陕西省地震震源参数的研究及软件编制

第一章  绪论

1.1 研究背景与意义
中小地震震源参数特征的研究以及中小地震应力降时空演化特征的研究，一直活跃于地震学的研究领域中。对中小地震应力降时空演化特征的研究主要是探求中小地震应力降的时间变化过程及其空间分布特征与未来发生大地震的关系，从而探索强震发生的时间及空间的前兆信息。因此，中小地震的震源参数的计算与研究及其对时空分布特征的分析势必可以对强震发生的时间及地点的预测提供重要依据。所以为了深入认识地震的孕育发生过程，探讨该地区地震的发震机制、估计地震趋势、对未来发生大震的预测以及地震的危险性评估而对震源参数进行研究都具有实际意义。 目前，陕西省地震震源物理参数的系统计算和研究较少，本文对陕西省地震震源物理参数进行系统计算和研究对深入认识陕西省地震的孕育发生过程及地震预测研究有重要的意义。 当前计算震源物理参数的软件还比较少，部分软件使用繁琐，最为人熟知的是PITSA 软件，虽然该软件十分成熟，但是该软件只能应用于 DOS、Linux 操作系统下。所以本文的重点在于开发一款界面友好、性能稳定的在 Windows 操作系统下运行的计算震源物理参数软件。
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1.2 国内外研究现状
研究者们之所以引进一些表征震源的物理参数，例如地震矩、应力降、平均位错、震源等效半径等是因为弹性位错理论用于地震震源的破裂的研究及其地震波辐射问题，在引进了震源的物理参数之后便使得人们对震源有了更加深刻的认识[1,2]。自 20 世纪70 年代以来，震源破裂过程的研究以及震源参数的测定越来越成为地震研究中的一项重要课题，并取得了重要进展。在国内，陈运泰等（1976）根据一个适合中、小地震的圆盘位错模式，采用P波初动振幅与半周期同时测定介质的Q值、震源等效半径、应力降、地震矩与平均位错的方法，并广泛为研究者所用，特别是在通常只能得到一个台站的可靠记录时尤为方便[3]。朱传镇（1977）使用圆盘破裂震源模型，选用单台或多台短周期、地震震中分布较近的地震记录，利用P波初动半周期测定震源等效半径和应力降[4]。周克森（1985）采用了一个非均匀的破裂位错模式，由于考虑到介质与仪器系统的影响，计算了它在不同辐射方向的P波初动位移半径与半周期，在采用 1/4 周期测定介质的Q值和球面拟合震源机制解的基础上，给出了一个将震源段层面作为被测参数的一部分，并同时考虑它对其它被测参数的影响，从而获得单个小震的震源机制与震源参数的相应解的联合测定方法[5,6]。金亚夫等（1987）取多台的垂直向P波和水平向S波地震记录，作路径校正与消除系统频响，利用Brune圆盘位错模式分别计算了P波和S波的多台平均震源参数，并对计算结果进行了对比[7,8]。韦士忠等（1987,1989,1992）利用远场P波位移振幅谱计算了小震震源参数，并分析了应力降随时间的变化[9,10,11]。孙勇等（1991，1995）为消除用波谱分析求解震源参数和介质衰减特性过程中的不确定因素的影响，发展了一种体波谱的反演方法，对介质衰减特性和震源参数进行了联合反演[12,13]。周荣茂、陈运泰等（1999）利用矩张量反演得到北部湾以及海南东方震群的震源机制[14,15]。刘杰等（2003）提出了利用遗传算法联合反演非弹性衰减系数、场地响应和震源参数的方法[16]。
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第二章 震源参数的研究

2.1 布龙圆盘位错模式
Brune（1970）最先利用半理论、半经验的方法假设在位错源各点上的错矩都是均匀的并且是同时破裂的，从而得到圆盘型位错辐射的横波理论位移谱F(ω )，进一步发现横波的理论谱的低频趋势接近于一常数，高频趋势F(ω )与ω-2成正比，高频渐近线与低频渐近线交点处的频率为拐角频率，进而可由S波的观测震源频谱的拐角频率求得圆盘位错源的半径[17,18]。Hanks and Wyss（1972）假定P波频谱的拐角频率和P波波速的关系在形式上与S波一样，无非是把公式中的S波波速换成了P波波速，即把Brune的S波结果推广到了P波[19]。Savage（1972）依据不对称双侧破裂模式的远场位移谱，提出了ω-3震源模型[20]。O’Neill（1973）根据均匀介质中的一个等效弹性球震源模式，通过简单量取P波初动宽度的方法，测定了介质的Q值、应力降和震源尺度[21]。Aki andRichards（1980）提出用远场地动位移频谱测量法测定震源参数[22]。Nuttli（1983,1988）认为板间地震符合ω-2震源模型，而板内地震更符合ω-3震源模型[23,24]。Eric（1987）则通过对地震序列采用经验格林函数进行研究后认为，板内地震也很好地符合ω-2震源模型，同时应力降是不随地震矩变化的[25]。Shi（1998）对美国东北板内地震利用Sg（包括Lg波）位移谱对拐角频率和应力降进行的研究表明，通过对仪器、路径衰减校正后的震源谱与ω-2模型震源谱进行拟合，得到的拐角频率与经验格林函数得到的拐角频率非常接近。
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2.2计算公式
我们在使用各台站记录的地震波形资料时, 必须扣除地震波振幅随距离的几何扩散、非弹性衰减、场地响应和仪器响应等影响才能得到较真实的地震震源参数。品质因子Q值也是进行震源参数计算时的一个重要的参数。对品质因子的研究，自 20 世纪 60年代以来就开始利用天然地震资料研究品质因子的机制与确定品质因子的方法了，例如上升时间法、谱模型法、波列模型法、尾波法和三段几何衰减模型方法。Yoshimoto等（1983）将尾波归一化方法扩展到了P波，得到能同时测量P波、S波衰减的扩展尾波归一化方法，并得到了与频率有关的Qp-1和Qs-1[26]。2000 年，Shengjie Sun提出了一种全波形广义线性反演计算品质因子的方法，并将其运用到地面地震资料的品质因子的求取[27]。2002 年，Changjun Zhang等利用了地震波频谱峰值与主频的关系，提出了一种逐层迭代计算品质因子的解析方法-剥层法[28]。2004 年，Pavan Elapavuluri等人提出了互相关的方法，通过品质因子的扫描，将经过品质因子滤波的子波与信号子波进行互相关，取使互相关达到最大值的品质因子作为品质因子估算值。Mitchell（1975）应用双台法计算北美地区Rayleigh波的衰减和频散[29]。Romanowicz（1975）用双台法计算了全球上地幔剪切波衰减[30]。Aki（1980）用S波尾波归一化方法得到日本关东地区与频率有关的S波衰减[31]。对于台站场地响应，Borcherdt（1970）假定基岩场地的场地效应在感兴趣的频率范围里是平的，通过把在沉积场地的观测谱除以在基岩场地的观测谱来估算[32]。Tsurugi等人（1997）介绍了估算场地响应的一种新方法，通过对基岩场地的传播效应校正后的观测谱与参考地的ω-2的震源模型的震源谱，用遗传算法求解台站的场地响应。
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第三章 FocalParameter震源物理参数分析软件的开发与使用...... 11
3.1 软件的总体设计与结构....... 11
3.2 文件操作功能与设计.....13
3.3 数据预处理的功能与设计..........20
3.4 数据计算的功能与设计.......22
3.5 设置菜单的功能与设计.......23
3.6 帮助菜单的功能与设计.......24
3.7 控制面板区的功能与设计..........25
3.8 结果输出的功能与设计.........30
3.9 程序封装与软件安装......32
3.10 软件中的快捷键列表....33
第四章 陕西省地震震源物理参数的确定......34
4.1 西安数字地震遥测台网.......34
4.2 震源物理参数计算步骤.......35
4.3 计算结果与分析........41
第五章 结论与下一步工作.....46
5.1 结论....46
5.2 下一步的工作 .....46

第四章  陕西省地震震源物理参数的确定

4.1 西安数字地震遥测台网
本章分析数据采用 1997 年 7 月—2001 年 2 月西安数字地震遥测台网。西安数字地震遥测台网是我国首家全部采用国产设备的无线传输数字地震台网，该台网采用我国“八五”攻关生产的 FBS-3 型宽频带数字地震计和 EDAS-3 型数据采集器，其频带范围为 0.05~20s，采样率为每秒 50 个样点，台站部分资料见表 4.1。值得注意的是在截取波形之前如果已经对波形做了任何预处理或对波形进行了数值积分、微分操作则要先恢复原始波形，因为在之后的分析处理中会一并对波形进行预处理及相应计算。在主界面控制面板中输入起始时间与截止时间后点击“显示截取后的波形图”按钮，截取的波形图显示在此时打开的分析界面中。

结论

通过对大量的实测数据的计算，已证实软件的计算正确性与实用性，实现了预期的开发目标。现对本文的主要工作总结如下：
（1）叙述了震源物理参数基本理论与确定方法。
（2）分析总结了国内外其他计算震源参数软件的特点，并与 MATLAB 强大的图形功能相结合，设计开发了基于 MATLAB 平台的 Focal Parameter 震源物理参数分析软件。它具有界面简洁友好、灵活方便、操作简单、稳定安全、容错性高等特点。
（3）Focal Parameter 震源物理参数分析软件按照主要功能分类，可分为文件操作、数据预处理、数据计算、图形显示和结果输出。文件操作功能实现对 EVT、SAC、DAT和 TXT 等文本文件的打开、关闭、保存、打印功能；数据预处理功能实现震中位置的输入；数据计算功能实现对地震波形数据的积分、微分、计算地震基本参数以及震源物理参数计算功能；图形显示功能实现波形数据可视化；结果输出功能实现震源物理参数结果的输出、结果报告的输出。
（4）使用 Focal Parameter 震源物理参数分析软件，，分析计算了陕西地区 1997 年 7月至 2001 年 2 月间 61 个地震（ 1. 7≤≤4.8LM ）的震源参数。所得结果与前人研究基本一致，验证了该软件的计算正确性。
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参考文献（略）