汶川大地震地震波传播的谱元法数值模拟研究

汶川大地震震中位于震害活跃的龙门山断裂带上,其强度超过1976年唐山大地震．地震激发的地震波可以用来研究震源破裂过程及地球内部的层次结构．从弹性波理论基础出发,采用AK135理论地球模型,考虑地表地形、地球介质衰减及地球椭率等特性,利用谱元法结合高性能并行计算,分别对人工点源和复合源所激发的汶川大地震地震波的全球传播过程进行数值模拟重现．数值模拟结果显示了地震波在地球表面的传播形态．通过比较发现,复合源数值模拟结果较点源数值模拟结果更能体现汶川地震震源破裂过程的时空特性．另外,将两种震源的数值模拟结果分别与实际观测台站记录波形资料进行拟合对比,进一步定性地认识到多个点源组成的复合源的数值模拟结果较单个点源的数值模拟结果与实际观测资料的拟合程度更好,证明了汶川大地震破裂过程为多阶段破裂组成的一个复合破裂过程．     

基于区域宽频带和近震波形数据的多点源反演——以2016MW7.1日本熊本地震为例

中强度(M6—7)地震可以对人类社会基础设施和生命财产造成威胁,并且其发震频率要远高于M8+地震.从震源物理的角度来说,此类地震的发震断层的几何形态和破裂过程往往较为复杂.因此,准确地确定此类地震的震源参数对地震防治和了解震源物理都具有重大意义.作为承接地震单点源解和有限破裂模型的桥梁,地震多点源解可以为有限破裂模型反演提供可靠的断层几何,并有效地帮助约束破裂的时空演化过程.本文基于马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)非线性反演算法,将一种多点源波形反演方法的适用范围从近震距离推广到了区域距离,并验证了利用余/前震(或历史地震)对地震波传播路径进行校正的有效性.我们将改进后的方法应用于具有代表性的2016 MW7.1 熊本地震的研究中.结果发现,利用一个MW6.0和一个MW5.4的前震,可以对半径100 km范围内强震记录和 1000 km内的宽频带记录进行有效的路径校正,筛选出现有速度模型所适用的地震台和震相,并且可以确定波形拟合中高质量 Pnl波和面波所能利用的频率上限,即高达 0.3 Hz(Pnl)和 0.2 Hz(面波).研究结果还显示区域宽频带数据反演的结果和强震+高频 GPS数据结果有高度的一致性,验证了将该方法推广到区域数据反演的可行性.对熊本MW 7.1 主震的反演结果显示,在反演所用的频段,我们需要至少四个子事件来表示该地震的运动学过程.第一个MW 6.7 子事件发生在地下 12 km深的 Hinagu断层上,并具有高倾角的纯走滑位错解;第二(MW 6.7)和第三个(MW 6.7)子事件的深度均为7 km,其走向和Futagawa断层一致并有一定的正断滑移成分;最后一个子事件(MW 6.6)最浅(1～2 km),也具有最强(滑动角＝－137°)的正断滑移成分.这些子事件揭示了发震层的厚度随着主震向东北方向的破裂传播距离增加而变薄,并且其深度随着破裂位置靠近 Aso火山而变得越浅.当使用离断层最近的0701 高频 GPS台站时,五点源反演可以分辨出在破裂最后阶段沿一个次级断层的传播,我们认为该断层分叉现象有可能对地震的停止起到了关键性的作用.     

较大地震破裂尺度的一种简单估算

通过对各向同性均匀介质中两个点源的波形传播的几何性质的分析，提出对较大地震的破裂尺度的估计，可以采用多个子事件的模拟，根据接收台站得到的子事件的视时间差的分布特征，判断震源的实际破裂方向和破裂尺度，甚至仅仅根据宽频带Ｐ波（组）的波形宽度就可进行近似的估算。     

几次复杂地震中不同破裂事件之间的应力触发问题

很多地震都具有复杂的震源破裂过程,作为一个近似,可以用两次或两次以上子破裂事件来描述,子破裂事件之间的时间间隔从几秒到数十天．为探讨不同的子破裂事件之间的关系,计算了邢台地震、唐山地震、青海共和地震和云南丽江地震的第一次子破裂事件所产生的静态库仑破裂应力变化．与断层滑动有关的静态应力的计算采用Okada（1992）给出的公式．结果表明:上述地震中第一次子破裂事件所产生的静态库仑应力变化均对后续的子破裂事件有触发作用,即后续的子破裂事件落在第一次子破裂事件引起的库仑破裂应力增加的区域中．      

用近场记录研究唐山地震的震源过程

通过对唐山地震近场记录的波形拟合,研究了震源短周期运动过程的基本特征,推断了主要破裂事件的震源参数.结果表明,高频地震波中的主要部分来自几个局部区域的破裂过程.它们的错距分布相当集中,上升时间为1.1-1.5s.由5次破裂事件组成的震源模型中引人随机扰动量,较好地描绘了地面运动的高频状态.     

利用断层首波分析2010年玉树M_W6.9地震断裂带的速度差异特征

<正>断层首波是在断裂带两侧介质的地震波速度存在差异,在地震波速度较慢一侧的台站可记录到比直达体波优先到达的初至波。目前,断层首波主要在板块边界附近的断裂带观测到,但没有得到很好的应用。但由于断层首波的存在,对地震初至波识别、地震定位、震源机制解及震源破裂过程的分析研究带来了更大的误差。另外,断裂带两侧介质存在速度差异会影响地震的震源特征,例如,地震破裂的优势方向。对     

有限断层源的层析成象初探

在地震学的一些经典问题中,常常假设震源是点源。尽管它有复杂的时间、空间过程,把震源近似为点源仍然是有益的。地震学家广泛用点源模式解释有关的地震现象。震源尺度小于所关心的地震波长,震源可简化为一个点。反之则不然,例如对于短周期的P波记录,当周期     

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。     

地震波传播理论与地震“孕育”、发生和发展的深部介质和构造环境

地震灾害是人类生存、社会与经济发展所面临的重大自然灾害之一,由于地震震源和其周边介质在力源作用下可产生微破裂并逐渐形成"破裂链",而震源区介质的质点震动则以地震波动和辐射为"载体",且向四周传播.为此,可通过研究地震波传播波场的运动学和动力学响应探索地震"孕育"、发生和发展中的深部介质和构造环境,地震波动的轨迹和其发生的力源机制以及强烈地震活动的深层过程和动力成因,此乃是探索防震减灾和地震预测的核心所在,因此,研究地震波在复杂介质中的传播和响应,地球内部物质与能量的交换和其深层动力过程将必制约着地震的活动和"孕育"空间,这是防震减灾和地震预测中必须深化研究的重要领域.     

基于恢复地震数据获取震级、震源机制及破裂过程的评价——以2013年四川芦山MW6.6地震为例

区域地震波形对于震源研究非常重要,但限幅问题限制了区域地震台网数据的运用,并影响到震源参数测定的准确度.本文利用恢复后的芦山地震区域地震波形,研究了芦山地震的震级、点源机制解以及破裂过程.基于震中距99~300 km恢复前与恢复后地震数据获取的面波震级分别为7.01与7.06级.分别利用7个震中距150~250 km宽频带台站的恢复前和恢复后的数据反演点源机制解,与参考机制解相比,滑动角偏差自13°减小到了4°.基于7个震中距81~134 km的区域地震波形联合远场数据获得的震源破裂过程结果,其主要参数（如滑动分布、破裂速度等）与强地面运动波形联合远场数据得到的结果具有很好的一致性.研究结果表明,本文所采用的数据恢复方法具有较高的可靠性,有效提高了震源参数测定的准确度.     

最小能量准则用于1995年河北沙城ML 4.1地震序列破裂性质的探讨

运用变分原理,我们得到了最小地震波辐射能量约束准则并用于研究震源的物理过程.通过研究1995年M_L4.1河北沙城地震序列主震和余震的动力学过程,可知主震和余震震源的动态破裂过程明显不同;M_L4.1主震的破裂速度与瑞利波速相近,约为剪切波速度的0.89倍;而28个余震的破裂速度远远小于剪切波速度,大约是剪切波速度的0.05到0.55倍.根据裂纹扩展模型,计算得到其余震的地震波辐射效率多在10％以下,这也说明了余震的地震效率较低.我们认为余震震源的动态破裂过程应与断层内部新生裂纹的扩展有关,而非简单的岩体间的相对滑动.余震震源的动态破裂传播与破裂能占主导地位的小地震有关.这些小震所带来的破裂能也导致了断层的进一步扩展.在对该地震序列的研究中,我们发现主震与余震的震源破裂过程在能量分配上有着本质的区别.因此当地震断层尺度相当小时,破裂能的贡献不能忽略,它的大小将显著地影响地震波辐射能的大小.     

最小能量准则用于1995年河北沙城ML 4.1地震序列破裂性质的探讨

运用变分原理,我们得到了最小地震波辐射能量约束准则并用于研究震源的物理过程.通过研究1995年ML4.1河北沙城地震序列主震和余震的动力学过程,可知主震和余震震源的动态破裂过程明显不同;ML4.1主震的破裂速度与瑞利波速相近,约为剪切波速度的0.89倍;而28个余震的破裂速度远远小于剪切波速度,大约是剪切波速度的0.05到0.55倍.根据裂纹扩展模型,计算得到其余震的地震波辐射效率多在10%以下,这也说明了余震的地震效率较低.我们认为余震震源的动态破裂过程应与断层内部新生裂纹的扩展有关,而非简单的岩体间的相对滑动.余震震源的动态破裂传播与破裂能占主导地位的小地震有关.这些小震所带来的破裂能也导致了断层的进一步扩展.在对该地震序列的研究中,我们发现主震与余震的震源破裂过程在能量分配上有着本质的区别.因此当地震断层尺度相当小时,破裂能的贡献不能忽略,它的大小将显著地影响地震波辐射能的大小.     

汶川、玉树地震临震波动现象的震例研究

<正>一般来讲,宽频带数字地震记录中,蕴含着丰富的信息。既可以有效记录到地震、爆破、塌陷等地球物理事件及环境变化,也可以记录到某些来源未知或目前尚未掌握的过程,其中可能就包含着来源于临震阶段震源预活动、地壳岩层微破裂、裂隙扩展等过程的信息。对于地震、塌陷等事件,可以根据其时、频域特征进行识别,而对于来源于震源区的预滑移、预破裂及与短临阶段相关的岩层微破裂、裂隙扩展等事件则正是临震预报追寻的目标所在。对于这样的目标事件,由于目前不掌握其变化特征,对其识别的方法     

基于多点源的W-phase反演及其在2004年 苏门答腊MW9.1大地震中的应用

在大地震发生后,快速准确地获得地震震源信息对应急救援十分重要,但是现有技术方法往往难以在快速准确地获取地震震源机制的同时获得破裂空间的分布特征。文章在传统W-phase反演技术的基础上开发了多点源W-phase反演方法,实现对大震破裂空间尺度上能量释放特征及震源机制的快速测定,并以2004年苏门答腊M_W 9.1大地震为例,测试程序的有效性。研究中设置了1、2、3、4、5、6个点源来分别测定此次地震的能量释放特征及震源机制。结果显示,震源机制随着空间位置由南向北的变化与俯冲面走向变化一致,与设定点源附近的历史地震震源机制高度吻合。因此,基于多点源的W-phase快速反投影技术将能更好获得大震空间能量释放特征,为震后应急及海啸预警提供科学支持。     

地震学百科知识(四)——慢地震

引言慢地震是指以几小时到几个月的时间尺度缓慢地发生了有限的断层位移、但没有地震波辐射的断层慢滑动事件。由于有人将震源过程慢、但仍辐射地震波的地震(常常是与发生海啸有关的地震)称为慢地震,所以不辐射地震波的慢地震有时被称为"静地震"。     

2010年4月14日青海玉树地震破裂过程快速反演

基于远震资料的破裂过程反演方法,通过反演2010年4月14日玉树地震的全球宽频带地震垂直向P波波形记录,先后4次反演得到了玉树地震的破裂过程,并比较和讨论了这4次结果.结果表明,玉树地震的破裂过程具有如下基本特征:①地震主要由两次子事件组成,分别对应于震中附近以及震中东南方向上的两块滑动量集中的破裂区域,其中与第2次子事件对应的震中东南方向上滑动集中的区域破裂贯穿至地表;②最大滑动量和最大滑动速率分别为2.1m和1.1m/s,断层滑动速率较大;③玉树地震总体上是一次单侧破裂事件,破裂从初始破裂点(即仪器测定的震源位置)开始,主要向震中东南方向扩展,由"地震多普勒效应"导致在震中东南方向上产生强烈能量聚焦,是玉树城区遭受严重破坏在震源方面的主要原因.     

各向异性ATI介质地震矩张量理论研究

引言地震矩张量描述了地震点源的基本特征,其内容涉及到各类震源(包括剪切位错震源、张裂震源和体积震源)的力学机制、震源辐射、地应力场、震源运动学和强地面运动等地震学中的重要课题。一般认为,浅源构造地震是因断层面间的快速纯剪切错动而辐射地震波,造成在地表的振动,传统上该解释被称为双力偶机制。但实际地震观测和地震矩张量反演结果     

在地震破裂面源模型及在概率地震危险性分析中的应用方法.

目前国内外常用的概率地震危险性分析方法中, 一般把未来可能发生的地震震源（潜在震源）简化为点源或者是线源. 但对于较大震级的地震，仍然采用点源或线源模型来描述潜在震源显然是不合理的. 为此，在概率地震危险性分析方法中本文提出了潜在地震破裂面源模型，并以1999年9月21日台湾集集7.6级地震的车笼埔断层为例，探讨了其在地震危险性分析中的应用方法. 结果表明:①采用潜在地震破裂面源模型是合理的，因为它可以模拟地震破裂面与地震动影响场的三维展布特征，尤其适用于较大震级地震的近场区域； ② 潜在地震破裂面源的大小、产状，对近震源场点的地震危险性分析和地震区划结果有明显的控制影响.      

芦山4.20地震破裂过程及其致灾特征初步分析

采用全球地震台网的远震地震波数据快速反演了2013年4月20日雅安芦山地震(芦山4.20地震)的破裂过程,在震后3小时得到并发布了相关测定结果.结果显示这次地震的震级约M_W6.8,包括两次破裂子事件,但都发生在断层面上震源(破裂起始点)附近,整个地震没有表现出明显的破裂方向性.雅安芦山地震的破裂没有大规模出露地表,主要地震灾害集中在断层上盘,位于芦山县和宝兴县一带.     

《中国西南地区近震源强地面运动特征》一书评介

近震源强地面运动的观测与研究已成为当前地震学和工程地震学中最重要的研究课题之一。由于地震发生机制的多样性、地震波传播所经过地壳介质和地质构造的复杂性,从近震源处观测、分析震源区的介质特征、震源的环境和地震的发展过程,从而研究地震的成因和对地震的发生进行预测具有重要的意义。同时因为