不同构造环境的地震活动丛集特征研究

【摘要】：地震活动时空分布具有复杂性、层次性和继承性，且其成因复杂。关于地震活动时空分 布特征的研究一直受到地震、地质、地球物理以及统计学家的重视。地震活动时空分布的成 丛特征为地震活动时空分布的一个重要研究方面。研究地震活动的成丛结构对地震活动规律 的认识、地震危险性预测以及其他相关研究具有重要意义。一些学者曾依统计学、现代非线 性科学等为依托开展过这方面的工作，并取得了丰硕的成果。但从已发表的成果来看，对地 震事件时空分布成丛结构研究的居多，而对其他物理量成丛特征研究较少。有些研究虽然涉 及地震应变能释放的时空分布，但对地震活动各种物理量的成丛特征进行系统研究的成果尚 未见发表。研究涉及地震活动时间分布丛集特征的较多，但对地震活动空间分布丛集特征研 究的较少。不少作者使用统计学方法得到研究区关于地震活动时空分布不均匀的统计学参数 或统计学模型，但对地震活动时空分布不均匀特征进行多尺度剖析的研究很少。而这些研究 对人们更全面地认识地震活动时空分布特征、从地震活动性资料中获得更多的信息是非常必 要的。 总体来说，一个地区地震活动时空分布结构的复杂程度与构造环境密切相关。不同的构 造环境下地震活动时空分布特征具有较大差异。研究不同构造环境下地震活动时空分布特 征，对人们认识地震活动与构造环境的关系，增加对地球动力学方面的理解以及对地震危险 性预测具有重要意义。为了研究地震活动时空分布不均匀特征在不同构造环境下的差别，本 文将重点选择中国大陆地区、台湾地区、新西兰地区等的地震活动性资料进行研究，而这些 地区具有十分不同的地球动力学边界和构造环境。 本文研究的主要目标是分析不同构造环境下，地震活动各种物理量时空分布结构并研究 其丛集结构特征，进而探讨地震活动时空分布结构特征的差异。 研究内容：① 提出并定义了广义地震应变释放的概念；② 利用多尺度显著性检验方法， 分析中国大陆东部地区、西部地区以及各构造区、台湾构造区、新西兰地区的广义地震应变 释放时间分布与空间分布结构，并分析其在各研究区的差异，讨论研究尺度对分析地震活动 时空分布不均匀性的影响；③ 利用考虑重复抽样的“点间距离”方法研究上述各区域地震活 动时间间隔、空间分布的多重分形特征，并对多重分形存在尺度范围等进行分析对比。研究 新西兰地区深震和浅震多重分形特征的差别；④ 利用基于小波变换的多重分形研究方法，探 讨上述各区域广义地震应变释放时空分布的多重分形奇异谱、Holder奇异指数以及多重分形 谱维数，讨论上述参数在各研究区的特征和差异。 研究思路与方法：① 由于构造特征和动力学特征的差异，本文首先将中国大陆分为中国 东部地区和中国西部地区。然后根据地质学家的研究成果，将中国东部地区进一步细分为东 北构造区、华北构造区、华南构造区、台湾构造区，将中国西部分为新疆构造区和青藏构造 区。台湾构造区可作为中国东部地区的组成部分，但由于其不同的动力学特征(板缘地区)， 在对中国东部地区整体进行研究时，一般不包含该构造区。对新西兰地区，虽南北两岛动力 中国地展局地质研究所博士学位论文 学特征存在差异，但由于其均为板缘地区，研究中未对其进行进一步划分。②本文研究不仅 考察事件时空分布的不均匀性和丛集特征，更重要的是考察地震活动各种物理量时空分布的 不均匀性和丛集特征。为此，本文首先计算各构造区广义地震应变释放，并根据研究方法的 需要，重新构造观测数据。③采用的研究方法分别为时间域和空间域多尺度显著性检验方法 以及基于“点间距离”和基于小波变换的多重分形研究方法，研究不同构造环境下地震活动 在时空分布方面的不均匀性，分析不均匀存在的层次性，研究各构造区地震事件和广义地震 应变释放时空分布的多重分形特征，讨论各构造区地震活动的丛集特征及其差异。 本文创新点与主要成果:本文的创新点包括:①提出广义地震应变释放的概念。本文研 究表明，不同物理量时空分布不均匀特征具有明显差异。这对更全面地认识地震活动时空分 布结构、分析地震活动规律具有意义。②将多尺度显著性检验方法应用于研究地震活动时空 分布结构，得到了一些有意义的结果。③利用考虑重复抽样的“点间距离”方法，对中国大 陆各构造区以及新西兰地区地震活动事件时空分布的多重分形特征进行了研究和对比分析， 探讨了各构造区地震事件时空分布丛集特征存在的尺度范围。④在进行地震活动广义地震应 变释放时空分布的多重分形特征研究时，引进了基于小波变换的多重分形谱估计方法，并对 多重分形奇异谱、H悦der奇异指数以及多重分形谱维数在不同构造区的特征进行了讨论。 本文取得的主要成果有:①地震活动时间分布的多尺度显著性分析表明，在所研究时段 内，多数情况下不同构造区地震活动广义应变释放时间分布存在显著的趋势性变化与成丛特 征。当广义地震应变指数叮取较小值(小地震被赋予较大的权重)，各构造区广义应变释放 在较大时间窗内多具有明显的持续或阶段性趋势变化。当时间窗较小时，各构造区均存在明 显的