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。     

大地震震源破裂模型:从快速响应到联合反演的技术进展及展望

解析大地震的破裂模型是研究地震成因、破裂动力学机制和探究活动断层结构等研究方向的基础.在地震防灾、应急响应和危险性评估等实际问题中发挥着重要的作用.文章对近年来在大地震破裂模型反演的方法及应用上取得的进展进行综述和分析,结合北京大学地球物理专业相关研究人员在大地震破裂模型的快速反演、震源反投影、大地测量、地震波与形变观测数据的联合反演、复杂地球模型中破裂过程的反演及强地面运动模拟等方面的工作,分析不同研究方法的特长以及不足.提出从短期快速响应到长期科学问题的系统化研究思路,并对从震源模型反演到强地面运动预测的一体化自动应急系统,以及全动力学反演方法进行了分析和展望.     

2014年3月10日加州西北岸M_w6.9级地震震源破裂过程

2014年3月10日13时18分(北京时间)美国加利福尼亚州西北岸发生Mw6.9级地震,震中位于戈尔达板块内部.本文利用国际地震学研究联合会(IRIS)地震数据中心提供的远场体波数据,通过波形反演的方法来研究此次地震的震源破裂过程,并分析未造成重大人员伤亡及诱发海啸的原因,为该地区地球动力学的研究提供依据.选取19个方位角覆盖均匀的远场P波垂向波形记录和13个近场P波初动符号进行约束,基于剪切位错点源模型确定此次地震的震源机制解.结合地质构造背景资料,确定断层破裂面的走向.在考虑海水层多次反射效应的影响下,采用18个远场P波垂向波形数据和21个远场SH波切向波形数据,利用有限断层模型,将断层面剖分为17×9块子断层单元来模拟破裂面上滑动的时空分布,通过波形反演的方法获得此次地震的震源破裂过程.利用海水层地壳模型,剪切位错点源模型的反演结果为:走向323°,倾角86.1°,滑动角-180°,震源深度为10.6km.有限断层模型的反演结果表明,此次地震的破裂过程相对简单,主要滑动量集中于震源上方35km×9km的区域内,破裂时间持续19s左右,平均破裂传播速度约为2.7km·s-1,较大滑动量均沿着走向分布,最大滑动量为249cm.此次地震为发生在戈尔达板块内部的一次Mw6.9级的陡倾角走滑型地震.此次地震为单纯的走滑型地震,断层面接近竖直方向,且发生在洋壳底部,因此破坏力不大,不会对沿岸城市造成重大损失.陡倾角断层在走滑错动的过程中不会使海底地形发生大幅度变化,不会引起大面积水体的突然升降,因此不会诱发大规模海啸.     

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.     

2006年12月26日台湾南部滨海Ms7．2级地震破裂过程研究

2006年12月26日12点26分27秒(GMT)台湾南部滨海发生M_s7.2(Harvard CMT)级地震.震中位于台湾南部滨海之南海次板块与菲律宾海板块碰撞引发造山作用生成的海洋增生楔内,这次地震是该区域百年来震级最大的地震.我们利用中国数字地震台网(CSDN)和美国地震学联合研究所(IRIS)提供的上地幔及远场范围宽频带P波垂向记录资料,基于点源和有限断层模型进行波形拟合反演,获得这次地震的震源机制解并给出了震源破裂过程.反演结果表明,本次地震为东倾正断层兼小幅度走滑破裂事件,断层面走向为341.5°,倾角为77.9°,震源深度6 km.所得正断层震源机制解表明,地震可能与板块的拆离(break-off)作用引发的在台湾造山带局部存在伸张作用力有关.     

2006年12月26日台湾南部滨海Ms7.2级地震破裂过程研究

2006年12月26日12点26分27秒(GMT)台湾南部滨海发生M_s7.2(Harvard CMT)级地震.震中位于台湾南部滨海之南海次板块与菲律宾海板块碰撞引发造山作用生成的海洋增生楔内, 这次地震是该区域百年来震级最大的地震.我们利用中国数字地震台网(CSDN)和美国地震学联合研究所(IRIS) 提供的上地幔及远场范围宽频带P波垂向记录资料,基于点源和有限断层模型进行波形拟合反演,获得这次地震的震源机制解并给出了震源破裂过程.反演结果表明,本次地震为东倾正断层兼小幅度走滑破裂事件, 断层面走向为341.5°,倾角为77.9°,震源深度6 km.所得正断层震源机制解表明,地震可能与板块的拆离（break-off）作用引发的在台湾造山带局部存在伸张作用力有关.     

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。     

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.     

震源时间函数与震源破裂过程

简要介绍了现代数字地震学的两个重要概念。一个是震源时间函数，另一个是地震震源的时空破裂过程。首先，从地震断层位移表示定量出发，介绍震源时间函数和震源破裂过程的基本概念。然后，分别介绍两种从远场地震记录中提取震源时间函数和获取有限断层面上时空破裂过程图像的反演方法。     

利用数字波形资料研究区域中小地震震源机制

应用矩张量概念对震源物理的研究是当代地震学的一个重要的前沿课题。近20年来,随着宽频带数字地震仪的广泛应用,地震波形记录的质量明显提高,极大地推动了对震源物理过程研究的进展。对于区域性中、小地震,由于区域性地震的波形记录包含了有关震源和区域地壳的丰富的信息,利用波形资料研究区域性中、小地震的震源机制,其结果有助于了解震源区和区域性应力状态以及断层的构造特性,是理解地震孕育过程的重要途径。近年来,随着计算合成理论地震图的理论和方法的进步,使用矩张量反演方法确定中小地震的点源机制解以及有限破裂参数等研究领域取得了显著进展。本论文在前人研究的基础上,发展了两种针对区域中、小地震震源参数反演的求解方法,通过数值试验讨论了震源机制反演结果的稳定性,并结合实际地震观测资料进行了检验。     

2011年日本9.0级及7.5级地震震源破裂反投影初步结果

2011年3月日本仙台东部太平洋海域接连发生了Mw7.5和Mw9.0级地震.地震及引发的海啸给日本造成了严重的破坏.本文运用近年来国际上流行的研究大地震震源破裂过程的非反演方法,反投影远震P波,研究了这两次地震的震源破裂特征,得到了他们各自的破裂区域和破裂持续时间.     

远震体波有限破裂过程反演敏感性测试及其在汶川地震上的应用

本文利用远震P和SH波反演得到2008年5月12日汶川大地震(M_W=7.9)的一系列有限破裂模型。使用一种基于小波变换的模拟退火非线性反演方法, 我们将主断层划分成若干个子断层, 在反演时同时确定每个子断层上的滑移量、 滑动角、 上升时间(rise time)以及平均破裂速度。我们首先根据一个假定的破裂模型生成理论地震图, 将该理论地震数据作为输入进行反演, 对该有限破裂反演方法进行了一系列测试, 以验证反演对断层倾角、 平均破裂速度、 最大破裂深度等参数的敏感性。然后我们采用4个不同倾角的断层面来对汶川地震远震体波记录进行反演。结果表明, 若对只在一个断层面上模拟该地震, 30°倾角是个较为合适的值。反演的结果还表明, 此次地震有两个主要的能量释放区域, 并且主断层面存在倾角变化的可能性。在将来的研究中, 可以结合GPS, InSAR测地学以及强震等数据, 来对强震的破裂过程做更细致的研究。     

2013年4月20日四川芦山地震震源破裂过程反演初步结果

使用远场体波资料和有限断层方法快速反演获得了2013年4月12日芦山地震的震源破裂过程模型,并计算了震中区理论烈度分布.结果显示这次地震是发生在龙门山断裂带南端的一次M_w6.7级的逆冲型地震,最大滑动量159 cm,震中区烈度达Ⅷ-IX度(中国地震烈度表).这次地震的震源性质与汶川地震同为逆冲型破裂,主要破裂滑动发生在汶川地震后的库伦应力增加区域,表明汶川地震对这次地震有触发效应,在宏观上可视为汶川地震一次"迟到"的强余震.     

基于相对质心震中的地震破裂方向性测定方法研究:以2008年云南盈江MS6.0地震为例

地震破裂方向性参数包含了断层几何形态、破裂长度等信息,对于地震灾害评估、孕震机理研究具有重要意义.但是基于点源近似的震源矩中心张量机制解(CMT)或断层面解(fault plane solution)只能给出两个节面,无法确定破裂断层面.本文提出一种基于质心与起始震中的差异确定发震断层的方法,该方法利用P波到时来测定主震与参考地震间相对起始震中,同时利用波形反演震源机制过程中的主震时移与参考地震时移之差测定相对质心震中,在假定单侧破裂的情形下,根据时移之差随方位角的变化推断破裂断层面.本文使用该方法研究了2008年云南盈江M_S6.0走滑型地震,发现其破裂方向与其他方法结果一致.由于该方法基于相对起始震中和质心震中,可有效削弱速度结构模型不准确以及地震绝对位置误差带来的影响,应可适用于其他类似类型6级左右地震的破裂方向性研究,但仍需进一步工作对其进行验证.     

2016年印尼苏门答腊岛海域MW7.8地震震源运动学特征

根据中国和全球地震台网记录的波形记录,采用W震相矩张量反演、反投影分析及有限断层模型反演方法,研究了2016年3月2日印尼7.8级地震破裂过程,分析讨论印尼地震震源运动学特征.结果表明：此地震为一次对称的双侧破裂走滑型事件,北北东─南南西向的断层节面（走向5°/倾角85°）为发震断层面.标量地震矩约6.19×10²⁰ Nm,矩震级为7.79,最大的滑动量约11 m,位于破裂起始点北东,沿着断层走向约30 km处.破裂平均速度2.0~2.2 km·s^-1,破裂持续时间35 s,破裂在5~25 s内释放的能量,约占总能量的97%.最终形成了总长度90 km左右的断层.印尼地震具有破裂持续时间短、破裂速度慢、高滑动能量带相对集中等显著特点.本研究对进一步增进海洋岩石圈地震的震源特性认识有重要参考意义.     

近震源地震波波形资料反演震源破裂过程的可靠性分析

用近震源波形资料拟合反演地震的震源破裂过程,所包含的一些不确定因素将对反演结果的精度及可靠性产生影响,文中的数值实验分析了所假定的反演断层模型参数的某些不确定性对反演结果的影响程度,并对观测波形的截取长度对反演精度的影响进行了讨论．结果表明：(1)近震源地震波形资料能较好地分辨断层浅部的破裂过程.然而对断层深部的位错分布的约束和反演能力较差．联合使用近、远场地震波资料进行反演,能反演出一个更为完全的整个断层破裂过程的图像.(2)用近震源地震波资料反演时,反演结果对所假定的反演断层的走向和倾角非常敏感.断层走向偏离真实值2°或倾角偏离真实值5°都会导致一个虚假的反演结果.(3)反演中所使用的介质速度结构模型的不确定性,也会对反演结果产生影响.     

2014 年云南盈江Ms 6.1 地震震源机制研究

利用中国数字地震台网记录的区域宽频带波形,通过频率域和时间域多步反演,研究了2014年云南盈江Ms6.1地震基于点源模型的震源机制解和有限断层模型.考虑到使用不同的波形资料类型和简化的一维速度模型等因素对震源参数反演结果的影响,进行了大量的测试比较.结果表明,使用近震波形和本区域简化一维速度模型M1,波形拟合误差最小.基于点源模型的震源机制解显示此次地震发震断层面参数分别为:走向176°/倾角84°/滑动角-173°,表现为一次右旋走滑错动为主的事件.矩心在水平方向上位于震中(24.99°N,97.84.E)北东向约7km,最佳波形拟合矩心深度7km.平均总标量地震矩M0为7.56×1017N·m,计算成矩震级为Mw5.8.进一步模拟高达0.5Hz的高频波形,获得了盈江地震的有限断层模型,结果显示此次地震未表现出明显的破裂方向性.破裂半径约10km,整个破裂面积为267.2km2,平均滑动量约0.05m,破裂在5 s内释放了大多数能量.震后0～2s内,破裂以孕震点为中心向四周同时扩展,在深度7～ 17km内释放了部分能量.2s后,破裂朝断层面顶部和沿走向两侧进一步延伸,约5s后破裂基本停止.     

2021年5月21日云南漾濞MS6.4地震序列地震矩张量及发震构造

2021年5月21日云南大理州漾濞县发生了MS6.4 地震.我们利用区域地震台网记录的地震波形资料,首先采用多点源地震矩张量反演方法确定了漾濞地震序列中 3 次MS≥5.0地震的矩心矩张量解,分析研究了地震矩释放的最佳模型;然后对序列中较大地震进行了绝对定位,结合余震序列重新定位结果研究了地震矩心在断层面上的位置.结果显示MS5.6 前震可用2 点源模型模拟,矩震级分别为MW 5.3、MW5.1,矩心时间相隔约30 s,矩心位置相距约 2 km.MS 6.4 主震可用单点源模型模拟,矩心与起始破裂点平面距离约 5 km.前震和主震的矩心均位于地表以下 6 km处,矩心与起始破裂点的位置关系显示两地震向南东方向单侧破裂,断层以"前震-主震"型地震序列典型的"撤退式"方式破裂,MS5.6 前震的发生降低了断层面的抗剪强度,从而发生了更大的MS6.4 主震.MS5.2余震可用单点源模型模拟,起始破裂点与矩心空间位置相近,在地表以下约 10 km处.余震区构造应力场反演结果显示漾濞 6.4级地震序列属于区域应力场触发的地震活动,地震序列震源机制解符合走滑断裂伴生的负花状构造系统内部断裂的运动特征,余震的空间分布图像显示花状构造系统内部的两条断裂发生了地震活动.     

贝叶斯有限断层破裂分布模型反演研究进展

精确的有限断层破裂分布模型对于研究震源物理机制、评估地震灾害等具有重要意义.目前,有限断层反演通常采用线性最小二乘方法,但该方法存在一定局限性：（1）不易评估完全的参数空间,因而不利于评估非高斯分布的参数不确定性;（2）为了提高反演稳定性,在反演中通常施加断层滑移平滑约束（正则化）,但平滑强度的确定具有一定主观性;（3）断层几何设置不同使得反演结果不尽相同;（4）难以顾及地球速度模型不确定等.与之对应,通过确定参数概率密度分布,贝叶斯反演提供了所有参数总体最优解,同时刻画不同参数之间协方差大小,可以有效克服上述问题.特别是过去十余年间,随着计算机算力飞速提升,贝叶斯反演得到了越来越多应用.通过阐释贝叶斯有限断层反演理论与技术,本文试图梳理近年来贝叶斯有限断层反演成果,最后展望贝叶斯有限断层反演发展趋势.