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。     

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.     

2010年玉树超剪切破裂地震破裂过程反演

为探讨玉树地震是否为超剪切破裂事件,利用Yagi的方法重新进行了此次地震震源破裂过程的反演。通过给定不同的破裂速度进行对比,发现当破裂速度为4.7km/s时,理论与实际观测结果拟合残差最小,且反演结果更符合实际。另据P波高频辐射能量包络反演,破裂传播速度在4.7～5.8km/s范围内,而该地区的剪切波速度则为3.0～3.6km/s,从而证明了此次地震超剪切破裂现象的存在。反演结果表明,此次地震在玉树段的NW和SE段形成了19和31km的地表破裂,而震中所在的中段由于隆宝湖拉分盆地的存在,造成了15km的未破裂区。超剪切破裂是造成SE段玉树县城遭受严重破坏的原因之一。     

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。     

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.     

双层黏弹介质模型条件下地震应力扰动的时空特征

基于简化双层黏弹介质模型及其变形过程的时间属性,考虑震后地壳上层(黏滞性相对较弱)短时间的弹性扰动及后续较长时间内下层(黏滞性相对较强)黏性变形对上层应力扰动的联合作用,研究地震应力扰动的时空变化.结果显示,地震应力扰动在震后一段时间内逐渐增大,之后缓慢衰减.并且模型参数越接近真实地体,应力扰动增大及衰减过程就越缓慢,持续时间越长,即地震活动具有较长时期的时间"记忆"特性.因而,在地震活动及库仑应力变化研究中,长时期的应力扰动影响不宜忽略.地震应力扰动有一定的空间作用范围,在此范围内应力扰动随距离衰减明显,距离震源较近处衰减较快、距离震源较远处衰减相对较慢,此范围之外应力扰动可忽略不计.在本文所取与实际地壳相对较为接近的模型参数条件下,应力扰动的空间作用范围大体是震源线性破裂尺度的2.5倍.地震应力扰动随震级增大而逐渐增大,在本文模型参数条件下,震级大于6级之后,应力扰动随震级快速增加.地震破裂尺度测量误差所导致的应力扰动计算误差的相对大小,与时间无关,与破裂尺度(震级)及震源距有关,随震源距的增大而增大,但对应力扰动的总体变化趋势及变化范围影响甚微.当距离足够远时,应力扰动计算误差的相对大小趋于常数,就6、7、8级地震而言,最大应力扰动计算误差分别小于应力扰动值本身的22%、30%及38%.     

大地震破裂过程反演中的灵活性需求:现状及探讨

对于大地震破裂过程的反演是震源研究的重要问题,也是震源物理研究的基础.虽然大地测量、地震精定位等方法和数据的引进为大陆内部地震破裂过程的精细研究提供了重要依据,但对于大洋底部、俯冲带等区域的地震复杂破裂过程依然需要灵活度高的方法来获得多样的断层几何结构,并支持破裂过程反演.本文集中讨论震源研究中的一类灵活度高的方法：多点源模型反演.并结合震源反投影、有限断层模型等方法,分析这些方法在大地震破裂过程反演中的优势互补,提出反投影→多点源→有限断层模型串行的思路.通过上游方法的稳定性获得下游算法的先验约束,最终获得具有高灵活性、高时效性以及高精度的串行反演策略.     

Fast and robust inversion of earthquake source rupture process and its application to earthquake emergency response

Fast inversion of source rupture process for significant earthquake is introduced and applied to earthquake emergency response. We retrieve and use the apparent source time functions (ASTFs) to stabilize the rupture process inversion, aiming to get the rupture process results correctly and quickly. The applications to 22 significant earthquakes occurred between January 2009 and July 2011 show an average inversion time consumed of about four hours, suggesting a high efficiency of this method, which much improves the inversion speed of the rupture process and is helpful in earthquake disaster mitigation and relief.     

Inversion of near-field waveform data for earthquake source rupture process (I): Method and numerical test

In seismological study, most of the earthquake source rupture processes are inverted via matching the waveforms. The hypocenter location and fault parameters (such as strike direction, dip angle, etc.) are assumed firstly, and the fault is divided into a …     

二维MT快速曲线对比反演方法的可行性研究

最近开发了一种针对二维大地电磁野外数据进行处理解释的新反演方法。该方法以加入阻抗相位信息的一维大地电磁连续介质曲线对比法为基础 ,把一维反演得到的电阻率和相位的数据集作为二维反演的初始模型 ,使用二维有限单元法做正演模拟。在程序的后继迭代中 ,深度方向上用一维反演修改模型的电阻率和深度值 ,沿测线方向由二维有限元作修改 ,反演结束可得到一个接近真实电性分布的电阻率数据集 ,并绘制成电阻率断面图。对模型的反演实验结果显示 ,该反演方法能够较真实地反映地下电性分布 ,而且避免了偏导数矩阵的计算 ,其原理简单 ,计算速度快 ,表明该反演方案是可行的     

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.     

Lippmann-Schwinger积分方程广义超松弛迭代解法及其收敛特性

为克服Born级数只适用于弱散射和短程传播的弱点,从光学散射理论中引入了针对强光学散射问题的Lippmann-Schwinger方程广义超松弛迭代解法,并对这种方法在反射地震条件下的算法表现、收敛特点、计算效率以及计算精度等问题进行了分析和讨论.理论分析和数值计算结果均表明:(1)与散射级数重整化相比,超松弛法具有更坚实的数学基础;(2)超松弛法可以有效地克服Born级数的弱点,得到与有限差分相当的数值模拟结果;(3)在反射地震条件下LS方程超松弛法表现优异,完全可以解决反射地震数值模拟中的强散射问题.     

Rapid directivity detection by azimuthal amplitude spectra inversion

An early detection of the presence of rupture directivity plays a major role in the correct estimation of ground motions and risks associated to the earthquake occurrence. We present here a simple method for a fast detection of rupture directivity, which may be additionally used to discriminate fault and auxiliary planes and have first estimations of important kinematic source parameters, such as rupture length and rupture time. Our method is based on the inversion of amplitude spectra from P-wave seismograms to derive the apparent duration at each station and on the successive modelling of its azimuthal behaviour. Synthetic waveforms are built assuming a spatial point source approximation, and the finite apparent duration of the spatial point source is interpreted in terms of rupture directivity. Since synthetic seismograms for a point source are calculated very quickly, the presence of directivity may be detected within few seconds, once a focal mechanism has been derived. The method is here first tested using synthetic datasets, both for linear and planar sources, and then successfully applied to recent Mw 6.2–6.8 shallow earthquakes in Peloponnese, Greece. The method is suitable for automated application and may be used to improve kinematic waveform modelling approaches.     

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.     

非线性地震道的混沌反演——Ⅱ.关于Lyapunov指数和吸引子

在本文上篇《非线性地震道的混沌反演--1.理论和数值试验》中讨论了非线性反问题逐次线性化方法及迭代过程的系统特性、递推法和广义线性反演法输出波阻抗序列的特征。本篇参照混沌理论中关于Lyapunov指数、相空间和吸引子的概念,深入研究逐次线性化迭代的状态变化的阶段性及其定量描述.当引用相空间描述系统的演化时,对于随迭代变化的阻尼因子可以发现几种吸引子.最后,总结了非线性地震混沌反演的要点,指出非线性反演迭代的复杂阶段性要川混沌理论来描述,而Lyapunov指数等才是控制迭代过程的实质性参数.     

非线性地震道的混沌反演——Ⅱ.关于Lyapunov指数和吸引子

在本文上篇《非线性地震道的混沌反演——1.理论和数值试验》中讨论了非线性反问题逐次线性化方法及迭代过程的系统特性、递推法和广义线性反演法输出波阻抗序列的特征。本篇参照混沌理论中关于Lyapunov指数、相空间和吸引子的概念,深入研究逐次线性化迭代的状态变化的阶段性及其定量描述.当引用相空间描述系统的演化时,对于随迭代变化的阻尼因子可以发现几种吸引子.最后,总结了非线性地震混沌反演的要点,指出非线性反演迭代的复杂阶段性要川混沌理论来描述,而Lyapunov指数等才是控制迭代过程的实质性参数.     

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。