个阶段,其中,超剪切破裂阶段对应最大位错区域,破裂到达西大滩段与昆仑山口断层交叉处时,破裂速度与尺度迅速下降。反投影结果同样显示破裂的3个阶段空间上对应大地测量反演的3个最大破裂区,最大破裂区的扩展速度达6km/s,但超剪切破裂终止在断层交叉口东部约30km处断层走向发生转变的位置。     

2014年8月3日云南鲁甸MW6.1（MS6.5）地震破裂过程

2014年8月3日云南鲁甸（M_W6.1,M_S6.5）地震是一次规模不大、但灾害严重的走滑型地震事件.受走滑型地震辐射图型的影响,远震地震资料在特定方位上信噪比不高,给此次地震发震断层面的确定造成了一些干扰.本文概述了鲁甸地震发生后2.4小时发布的作为地震应急响应的破裂过程快速反演工作,以及随后对反演结果的修订工作.修订结果中,两个双力偶节面的反演都显示破裂方向朝地表和走向方向扩展.结合现有的烈度分布和余震精确定位结果,根据破裂方向和烈度与余震分布的优势方向的一致性,确定鲁甸地震是发生在走向162°,倾角86°的近乎垂直于地面的以左旋走滑为主的断层面上的一次破裂事件.根据破裂过程反演得到的震源时间函数,大部分地震矩在破裂开始后2~5 s内集中释放. 比较集中的地震矩释放过程可能是此次地震面波震级明显高于矩震级,且造成严重地震灾害的原因之一.     

Stability of source mechanisms inverted from P‐wave amplitude microseismic monitoring data acquired at the surface

We study the stability of source mechanisms inverted from data acquired at surface and near‐surface monitoring arrays. The study is focused on P‐wave data acquired on vertical components, as this is the most common type of acquisition. We apply ray modelling on three models: a fully homogeneous isotropic model, a laterally homogeneous isotropic model and a laterally homogeneous anisotropic model to simulate three commonly used models in inversion. We use geometries of real arrays, one consisting in surface receivers and one consisting in ‘buried’ geophones at the near‐surface. Stability was tested for two of the frequently observed source mechanisms: strike‐slip and dip‐slip and was evaluated by comparing the parameters of correct and inverted mechanisms. We assume these double‐couple source mechanisms and use quantitatively the inversion allowing non‐double‐couple components to measure stability of the inversion. To test the robustness we inverted synthetic amplitudes computed for a laterally homogeneous isotropic model and contaminated with noise using a fully homogeneous model in the inversion. Analogously amplitudes computed in a laterally homogeneous anisotropic model were inverted in all three models. We show that a star‐like surface acquisition array provides very stable inversion up to a very high level of noise in data. Furthermore, we reveal that strike‐slip inversion is more stable than dip‐slip inversion for the receiver geometries considered here. We show that noise and an incorrect velocity model may result in narrow bands of source mechanisms in Hudson's plots.     

2016年印尼苏门答腊岛海域MW7.8地震震源运动学特征

根据中国和全球地震台网记录的波形记录,采用W震相矩张量反演、反投影分析及有限断层模型反演方法,研究了2016年3月2日印尼7.8级地震破裂过程,分析讨论印尼地震震源运动学特征.结果表明：此地震为一次对称的双侧破裂走滑型事件,北北东─南南西向的断层节面（走向5°/倾角85°）为发震断层面.标量地震矩约6.19×10²⁰ Nm,矩震级为7.79,最大的滑动量约11 m,位于破裂起始点北东,沿着断层走向约30 km处.破裂平均速度2.0~2.2 km·s^-1,破裂持续时间35 s,破裂在5~25 s内释放的能量,约占总能量的97%.最终形成了总长度90 km左右的断层.印尼地震具有破裂持续时间短、破裂速度慢、高滑动能量带相对集中等显著特点.本研究对进一步增进海洋岩石圈地震的震源特性认识有重要参考意义.     

2014年3月10日加州西北岸M_w6.9级地震震源破裂过程

2014年3月10日13时18分(北京时间)美国加利福尼亚州西北岸发生Mw6.9级地震,震中位于戈尔达板块内部.本文利用国际地震学研究联合会(IRIS)地震数据中心提供的远场体波数据,通过波形反演的方法来研究此次地震的震源破裂过程,并分析未造成重大人员伤亡及诱发海啸的原因,为该地区地球动力学的研究提供依据.选取19个方位角覆盖均匀的远场P波垂向波形记录和13个近场P波初动符号进行约束,基于剪切位错点源模型确定此次地震的震源机制解.结合地质构造背景资料,确定断层破裂面的走向.在考虑海水层多次反射效应的影响下,采用18个远场P波垂向波形数据和21个远场SH波切向波形数据,利用有限断层模型,将断层面剖分为17×9块子断层单元来模拟破裂面上滑动的时空分布,通过波形反演的方法获得此次地震的震源破裂过程.利用海水层地壳模型,剪切位错点源模型的反演结果为:走向323°,倾角86.1°,滑动角-180°,震源深度为10.6km.有限断层模型的反演结果表明,此次地震的破裂过程相对简单,主要滑动量集中于震源上方35km×9km的区域内,破裂时间持续19s左右,平均破裂传播速度约为2.7km·s-1,较大滑动量均沿着走向分布,最大滑动量为249cm.此次地震为发生在戈尔达板块内部的一次Mw6.9级的陡倾角走滑型地震.此次地震为单纯的走滑型地震,断层面接近竖直方向,且发生在洋壳底部,因此破坏力不大,不会对沿岸城市造成重大损失.陡倾角断层在走滑错动的过程中不会使海底地形发生大幅度变化,不会引起大面积水体的突然升降,因此不会诱发大规模海啸.     

2013年MS7.0芦山地震的动力学破裂过程及其影响因素

2013年4月20日在四川芦山发生了M S7.0地震,震源运动学反演结果给出了此次地震的破裂过程和同震滑动分布.为了更好地理解造成芦山地震破裂过程的力学原因,本文综合野外地质调查、余震定位、深地震反射剖面等结果,构建芦山地震铲型断层模型,以震源运动学反演结果为约束,将震源参数与震源附近的构造应力场结合,建立断层面上滑动量和牵引力的时空分布关系,通过试错法给定震源动力学计算参数模拟芦山地震破裂传播的可能情况,进而分析讨论不同动力学计算参数对芦山地震破裂过程和同震滑动分布的影响.结果显示,初始应力是决定断层是否发生错动的关键;临界滑动弱化位移D c对破裂滑动速率有着很大的影响;成核区半径和初始应力主要影响破裂成核的快慢;局部不均匀破裂强度主要影响破裂行为和断层最终滑动量分布.利用边界积分方程法可以有效计算芦山地震铲型断层模型的动力学破裂过程,再现此次地震的主要特征.通过探究动力学参数对破裂过程影响,可解释运动学反演结果所揭示的破裂特征的力学原因,对于深入了解地震震源过程的物理本质和预测未来可能发生的地震的主要特征有着重要的参考意义.