基于视震源时间函数的震源过程复杂性分析新方法研究

在全面学习和了解震源破裂过程研究历史的基础上,从地震位移表示定理出发,梳理推导了地震震源时空破裂过程反演研究的基本原理、总结了地震破裂过程反演研究中惯用的约束条件、典型的视震源时间函数提取方法和已有的多种震源破裂过程反演方法,并在已有研究的基础上,尝试性地提出了两种新方法:等矩反投影方法和子事件成像方法。首先,为了提高区域(中强)地震震源过程的时空分辨能力,借助于2013年芦山M_W6.6地震和2014年康定M_W6.3以及M_W5.8地震等实际震例,我们探讨了利用经验格林函数技术从区域地震记录中提取视震源时间函数、进而利用不同视震源时间函数分析和反演中强地震震源过程的效果。其次,为了快速获取震源破裂过程信息,用于震后快速响应以及早期预警,在充分吸收了传统高频反投影方法的优点的基础上,提出了等矩反投影方法,用于对震源破裂过程激发的低频能量源的直接成像。通过多组数值实验测试了新发展的等矩反投影方法的可行性,并将该方法应用于2014年11月在我国四川省康定发生的两次(M_W6.3和M_W5.8)中强地震的震源破裂过程研究以检验新方法的实用性。结果表明,等矩反投影方法对于提取低频能量迁移的主要特征是有效的,是对高频能量反投影方法的必要补充。然后,基于等矩反投影方法的基本思想,并借鉴于传统的震源破裂过程反演方法,新发展了用于对震源破裂时间过程和同震滑动量分布进行直接成像的子事件成像方法。相较于震源破裂过程研究中传统的反演方法而言,新方法不需要事先经验性地给定最大破裂速度以及子断层滑动上升时间,故而在对震源破裂过程进行成像时,允许破裂速度发生变化,并且允许子断层发生多次破裂。同样,利用数值实验测试了新方法的可靠性,且为了检验该方法的实用性,将子事件成像方法用于2014年11月在我们四川省康定县发生的两次(M_W6.3和M_W5.8)中强地震的震源破裂过程研究。结果表明,子事件成像方法能够获取震源过程的主要破裂信息,但与视震源时间函数反演得到的结果相比,破裂尺度略小。最后,将多种方法应用于2015年4月发生的尼泊尔M_W7.8地震及其强余震,获得了这些地震的震源破裂过程图像,对比讨论了这些方法在揭示震源时空破裂过程复杂性信息方面各自的优缺点。具体讲,首先利用远场P波视震源时间函数分析了主震及其强余震的破裂方向,并利用P波波形资料和InSAR资料联合反演了这些事件的震源破裂过程;然后利用等矩反投影方法和子事件成像方法分析了这些事件的低频能量的时空迁移过程和震源破裂过程;最后对利用不同方法得到的结果进行了对比讨论。对于M_W7.8主震而言,联合反演结果表明其以单侧破裂为主,向南东东方向拓展约150km,并沿断层倾向方向向深部拓展约70km,这与利用等矩反投影方法和子事件成像方法直接成像结果得到的主要破裂特征较为一致,但破裂空间拓展尺度要略大,这可能是由于联合反演所给定的3km/s的最大破裂速度要大于直接成像获取的主震破裂速度所致;对于M_W6.7强余震而言,直接波形反演方法与等矩反投影方法和子事件成像方法得到的结果一致表明,该事件破裂主要沿断层倾向方向向深部拓展,并且利用直接波形反演方法搜索到的此次事件最大破裂速度为4km/s,与等矩反投影方法直接成像结果中获取的3.9km/s的破裂速度较为一致,均表明此次强余震可能是超剪破裂事件;对于M_W7.3强余震而言,由于融合了同震InSAR资料的缘故,联合反演结果表明,此次事件以朝向南—东南方向破裂为主,这与基于等矩反投影方法和子事件成像方法的直接成像结果中破裂以朝向南南西—南方向为主的主要破裂特征略有差别,并且直接成像结果表明此次事件破裂速度较慢。概而言之,本论文总结了震源破裂过程研究的发展历史,梳理推导了已有的方法;在此基础上提出了两种新方法,并通过必要的数值实验和对实际震例的应用,阐述了新方法的实用效果和优缺点。     

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.     

2009年4月6日意大利拉奎拉(L′Aquila) MW6.3地震的破裂过程——视震源时间函数方法与直接波形反演方法比较

通过对视震源时间函数方法和直接波形反演方法在意大利拉奎拉（L′Aquila）M_W6.3地震破裂过程反演中的应用,分析比较了两种方法的特点.视震源时间函数结果表明,这次地震的破裂过程由两次子事件组成,其中第二次子事件的多普勒效应显著,表明破裂主要朝震中的东南方向传播.分别采用视震源时间函数方法和滑动角固定以及滑动角可变的直接波形反演方法对拉奎拉地震时空破裂过程进行反演所得到的结果一致表明：断层面上有两块滑动量集中的区域,分别位于震源处和沿走向（132°）方向距震源5~10 km处,最大滑动量分别约为1.2 m和1.0 m.破裂持续时间约为9.5 s.最大滑动速率达0.6~0.7 m/s,快速的破裂和上盘-下盘效应导致了拉奎拉城的严重破坏.     

基于等矩反投影方法的地震破裂过程研究

<正>随着地震观测技术的进步,人们对地震震源的认识也在不断深入。当所考虑的地震波特征波长小于震源的总的特征尺度时,整个地震可以看成是多个"子事件"组成,每个"子事件"可以看成一个点源,随着破裂的传播,点源的位置发生移动,地震仪记录到的地面运动是所有这些点源引起的运动的延时叠加,这就涉及到地震的破裂过程问题。地震破裂过程是一个非常复杂的问题,由于构成断层的物质的非均匀性,能量辐射源传播的速度不断发生变化,所用的地震波波长越短,越有可能得到震源破裂过程的细节。目前,     

终止相的理论地震图-兼论唐山地震震源破裂过程

本文首先较为系统地回顾了终止相研究的历史、进展,对震源破裂过程产生终止震相的物理机制进行了讨论,并详细讨论了主事件分析法以及合成包含终止相的理论图的方法。在此基础上应用主事件分析法处理了唐山地震的实际资料,给出唐山地震的震源破裂过程的大致时空图象,同时计算了包括终止事件的合成图。结果表明,考虑破裂过程的终止事件可以较好地拟合P波观测图,从而进一步确认唐山地震震源破裂过程包括两次终止事件的可能性。此外本文还对唐山地震的震源环境以及调整单元的让位情况进行了讨论。     

终止相的理论地震图—兼论唐山地震震源破裂过程

本文首先较为系统地回顾了终止相研究的历史、进展,对震源破裂过程产生终止震相的物理机制进行了讨论,并详细讨论了主事件分析法以及合成包含终止相的理论图的方法。在此基础上应用主事件分析法处理了唐山地震的实际资料,给出唐山地震的震源破裂过程的大致时空图象,同时计算了包括终止事件的合成图。结果表明,考虑破裂过程的终止事件可以较好地拟合P波观测图,从而进一步确认唐山地震震源破裂过程包括两次终止事件的可能性。此外本文还对唐山地震的震源环境以及调整单元的让位情况进行了讨论。     

2013年7月22日甘肃定西地震的震源破裂过程

北京时间2013年7月22日上午7:45分,甘肃省定西市岷县、漳县交界地区(34.5°N,104.2°E)发生了里氏6.6级地震,引发山体滑坡等地质灾害,造成了严重的人员伤亡和经济损失.本研究基于有限断层模型反演方法,利用远震P波数据(2 Hz)和SH波数据(1 Hz)反演得到了此次地震的震源破裂过程.其中,为了对数据的高频信息进行分析,我们改进了传统的震源时间函数,采用混合震源时间函数(包含高频和低频信息)对地震震源进行描述.研究发现,通过改进的震源时间函数,反演过程中数据的高频信息得到了很好的解释,反演结果与观测波形的拟合效果更好.从反演结果来看,此次地震的破裂分量主要以逆冲方式为主,起震深度在6 km左右;在起始破裂处有最大的滑移量,最大滑移量在0.65 m左右,此次地震释放的标量地震矩为1.3×10~(18)N·m,相当于矩震级为Mw6.1.根据滑动分布推断此次地震的主要应力降发生在震源附近,平均应力降约为1.5 MPa,应力释放相对较小.     

从全球长周期波形资料反演2001年11月14日昆仑山口地震时空破裂过程

利用从全球数字地震台网记录的资料中选择出的震中距小于90°且震相清晰的20个台站的长周期垂直分量P波震相, 通过反演得到了2001年11月14日昆仑山口地震的震源时空破裂过程. 结果表明, 这次地震由三次子事件构成. 第一次子事件的破裂从震中位置(35.97°N, 90.59°E)开始并向东西两侧扩展, 向西以4.0 km/s的破裂速度扩展了140 km, 向东以 2.2 km/s的破裂速度扩展了80 km, 表现为以自东向西为主的不对称双侧破裂, 形成了约220 km长的断层. 在第一次子事件的破裂开始后大约52 s, 在震中以西约220 km的地方, 第二次子事件的破裂开始. 此时, 第一次事件没有结束, 但已进入愈合阶段. 第二次子事件的破裂向东西两侧扩展, 向西以2.2 km/s的破裂速度扩展了50 km, 向东以5.8 km/s的破裂速度扩展了70 km, 表现为以自西向东为主的不对称双侧破裂, 形成了约120 km长的断层. 在第二次子事件开始后大约 12 s, 第二次子事件的破裂与第一次子事件的破裂在震中以西约140 km处发生了聚合. 在第一次子事件的破裂开始后大约56 s, 在震中以东约220 km的地方, 第三次子事件开始. 此时, 第一次事件仍未结束, 但已进入愈合阶段的尾声. 第三次子事件的破裂向东西两侧扩展, 向西以4.0 km/s的破裂速度扩展了140 km, 向东以3.7 km/s的破裂速度扩展了130 km, 基本上是一次不对称双侧破裂, 形成了约270 km长的断层. 在第三次子事件开始后大约36 s, 第三次子事件的破裂与第一次子事件的破裂在震中以东约80 km处发生了聚合. 此后, 震源过程主要是第一次子事件与第三次子事件聚合后的断层运动过程.     

地震震源的研究:/

简述了1999~2002年中国学者在地震震源的观测、实验和理论方面所取得的一系列成果. 他们对精确定位、地震矩张量反演和震源参数反演等方法进行了改进和发展，并利用这些方法，研究了许多重要地震事件的破裂过程，并结合地面形变测量，研究了地震破裂与区域应力场、地质构造运动的关系. 总之, 在实验和理论研究领域中，中国学者在地震成因、地震发生的应力与构造条件、地震破裂动力学、岩石断裂力学、地震破裂成核等方面取得了一系列进展.      

汶川地震强地面运动模拟

基于确定性震源模型的方法主要用于计算低频(11 Hz)地震动常用经验格林函数法或随机方法,对低频地震动模拟不够准确．本文在确定性震源模型方法基础上,尝试采用分解给定的震源模型的方法来模拟宽频带(0.1——10 Hz)强地面运动,即采用分级离散断层面和分解断层面破裂单元上升时间的方法,增加震源时间函数中的高频信号,从而避免了对地震记录丰富程度和准确性的依赖．文中模拟计算了汶川MS8.0地震在8个地震观测台的地震动,将模拟结果和观测记录进行了加速度时程曲线和傅里叶振幅谱的对比分析．对比结果显示,模拟估计的地震动峰值加速度和持续时间与观测记录的数据基本在plusmn;50%的精度范围内相同,傅里叶振幅谱显示模拟结果有得到10 Hz左右的高频成分. 四川盆地中的台站模拟结果高频衰减比观测记录要快,原因是模拟过程没有考虑场地效应.对强地震动模拟还是要综合考虑震源、传播路径和场地的影响．研究结果表明,此改变震源输入的确定性方法可应用于模拟近断层宽频强地面运动．      

首都圈小震震源参数与介质品质因子

本文用频率域方法和国家地震局分析预报中心京津唐张监视区测震数据传输和处理系统接收的短周期地震模拟信息,通过波形数字化联机处理,测定了首都圈1990年末至1993年上半年部份小地震震源参数和相应路径上的介质品质因子。结果表明,小震应力降为1×10~5—10~6Pa,介质品质因子为100—700之间随地区有差别。     

唐山余震震源参数和衰减的联合反演

利用唐山余震的数字化地震记录,研究了唐山余震的震源参数.发展了一种 P 波谱的反演方法,以消除用波谱分析求解震源参数过程中的不确定因素的影响.经过数值实验和对实际资料的应用,初步证明了这种方法的实用性.利用5个台站接收的35次地震记录的 P 波频谱资料,反演了唐山滦县地区的震源动力学参数,得到了5个台站的 P 波 Q 值和震源频谱的高频衰减率.Q 值分布在408——847之间,均值为520;值分布在1.54——3.22之间,均值为2.41.在该区域的小震频谱的定标律研究中,发现应力降随地震矩的增加而增加.      

亚失稳准动态及同震过程变形场时空演化特征 ——实验与分析

断层亚失稳模型指出,在临震亚失稳阶段中各种物理量存在规律性的时空演化特征,控制这些物理参数变化的根本原因是震源的力学过程.为深入观测和分析该过程,文中介绍了一套自主研发的64通道、16位分辨率、4MHz采样频率、可并行连续采集的超动态变形场观测系统(Ultra-HiDAM),首次实现了在4MHz频率下对应变信号和声发射...     

The geometry and temporal structure of a high frequency source: The Olyutorskii earthquake of April 20, 2006

We have determined the parameters of the high frequency radiator for the M _W = 7.6, April 20, 2006 Olyutorskii earthquake using P-wave high frequency power signal (HFPS), as recorded at 57 distant stations. Our data processing was done, first, to correct the HFPSs by inverse filtering using the aftershock HFPS as an empirical power Green’s function. In this way, we found the source HFPS for each station, separately for the frequency bands 0.7–1.7 and 1.5–2.5 Hz. These data were used to determine parameters of the radiator model as a segment with the rupture propagating to both sides of the hypocenter at constant velocity. The parameters are as follows: length 128 ± 52 km, the strike of the longer arm of the rupture 225° ± 19° SW, the distance from the epicenter to the centroid 23 ± 9 km, and rupture velocity 2.5 ± 0.8 km/s. The rupture was bilateral with a moderate asymmetry. The rupture duration was 35.0 ± 1.6 s for the southwestern arm and about 23 s for the northeastern.     

论发震构造特性在潜在震源区参数确定中的应用

发震构造特性是潜在震源区划分及其地震年发生率确定的重要依据。潜在震源区除了反映“未来具有发生破坏性地震的地区”的内涵外,还应反映高震级档地震具有相似复发特征的涵义。由于在地震活动性参数统计单元内,有一些具有不同本底地震的活动构造块体,为更好地反映地震活动的空间不均匀性,考虑潜在震源区的三级划分是有必要的。通过分析潜在震源区内高震级档地震的复发特征,计算预测时段内潜在震源区的高震级档地震的发震概率,采用预测时段内概率等效转换获得地震年平均发生率的方法,有助于在中国地震危险性分析框架内考虑潜在震源区的强震复发特性。另外,文中还对潜在震源区内特征地震次级震级档频度不足的特性和发震构造上强震非均匀性在地震危险性分析中的应用问题进行了探讨     

震级的物理含义与体波波谱特征频率

本文应用位错模型地震震源波谱理论和观测资料,论证了远场体波质点位移或速度最大值（地震震级）决定于彼此独立的两个震源动力学参数地震矩M₀和体波波谱特征频率f₀。因此,仅以地震矩表征地震强度或仅以断层尺度（体波波谱特征频率）分类地震大小,只在另一个震源参数保持为常数时才有可能。体波波谱特征频率携带着震源体波脉冲持续时间的信息。据此,探讨了地震震级的物理含义。     

凤凰山地区蒲江-新津-德阳隐伏断裂反射波法地震勘探与断裂活动性研究

利用反射波法地震勘探确定了在凤凰山地区蒲江-新津-德阳隐伏断裂通过的具体位置以及断裂的规模和性质,证明了该断裂在向东俯冲的过程中错切了晚更新统沉积物,具有明显的第四纪活动性,对凤凰山台地的形成起到了一定的控制作用。地面地质调查及历史地震研究也证明蒲江-新津-德阳隐伏断裂具有晚更新世活动性,且断裂南段的活动性明显强于北段,表明该断裂的北段是成都平原内部的一条弱地震活动带。同时,文中还对在城市近郊人烟繁杂地带反射波法地震勘探中野外观测系统的布置及地震参数的选取进行了探索,小道间距、小偏移距、多接收道、短排列、多次覆盖、高频检波器接收的工作方法和野外地震参数的合理选取对实现主要干扰波和反射波信号的有效分离,提高地震勘探分辨率起到了至关重要的作用     

A SUPER-DYNAMIC DEFORMATION MEASUREMENT SYSTEM WITH LONG-TIME PARALLEL CONTINUOUS ACQUISITION

In the simulation experiments of earthquakes in laboratory, the instability slip or rupture events are obtained through steady state loading to simulate earthquake processes. In the experiments, steady-state deformation and unstable sliding occur alternately. It is hard to determine the origin time and duration of the instability event of fault, and there may be many instability events in one experiment. Therefore, in order to ensure that sufficient data is obtained at the extremely short instability moment to analyze the mechanical process of the earthquake source, the data acquisition system is required to continuously collect data at high-speed from the beginning of the experiment until the end, and the lasting time can be more than ten hours, so it requires huge storage space. Although the upper frequency limit of the instability signal is unknown exactly, but the previous experiments have shown that the frequency of the signal will reach hundred to several kilohertz, so the sampling frequency of the data acquisition should be above megahertz. In this case of long-time continuous high-frequency data acquisition, it is still necessary to maintain a high signal-to-noise ratio. Furthermore, previous studies have proved that the source mechanics field has a complex spatial structure, which is difficult to describe with a few measuring points, and it is necessary to perform simultaneous measurements of the source mechanics field for dozens or more measuring points. The combination of long-term continuous recording, high-resolution high-frequency sampling and multi-point simultaneous measurement poses a huge challenge to the technical indicators of the observing system. With the method for composing distributed synchronous acquisition machine group by using multiple high-resolution high-frequency sampling computers, a super dynamic deformation measurement system of high signal-to-noise ratio, which features 64-channel, 16-bit resolution, 4MHz sampling frequency, and parallel continuous acquisition with tens of hours was developed. This system can realize the synchronous acquisition of various signals, such as strain, acoustic emission, electromagnetic waves and displacement, so it is convenient for analyzing the conversion relationship between various physical quantities.     

甘肃地区震源参数的相关性研究

通过对甘肃数字地震台网2008年1月-2009年6月记录的ML 2.0-ML 6.0中小地震,S波观测谱中噪音、仪器、路径、场地等影响的逐一消除,利用遗传算法反演得到甘肃地区273条地震的震源谱,进而根据Brune的圆盘震源模型,计算地震矩、应力降、拐角频率、震源半径等震源参数,并研究甘肃地区震源参数的特征及相似关系....     

FURTHER DEVELOPMENT OF A HIGH-FREQUENCY SEISMIC SOURCE FOR USE IN BOREHOLES1

A borehole sparker seismic source enclosed in a semi-flexible tube has been developed to produce a short compressional seismic pulse with a frequency content in the range 250 Hz to 3.5 kHz with a peak power at 570 Hz. The pulse shape and frequency content are shown to be a function of the input power, the diameter of the spark chamber, the salinity of the electrolyte, the material of the spark chamber and the electrode configuration. When in a borehole, the source produces a vertically polarized shear wave but, being similar to a small explosive charge does not allow phase reversal as a means of identifying the shear wave in the received pulse train. The source is shown to be ideal for tomographic imaging surveys because of its repetitive nature, high frequency content and reliability. Very high resolution seismic reflection surveys are also shown to be possible under favourable circumstances.