利用直達P波研究大地震破裂過程

劉 寧

(中國地震局地球物理研究所,北京 100081)

利用地震波形資料,通過反演技術研究大地震震源的破裂過程是定量認識震源運動學特性的最有效的途徑。因此,地震破裂過程的數字波形反演和成像成為近年來地震學研究的前沿和熱點問題。快速而精確地從地震記錄波形中獲取震源運動學參數,以便從整體到細節上更加全面地描述地震破裂的復雜性,成為此類研究的努力方向。

反向投影方法是利用直達壓縮體波來反演地震破裂過程的重要方法,其基本原理是將與地震記錄相關的輻射能量值投影到震源區不同網格點和不同時間上。地震臺陣中臺站的幾何分布、臺陣中臺站的數目、臺站孔徑以及地震檢波器一致性對該方法具有一定的約束作用。針對這些約束,本論文在方法上將線性疊加優化到二次方疊加,且引入地震波形相似性的權重因子,同時運用多個臺陣組合的方式追蹤大地震的破裂過程。結果表明,這些改進在一定程度上提高了反向投影方法的空間分辨率和定位的準確性。

首先,本論文第2章主要回顧大地震有限破裂過程反演方法和確定中小地震震源機制及其破裂面方法。第3章主要介紹了基于直達壓縮體波的反向投影方法的原理。

其次,本論文第4章從單個臺陣出發,運用改進的反向投影方法對美國地震臺網中寬頻帶臺站記錄到的遠震P波輻射能量來解析2010年2月27日智利 M8.8級強震,得到智利M8.8級強震破裂過程是一次不均勻的雙向破裂過程,整個破裂過程持續了近150 s,破裂尺度跨越震中南端80 km,北北東向上近200 km。

然后,本論文第5章從單個臺陣反演發展到多個臺陣聯合反演,目的是為了克服利用單個日本 Hi-Net接收臺陣反演2008年5月12日汶川MS8.0地震破裂過程中,出現的累積輻射能量分布區域與其余震分布和高烈度區的角度偏差問題。通過研究表明,多個臺陣聯合改善了其方法對汶川地震破裂過程解析的分辨率,汶川主震破裂持續時間長達100 s,破裂長度250 km;震源區累積能量圖和擬合破裂速度都呈現出明顯的分段性質;其中,最大的能量輻射區分布在龍門山斷裂帶的南段,即北川—映秀斷裂、灌縣—江油斷裂帶和茂縣—汶川斷裂。而且論文引入臺陣響應函數,探討不同方位角、不同臺陣孔徑、不同臺站間距是如何制約反向投影方法的解析精度。同時結合理論地震圖計算的頻率-波束(F-K)方法,驗證了反向投影方法的有效性。同時,本論文第6章通過多個臺陣聯合反演2004年至2010年期間發生在印尼—蘇門答臘地區3次8級以上強震和2次 M7.7級地震破裂過程,結合余震分布,得到該區域5次強震的主要破裂區。

總而言之,當突發性大地震發生時,反向投影方法在理論簡單,計算快捷的基礎上,能在較短的時間內提交有關破裂過程的總體特征,對了解和認識大地震震源的復雜性和防震減災都具有重要的理論意義和現實指導意義。

大地震破裂過程;有限斷層方法;反向投影方法;二次方疊加;臺陣傳遞響應函數