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大地震破裂成像的时间域和频率域反投影方法研究及应用

秦维泽  
【摘要】:从过去到现在,地震一直是困扰着人类的重大自然灾难,这其中,以大地震造成的灾害最为严重,因此研究大地震的孕育和发生过程及其产生的灾害特征一直是地震学研究的核心问题。为了更好地理解和研究大地震,科研人员提出了多种地球物理学方法,以更好地从不同角度研究大地震。其中,基于地震学的反投影方法可以利用区域高密度台阵或全球台阵来还原地震破裂过程中能量辐射的时空分布特征,并以此为基础研究破裂过程。本文从信号传输理论出发,从信号传播的视角展示了反投影的基本原理和处理过程,自然地推导出了反投影的优缺点以及所依赖的数据特征。在理论推导基础上,介绍了传统时间域和频率域反投影方法的数据处理过程,并介绍了常见的各种处理流程上的变化及后续发展。为了验证多台阵时间域反投影方法的有效性,本文用多台阵反投影方法处理了北美、澳洲和欧洲三个台阵的波形数据,研究了 2015年4月25日尼泊尔Mw 7.8级地震的破裂过程和高频能量辐射特征。结果显示,高频能量辐射位于高滑移区的北部,破裂从震中开始沿断层走向向东东南方向传播,速度约为2.8 km/s,各个台站所观测的结果基本一致。将反投影显示的高频辐射与余震分布和滑移分布结合起来,本文最终得出结论,受深度控制的温压条件控制着同震高频和低频辐射的分布特征,而破裂区东部与西部的应力和结构不均匀控制着破裂的开始与结束。在传统反投影方法中,通常只考虑基于一维模型的理论走时和从初始震中到台站下方的三维结构差异,而将源区结构视为均匀和各向同性。为了考察源区结构对反投影的影响,本文提出了一种较为系统的基于余震的源区走时校正方法,并用这种方法处理和研究了 2011年日本Tohoku Mw 9.0级地震的破裂和高频能量释放过程。本文通过对比进行源区结构校正和没有进行源区结构校正的反投影结果发现,校正后的高频辐射位置向靠近海沟远离海岸的方向有所移动,离滑移区更近。这说明Tohoku地震破裂区确实存在着结构的横向非均匀性,也说明了本文提出的校正方法的有效性。这种校正方法可以结合其他先验信息和假设,具有很强的适应性。除了时间域的多台阵反投影方法,本文还研究了频率域的多台阵稀疏反演(压缩感知)反投影方法。这种方法结合基于l2,1范数的稀疏优化,将频率域压缩感知反投影方法从单台阵推广到了多台阵,发展了一种新的基于多观测量的压缩感知反投影算法。这种方法只假设不同台阵观测的能量辐射来自相同的稀疏位置,而对不同台阵观测到的辐射源的振幅和相位没有限制,从而合理有效地利用了多台阵观测反演得到更为准确的震源信息。为了验证这种方法的有效性,本文进行了数学和模拟数据测试,测试结果都表明方法的有效性和可靠性。今后,将多台阵的频率域压缩反投影和源区走时校正结合起来,可以有效地提高反投影结果的真实性、可靠性和准确性,为认识大地震破裂的物理过程提供更好的约束。


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