中等强度地震的震源参数联合反演

发布时间：2017-03-21 20:12

  本文关键词：中等强度地震的震源参数联合反演，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：震级在5-6.5级之间的中等强度地震既频繁地发生在板块边界,在板块内部也不罕见,这些地震常会对设防程度较低的人类聚居区域造成破坏。另外,当这些地震为城市直下型、极浅源等时,即使是抗震建设较为完备的发达国家也会遭受较大的人员与财产损失。根据大森定律(Omori Law)及Gutenberg-Richter关系,震级M7以上的强震往往会伴随着中等强度余震,这些地震对受灾区的二次破坏也不容忽视。因此,准确快速获取中等强度地震的震源参数在抗震救灾中具有重要意义,同时也为区域构造、岩石流变特性、应力状态等地震学研究提供关键信息。 震源参数包含至少两个层面：震源的发生时刻、空间位置及强度代表点源近似下的震源时空位置以及能量标度,是震源的基本信息；而通过对地震波形数据的细致分析,可以得到更具细节的震源描述,例如发震断层的几何特性、地震位错的空间展布、震源时间函数等等。在本文的第一章中,首先回顾了震源描述理论的发展过程,并讨论这些模型对中等强度地震的适用性；同时,在这一章中,我们还介绍了震源参数反演方法的研究历史；由于地震矩张量模型的广泛应用,我们详细介绍这种模型下的主要反演方法,并对比它们各自主要的优点和不足之处。 通过总结不同的震源模型表述和反演方法,针对中等强度地震震源的特点,选择了CAP方法(Cut And Paste)作为反演这些震源参数的工具。在本文第二章中,论述了在CAP方法基础上发展的一套可以同时利用近震与远震地震波数据对中等强度地震震源参数进行反演的软件(CAPjoint)。在该章中,我们介绍CAP方法的基本原理以及CAPjoint程序的基本架构与程序使用说明,并给出在国内外多个地震反演震源参数的实例,并与其它机构和程序给出的结果进行对比分析,以验证其可靠性与效率。另外还将单独近震或远震数据反演的结果与联合反演得到的参数进行对比,探讨联合反演适用的环境以及其在当前全球台站分布下的必要性。该章还研究了在稀疏台站条件下CAPjoint方法反演结果的可靠性,结果表明,和传统CAP相比,CAPjoint方法适用情形更加广泛,同时采用近远震数据也给反演结果提供了更多约束。该程序作为一套开源软件,目前已经公开在互联网上,提供给感兴趣者使用。 本文第三章则展示了CAPjoint的一个应用实例,我们利用全球宽频带地震台网的远震数据以及台湾地震学宽频带台阵(Broadband Array in Taiwan forSeismology, BATS)所提供的近震台站数据,基于CRUST2.0给出的当地地壳结构模型,对2010年M6.4级高雄地震进行近远震联合反演,获取该地震的震源机制解,矩震级与震源矩心深度,联合反演的结果显示,该地震的最佳双力偶机制解为：节面1：走向317°,倾角36°,滑移角52°,节面2：走向181°,倾角62°,滑移角114°,为当地常见的逆冲型地震,并带有部分左旋分量。两个节面中,南北走向节面的倾角较大(本文结果均高于60°),震源的矩心深度为21.0km,矩震级为Mw6.24。较深的震源深度与震源地区在复杂的构造历史、应力背景及较厚的地壳相吻合。在本章中,我们采用Bootstrap统计学方法,对台站数据进行重采样分析,结果显示近震和远震对不同的震源参数具有不同的敏感度,表明了联合反演的必要性。另外,本章还展示了在不同的典型机制解下,远震和近震波形对震源参数的约束效果测试,进一步验证了联合反演的优越性。 在各项震源信息中,地震的质心深度是一个非常关键的参数,它对孕震机制的研究以及地震破坏性的评估非常重要。目前,以GlobalCMT, NEIC等为代表的机构所提供的地震目录中,断层机制解,质心的水平位置,地震矩等参数都具有较高的可信度,而质心深度、尤其是浅源地震的质心深度常常出现较大的偏差,表明如何获取准确的震源深度仍然是地震学研究中的一个难点。在第四章中,我们以2013年芦山地震为例,研究分析利用远震体波反演得到的震源深度误差。我们从数据完备性和反演参数两个方面分析影响质心深度反演结果准确性的因素。通过对不同震源持续时间以及滤波频带等参数条件下反演结果的分析,我们发现这些反演参数对质心深度反演有明显的影响。与其他震源参数相比,质心深度对反演使用的参数敏感性很高,尤其应当引起注意的是,在机构目录中常用的长周期滤波会导致深度反演结果的大幅度偏移。这可能是GlobalCMT等机构给出的质心深度出现误差的原因之一。当然,长周期滤波可以回避介质中小尺度结构对波形的影响,从而有效地提高反演其他参数的稳定性。因此,如何权衡其中的利弊需要针对所研究的具体问题进行细致的研究和探讨。 尽管地震学方法在研究震源参数中起到了关键作用,但是,由于地震学数据与方法本身的局限性,在震源参数反演过程中仍有许多问题亟待解决。除了第四章所提到的质心深度以外,利用地震学手段也很难获取中等地震的高精度水平位置及真实的发震断层(及难以分辨真实破裂断层与共轭断层)。随着大地测量学观测手段的进步和观测精度的提高,大地测量学数据在地震学研究领域也开始发挥越来越重要的作用。这些数据可以分为两大类,可记录实时地震动的动态数据,如高频GPS信号,以及记录地表静态位移的数据,如合成孔径干涉雷达(InSAR)等等。这些数据近年来非常广泛地应用在震源参数反演等一系列地震学课题的研究,取得了大量的成果。虽然一些研究表明不同速度模型对反演震源得到的有限断层滑移量分布有一定影响,但由于模型差异较小时,变化效应并不显著,故大量研究仍采用均匀半空间假设简化模型,提高计算效率。然而,在本文第五章中,我们展示了近地表极低速度结构对地表形变有显著影响。结果显示,在渤海盆地等具有极低速沉积层覆盖的区域,结构对地表形变具有较高程度的放大效应,因此,在利用大地测量学数据反演该种地区震源参数等问题上,必须注意速度模型的选用。 目前,在大地测量学数据中,国内外利用InSAR干涉数据进行地震震源参数反演的工作进展迅速。1993年Massonnet等人利用InSAR技术第一次获取了Landers地震的地表位移形变,之后大量的研究工作表明InSAR技术反演震源参数拥有地震学所不具备的多重优点：如精准的地震水平位置(Ground Truth),准确的断层识别等等。由于其参数精确度的提升,InSAR技术作为更新地震参数目录的重要手段,产出了许多全新的地震参数结果。然而,当我们检视这些震源参数反演结果,并与其与地震学反演结果对比后发现,InSAR在部分参数反演上精度较低：由于地表形变受浅处滑移量的影响较大,导致质心深度系统性的偏浅,而倾角与滑移角这两个关键的断层机制解参数,也常常偏向于浅处断层的几何形态。因此需要结合地震波形及InSAR数据进行联合反演。在第六章中,以1998年张北地震为例,将由InSAR震源参数反演结果计算得到的合成地震图与实际地震图进行对比,发现在近台的面波与多个远台的SH波分量上出现明显的振幅与波形差异,表明InSAR反演得到的结果与地震学反演得到的震源参数有着一定的差距。为此,基于邻域算法将InSAR数据与近震以及远震数据进行联合反演,利用地震学数据对倾角、滑移角等参数的约束进行优化,得到更加精确的震源参数反演结果。合成地震图与观测波形对比的结果显示,联合反演的参数精度相对于InSAR单独反演以及GlobalCMT目录给出的结果均有较大的提升。本章展示了地震学与InSAR联合反演对参数精度的改进,未来可以结合高频GPS等大地测量学数据,以及更多种类的地面运动观测数据,从而进一步提高震源参数反演的准确性。
【关键词】：中等强度地震 震源参数 联合反演 震源深度 CAPjoint InSAR
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P315.33
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-30
• 1.1 地震震源的描述与震源模型研究的历史13-24
• 1.2 震源参数反演方法24-28
• 1.3 地震矩张量的地震目录例行反演方法28
• 1.4 合成地震图计算方法简介28-30
• 第二章 CAPjoint,一个利用近远震波形联合反演中等强度地震震源参数的软件30-47
• 2.1 引言30-31
• 2.2 近震与远震数据的联合反演算法31-33
• 2.3 CAPjoint程序的运用,以2008年内华达州Wells地区M6级地震为例33-36
• 2.4 结果与讨论36-45
• 2.5 结论45-47
• 第三章 2010年高雄地震震源参数的近远震联合反演47-60
• 3.1 引言47-48
• 3.2 研究方法48-50
• 3.3 数据与结果讨论50-59
• 3.3.1 近震与远震波形数据处理50-51
• 3.3.2 波形反演结果51-55
• 3.3.3 Bootstrap方法对近震台站进行重抽样计算55-57
• 3.3.4 典型机制解下对不同距离震中距波形对震源参数的约束效果测试57-59
• 3.4 讨论与结论59-60
• 第四章 利用远震体波反演震源深度的误差研究：以2013年芦山地震为例60-79
• 4.1 引言60-61
• 4.2 数据与方法61-71
• 4.2.1 tCAP方法61
• 4.2.2 数据61-64
• 4.2.3 影响质心深度反演结果的参数分析64-71
• 4.3 反演算法本身的误差71-77
• 4.3.1 时间项的重建71-72
• 4.3.2 均匀破裂假定-纯走滑型地震72-75
• 4.3.3 随机破裂假定75
• 4.3.4 有限破裂模型合成数据反演验证75-77
• 4.4 讨论与结论77-79
• 第五章 沉积层效应在大地测量学反演震源参数时的影响79-88
• 5.1 简介79-80
• 5.2 三种模型的地表形变模拟80-86
• 5.3 讨论与结论86-88
• 第六章 中等强度地震震源参数的大地测量学与地震学联合反演88-102
• 6.1 引言88-93
• 6.2 算法93-96
• 6.2.1 正演算法93
• 6.2.2 反演程序的描述以及算例展示93-96
• 6.3 张北地震反演实例96-98
• 6.4 讨论与结论98-102
• 第七章 结论与展望102-107
• 7.1 结论102-104
• 7.2 创新点104-105
• 7.3 展望105-107
• 参考文献107-120
• 致谢120-122
• 在读期间发表的学术论文和取得的科研成果122

【参考文献】

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本文编号：260240