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．     

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．     

震源最佳反演结果误差的随机加权估计

提出利用随机加权方法估计地震矩张量最佳反演结果的误差．这种方法不对误差来源作任何分布假设,只需重复产生一定数量的服从Ｄｉｒｉｃｈｌｅｔ分布的权向量．对于每个权向量,将其各分量分配到每条地震记录上,相应地确定一个震源参数解．对这些震源参数反演解进行基本的统计分析,便能估计出最佳解的方差、协方差和置信区间．还讨论了１９８６年台湾地震（Ｍｓ＝７．８）的震源矩张量中存在各向同性分量这一解答的可靠性．     

震源最佳反演结果误差的随机加权估计

提出利用随机加权方法估计地震矩张量最佳反演结果的误差．这种方法不对误差来源作任何分布假设，只需重复产生一定数量的服从Ｄｉｒｉｃｈｌｅｔ分布的权向量．对于每个权向量，将其各分量分配到每条地震记录上，相应地确定一个震源参数解．对这些震源参数反演解进行基本的统计分析，便能估计出最佳解的方差、协方差和置信区间．还讨论了１９８６年台湾地震（Ｍｓ＝７．８）的震源矩张量中存在各向同性分量这一解答的可靠性．     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型(pulse-like)破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型(crack-like)破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型（pulse-like）破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型（crack-like）破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

基于NNSIM随机有限断层法的7.0级九寨沟地震强地面运动场重建

北京时间2017年8月8日21时19分在四川阿坝州九寨沟县（北纬33.2°、东经103.8°）发生了7.0级地震,作者利用新提出的震源破裂过程控制的NNSIM随机有限断层方法,对震中约100 km范围内强地面运动进行了情景构建,并与研究区范围内的8个强震测震台观测记录进行了加速度、速度、反应谱对比,对比的一致性说明模拟过程中所应用的各种震源参数适合九寨沟7.0地震的近震源强地面运动重建.论文的后半部分基于相同参数模拟了九寨沟7.0级地震的近震源强地面运动场的空间分布,结果显示此次地震强地面运动的PGA、PGV以及反应谱分布均呈现出以震中为圆心的圆形分布,不具有大地震沿断层走向的分布特点.论文最后关于反应谱的讨论,揭示了此次九寨沟县城灾害不重的直接原因.

     

新生破裂影响地震破裂跨越断层阶区传播过程的扩展有限单元法模拟

采用扩展有限元方法计算了断层阶区内介质产生的新生破裂对地震破裂跨越断层阶区传播过程的影响。模型中新生的断层扩展遵循最大剪应力破坏准则,当最大剪应力超过岩石的承受极限时,完整介质产生破裂形成新的断层,并且新断层的扩展方向为最大剪应力方向。扩展有限元法模拟结果表明,断层阶区内新生的断层改变了断层阶区的几何形态,同时也改变了断层破裂后的应力状态。新生破裂可以改变库仑应力在空间的分布格局,特别是可以提高断层上的应力水平,从而提高地震破裂跨越断层阶区的能力。模拟结果还显示,断层阶区内新生破裂的产生,可以使得地震破裂跨越10 km宽的断层阶区,若阶区内部介质没有产生新生破裂,则地震破裂无法跨越该断层阶区。本研究有助于进一步认识地震破裂跨越断层阶区的传播过程,特别是对地震震源过程分析及地震灾害评估等具有重要的科学意义。     

断层两侧各向异性介质对地震破裂过程影响的有限单元法模拟研究

断层两侧介质物理性质的差异（bimaterial contrast）会对震源破裂过程产生重要影响,而地球介质的各向异性十分常见,但对于断层两侧材料的各向异性对断层破裂动力学过程有何影响,目前不甚了解,而国内外也未见相关研究报道.为此,研究中利用有限单元法,对断层两侧材料存在各向异性时的破裂行为进行模拟研究.计算结果表明,断层两侧材料的各向异性性质对断层破裂动力学过程有重要作用,并且材料性质与破裂之间的关系非常复杂.对于正交各向异性材料,当断层两侧各向异性材料主方向上的杨氏模量不同时,特别是当平行于断层走向的材料其一侧杨氏模量显著大于另一侧时,断层出现不对称的双侧破裂,成核中心一侧的位错显著大于另外一侧,破裂长度也是一侧显著大于另一侧（亦称单侧破裂）.沿着断层走向的材料主轴方向上的杨氏模量对于破裂过程的影响大于垂直于断层走向的杨氏模量,但随着各向异性材料主轴方位的变化,这种影响也发生相应地改变.模拟结果表明材料主轴方向的变化对破裂过程的影响也很显著.此外,通过模拟还发现,若断层两侧材料为相同的各向异性介质时（即断层两侧为同样的各向异性材料）,则不会影响断层破裂的空间对称性分布;而当其中一侧的各向异性材质主轴方位发生变化时,断层破裂的空间对称性会受到一定程度的影响,但其影响很小;然而,随着正交各向异性材料剪切模量的增加,断层破裂会被终止,无法产生特大地震.可见,本研究对于深入认识震源动力学过程及地震灾害评估等有重要的科学意义及实用价值.

     

震源破裂过程反演方法研究现状及展望

介绍了震源破裂过程反演方法研究的必要性及意义,简要回顾了震源破裂过程反演研究的历史,详细阐述了现在几种主要的震源破裂过程反演方法,分析了它们各自的优势和不足。展望了震源破裂反演的发展方向,指出地震波数据同其他多类数据尤其是大地测量数据(InSAR和GPS)联合进行反演是未来震源破裂过程反演的发展趋势。     

利用1-HzGPS波形数据反演2011年日本北大地震震源破裂过程

利用1-Hz GPS数据反演2011年3月日本东北大地震的时空破裂过程,通过理论波形图与观测波形图的拟合,以及ABIC准则的判定,反演得到滑移分布的稳定估计.结果表明:破裂集中在震源附近,并在震中以下30 km处达到最大位错量,约72 m,在岩手和福岛靠近海岸线处有两个较小的破裂区,断层的南半段破裂很小,同时也是余震最为密集的地方.整个破裂过程由3个破裂阶段组成,发震后断层从震源向周围缓慢破裂,在50～60 s破裂延伸至地表(海沟);60～90 s在震中下方迅速发生强烈破裂,形成了最大位错区,这一阶段主要是倾向上的双边破裂;90～120 s在断层最北西处和断层南半段发生较小破裂,整个破裂过程持续大约120 s.反演得到的地震矩为3.8×1022 Nm,相应的矩震级为MW 9.0.     

2019年秘鲁北部M7.8地震的矩张量解与破裂过程快速反演

2019年5月26日（北京时间）秘鲁北部发生M7.8地震,震源深度为100km。本文利用国际地震学研究联合会数据管理中心（IRIS/DMC）提供的远场波形数据,通过波形反演方法快速反演得到此次地震的矩张量解和破裂过程。W震相快速矩张量解反演结果表明此次地震是一次中深源正断层型地震事件,可能是由于正在向下俯冲的纳斯卡板块产生规模巨大的伸展变形所致。远震体波反演有限断层模型结果显示此次地震的发震断层为高倾角的NNW向断层面,破裂从初始破裂点开始,由震中主要向NNW方向延伸破裂,最大滑移量约3m;地震破裂时间约为70s,在40~60s时释放了整个地震80%的地震矩能量,主要破裂区域在震后40s后才开始形成,在40s之前,破裂的集中程度和地震矩释放的规模均较弱,断层在破裂开始后逐渐加速破裂,约50s时地震矩释放速率达到峰值,60s后破裂迅速愈合。     

2023年8月6日山东平原M5.5地震破裂过程快速反演

北京时间2023年8月6日2时33分,山东德州市平原县发生M5.5地震。震后第一时间利用国家烈度速报与预警工程项目在山东地区建成的强震台站数据对该次地震进行破裂过程快速反演。基于破裂方向性效应,通过趋势面拟合的方法确定了此次地震的主破裂面。反演得到的破裂模型表明,破裂面呈现NE-SW走向,破裂主要由震中向NE方向拓展,地震破裂持续时间为8s,破裂长度约为8km,最大滑动量为0.024m。相对于6级以上地震,此次地震震级相对较小,破裂最大滑动量偏小,破裂过程也相对简单。震后统计的余震分布与破裂模型显示的破裂区域能够较好地吻合,在破裂区域的边界附近余震分布也较为集中,推断可能是由于积累的应力能量进一步释放引发的余震。     

利用近场高频GPS、 强地面运动和远场地震波形数据联合反演2008年汶川MS8.0地震的震源时空破裂过程

联合近场GPS测站1-Hz运动学位移、 强震仪加速度波形和全球台站P震相波形作为约束, 以时空滑动分布约束条件和ABIC模型参数选择方法, 结合先验的滑动方向变化范围, 反演2008年汶川M_S8.0地震的震源时空破裂过程, 给出了能够综合反映震源破裂过程的统一模型。 结果表明, 汶川地震总体上存在4个主要的破裂区, 最主要的一个破裂区位于震源东北40~120 km, 断层面上的最大位错量约为10 m, 主体滑动分布在2~20 km深度范围, 破裂达到地表; 第二个主体破裂区位于断层破裂带南段, 最大滑动量达到6 m; 另外2个主体滑动区位于断层破裂带北段, 但滑动破裂量小于断层南段破裂区的滑动量, 滑动破裂值最大值为4 m, 超过1 m的区域在走向上超过70 km。 反演得到的断层滑动模型的地震矩为9.5×10²¹ Nm, 相应的矩震级为M_W7.95。 汶川地震破裂表现为单侧破裂, 起始破裂在汶川下方16 km深度, 向东北方向一致性地传播, 过程持续~120 s。 在地震发生后0~10 s内, 破裂集中在震源起始破裂区, 滑动破裂值为~1.0 m, 之后破裂向东北方向扩展, 震后20~40 s是主要的破裂时段。 在40~60 s, 破裂跨越断层南段和北段。 在80~90 s破裂最大值开始下降, 在100~110 s时, 下降为~0.5 m, 在110~120 s时, 下降为~0.1 m。 加入近场GPS测站1-Hz 波形数据与近场强震仪波形和远场长周期体波联合反演, 提高了震源破裂模型的空间分辨率, 特别是浅部滑动破裂区的分辨率, 反演的最大滑动破裂值比不用1-Hz 波形数据反演的结果增大, 表明近场1-Hz GPS波形数据对于揭示汶川地震的时空破裂过程具有重要的作用。     

Magnetic Basement Depth Inversion in the Space Domain

We present a total-field anomaly inversion method to determine both the basement relief and the magnetization direction (inclination and declination) of a 2D sedimentary basin presuming negligible sediment magnetization. Our method assumes that the magnetic intensity contrast is constant and known. We use a nonspectral approach based on approximating the vertical cross section of the sedimentary basin by a polygon, whose uppermost vertices are forced to coincide with the basin outcrop, which are presumably known. For fixed values of the x coordinates our method estimates the z coordinates of the unknown polygon vertices. To obtain the magnetization direction we assume that besides the total-field anomaly, information about the basement’s outcrops at the basin borders and the basement depths at a few points is available. To obtain stable depth-to-basement estimates we impose overall smoothness and positivity constraints on the parameter estimates. Tests on synthetic data showed that the simultaneous estimation of the irregular basement relief and the magnetization direction yields good estimates for the relief despite the mild instability in the magnetization direction. The inversion of aeromagnetic data from the onshore Almada Basin, Brazil, revealed a shallow, eastward-dipping basement basin.     

玉树M_S7.1地震时空破裂过程及与地表破裂带的对应关系

根据IRIS全球地震台网15个台的长周期地震仪记录的P波资料,用远场体波地震图反演震源破裂过程的方式,研究了2010年4月14日玉树MS7.1地震震源破裂,并与震后调查地表破裂带做了对比。结果表明:玉树地震在总体上是一次单侧破裂事件,破裂从初始破裂点(即震源位置)开始向东南方向展开,破裂离震源20km处开始贯穿至地表,沿走向方向延伸了约50km,最大滑移量达2m。这些结果与震后考察得到的地表破裂带的特征十分吻合。     

A Rupture Model for the 1999 Chi-Chi Earthquake from Inversion of Teleseismic Data Using the Hybrid Homomorphic Deconvolution Method

This study investigates the kinematics of the rupture process of the M _L 7.3 Chi–Chi, Taiwan, earthquake on September 21, 1999. By applying the proposed hybrid homomorphic deconvolution method to deconvolve teleseismic broadband P-wave displacement recordings of the earthquake, this study derives the apparent source time functions (ASTFs) at ten stations located around the epicenter. To further characterize the fault, the kinematic history of the rupture was inverted from ASTFs using a genetic algorithm, coupled with nonlinear iterative technique. The calculated ASFTs reveal that the total rupture event lasted for approximately 27 s. Static slip distribution images indicate that most slip occurred at shallower portions of the fault plane, especially 20–55 km north of the epicenter. The maximum slip reached 20 m at 45 km north of the epicenter, and the average slip throughout the observed rupture area was approximately 2 m. Large asperities on the fault appeared at 25–35 km and 40–50 km north of the hypocenter, and coincided with relatively high rupture velocity. This suggests that the earthquake’s energy may have been released quickly. The rupture velocity decreased upon encountering an asperity, and increased again after passing the asperity. This implies that the rupture required more time to overcome the resistances of the asperities. The maximum rupture velocity was 3.8 km/s, while the average rupture velocity was approximately 2.2 km/s. The rise time distribution suggests that larger slip amplitudes generally correspond to shorter rise times on the subfaults.