地震波的时间反转以及非线性佯谬述评

为了探讨动力学计算仿真在地学中应用的可行性 ,我们已经采用非线性动态有限元 ( Non-linear Dynamical FEM)方法作了一系列的初步研究。在关于波的遍历特性的研究中 ,提出用波的遍历特性来概括非线性动力系统例如地壳块体的复杂性 [1- 2 ] ,并从这个认识出发 ,用动力学仿真方法研究了在这种混沌性脉冲响应系统中的 L ame波及其时间反转过程 ,还研究了三维非均匀、有内部界面的岩石介质的时间反转效应。通过预研认为 ,运用时间反转原理 [3 ]在大尺度的地壳块体中实现波能量在空间的聚焦和时间上集中具有可信的物理依据 [4 ] 。地壳中波的…     

非线性吸收的热粘性流体中时间反转脉冲的振幅衰减

无损介质中的线性波动方程在时间上是可逆的，换言之，对于每个解p(x,t)都存在一个关于时间对称的真实解p(x,-t)。分析表明，时间反转同样适合于无损非线性波动方程。然而当存在损耗时，这两种情形都不再遵守时间反转不变性。考虑到非线性的传播损耗不容忽视；同时它们是避免出现多值波形的必要条件。对非线性波动方程的进一步分析显示，即使对于无损耗非线性声波，对波列单元上的反转信号的放大仍然会导致时间反转不变性的损失。本文用数字模拟技术描述了在一种能量吸收性的流体介质中，非线性对有效聚焦的性能的影响，此时时间反转系统只就一个目标进行聚焦。我们同时考虑了反向传播脉冲的振幅与到达时间这两个因素。数值模拟结果证实，波列上（伴随能量吸收的）产生的谐波与振幅放大对时间反转系统形成高强度重建声场带来了不利影响。     

实际地球介质中的波的新研究进展—四川地震学、非线性地震学与构造活动波研

本文介绍实际地球介质（地球物理介质、地质介质）中的波的激发与传播问题的某些新的研究方向与进展。首先简要说明实际地球介质的一般特性。其次分别介绍随时间变化的三维非均匀地球介质中的地震波和非线性地球介质中的地震波的传播问题，也就是四维地震学和非线性地震学的研究进展。本文最后研究了三种类型（广义瑞利型、广义勒夫型和广义导波型）的构造活动波的激发与传播特性，并用它们来解释过去已发现的几种不同类型的地震活动波。     

用广义射线和有限差分计算近场理论地震图的混合方法

本文提出一种结合广义射线和有限差分理论而形成的混合方法（以下简称混合方法）．在介质均匀区（包括平行介质分层区）应用广义射线理论，在介质不均匀区应用有限差分理论．在这种结合过程中，把均匀区广义射线的结果作为不均匀区有限差分区波场连续的输入．对于均匀介质模型，混合方法理论地震图和广义射线理论地震图、广义反射透射系数矩阵及离散波数法地震图的对比，取得了满意的结果，在数值上证明了该方法的正确性．计算了１９９０年８月５日Ｈａｋｏｎｅ地震前震在日本Ａｓｈｉｇａｒａ山谷盲测点的响应，理论地震图和实际资料的比较同样取得好的结果．这种方法可用于地震勘探、工程地震、强地面运动的研究．     

横向各向同性(VTI)介质中非线性地震波场模拟

数值计算方法是考察非线性弹性波在介质中（如岩石）传播特征的重要手段.非线性弹性波的数值模拟存在陡峭间断面（点）、数值振荡以及误差的指数级增长等现象而破坏数值解的稳定性、收敛性，能否消减上述现象的不利影响成为制约数值方法有效与否的重要因素.文中同时引入了FCT算子和幅值限制器，采用中心差分格式对具有垂直对称轴的横向各向同性（VTI）介质中的二维非线性弹性波进行数值模拟，从而克服了上述困难；介绍了适用于非线性弹性波的吸收边界条件，给出了差分方程的稳定性条件.在验证了方法的有效性后成功地获取了二维VTI介质中非线性弹性波的三分量地震正演记录，表明非线性波在传播过程中会发生波形畸变等现象.     

波速比计算中的不确定因素和在地震预报中的应用

通过对波速比计算中的一些不确定因素如何时间服务、震相辨别、震源深度、计算方法和介质的非均匀性的仔细分析,认为主要由计算方法的局际性和介质的非均匀性造成。作经过多年的地震预报实践,提出在研究普适性的同时,结合孕震模式探索地震前波速比异常的特殊笥。     

长白山天池火山区介质非均匀性

高频S波随着传播距离的增大其均方根(RMS)包络逐渐变宽,我们把这种现象称为S波包络展宽现象.S波传播路径上随机分布的非均匀体对S波的多次前向散射和绕射作用是导致S波包络展宽现象的主要原因,因此可用S波包络展宽现象来研究介质非均匀性.本文采用S波包络峰值延时来对S波包络展宽现象进行量化.S波包络峰值延时定义为S波初至与其均方根包络峰值最大值之间的时间差.本文选用长白山天池火山区的小震记录,运用S波包络峰值延时对长白山天池火山口地区的介质非均匀性进行了评价.结果发现长白山天池火山区呈现强烈的介质非均匀性,在0~2 km深度范围内介质非均匀性表现出南部强北部弱的空间分布特征;在2~5 km深度范围内介质非均匀性的空间分布特征与频率具有相关性;天池火山区介质非均匀性具有明显的多尺度特性;强弱非均匀性接触带,往往是地震频发地带.根据地震与非均匀体在空间分布的相对位置,我们认为火山区介质非均匀性可能反映了火山早期喷发堆积物介质结构的差异.     

非线弹性引起的地震尾波

岩石的非线弹性响应在实验室中已被广泛地观测到，但在文献中却鲜有地震学研究方面的报道，尽管这是观测到这种特征的最自然的环境。由于难以获得非线性波传播问题的解析解，因此需要使用近似方法。显然，地震波在均匀的非线弹性介质中传播时将受到非线性的扰动。这种扰动可看作是时空中初至波能量散射和传播、产生地震尾波之源。这在某种意义上类似于非均匀性效应。由非线性引起的地震尾波性质与非线性大小以及地震矩有关。我们使用一种扰动方法计算散射波的振幅，并说明该方法能相当好地描述实际地震尾波的主要特征。     

前兆波及其地震预测意义

通过回顾自20世纪60年代以来地震前兆波的研究与地震预测实践的进展情况,分析利用地震前兆波进行地震预测研究所取得的一些有意义的进展及其在科学上面临的困难,分别对前兆波及其定义、前兆波预测大地震事件基本依据、前兆波观测技术概述、前兆波的地震预测意义进行了探讨.文中定义了地震前兆波,以固体均匀弹性中的介质点波动方程和大量震例总结的前兆波阶段性特征,说明利用地震前兆波预测大地震事件具有坚实的理论基础和实践依据.文中阐述了前兆波观测技术的发展要求,并提出了改变目前的被动观测状况、对观测目标区域发生破坏性地震的短期和临震前兆进行主动观测的科学思路;应强化对地震震源区的观测,利用前兆波携带的信息研究震源及其附近地区的介质参数变化,对实现短临地震预测是有意义的.     

局域积能振荡模型在地震研究中的应用

采用非均匀介质中能量的非线性积累过程，模拟唐山７．８级和大同６．１级地震的前兆场演化，发现能量主要聚集在介质参数发生改变的地区，而且能量的增强呈现聚集－恢复－聚集的过程，说明地震孕育过程中出现的各种前兆特征，与地壳内能量的非线性聚集有关。     

地壳介质剪切波分裂研究的部分进展

剪切波穿过各向异性介质传播时会发生分裂现象,而在地壳中产生各向异性的主要因素是大量充满液体的定向排列的微裂隙。通过剪切波分裂参数可以研究地壳介质的特性、地壳应力状态及应力场的变化,并可用于地震预测。利用地壳介质各向异性特征研究断层性质也是一个新的动向。     

POISSON'S RATIO VARIATIONS OF CRUSTAL MEDIA BEFORE AND AFTER XINYUAN-HEJING MS6.6 EARTHQUAKE IN 2012

We analyzed the variation characteristics of Poisson's ratio in crustal media from January 2009 to December 2012 at 11 fixed seismic stations(for station SCH, it is from January 2006 to December 2012)within an epicenter distance of 200km of the Xinyuan-Hejing M_S6.6 earthquake in Xinjiang on June 30, 2012 using the methods of P wave receiver functions, H-κ stacking of receiver functions, and time sliding window, and obtained the following conclusions: (1)The crustal media's Poisson ratio of five stations in an epicenter distance less than 130km showed a significant and long-lasting decline about 2~3 years before Xinyuan-Hejing M_S6.6 earthquake. Taking the crustal Poisson ratio mean value as reference, the decrease ranges between 0.003 and 0.014, the decrease in 4 stations are more than twice the mean error. The variations of the Poisson's ratio in crust are characterized by "V" shape or "double V" shape. Earthquakes occur at the end of the formation of "V" shape. After the occurrence of earthquakes, the Poisson's ratio continues to rise. The earliest initial fall appeared in July 2009 at WUS station which has the minimum epicentral distance(77km). The Poisson ratio of the crustal media of 6 stations with epicentral distance more than 150km fluctuated up and down around the mean value, and there is no significant decline or persistent low value. (2)We analyzed the arrival-time variations of the quasi-repetitive receiver functions Ps converted wave(t_Ps)of the 3 stations WUS, SCH and XNY and found that the travel times of Ps converted waves became smaller in the crust before the earthquake and increased after the earthquake. (3)Through the comprehensive analysis on the descending process, decline ranges, variations process, duration of Poisson' ratio, the Ps converted waves arrival time variations, the original time of earthquake, and the number of stations, it is inferred that the cause for Poisson's ratio anomalous variations is the change of physical properties of crustal media in the process of earthquake preparation and occurrence. Since the variation characteristics of crustal media may be related to the earthquake magnitude, the size of seismogenic area, the medium properties under stations, and the focal distance, whether the medium variation characteristics exist before and after Xinyuan-Hejing M_S6.6 earthquake will need more earthquake cases analyses. (4)The H-κ stacking of receiver functions is used to calculate the velocity ratio. Because P-wave velocity is given, this method can only be applied when the Ps converted wave velocity of Moho surface of receiver functions changes before an earthquake. With the application of receiver functions to the analysis of more earthquake cases, we can gain more insights into the variation of crustal medium parameters during the seismogenic process. This observation indicates that the receiver function method may become a new approach to detect the Poisson's ratio change of the crustal media before strong earthquake under the condition of high seismic network density.     

The Crust-Mantle Structure in Zhangbei-Shangyi Earthquake Area

The seismic data obtained from the wide angle reflection and refraction profiles that pass through Zhangjiakou area of Hebei Province were interpreted. Some conclusions drawn from the result are as follows: (1) The nearly EW-trending Zhangbei-Chongli crustal fault zone and WNW-trending Zhangjiakou-Bohai Sea deep crustal fault zone meet in the Zhangbei earthquake (Ms = 6.2) area; (2) At the intersection, the two deep crustal fault zones that stretch to the Moho and the discontinuities of interfaces within the crust form the path for large area basalt eruption in Hannuoba; (3) In the earthquake area, the local velocity reversal in the middle-upper crust and abnormal low velocity zone in the lower crust imply that the magmatic activity there is still fairly violent; and (4) The recent activity of Zhangjiakou-Bohai Sea deep crustal fault zone may be the main cause of the Zhangbei earthquake.     

岷县漳县M_S6.6地震震源区地壳速度结构特征初步研究

利用距离2013年岷县漳县地震最近的固定台站岷县台2008-2009年的远震接收函数,确定了该地震震源区及临近区域的地壳厚度和波速比。结果表明:岷县台下方地壳速度结构的横向非均匀性较强,各方位接收函数差异较大,特别是震源区与临近区域存在明显的差别。临近区域的中下地壳存在明显的低速层,而震源区中下地壳中存在明显的高速区;且震源区地壳平均波速比为1.76,上地壳的波速比仅为1.62。据此推断:震源区是坚硬的上地壳覆盖在较软的中下地壳之上,岷县漳县地震破裂有可能是下地壳流的活动导致上地壳的破裂。     

3D P-WAVE VELOCITY STRUCTURE AT THE NORTHEASTERN MARGIN OF ORDOS BLOCK

Using the 7 100 absolute first arrivals of P waves and 91 513 relative P arrival times of 726 events at the northeastern margin of the Ordos block since 2009, the 3D fine structure of P wave velocity within the depth of 15km in the crust was inverted by the double difference seismic tomography method. The results show that there exist obvious high-speed continuous bodies in the northwest of the study area, and their lateral areas increase gradually with depth, while the velocity of east and south is relatively low. The velocity inhomogeneity exists and differs at different depths. The lateral differences of velocity are related to seismicity and faults. The 5~15km depth profile shows that earthquakes tend to occur in the area with relatively high velocity or high speed transition zones, which to some extent reflects the fragility of regional crustal media and the strong differential movement of faults in vertical and horizontal directions where the crust body is easy to absorb and store strain energy and generate major earthquakes. A "Y"-shape low-velocity channel is present in the lower crust around Liangcheng, corresponding to the NW-trending Heilaoyao-Shahukou fault set, which may reveal the migration path of the Late Tertiary-Quaternary basalt eruption. The Helingeer M6.2 earthquake in 1976 was related to the formation of the locking section of the thermal welding in this area. The three-dimensional fine structure of P wave velocity presented in this paper provides intuitive seismological evidence for physical and chemical properties of crustal media and the deep tectonic environment of earthquake preparation.     

乳山震群震源区地壳速度结构初步研究

运用距离乳山震群最近的乳山台2011-2014年远震波形资料,计算接收函数,确定震群震源区及邻近区域的地壳厚度和波速比。结果显示：乳山台下方各个方位的接收函数差异比较大,地壳速度结构呈现横向非均匀性;震源区与邻近区域存在明显差别,邻近区域的中、下地壳存在明显的高速区,震源区中下地壳中存在明显的低速区;震群中M_L3.0以上地震基本发生在高低速交界处。据此推断,乳山震群可能是由于中下地壳小范围内的物质的不均匀性导致上地壳破裂。     

江淮地区地震精定位及b值随深度的变化研究

使用双差地震定位法,利用安徽及邻省50个地震台站记录的1976年到2008年的551次M_L≥2.3地震,其中初始定位有205个无深度数据,包括数字化资料和传统的模拟资料,共5464条P波走时资料。经重新定位后得到其中468次地震的基本参数。重新定位结果显示了本地区较精细的震中分布图像和震源深度剖面图像,震源深度优势分布在6—10km,平均深度为10km,部分震中位置与震源深度变化较大的地震向断裂带靠近。基于地震精确定位结果,系统地计算了不同深度段的b值,发现研究区b值随震源深度的增加具有系统减小的趋势,且在地壳10km左右的减小趋势最为突出。表明江淮地区的地壳分层结构相对明显,在地壳浅部(0—10km)以小震为主,大地震较少,故b值高;而在深处(10—25km),大地震相对较多,b值减小。这一现象的背后物理机制可以从地壳介质复杂程度与应力状态的变化得以解释,破裂易于在地壳介质相对均匀、岩石静压力较高的地壳深处成核形成大地震。推测江淮地区未来强震多发生在10km以下的地壳深部。     

地壳块体脉冲响应的时间反转效应研究

运用动态有限元方法，对地壳块体脉冲响应的时间反转过程进行了仿真研究．结果表明，分布在较长时段上的量值较小的变化载荷，在一定的构造条件或边界条件下有可能累积成一个时间短、量值高的脉冲．这一过程在物理上表现为先头发出的波与后继发出的波发生了多次叠加或干涉．在这个认识基础上，对孕震以及发震的机理提出了新的看法，并就华北块体对渤海、黄海潮汐动态响应的仿真结果，进一步作出理论上的解释．      

用接收函数方法研究汶川和芦山地震之间未破裂段的地壳结构

芦山与汶川地震之间存在约40 km的地震空区.震源区和地震空区的深部构造背景的研究对深入了解中强地震的深部孕育环境及地震空区的地震活动性具有重要科学意义.利用本小组布设的15个临时观测地震台以及21个芦山科考台站和21个四川省地震局固定台站记录的远震数据,用H-K叠加方法得到各个台站的地壳厚度和平均泊松比,并构建了接收函数共转换点(CCP)偏移叠加图像以及反演得到台站下方的S波速度模型.我们的结果揭示了震源区和地震空区地壳结构特征差异:(1)汶川震源区的地壳平均泊松比为~0.28;芦山震源区为~0.29;而地震空区处于泊松比变化剧烈的区域;(2)汶川地震与芦山地震的震源区以西下方的Moho面呈现深度上的突变(这与前人的研究成果基本一致),分别从~44 km突变到~59 km,~40 km突变到~50 km,而地震空区地壳平均厚度呈现渐变性变化;(3)地震空区Moho面下凹且具有低速的上地壳.综合一维S波速度结构和H-k以及CCP的初步结果,这可能显示汶川地震的发震断裂在深部方向上向西倾斜并形成切割整个地壳的大型断裂;芦山地震则可能是由于上、下地壳解耦引起的;而地震空区处于两种地震形成机制控制区域的过渡带中.     

The time reversal effect of the impulse response of crust

IntroductionTime reversal effect is a kind of reversed dynamic process in a limited space or time interval, which can be realized artificially by resetting the boundary and loading conditions. In this case the time seems to be reversed and such effect therefore is called time reversal effect, which was first proposed in and applied to the field of ultrasonic. Although the focusing of ultrasonic wave has powerful effect, it is difficult to focus in an anisotropic or homogeneous medium. Fink (19…