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稀疏台网震源参数方法研究

韦生吉  
【摘要】: 准确确定中小地震机制解、深度、位置和强震有限断层破裂运动学过程既是震源物理的核心研究内容,也是地震应急救灾的基础。而地震波形包含了震源和地球结构两部分信息,理论上只有地球介质结构足够清楚后和在足够台站分布的情形下才能获得比较准确的震源参数。但是世界上只有少数地区有足够的台站和可靠的三维模型,因此有必要发展较稀疏台网覆盖、三维速度结构不清楚情形下震源参数准确获取的方法。针对此情形,本文验证、发展了对三维结构依赖性不高的Cut And Paste(CAP)基于波形反演震源参数的方法:(1)验证了在稀疏台网情况下机制解反演的可靠性,并给出适用于少数台站确定机制解和震源质心位置的南加州层析成像模型;(2)用多个一维或二维模型近似不同方位上的三维结构;(3)基于CAPloc方法,利用背景噪声确定面波格林函数,实现少数台站高精度地震定位;(4)改进CAP,发展出适用于远震体波反演机制解的CAPtele方法,并验证地幔衰减t~*、时源函数长度、数据类型等因素对反演的影响(5)发展了近震波形和远震体波联合反演的CAPjoint方法;(6)分析了地幔衰减t~*、断层倾角、破裂速度、最大破裂深度等参数对远震体波确定有限断层破裂过程的影响。 在本文的第一、二章中我们回顾了震源参数反演方法的发展,并详细介绍了几种主要的反演方法。 在第三章中我们利用宽频带远震数字地震记录,计算赤峰台下方接收函数,得到了MOHO面深度为34~35km,并结合CRUST2.0模型等前人工作成果得到了赤峰地区的地壳速度结构。我们以此速度结构作为模型,利用中国国家地震台网(CDSN)5个台站的宽频带地震数据,采用CAP方法反演2003年8月16日赤峰地震震源机制解并初步确定震源深度:再利用IRIS 9个台站远震体波数据,通过对比高频(0.7~2.0Hz)理论地震图和观测记录的方法进一步精确确定震源深度并验证反演得到的机制解,得出此次地震矩震级为5.2,震源机制解为:节面I:315°/64°/19°,节面Ⅱ:216°/74°/152°,震源深度为25±2km,已深达下地壳。我们初步讨论了这样的发震深度所对应的可能发震机理和岩石物理特征,认为赤峰地区的下地壳处于相对低温的状态。 本文第四章中我们对新近发展的CAPloc方法进行了一系列的测试,即在稀疏台网的条件下得到地震的震源机制解,并将其与利用整个TriNet(南加州地震台网)数据反演得到的机制解进行对比,分析了单台和双台反演的稳定行和可靠性。CAPloc方法的基本思想是将地震图分成面波和Pnl波两部分,并分别对其进行拟合。拟合时所需要的格林函数可以从事先算好的格林函数库里直接提取,极大地提高了反演速度,非常适合在应急地震学中的应用。由于在反演过程中对Pnl和面波分别进行拟合,允许两者有不同的时移。在精确地震定位和准确机制解的条件下,我们将TriNet记录到的120个地震相对于一维模型的时移用于面波层析成像反演,得到了南加州地区的一个面波层析成像模型。我们从该模型上切割出一系列二维剖面上计算出理论地震,并与一维模型计算的理论地震图进行比较,发现在绝大多数的基岩台上,两者的低频面波波形十分相似,唯一不同的是面波的到时。与此同时,基岩台上记录到的实际地震波形可以很好地用一维模型来拟合。运用该模型,我们通过网格搜索的方法同时确定出地震的震源机制解和震源的质心位置。本章我们还测试了单台反演震源机制解的方法,所用的是从1960年开始便有记录的PAS和(或)GSC台,并将结果和用TriNet数据得到的机制解进行对比。我们发现,单台法可以得到的机制解约占台网机制解总数的80%,当同时使用两个台站的时候,得到的机制解更为准确可靠。与此同时,除了在一些复杂的路径上的地震,如经过盆地和山脊,CAPloc也可以得到很好的结果。 格林函数信息的获取可以通过传统的地震——台站波形拟合的方法,也可以利用同一块大陆上两个台站的噪音记录做互相关。传统方法可以在宽频带的范围内获得格林函数,但是需要分离震源过程和三维结构造成的影响。新近发展的一些方法可以可以在某种程度上解决这一困难,例如:back-projection,adjoint方法等。另一种方法则是利用Cut-And-Paste(CAP)技术,这种方法允许理论地震图和实际地震图之间存在时移来对齐地震图,降低了反演对结构的敏感性,进而可以更好地获得震源的信息。这些相对于某一模型的时移一旦获得,就可以用于生成一个面波走时时移地图。同时,我们还将CAP方法运用至基于三维模型计算的理论地震数据上,获取了三维模型和一维模型计算的低频面波走时的差别。与其相对的,我们还利用环境噪音互相关的方法获取了面波的格林函数。该方法不存在这种震源信息未知的问题,因为两个台站的位置都是精确知道的,因此这种方法获得的结构信息是独立于所谓的震源,完全是对结构的反映。在第四章中我们以2008/07/29发生的Chino Hills地震为例,研究这三种方法在获取震源位置和机制解上的应用。我们的目的在于在近实时地获取地震的质心位置以及震源机制解。 在本文的第六章,我们对2007年6月2日云南宁洱Mw6.1级地震进行了震源参数反演的研究,首先使用中国国家地震台网(CDSN)4个宽频带地震数据,采用CAP方法反演得出,Mw=6.0,深度5km,节面Ⅰ:断层走向150°、倾角75°,滑动角140°;节面Ⅱ:断层走向252°、倾角52°、滑动角40°。同时,利用远震27组P/SH波记录,对我们发展的CAPtele方法进行了一系列测试,以确定出使用远震体波反演宁洱地震的适当参数,得出:P波衰减因子t_p~*=1,t_(sh)~*/t_p~*=5,最佳时源函数长度为3.5s,以这些参数为基础,利用速度记录获得的机制解为:节面Ⅰ:155°/59°/147°,节面Ⅱ:258°/70°/33°,Mw=6.2,震源深度2km;利用远震位移记录获得的机制解为:节面Ⅰ:146°/49°/134°,节面Ⅱ:259°/66°/46°,Mw=6.26,深度2km。和近震方法确定的解不同,远震体波反演在5km深度上存在另一个局部极小值解,为进一步确定机制解和深度,我们综合利用近震和远震记录,使用CAPjoint方法联合反演所获得的解为:节面Ⅰ:149°/65°/151°,节面Ⅱ;254°/60°/29°,Mw=6.1,深度为6km。最后,我们使用远震体波记录在联合反演得到的两个节面上进行了震源有限破裂过程反演,初步确认了地震发生的实际断层面为:走向149°,倾角65°,和地震的烈度分布相吻合,但实际的地震破裂过程还需要更细致的研究。 在第七章中,我们利用远震P和SH波反演得到2008年5月12日的汶川大地震(Mw=7.9)的一系列有限破裂模型。使用的是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小的子断层,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的测试,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。同时,我们也对伊朗2005年2月22日Zarand地震进行了一系列震源有限破裂反演。首先我们结合InSAR和地表破裂观测资料约束了地震的平均破裂速度;其次用网格搜索的方法,初步确定出最佳的震中位置位于距断层东侧约5km、深10km处。我们还测试了t_p~*,t_(sh)~*对矩震级的影响以及增加SH波对反演结果的影响,得出:当t_p~*从1.0减小至0.7时,对应的矩震级从6.5越小至6.4;同时使用P和SH波约束更全面,更有利于获取正确的破裂模型.所有的反演结果均显示,Zarand地震的发震断层存在2个或3个“凹凸体”,其中最主要的“凹凸体”位于震中的东侧,深度约为9km。在将来的研究中,我们可以结合GPS,InSAR测地学以及强震等数据,来对强震、尤其是M6.0~6.5级地震的破裂过程做更细致的研究。


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