球体位错理论计算程序的总体设计与具体实现

本文详细介绍了球体位错理论计算程序的总体设计思想、 各类配套文件的具体内涵以及各类输出文件的物理含义, 同时介绍了程序的使用方法和注意事项, 为读者独立使用该程序提供参考。 球体位错理论计算程序主要由三部分组成: ① 位错格林函数计算程序, 基于具体的球对称地球模型提供离散的二维格林函数数值框架; ② 积分计算程序, 对离散的格林函数数值框架进行双二次样条插值运算, 并对四类独立位错源对应的格林函数进行适当组合, 从而计算出任意位置任意类型震源在地表产生的同震变形(含位移、 应变、 重力变化和大地水准面变化); ③ 辅助文件, 用于提供发震断层模型和计算点位信息。 一般情况下, 读者不需要理解位错格林函数计算程序和积分计算程序, 只需要对辅助文件提供的信息进行针对性改动, 就可以计算目标地震在目标观测站引起的同震变形。     

地球横向不均匀结构对地表以及空间固定点同震重力变化的影响

本文提出一个新算法,用来高精度计算三维不均匀地球模型中地震位错引起的地表以及空间固定点同震重力变化.具体地说,我们首先把实际三维不均匀地球分解成球对称地球模型和对应的横向不均匀增量,分别进行计算,二者对应的计算结果分别称为球对称解和三维响应.由于球对称解可直接利用球对称地球模型位错理论计算得到,本文的目标是计算三维响应即地球的横向不均匀结构对同震重力变化的影响.然后,我们把三维响应再分为震源的响应和地球横向不均匀结构的响应,它们可分别借助对震源函数的扰动以及对平衡方程式的变分求解.本文推导出六个特殊点源位错引起的地表以及空间固定点同震重力变化计算公式(一个垂直走滑位错,两个相互垂直的倾滑位错,三个开裂位错),对这些公式进行适当组合就可以计算任意位置任意类型位错产生的同震重力变化,对应的计算公式同步给出.接着,依据36阶P波速度模型,我们利用岩石试验经验关系式推导出三维S波速度模型,密度模型,位场模型以及重力模型.最后,利用上述三维模型,本文计算出三种典型类型的点源位错产生的同震重力变化,结果显示三维响应与位错类型,震源深度都有关系,其最大响应占球对称解的0.5%左右,且在所有影响因素中S波速度模型影响最大.数值结果同时表明,三维响应中震源的响应与地球横向不均匀构造的响应处于同一量级.本文给出的地表和空间固定点同震重力变化计算公式可分别高精度解析地表重力和卫星重力观测数据(GRACE、GOCE等),提高大地测量数据理论解析水平.     

利用大地测量数据反演地震位错Love数和格林函数的理论与方法

本文提出一种利用大地测量观测技术反演地震位错Love数及格林函数的理论和方法.首先根据地震位错理论建立理论同震变化和大地测量观测值之间的关系式;其次,以2011年Tohoku-Oki地震(M_W9.0)为例,反演体现局部构造特征的地震位错Love数和格林函数.结果表明:反演得到的位错Love数与PREM模型下的位错Love数随深度和阶数变化不同,反映出局部三维地球模型的构造差异,由此计算的同震变化跟实际大地测量观测值的吻合度提高了～60%～～80%.通过大地测量观测数据反演的地震位错Love数能体现局部地球真实的构造信息,为该地区地震研究提供更加精确的地震位错格林函数.     

球形地球模型的地震位错理论及其应用

地震位错理论是研究地震断层滑动与地球物理场变化之间关系的理论,是震源机制、地球内部构造、地震预测等基本地球物理问题与大地测量、地球物理观测数据之间的联系纽带。被广泛使用的半无限空间介质模型的位错理论,由于其几何模型的限制,在地震变形和地球动力学等应用研究中会导致一定程度的误差。此外,现代大地测量技术可以在全球和区域尺度上精确地观测地震变形,亟需一个适用于全球地震变形研究的地震位错理论。为此,本团队基于球形地球模型,经过多年系统性研究,建立了地震位错理论新体系。所构建的球形地球模型的地震位错理论,促进了全球地震变形和地球动力学变化的研究,是近年来地球物理学领域取得的重要理论进展之一。本文简要地介绍了国内球形地球模型地震位错理论的发展及其应用研究。首先,介绍了弹性球形地球模型、三维不均匀地球模型和黏弹地球模型的位错理论;其次,介绍球形地球模型的位错理论在地球动力学变化研究、断层与地下介质结构反演和地震大地测量学研究方面的相关应用;最后,对球形地球模型的位错理论的发展方向作出展望。      

球状径向不均匀弹性地球模型的负荷潮应力格林函数

研究固体潮应力场时,需要考虑负荷潮应力场的影响,特别是在沿海地区,在地球的表层负荷潮应力场的大小甚至接近或超过固体潮应力场.根据Alterman方法,本文给出计算球状径向不均匀弹性地球模型对点源负荷的应力响应(负荷潮应力格林函数)的方法;作为计算实例,计算出GB地球模型的负荷潮应力格林函数.只要给出全球海潮模型,在球面上完成海潮潮高与负荷潮应力格林函数的褶积,即可计算出海潮负荷在地球模型表面上和内部任意点产生的负荷潮应力.     

近场地震动格林函数的解析法与数值法对比研究

分析了在均匀弹性介质中，分别用解析方法和三维波动有限元数值方法计算无限全空间近场地震动的格林函数的理论与方法。将震源处理分为：(1)计算单一位错点源单位脉冲引起的格林函数；(2)用有限断层模型将断面划分为若干子源并有时间延迟，叠加所有子源的格林函数。本以1994年美国北岭地震为例，用解析法和数值方法分别计算了LV3、PCD、MCN三个场地的格林函数，并进行了对比分析。     

基于三维不均匀球形地球模型的同震位移新算法

以Molodenskiy的三维不均匀球形地球模型潮汐理论以及孙文科等的球对称地球模型位错理论为基础,本研究借助互换定律和扰动方法,推导出一整套计算公式,用来高精度计算三维不均匀地球模型中地震位错引起的地表同震位移.     

不同模型下地震位错理论的对比 及其应用进展综述

对半空间和球位错理论在理论和应用研究方面的进展进行了综合评述, 讨论了地震位错理论在海啸方面的相关研究进展和位错理论与粒子群算法结合在断层反演方面的研究进展, 对比分析了不同位错模型的优缺点, 总结了位错模型在应用中的影响因素. 本文认为不同位错理论的应用受地球分层的影响最大, 其次是重力、 曲率的影响, 而受地形、 震源深度及断层倾角等因素的影响则较小, 在实际应用中应予以综合考虑.      

基于改进的经验格林函数方法的地震动模拟

改进的经验格林函数方法弃掉以往完全用经验方法确定用于合成大震的小震数目的方法,考虑了大地震断层各个子断层位错的不均匀性,使得经验格林函数方法的物理意义更加清楚。用改进的经验格林函数方法,以汶川MS6.4余震记录作为经验格林函数模拟了九寨白河台、松潘安宏台、皋兰台和成都中和4个台站的加速度时程,与以往的经验格林函数方法比较,模拟结果的反应谱与记录符合得更好,证明了改进的经验格林函数方法可以反映震源位错的复杂分布,可以在工程地震中用来估计场地地震动过程。     

球体内点位错产生的球型位移场：Ⅰ．理论

本文研究了ＳＮＲＥＩ模型内点位错产生的球型位移场．讨论了在用源函数表示的点力作用下的非奇次平衡方程的积分方法．通过定义位错Ｌｏｖｅ数，讨论了４种独立的位错解，并由此描述３种基本位错问题，即剪切位错、引张位错和爆破．导出了这３种位错产生的位移场的计算公式，可以用来计算任意位错源在任意点处的位移场．     

大气重力格林函数的理论计算

重力测量中需要扣除大气的影响.大气负荷对重力测量的影响可以分为大气质量变化引起的直接效应和大气负荷引起的地球变形带来的间接效应,大气负荷对重力观测值的直接影响,相对于间接效应量级较大.本文从理论上研究了大气负荷对重力观测的直接影响,仿照Farrell定义的负荷格林函数,引入大气重力格林函数,用来表示大气压变化对于重力观测的直接引力影响.在前人的基础上,本文采用了更为精细的大气模型,考虑大气温度随高程的变化,用离散褶积的方法求得了大气重力格林函数的理论值.实际计算时还要考虑地表温度、台站高程、周围地形等因素的影响,本文讨论了这些因素对大气重力格林函数的影响.考虑地表温度、台站高程、地形改正等各种影响因素以及地球变形引起的间接效应后,对台站周围区域积分即可求得大气变化引起的理论重力信号.     

地球表面质量负荷的静态响应

本文给出了单位点质量负荷作用在球状成层地球模型上的解。对较新的G-D1066A地球模型求出了n直到10000阶的负荷勒夫数,并利用这组负荷勒夫数计算了格林函数的值。简述了如何利用格林函数计算地球对表面任何负荷的响应。讨论了负荷潮研究在地球物理和海洋学方面的一些应用。     

震后GPS观测数据揭示的日本M_W9.0地震周边地区地幔黏滞性结构垂向变化

本文利用大范围的震后GPS数据和黏弹性球形地球位错理论,定量研究了日本M_W9.0地震周边地区地幔黏滞性结构的垂向变化.首先结合陆地和海底的GPS观测数据,以及基于球形地球位错理论格林函数和贝叶斯反演方法,反演了该地震的同震滑动分布,发现其最大错动量高达59m.然后在均一地幔黏滞性结构的假设前提下,确定了震源周边地区地幔黏滞因子的最优解,发现依据该地幔黏滞因子获得的理论远场震后位移和GPS观测结果之间的均方根误差高达0.81cm,不能解释远场观测结果.为解决上述问题,本文对震中周边地区地幔黏滞性结构沿垂向方向进行分层,建立了一个随深度变化的地幔黏滞性构造模型,然后综合利用远近场的GPS数据对该地区地幔黏滞因子进行反演研究,结果表明,震源周边地区岩石圈弹性层厚度最优解为40km,40～220km深度的地幔黏滞因子最优解为6×10~(18)Pa·s,220～670km深度之间的地幔黏滞因子最优解为1.5×10~(19)Pa·s.上述地幔黏滞性构造使远场的均方根误差降为0.12cm,仅为利用均一地幔黏滞性构造所得均方根误差值的15%,大大提高了远场模拟结果的准确性.最后,观测值和模拟值之间的均方根误差分析表明,近场震后形变数据主要约束浅层的地幔黏滞性结构,而远场震后形变数据主要约束深部的地幔黏滞性结构.     

应用国家数字地震台网的宽频带资料测定国内中强地震的震源机制解

利用剪切位错点源作为震源模型,采用横向均匀的水平层状介质模型作为地壳近似模型,使用F-K波数积分法计算格林函数并拟合理论地震图.在已有理论方法的基础上,利用国家数字地震台网所记录的宽频带数字资料,选取了2002～2003年间发生在国内Ms≥5.4的5个地震事件进行震源机制解测定.并且,将测定结果与HRV的矩心矩张量解、USGS的地震矩张量解、中国地震信息网的速报震源机制解分别进行了对比,通过实际计算表明测定结果是可靠的.从而初步验证了在中国国家数字地震台网中使用F-K波数积分法测定震源机制解的可行性和准确性.     

关于地球横向不均匀结构对同震重力变化的影响研究

以Molodenskiy的三维不均匀潮汐理论以及孙文科等的球对称地球模型位错理论为基础,本研究借助互换定律和扰动方法,推导出一整套计算公式,用来高精度计算三维不均匀地球模型中地震位错引起的地表以及空间同定点同震重力变化.     

水质量分布变化对重力观测的影响

利用全球7000多个陆地气象台站观测资料、TOPEX/Poseidon卫星测高资料、多层海水温盐度数据和负荷格林函数,采用数值积分法,计算了陆地水储量及海水质量分布变化引起我国20个测站的重力变化.结果表明,我国一些测站观测的重力受水质量迁移影响超过3μGal,可见在应用重力仪观测资料研究地球动力学时,有必要作水负荷改正.另外,文中还对武汉测站的超导重力仪观测的残差和水负荷的计算结果作了比较,并讨论了不同的地球模型及气象数据对计算测站重力的影响.     

用宽频带区域地震图确定震源参数

近期发展的震源反演方法并没有充分利用区域地震图的宽频带性质,原因是用平行层模型计算的格林函数和真实地壳的复杂传播现象不同。这种反演通常去掉了短周期成分,并且只反演记录中选定的部分。在本文中,我们介绍一种估算震源参数的方法,它可以较好地应用整个宽频带记录,而且只采用目前仅有的不完善的格林函数即可。这个方法通过分别拟合格林函数的各个部分来使得记录图与合成图主要的地壳到达波到时差别不大。确定震源参数的原     

2014年四川康定双震震源的勒夫波分析

2014年11月22日在四川省康定县发生了M_S6.3地震(M1),3天后几乎在同一地点又发生了M_S5.8地震(M2),本文称其为"康定双震".首先,利用逆时成像技术对康定双震以及用作经验格林函数事件的一次M_L4.8地震(G1)进行了重定位,并利用广义极性振幅技术反演了三次地震的震源机制;然后,借助于G1的记录,利用经验格林函数技术分别提取了M1和M2的勒夫波视震源时间函数,并利用视震源时间函数的方位依赖性分析了M1和M2的优势破裂方向;最后,利用视震源时间函数反演方法反演了M1和M2的震源破裂过程.重定位结果表明,G1与M1和M2震源位置比较接近,分别相距~40 km和~50 km.震源机制反演结果表明,G1与M1和M2具有类似的机制,均为陡倾角左旋走滑.视震源时间函数的方向性分析表明,M1的破裂优势方向为276°,而M2的破裂优势方向为336°.破裂过程反演结果表明,M1持续时间~11 s,主要破裂区沿断层面朝北西以及浅表拓展,最大位错~0.52 m;M2持续时间~7 s,破裂区沿着断层面也朝北西以及浅部拓展,最大位错~0.33 m.     

近断层强地震动预测的一些基本问题讨论

近断层地震动的预测是当前地震工程中的一个关键科学问题。对预测中涉及的震源和三维地下结构建模、格林函数的计算和预测方法等基本问题做了探讨。分析了震源模型中全局和局部震源参数,给出一套震源建模方案;通过各种格林函数的对比分析,指出宽频带格林函数法是当前近断层地震动预测中最合适的方法。对近断层场地非线性分析的一些问题也进行了讨论。     

利用背景噪声互相关观测近对跖点台站间体波格林函数

本文利用秦岭周边和南美地区的部分台站2012—2014年记录的地震事件垂直分量数据,获取了166个台站对之间的互相关函数,从中观测到了近对跖点台站之间的体波格林函数.在此基础上,我们计算了理论地震图的互相关,其结果与实际数据获得的结果很相似,推测格林函数的能量来源应主要是大地震引起的地球自由振荡.更进一步的研究表明,不同的震源机制对于互相关结果中不同震相的振幅有较大影响,走滑断层引起的地震并不能产生较好的互相关结果.通过对比不同位置台站对的互相关结果,本文认为互相关得到的体波格林函数包含了传播路径信息.