高频GNSS实时地震学与地震预警研究现状

为实现从注重灾后救助向注重灾前预防转变,如何提高地震灾害监测预警和风险防范能力成为我们关注的重点.本文给出了国际上GNSS位移记录、强震动加速度记录、测震速度记录在地震预警中的应用现状,并总结了各自的特点,归纳出围绕高频GNSS地震学在震级与破裂过程实时反演中的几个需要进一步研究的关键问题：（1）引入北斗系统,基于高频GNSS（GPS/BDS）双系统的实时位移解算方法来提高实时单站位移解算精度,使实时解算精度达到厘米级;（2）开展强震仪加速度记录基线偏移校正研究,弥补地震近场GNSS站密度不足问题;（3）强震仪加速度记录与GNSS位移记录特点不同,开展强震仪加速度数据与GNSS位移数据实时融合处理研究,快速获得包含丰富地震形变和速率的波形数据;（4）测震学方法可快速估算震级,但是在强震发生时会出现震级饱和现象,造成震级估算偏低.需要开展基于GNSS位移时间序列的多种方法相结合的实时震级估算方法研究,通过与地震学方法比较和结合,来得到精度高、计算快的震级估值算法;（5）基于高频GNSS、断层初始模型快速选取、断层尺度、参数自适应调整是快速判断断层破裂方向的基础,在断层破裂过程自适应准实时反演算法方面需要进一步加强.通过国内外研究现状调研、分析,表明基于高频GNSS地震学的震级快速确定、震源破裂过程准实时反演算法的发展将对我国地震预警系统从"二网融合"到"三网融合"提供坚实的技术支撑.     

联合高频GNSS和强震数据快速反演四川泸定6.8级地震断层破裂特征

北京时间2022年9月5日12时52分,四川甘孜藏族自治州泸定县发生6.8级地震.利用震中附近1 Hz高频GNSS观测数据获取了同震速度和位移波形,并快速测定了泸定地震的震中和震级.实验结果表明：高频GNSS反演的震中与美国地质调查局(USGS)发布的震中相差32 km,与中国地震台网中心发布值相差16 km;高频GNSS反演的震级,与两个机构均仅差0.1个震级单位.针对地震预警、震后快速响应等时效性应用,提出了一种联合高频GNSS和强震数据的线源破裂特征快速反演方法.泸定地震实验结果表明：在震后20 s时可获得稳定的线源模型,破裂长度、方向和破裂模式值分别为33.3 km、151°和0.6,破裂方向与USGS震源机制解断层走向相差14°,反演的断层破裂模式为双侧破裂.提出的地震断层破裂特征快速反演方法可用于地震预警、震后灾害快速评估以及紧急响应,同时可为今后联合高频GNSS和强震数据快速测定地震破裂特征提供参考.     

根据地表破裂位移测量估计古地震的震级(摘要)

本文提出一种利用位移资料估计古地震 (史前地震 )震级的方法。现在估计古地震震级通常是根据地表破裂长度与矩震级的关系 ,需要确定同震地表破裂的总长度或者断层分段模型。但地表破裂总长度很少能够准确地测量 ,断层分段模型则有很大的不确定性而不可定量化。虽然在表示历史地震震级时用地表破裂长度比用位移好 ,但古地震研究能较好地提供断层某一位置的位移量。本文提出的方法的关键是考虑了对 1 4个现代地震观测得到的位移量的可变化性 ,这样可估计出古地震震级的不确定性。分析表明 ,这种不确定性以渐近线方式靠近破裂的自然可变化性 ,于是有 5至 1 0个点的位移测量值便足以判定古地震的特征。本文结论是由相当于原始破裂长度 1 0 %的断层崖采样就可提供合理估计地震震级所需要的数值。用1 992年ＬａｎｄｅｒｓＭｗ7 3地震和 1 95 4年ＤｉｘｉｅＶａｌｌｅｙＭＳ6 8地震的随机采样资料对该方法进行了检验 ,所得到的震级估计值与实际值很接近。根据地表破裂位移测量估计古地震的震级(摘要)@Mark A.Hemphill-Haley @Ray J.Welodn     

地震台阵处理在地震预警中的应用

强震来临之前预先发出警告的地震预警(EEW)系统是减轻地震灾害的关键。目前运行的地震预警系统基于的是点源假设,由于忽视有效源的效应导致震级幅度被低估,从而在大地震事件中效用受限。在这里,我们探讨地震预警使用活断层附近的小孔径地震台阵来实时表征破裂尺寸的概念。反向追踪台阵波形可实时估计出破裂前沿的范围(代表破裂的尺寸)和方向性,为现有的地震预警系统针对M7地震提供附加的地震预警性能。我们在模拟的实时环境中对其实际运行,并分析由美国地质调查局帕克菲尔德密集地震台阵(UPSAR)监测的2004年加利福尼亚帕克菲尔德M6地震记录,以及由加利福尼亚圣迭戈强震传感器监测的2010年El Mayor-Cucapah M7.2地震记录。我们发现基于较小事件的数据校正由美国地质调查局帕克菲尔德密集地震台阵下方的倾斜结构引起的反方位角的偏差至关重要。我们估计的破裂长度比其他研究推断的长度短30%,但是对于地震预警的目标仍然是合理的。我们把这种差异归因于破裂方向性效应及单个台阵视野有限。这种方法的准确度也许会随视野重叠的台阵网而改善。我们对此通过九州和北海道北部两个Hi-net台网的台站群追踪2011年日本东北地震的破裂来予以说明。所得结果与远震反投影结果一致且得到了破裂长度及方向性的合理估计值。与提出的其他有限断层地震预警方法相比,该台阵方法受全球定位系统或地震台网的粗略性影响较小,提供了破裂的高频特征而对某些结构获得了比地震动更适合的预报因子。     

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.     

2009年3月19日汤加地震破裂过程快速反演/

2009年3月19日汤加MS7.9地震发生后,我们迅速利用地震破裂过程快速反演技术反演了全球地震台网(GSN)的宽频带波形资料,获得了这次地震的破裂过程．随后,收集了更多的资料重新进行了反演,反演结果的主要特征与快速反演结果基本一致．这次地震的震级为MW7.8,破裂持续时间约为70s,断层面上主要有3个滑动量较大的区域．      

2022年1月8日青海门源MS6.9地震的静态和动态震源参数测定

震源特征可通过震源参数量化,震后快速测定震源参数,对于研究区域构造特征、地震的震源性质和孕育演化过程、开展震害评估和地震应急响应都具有重要意义.本研究采用区域地震台网和全球地震台网提供的宽频带波形资料,使用近震全波形反演方法得到了2022年1月8日青海门源M_S6.9地震的地震矩、矩震级和震源机制解等静态震源参数,并测定了地震辐射能量、能量震级和破裂持续时间等动态震源参数.结果显示：(1)本次地震为一次高倾角的走滑型地震,震源机制解节面I走向194°、倾角87°、滑动角175°,节面II走向285°、倾角85°、滑动角3°,地震矩为8.5×10¹⁸N·m,转化成矩震级为6.6,矩心深度为3 km.结合动态震源参数,可确定节面II为地震断层面;(2)地震辐射能量为4.3×10¹⁴J,转化成能量震级为6.8,高于矩震级;(3)地震呈现双侧破裂特征,破裂持续时间为11 s;(4)能矩比为5.1×10^-5,视应力为1.53 MPa,应力降为6.58 MPa,描述断层破裂复杂度的辐射能量增强因子为34;(5)综...     

关于1920年海原大地震震级高估的讨论

1920年海原大地震作为史料记载以来中国大陆震级最高、伤亡最多的极具破坏性的地震之一,开启了我国用现代地震学方法研究大地震的新篇章,在我国地震研究史上具有里程碑的意义。最新研究结果表明,1920年海原大地震的矩震级为M_W(7.9±0.2),与文献和大众广泛接受的M8(1/2)的数值相差较大。本文通过对震级标度及其演化历史的总结和梳理,阐述了仪器记录早期阶段基于地震波波形振幅和频率的震级标定存在系统偏差的问题,这与仪器限制、台站稀疏、标定不统一等因素有关,也使得1920年海原大地震和同时期世界上其它一些重要大地震的震级不同程度被高估。在各种震级标度中,矩震级M_W与地震破裂面积和位移等物理参数关联,是地震震级的最佳标定方法。震级作为表述地震大小和能量的重要参数,被广泛地用于评估断层未来的地震潜势;震级的偏差对地震活动时空分布样式的研究会产生重要影响,并造成基于历史地震资料的地震危险性评价和灾害评估等产品的可信度降低。因此,本文倡导对历史地震震级进行检验和修订,并建议1920年海原大地震的震级采用矩震级M_W(7.9±0.2)表...     

利用高频GPS时间序列进行地震预警研究

正传统地震仪可以监视地震发生、记录地震波信号等相关信息,为快速确定地震参数提供观测资料。但在应用中主要存在两个问题:(1)宽频带地震仪遇到强震时经常会超出记录量程,无法完整的记录地震波波形;(2)在地震和海啸预警研究中,地震仪数据通常需要积分为位移量计算震级和海啸高度,但受仪器倾斜、旋转等因素影响,积分结果会引入许多误差,难以获得准确的地壳形变信息。以上问题都会给地震参数特别是震级的快速准确确定带来困难。尤其是大     

高频GPS和强震仪数据在汶川地震参数快速确定中的初步应用

高频GPS可以实时获取地表位移数据,在地震学中有十分重要的现实应用,比如快速获取震中、震级、地震烈度甚至震源破裂过程.本文以汶川地震为例,首先利用近场7个GPS台站数据反演震中位置,由于高频GPS和测震学确认的震相不一致,两种震中结果相距约15.7 km.然后对高频GPS和强震动数据进行了比较分析,我们的统计结果表明,尽管由于工作原理不同,高频GPS数据中的地震动峰值与强震记录相比存在明显差异,但是高频GPS记录的PGA、PGV和PGD同样可以作为计算地震烈度的指标.进而,使用SMBLOC程序对强震记录进行事后的基线偏移校正,得到与实时高频GPS精度相当的地表位移序列.最后,采用移动平均窗口对这些位移数据作平滑,基于最速下降法和OKADA模型,对汶川地震断层破裂的过程进行了回溯性准实时反演.结果表明,汶川地震主断层由西南向东北方向破裂,以14∶28∶04为基准,在震后20 s提供初始震级M_W7.0,震后70 s震级稳定在M_W7.8,但断层仍在破裂,在震后159 s根据位移波形判断事件基本结束.研究表明,实时地表位移数据可以快速准确获取强震震级和破裂方向,从而使得高频GPS将对现有地震预警系统提供很好的补充.     

高频GPS形变波与地震波在日本MW9.0地震中的对比研究

高频GPS动态监测可快速准实时解算地表位移,其在地震参数快速确定、地壳形变短期变化过程、震源破裂过程和震级标度研究等方面成为传统地震学的补充。针对浙江省内的1Hz的GPS数据,本文采用GAMIT的TRACK模块,获得了日本2011年3月11日M_W9.0地震的位移时间序列,并将其与浙江省地震台网并址观测的地震计获得的位移信号进行对比。结果显示,高频GPS与地震计获得的峰值地动位移之间差异在GPS的观测误差范围内。相对于原始波形,两者在0.005～0.1Hz频段上的水平方向相关系数提高了50%以上,高程方向相关系数提高了2倍以上。研究表明,高频GPS与宽频带地震计的观测结果在时序和频谱上有相互重合的区域,GPS和地震仪可以共同覆盖地震地表位移的全部可能范围。     

阶区对走滑型地震地表破裂带传播与终止行为的影响

系统收集了国内外28个走滑地震破裂带上阶区与地震破裂行迹的资料,利用数理统计的方法分析了阶区的类型、尺度与地震破裂的关系。结果表明,不同震级档的走滑地震阶区限制破裂传播的止裂尺度是不同的,震级MS为6.5~6.9,阶区的最小止裂宽度约为3km;震级MS为7.0~7.5,阶区的最小止裂宽度约为4km;震级MS为7.5~8.0,阶区的最小止裂宽度约为6km;震级MS为8.0~8.5,阶区的最小止裂宽度约为8km;且拉分阶区比挤压阶区更容易被破裂所贯通。上述给出的阶区的最小止裂宽度可作为判定地震破裂止裂尺度的重要标志,是进行破裂分段的前提和基础,对地震危险性分析具有重大的实用价值。     

利用反投影技术快速测定中强震矩震级及破裂过程——以2023年9月9日摩洛哥MW6.9地震为例

利用远场台阵反投影技术可以较少地依赖先验经验,于震后快速获得震源破裂过程时空分布特征,并据此估算矩震级。本文使用美国阿拉斯加宽频带台阵记录到的远场直达P波数据,基于反投影方法,对2023年9月9日摩洛哥M_W6.9地震震源破裂过程及震级进行分析。结果显示,地震破裂走向以NE-SW向为主,地震能量在10～20s集中在震中距10km范围内释放,与震源机制解和震中区亚特拉斯山脉走向基本一致。震源破裂持续时间结合在全球分布均匀的GSN台网记录到的P波最大位移数据,在震后约15min即可快速估算出本次地震矩震级为M_W7.0,与中国地震台网中心和美国地质调查局发布震级基本一致。     

利用宽频带数字地震记录测定谱震级

谱震级是表征地震强弱的量度,是地震学研究中的一个重要的地震参数。在地震预测和工程地震研究中具有重要的实际意义。谱震级测定还可得到地震辐射的能量,再通过和标量地震矩的比较,可以估计地震震源处的视应力,而视应力也是震源物理研究中一个重要的物理量。考虑到我国地震台网分布不均匀的情况,本文尝试利用单台的宽频带波形资料进行谱震级的测定。选用CDSN昆明地震台(KMI)记录的近震宽频带波形资料,分析地震图垂直分量上的P波,采用 Duda等人提出的谱震级的测定方法,改进并提出了一种能够利用宽频带波形资料,直接用速度谱值测定地震谱震级的方法。所得谱震级结果与ISC给出的Ms震级对比后,发现相差不大;所得的能量结果与NEIC用远震体波测得的能量结果具有较好的一致性。用同样的方法,将来还可对不同地区更小的地震进行谱震级的测定,这无疑对地震学的进一步研究很有帮助。     

基于汶川主震及余震的一种新型地震预警震级估计参数τ_(log)研究

我国四川地区在2008年发生了一次面波震级达8.0级的强烈大地震,诱发了多处灾难性滑坡灾害并造成了重大人员伤亡.作为防震减灾最为行之有效的方法之一,地震预警系统亟待在四川地区建立起来.在地震预警系统中,对地震震级的快速估算是最为重要且困难的工作之一.目前世界上提出较早、应用较为广泛的快速震级估计的参数主要有:最大卓越周期(τ_p~(max))、特征周期(τ_c)和最大位移幅值(P_d).本文介绍了一种新型的震级估计参数对数周期(τ_(log))并利用2008年汶川主震及其余震P波和S波初期部分的信息,研究了该参数与震级的相关性,并与前人研究同为周期/频率相关算法的τ_p~(max)和τ_c参数进行对比,然后进一步研究时间窗口长度对震级估计误差的影响并进行了评价.结果表明:对于主震事件(M 8.0),短时窗的τ_(log)参数无法避免震级低估(震级饱和)现象,当时间窗口到达第5s时,震级饱和现象能有效地被克服;对于中等震级地震事件(M 5.0~6.5),能够较好地反映地震规模大小,震级估算误差能较好地满足地震预警系统精度要求;在小震级事件(M5.0)中,τ_(log)方法的震级估计误差更小,相比起τ_c方法显得更为优越,在地震预警系统的实际应用中,能够有效地降低对于小震事件的误(漏)报率.     

应用近场速度记录快速估算川滇地区中强地震强度

采用Wu等(2004)提出的地震强度测定方法,应用近场速度波形记录,测定地震参数M_(ew),实现了川滇地区中强地震(M_W≥5.7)强度近实时快速测定。M_(ew)是一个与矩震级M_W对接的地震参数,与传统的应用振幅测定震级的方法相比,不会存在震级饱和问题,与全球矩心矩张量(GCMT)的矩震级M_W具有较好的一致性。该方法解决了应用近场波形资料和矩张量反演方法求取大地震矩震级比较困难的问题,可为区域中强地震速报提供近实时矩震级提供参考,从而提高地震速报的时效性和准确性,同时为强震加速度数据的应用奠定基础。     

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。     

加拿大海达瓜伊M_W7.8地震期间同震沉降的潮间带生物指示物

2012年10月28日海达瓜伊M_W7.8地震是沿加拿大不列颠哥伦比省大倾斜汇聚的夏洛特皇后边缘的大型逆冲区地震。由于在250km的破裂区域内只有6个全球定位系统(GPS)测点和2个检潮仪台站,大地测量没有很好约束同震变形。为了更好地约束垂直同震变形,我们测量了相对于震后5个月、25个测点海平面由自然条件控制的两个固着潮间带生物的生长上限。测量了岩藻(双列藻属,617个测点)和常见的橡子藤壶(藤壶属,686个测点)的位置。本研究重点探讨了该群岛的西侧,破裂模型表明有大规模垂直位移,同时也调查了远离推断破裂区的场点,以对照不受垂直位移影响的生物的上限。同时还做了322次海平面测量,以使用TPXO7.2潮汐模型,而不是使用全球定位系统确定的椭圆高度将生长极限与潮汐基准面相关联。用3种方法检查该数据都表明莫尔兹比岛西海岸由于2012年10月28日的海达瓜伊地震而出现了0.4~0.6m的沉降。我们的数据,在误差范围内,与海达瓜伊西海岸两个全球定位系统测点的数据一致,且与该群岛近海而非之下的大型逆冲破裂的破裂模型一致。     

北京市地震台网"速度震级"与仿真震级的关系

速度型记录设备的地震速报,一般直接使用记录到的波形数据计算震级(速度震级).编写台网观测报告,需要把速度波形仿真成位移后再计算震级(仿真震级).本文利用北京市地震台网2003年以来1 000多条记录,以全网、单台两种方式研究了上述两种震级的关系,结果表明.它们之间存在很好的线性关系,且与震中距、台基、设备等因素有关.建议在速报阶段,可用震级差和线性关系两种方法对仿真震级进行估计.     

一种基于位移源谱的地震预警快速震级估算方法及影响因素研究

地震预警(EEW)系统是防震减灾中最有效的方法之一,对地震震级的估算是非常重要且困难的。目前,比较成熟的地震震级估算方法主要有基于最大卓越周期τpmax、特征周期τc和位移幅值最大值Pd的震级估算方法,但这些方法存在一个重要缺陷,即对大地震(M_w≥6.5)的震级估算会出现震级低估现象,也称为震级饱和~([1-2])。为克服上述缺陷,借鉴位移源谱方法,探讨了基于单台站P波位移源谱开展地震震级估算的适用性,进一步研究了震源距和场地条件对该方法估算地震震级可靠性的影响,得到了该方法的最佳适用范围。研究通过用多组地震记录检验,表明了位移源谱方法能较好的估算大地震震级,可以有效地解决震级估算时震级饱和问题,此外,在不同震源距和场地条件下,该方法均能提供稳定的震级估算。虽然对于中小地震,位移源谱方法在短时窗下的震级估算有系统性的误差,但是长时窗震级估算中克服了震级饱和现象,同时具有精度高和离散性小的独特优点,具有普遍适用性和稳定性,适用于地震预警系统。