科学家详解芦山地震震源破裂过程

北京时间2013年4月20日上午8:02分,四川芦山县及周边地区发生了7.0级强震.在芦山地震发生之后,研究人员利用远震体波波形数据,依据有限断层模型反演原理,通过小波分析和模拟退火反演方法反演了芦山地震震源破裂过程. 这项名为"2013年芦山7.0级地震的动态破裂过程"的研究论文发表于《中国科学:地球科学》2013年第6期.该论文详细研究了芦山地震的震源破裂过程,由中国科学院测量与地球物理研究所郑勇研究员担任通讯作者撰写.     

利用直达P波研究大地震破裂过程

利用地震波形资料,通过反演技术研究大地震震源的破裂过程是定量认识震源运动学特性的最有效的途径。因此,地震破裂过程的数字波形反演和成像成为近年来地震学研究的前沿和热点问题。快速而精确地从地震记录波形中获取震源运动学参数,以便从整体到细节上更加全面地描述地震破裂的复杂性,成为此类研究的努力方向。     

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.     

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.     

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.     

基于加速度包络的芦山地震高频辐射反演

基于经验格林函数和加速度包络,利用差分进化法反演了芦山地震断层面上高频地震波(1~10 Hz)辐射区域,其高频地震波的辐射强度利用震源时间函数的幅值表示。结果表明,芦山地震断层面上高频辐射分布很不均匀,其中凹凸体部分是高低频辐射最强的区域,另外,凹凸体周边以及断层破裂停止的区域也存在较强的高频地震波辐射,而这些区域的低频地震波辐射则很弱。这表明芦山地震地震波辐射过程是极其复杂的,研究结果对宽频带地震动模拟芦山地震震源模型的建立具有一定的应用价值。     

利用地球自由振荡观测约束芦山地震的震源机制解

地球自由振荡的振幅和地震的震源机制有密切的关系．利用长周期自由振荡的观测可对地震的震源机制解进行分析和约束．芦山地震虽然是中等强度的地震,但也激发了可观测的自由振荡信号．根据芦山地震的4种不同震源机制解计算了芦山地震的自由振荡,然后与超导重力仪和宽频带地震仪观测的结果进行比对分析,结果表明可利用2．3～5mHz的球型简正模分析和约束芦山地震的震源机制解．研究发现地震的标量地震矩Mo对自由振荡振幅的影响较大,而断层走向、倾角、滑动方向角和震源深度对自由振荡的振幅影响较小．分析了不同震源机制解理论计算的地球自由振荡参数,发现由GCMT反演的地震矩与实际观测符合较好,其相应的震级能较好反映芦山地震释放的总能量,而利用远场体波反演的地震矩偏小,联合远场和近场观测数据反演可显著改善体波的震源机制解．     

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.     

芦山M7.0地震余震震源机制解的时空分布特征

正芦山7.0级地震发生在龙门山推覆构造带上震源机制为逆冲型,震后3天震源区发生3 000多次余震,其中M5余震4次。最大余震5.4级发生在芦山邛崃交界。地震震源机制可以直观反映地震破裂的几何特征和运动学特征,通过地震序列震源机制与震源深度分布可以了解区域的应力状态、勾画断层形态、帮助搞清楚余震与发震构造的关系。地震发生后,布设了方位角分布很好的流动加密台站,为我们更好的了解龙门山南段的构造应力场提供了良好的条     

2013年4月20日四川芦山7.0级地震震源破裂特征

2013年4月20日四川芦山发生7.0级地震.本文运用反投影远震P波的方法研究了中心频率为1 Hz的芦山地震震源破裂特征.研究结果显示2013年芦山7.0级地震破裂长度约为20 km,震源破裂时间约为26 s.本文认为在芦山地震的开始阶段(0~4 s)震源的破裂是向震中位置两侧进行的.而芦山地震破裂的第二阶段(5~26 s)是单侧破裂.芦山地震最大能量释放区域位于震中以北.本文对比了运用相同方法研究的发生在同一断裂带上的2008年汶川地震震源破裂特征.发现2013年芦山地震和2008年汶川地震有三点相似之处,即,破裂主要沿北东走向的龙门山断裂带发展;最大能量释放区域没有位于震中;能量都是通过多次子事件来释放的,且第二次能量释放是最大能量释放.对比两次地震破裂区域,可以看出芦山地震的破裂区域是在2008年汶川地震破裂区域的西南端发展的.两次地震的破裂区域占了整个龙门山断裂带的三分之二.     

2013年巴基斯坦俾路支MW7.7地震震源过程研究

利用高分辨光学影像获取的同震水平位移场资料联合远场波形数据反演获得了2013年巴基斯坦俾路支M_W7.7地震的震源过程模型.结果显示这是发生在具有弧形铲状几何形态的Hoshab断层上的一次左旋走滑为主要运动特征的强烈地震事件.推断这种具有罕见运动模式的强烈地震是斜向应力场与特殊的断层几何形态共同作用的结果.研究工作中采用大数据量均匀分布的同震位移资料参与反演计算,结果表明这种以完整图像的形式使用位移场资料的方式可以克服资料可能存在的系统误差获得可信的结果.     

An effective approach to determine the dynamic source parameters

In this study, we present a new and effective method to determine the dynamic source parameters (i.e., stress drop and strength distribution). We first assume that the kinematic source parameters, i.e., the slip and rupture time distributions on the fault plane, are known from the previous source inversion studies. Then, using the seismic source representation theorem we determine the dynamic stress field on a fault plane from known kinematic parameters. Finally, we determine the strength of the fault defined as the peak stress just before the rupture. We have tested the validity of this method by using an illustrative two-dimensional analytical example. To assess the applicability of this method, we have applied it to study the 1979 Imperial Valley earthquake, and obtained consistent results with those ofMiyatake's (1992) andQuin's (1990). Compared with previous methods, this new method is simple, straightforward and accurate, and needs much less calculation. Therefore, it is expected to be useful in exploring the seismic source process.     

1679年三河—平谷8级地震地表破裂端部特征及其地质意义

地震地表破裂端部的几何结构与运动学特征研究有助于科学认识断裂的破裂传播与终止过程。夏垫断裂是华北平原区最为重要的隐伏强震构造之一,于1679年发生了三河—平谷M8历史大地震,但其同震地表破裂长度及端部变形特征仍存争议。基于前人研究结果,在野外地质调查的基础上,跨1679年三河—平谷8级地震地表破裂端部布设了2条浅层地震勘探剖面,研究断裂端部的新活动特征。结果显示,断裂端部的最新活动时代为全新世,运动方式以走滑为主兼正断,且呈现出明显的滑动亏损特征。结合同震垂直位移分布等数据,分析认为该次地震的地表破裂仅长10余公里,与8级地震不匹配,其发震构造和机制仍需深入研究。     

GPS AND LEVELING CONSTRAINED CO-SEISMIC SOURCE AND SLIP DISTRIBUTION OF THE LUSHAN MS7.0 EARTHQUAKE ON 20 APRIL 2013

Co-seismic deformation results calculated by the observations of GPS continuous sites and precise leveling are used as three-dimensional constraints for the deformation field of Lushan M_S7.0 earthquake on 20 April 2013.The inversion of seismic source parameters are calculated based on the consideration of different value-taking schemes and fault models. Seven data type selection schemes, three fault models and two data coverage selection schemes are designed in order to discuss the effect of data selection and fault model selection on the inversion results. The results show that the fault model using blind reverse fault for the inversion is superior to the model using the fault that ruptures from its upper boundary to the earth'surface, which may indicate that the Lushan earthquake fault is most likely a blind reverse fault; there are no obvious differences in the inversion results between the blind listric reverse fault models and the rectangle blind reverse fault models. The best inversion result of Lushan earthquake seismic moment is M_W6.7.And it also shows that the distribution of dislocations on the fault plane is concentrated in the range of 30km×30km, the northern flank of the seismogenic fault of Lushun earthquake is of dextral faulting and the southern flank of the fault is of sinistral faulting, the sinistral component is larger that dextral component, showing a wedge deformation mode.     

Rupture model of the 2013 M_W 6.6 Lushan (China) earthquake constrained by a new GPS data set and its effects on potential seismic hazard

Vertical records are critically important when determining the rupture model of an earthquake, especially a thrust earthquake. Due to the relatively low fitness level of near-field vertical displacements, the precision of previous rupture models is relatively low, and the seismic hazard evaluated thereafter should be further updated. In this study, we applied three-component displacement records from GPS stations in and around the source region of the 2013 MW6.6 Lushan earthquake to re-investigate the rupture model.To improve the resolution of the rupture model, records from both continuous and campaign GPS stations were gathered, and secular deformations of the GPS movements were removed from the records of the campaign stations to ensure their reliability. The rupture model was derived by the steepest descent method(SDM), which is based on a layered velocity structure. The peak slip value was about 0.75 m, with a seismic moment release of 9.89 × 10~(18) N·m, which was equivalent to an M_W6.6 event. The inferred fault geometry coincided well with the aftershock distribution of the Lushan earthquake. Unlike previous rupture models, a secondary slip asperity existed at a shallow depth and even touched the ground surface. Based on the distribution of the co-seismic ruptures of the Lushan and Wenchuan earthquakes, post-seismic relaxation of the Wenchuan earthquake, and tectonic loading process, we proposed that the seismic hazard is quite high and still needs special attention in the seismic gap between the two earthquakes.     

基于速率-状态摩擦定律的地震二维准动力学数值模拟:浅层正应力变化对断层演化的影响

本文基于结合速率-状态摩擦定律（RSF）的二维准动力学数值模型,以半空间垂直走滑断层为研究对象,通过比较两种正应力随深度变化模型的模拟结果,研究了浅层正应力变化对断层演化参数、地震孕育过程、震后滑移传播等方面的影响.结果显示,我们的数值模型在给定模型参数和约束条件下,能够完整模拟出地震周期中震间、震前、同震以及震后多个特征阶段.常数正应力模型下,动态破裂在浅层速率强化区停止,而在浅层变化正应力模型下动态破裂可以传播至自由表面,导致浅层更高的最大滑移速率和同震滑移量.两种模型下的地震矩、地震周期、平均应力降和震后滑移传播等差别不明显.两种滑移模型的傅氏振幅谱与理论K^-2模型傅氏振幅谱均符合较好,且浅层变化正应力模型下的拐角波数值高于常数正应力模型,说明两种模型均符合地震同震滑移模型的运动学特征,并且浅层变化正应力模型下最终应该产生高于常数正应力模型的高频强地面运动水平.我们认为选用不同的模型参数对最终结果存在显著影响,应当根据具体问题来选择模型参数,这样才能在保证结果准确前提下有效提高计算效率.     

THE SOURCE PARAMETERS AND RUPTURE PROCESS OF THE MW7.0 EARTHQUAKE IN ALASKA,USA ON DECEMBER 1, 2018

A magnitude M_W7.0 earthquake struck north of Anchorage, Alaska, USA on 1 December 2018. This earthquake occurred in the Alaska-Aleutian subduction zone, on a fault within the subducting Pacific slab rather than on the shallower boundary between the Pacific and North American plates. In order to better understand the earthquake source characteristics and slip distribution of source rupture process as well as to explore the effect of tectonic environment on dynamic triggering of earthquake, the faulting geometry, slip distribution, seismic moment, source time function are estimated from broadband waveforms downloaded from IRIS Data Management Center. We use the regional broadband waveforms to infer the source parameters with ISOLA package and the teleseismic body wave recorded by stations of the Global Seismic Network is employed to conduct slip distribution inversion with iterative deconvolution method. The focal mechanism solution indicates that the Alaska earthquake occurred as the result of tensile-type normal faulting, the estimated centroid depth from waveform inversion shows that the earthquake occurred at the depth of 56.5km, and the centroid location is 10km far away in northeast direction relative to the location of initial epicenter. We use the aftershock distribution to constrain the fault-plane strike of a normal fault to set up the finite fault model, the finite fault inversion shows that the earthquake slip distribution is concentrated mainly on a rectangular area with 30km×20km, and the maximum slip is up to 3.6m. In addition, the slip distribution shows an asymmetrical distribution and the range of possible rupture direction, the direction of rupture extends to the northeast direction, which is same as that of aftershock distribution for a period of ten days after the mainshock. It is interesting to note that a seismic gap appears in the southwest of the seismogenic fault, we initially determined that the earthquake was a typical normal fault-type earthquake that occurred in the back-arc extensional environment of the subduction collision zone between the Pacific plate and the North American plate, this earthquake was not related to tectonic movement of faults near the Earth's surface. Due to the influence of high temperature and pressure during the subduction of the Pacific plate toward to the north, the subduction angle of the Pacific plate becomes steep, causing consequently the backward bending deformation, thus forming to a tensile environment at the trailing edge of the collision zone and generating the M_W7.0 earthquake in Alaska.     

基于InSAR和远场地震波联合反演2008年MW6.3大柴旦地震震源破裂过程

利用InSAR同震形变升、降轨数据和远场地震波数据,基于均方根最小与标量地震矩最小双重约束下的模拟退火方法,联合反演2008年11月10日大柴旦M_W6.3地震震源破裂过程.结果表明,2008年大柴旦地震震源破裂过程整体表现为沿倾向方向从深部破裂起始点处向上往地表传播,且破裂未到达地表;在前7 s内,滑动沿西北和东南两个方向传播,7 s后主要沿东南方向传播,破裂过程时间持续约为11 s,同震滑动分布主要集中在地下10~20 km范围内,最大滑动量达-0.71 m;反演结果揭示本次地震为西南倾高角度兼具微量走滑分量的逆冲破裂事件,反演矩张量为3.96×10¹⁸N·m,矩震级约M_W6.37.通过大柴旦地震发震断层和破裂机制综合分析,初步判断发震断层为西南倾向的大柴旦—宗务隆山断裂.     

历史大地震断层滑动模型的建立及其对同震数值计算的影响——以1920年宁夏海原MS8.5大地震为例

大地震的发生会引起区域位移场和应力场发生变化,进而改变区域内及临近断层的应力状态和地震活动性.目前,研究学者可据已有的断层滑动模型来计算分析大地震同震应力变化,同时采用库仑应力触发理论来进一步分析震后余震分布和断层危险性.然而,历史上曾经发生过不少大地震,例如,1920年的海原M_S8.5大地震,是全球范围内少见的特大地震之一.局限于无确切的地震台站地震波等资料,前人在研究历史地震的影响时往往给出一些简单的断层滑动模型,将断层面上错动量视为均匀分布.为更准确地了解历史地震对后续地震的影响,基于前人研究和一般地震滑动形态分布规律及地震反射剖面等资料,以海原M_S8.5大地震为例,探讨了如何建立海原大地震断层滑动模型,并分别搭建了简单断层滑动模型和复杂断层滑动模型的全球同震横向不均匀并行椭球型地球模型.通过对海原M_S8.5地震的同震位移场和应力场的计算,发现采用复杂断层滑动模型比简单断层滑动模型地表位错分布更切合实际.同时,进一步计算和分析了此次大地震对青藏高原东北缘近100年历史地震和周围断层的应力触发作用,得出断层滑动模型对同震计算结果的影响集中在发震断层附近而对远场影响较小.     

近断层应力变化快速计算方法及对强余震空间分布的指示意义:以M_w7.9汶川地震为例

构造地震一般由断层摩擦失稳所致.断层内部及周边所累积的剪切形变则通过同震滑动位移得到局部释放.因此,震后断层内部及近断层周边的静态剪切应力变化量的空间分布可通过断层面上的滑动位移分布计算得到.本文采用傅氏变换方法(FTM)计算单一有限断层同震滑移场所形成的静态剪切应力变化分布,近断层两侧的应力变化计算可由波数域内应力近似算法获得.结果表明,FTM快速有效、易于实现,有效地避免了常规应力计算中奇异值的出现.以2008年Mw7.9中国汶川大地震为例,采用前人所得有限断层滑动位移模型,得到了断层面和近断层周边准3D剪切应力分布解,并同主震后中强余震的空间分布特征作了比较.结果表明,大部分的中强余震震源位置处于剪切应力变化值为正的区域,由同震位移所产生的局部应力降峰值和均值大小同应力变化的正值大致相当,从而表明了快速且有效地计算断层内部及近断层附近的应力变化分布可以为主震后强余震发生的潜在区域提供指示意义.需要强调的是,应力变化空间分布特征的获取强烈地依赖于有限断层滑移模型解.有关滑动位移反演解的多解性对应力变化计算结果的影响,本文作了必要的讨论.