利用区域地震资料监测朝鲜地下核试验的研究进展

根据朝鲜6次地下核试验在中国东北及邻近地区产生的宽频带区域地震资料,中国科学院地质与地球物理研究所地震学学科组发展了一套用于监测地下核试验的地震学方法,主要包括震级测量和当量估计、高精度震中定位以及爆炸与天然地震事件识别等.在全球范围内,存在多个用于震级-当量转换的经验公式,确定何种公式适合于朝鲜半岛地区至关重要.通过搜集一组用于地震测深的化学爆炸的当量和埋深,并以这些已知爆炸源作为量规事件,能够标定朝鲜地下核试验场的震级-当量关系,从而实现对朝鲜地下核爆进行当量估计.在精确定位方面,发展了利用多事件之间波形互相关方法精确测定它们之间的走时差从而完成高精度相对震中定位.通过进一步利用Pn和Pg等多震相数据还实现了对核爆深度的相对定位.在爆炸震源识别方面,利用统计处理方法分析研究了不同类型事件所产生地震波的特征,包括6次地下核试验、4次天然地震和3次化学爆炸,以及一些矿区塌陷等.结果发现P和S类型波的振幅比,例如Pn/Lg、Pg/Lg和Pn/Sn等,在2 Hz以上能够较好区分各类震源.其中爆炸震源产生的振幅比显著高于天然地震的值.特别是,通过计算谱振幅比的台网平均值能够显著提高识别的可靠性.利用中国东北和附近地区地震台网所提供的数据可以准确地将朝鲜地下核试验从周边天然地震事件中识别出来.该方法同时得到化学爆炸的P/S谱振幅比值介于核爆炸和天然地震的群组之间.

理论地震图计算方法

近二十多年来,随着理论地震学和计算技术的发展,理论地震图的计算技术有了飞速发展.目前已能对不同的介质模型和震源计算各种体波、面波、地球自由震荡和静态位移场.它们在研究天然地震震源过程、地球内部结构、近场强地面运动、核爆作监测以及地震勘探等领域中发挥了越来越大的作用. 目前常用的理论地震图计算方法主要包括积分变换法、离散数值方法和射线方法几大类.本文对这些方法分类进行了简单介绍,并评论了各种方法的特点和各自的适用范围.

朝鲜地下核试验的地震学观测

自2006年至2017年,朝鲜民主主义人民共和国在中朝边界地区的试验场进行了6次地下核试验.本文综合报道根据东北亚地区的宽频带数字地震资料利用地震学方法对这六次地下核爆炸的研究.结果表明,朝鲜地下核试验在区域台网产生的地震记录具有典型浅源爆炸的特征.针对上述资料发展了处理核爆数据的方法并据此得出各次朝鲜核爆的地震学参数,包括事件识别、当量测定、以及震中相对定位等.对6次核爆和4次天然地震P/S类型谱振幅比的统计分析表明,2Hz以上台网平均谱振幅比可以正确地将朝鲜核爆从天然地震中识别出来,从而有效监测在朝鲜半岛进行的当量大于0.5kt的地下核试验.同时也发现,建立在体波-面波震级比之上的识别方法不适用于朝鲜核试验场.通过建立中朝边界地区基于Lg波的体波震级系统,计算了各次朝鲜核试验的体波震级mb(Lg),并由此估计了它们的地震学当量,其值介于0.5kt至60kt之间.由于缺少爆炸埋藏深度的数据,上述当量有可能被低估,因而有必要对深度影响做进一步研究.以第一次爆炸的位置为参考震中,利用Pn波相对走时数据和高精度相对定位方法获得了各次核爆在试验场中的精确定位.

计算分层介质中位错点源静态位移场的广义反射、透射系数矩阵和离散波数方法

本文将计算合成地震图的广义反射、透射系数矩阵和离散波数方法应用于静态问题,给出了分层介质中位错点源产生的静态位移场的计算方法。该方法保留了反射、透射矩阵方法的原有优点,通过将数值结果与解析解的对比表明,该方法具有较高的数值精度,可用于研究地震断层活动造成的地表形变。

地震波在盆地中的传播特点及其对盆地中震害的影响

通过数值模拟表明，对于具有一定尺度并填充了低速沉积物的盆地，地震发生时入射的体波会激发出在盆地内往返传播的短周期面波，从而造成盆地内大振幅长持续时间的振动，这大大增加了地震对盆地中结构物的破坏作用。针对盆地是当地经济、文化发展的中心，又常常面临一定的地震危险性的问题，提出了进一步开展盆地结构对地震响应的研究工作的几点建议。

朝鲜核爆的Rayleigh波震级测量

利用1995年至2009年中国东北及邻近地区11个宽频带台站记录到的77个地震事件、3个化学爆炸和2次朝鲜核爆的区域地震资料,标定该区域台网的Rayleigh波震级.通过对8～25s周期的垂直分量Rayleigh波形进行分析,获取基于最大振幅的面波震级.计算82个区域事件不同周期的台基响应,经过台基校正后取最大振幅的面波震级为事件震级.2006年和2009年两次朝鲜核爆的面波震级分别为2.93±0.19和3.62±0.21.将地震和核爆事件的面波震级Ms与体波震级mb(Lg)进行比较,发现根据该区域台网的数据利用Ms-mb识别方法无法鉴别朝鲜地区的核爆与地震.朝鲜核爆的面波震级相对较大,使Ms-mb识别方法失效,其原因可能是源区介质的不均匀性、由核爆炸冲击引发的深部的拉伸破坏被抑制,或者是近爆源区存在张性的构造预应力.假定核爆可能的埋藏深度范围是0.01～1.0km,用Rayleigh波震级估计朝鲜核爆的当量,对2006年和2009年核爆当量的估值范围分别为0.42～3.17kt和2.06～15.53kt.

2014年2月12日新疆于田M_W7.0地震源区静态库仑应力变化和地震活动率

2014年2月12日新疆于田M_W7.0地震源区位于巴颜喀拉块体与西昆仑块体的连接部位,东西向拉张构造发育,距离2008年3月21日于田MW7.1地震震中位置约100km.根据有限断层地震破裂过程模型,计算了2008年新疆于田地震产生的静态库仑应力变化.此次地震的断层面呈北偏东方向,在断层两端出现3个应力加载区,2014年于田主震位于破裂前端的库仑应力加载区.这一结果表明,2008年于田地震可能对2014年地震事件起到了触发作用.2008和2014年新疆于田地震产生的静态库仑应力变化与余震事件的空间分布具有明显的相关性,大多数余震位于应力加载区,发生在卸载区的余震较少.静态库仑应力变化与余震序列吻合较好.2014年3月21日新疆于田地震之后40天,在北西方向发生MW5.2强余震,其震中位置的应力增量达到0.63×105Pa.通过比较,发现静态库仑应力变化和地震活动率之间具有较好的相关性.地震活动率较高的区域与静态库仑应力加载区相对应,如康西瓦断裂东段、贡嘎错断裂中段和东北段等区域.

中国东北和朝鲜半岛地区地壳Lg波宽频带衰减模型

利用1996年10月至2016年10月间发生在中国东北、朝鲜半岛和日本南部的113个壳内地震在602个宽频带地震台站观测到的波形资料,建立Lg波衰减成像数据集.根据22,551条垂直分量波形,计算Lg波振幅谱,提取单台、双台和双事件数据,采用区域Q值、震源函数和台基响应联合反演方法,建立中国东北和朝鲜半岛地区0.05~10.0Hz的宽频带衰减模型.模型显示火山岩山脉地区如大兴安岭和长白山具有弱衰减特征,沉积盆地衰减相对较强,海水覆盖区域如渤海、黄海和日本海等衰减最强.日本海具有较薄的海洋地壳,对地壳Lg波传播有阻挡作用.通过较大地震事件的跨海记录调查Lg波的传播,强衰减特征最为显著.

地震学百科知识(十二)——地震波散射

广义地说，由地球介质的任何三维非均匀性引起的地震波场畸变均可称为地震波散射。不过，通常地震波散射是指由地球小尺度（与波长相比）非均匀性引起的、不适合用射线理论（几何射线）研究的地震波场畸变现象。例如，波场传播方向的偏折和分裂，P波和S波的相互转换，地震尾波的产生，地震波的走时和振幅横跨观测台阵的随机起伏变化等。

青藏高原地区Lg波衰减成像及其对地壳流分布的约束

在青藏高原地区地壳和上地幔中观测到强烈的地震波衰减，特别是在青藏高原北部区域。理论研究和实验观测均表明，强地震衰减是高温异常或部分熔融的指示因子。

地震Lg波衰减成像方法、算法、数据处理流程及应用

随着现代地震观测系统的快速发展,地震信号能够在更宽的频带、更大的动态范围和更高的空间密度以数字形式被准确地记录下来,由此提供了利用大量高质量地震数据获取地下介质品质因子Q值精细分布的可能性.地震Lg波是区域地震记录中最显著的震相之一,因其主要在地壳内以导波形式传播或能量集中在壳内的高阶面波的叠加,所以常常被用来研究地壳的衰减属性.本文对利用Lg波进行地壳衰减测量的理论和实践进行了系统回顾,对相关的反演方法进行了介绍,同时也对与此有关的大量实际问题有所述及,例如区域地震资料收集、震相分离、噪声分析和数据质量控制,振幅谱计算、去噪处理等.进一步介绍了衰减成像结果在研究地质学、地球物理学和地球动力学方面的应用.以中国台湾及周边地区的地震数据处理为例,介绍了地壳Lg波成像的具体流程.根据416个区域地震事件在86个宽频带地震台站的8 650条垂直分量波形记录,建立了台湾岛及周边宽频带、高分辨率的地壳Lg波Q值模型,模型频率范围为0.05~10.0 Hz.在数据覆盖较好的地区,分辨率可达0.25°×0.25°.模型揭示出该区地壳Lg波Q值横向变化显著,以岛内高Q值、周边低Q值为主要特征.低Q异常主要出现在台湾东北部南日岛盆地、东南部台南盆地、台湾东部菲律宾板块俯冲带以及欧亚板块的碰撞带、花东海盆、琉球弧和冲绳海槽等区域.这些强衰减区与板块碰撞引起的强烈构造活动有关.

一种优化的频率域三维声波有限差分模拟方法

为提高频率域有限差分(FD,finite-difference)正演模拟技术的计算精度和效率,基于旋转坐标系统的优化差分格式被广泛应用,但是只应用于正方形网格的情况.基于平均导数法(ADM)的优化差分格式,应用于正方形和长方形网格模拟.这些频率域有限差分算子,各自具有不同的差分格式和对应的优化系数求解表达式.本文基于三维声波方程发展了一种新的优化方法,只要给定FD模板形式,可直接构造频散方程,求取FD模板上各节点的优化系数.此方法的优点在于频率域FD算子的优化系数对应各个节点,可扩展优化其他格式.运用此优化方法,计算得到了不同空间采样间距比情况下27点和7点格式的优化系数.数值实验表明,优化27点格式与ADM 27点格式具有相同的精度,优化7点格式比经典的7点格式具有更小的数值频散.

log(均方根Lg)-m_b的定标律斜率

已经证实,在一条条路径上传播的Lg震相,以全球的m_b震级和核爆当量作为其相对标度,有着不寻常的稳定性和精度。然而,有着一定震级的Lg的定标斜率,在不同的传播路径上时常存在相当大的差别,这些不好解释的效应常纠缠到核监测过程。本文通过资料分析和数字模拟,揭示影响Lg定标的因素。分析了前苏联巴拉潘的核试验场的爆破在欧亚宽频带地震台的数字地震资料。该资料得出,震源谱的当量定标与每一传播路径上的频率选择特性的结合,可反映观测到的定标斜率的变化。由于衰减而引起的高频能的损失导致沿某些路径的定标斜率偏高。场地效应和仪器响应中的变化也能够对Lg定标斜率的分散产生影响。用于计算理论定标率的数字模拟,支持了这些论断。

利用Lg波计算地震应力降的方法及在青藏高原东缘典型震例中的应用

地震应力降标志震源破裂过程中作用在断层系统上的应力释放水平,是刻画震源物理过程和预测震源辐射特性的重要参数.地震应力降主要受控于构造环境、震源机制和地震类型等.观测得到的应力降还受到观测频带的影响,所以它的绝对值难以准确测定.采用体波、面波以及零频观测(大地测量、GPS、InSAR)等不同类型的数据获得的应力降也存在差异.对于地震波数据,通常采用间接方法去除传播路径中的衰减效应并获得震源激发谱,进而估计应力降.随着宽频带地壳Lg波衰减模型的建立,可以构建直接校正路径衰减的方法,从而获得对Lg波震源激发函数的准确估计.进而通过对观测和理论震源谱的拟合获得整个地震序列中各个地震的标量地震矩、拐角频率和高频下降率等震源参数,再根据断层模型计算应力降.本文分别以青藏高原东缘典型的构造地震2017年Ms7.0九寨沟地震和潜在的工业注水诱发地震2019年Ms6.0长宁地震为例,计算两个地震序列应力降的时-空变化过程,探索构造地震与诱发地震之间的潜在的物理差异. 2017年九寨沟地震的主震应力降为27 MPa,余震震级和应力降均呈快速下降趋势. 2019年长宁地震的主震应力降为32 MPa,余震序列的应力降以起伏形式缓慢下降,并曾出现过与主震应力降数值相当的余震.这一现象主要来源于长宁地区长期的工业注水干扰了区域应力场,提升了断层内的流体静压力并降低了断层滑动的驱动应力.这一过程需经过震后较长的时间才能恢复.上述两个地震序列具有相似的主震应力降但属于完全不同的类型,说明在该区域无法通过单独观测主震应力降来区分构造与诱发地震,而通过研究整个序列中应力降的时-空发展过程则有可能揭示出与此有关的进一步信息.

2021年5月21日青海玛多M_(W)7.4地震及余震序列应力降时空分布与孕震环境

2021年5月21日发生在青藏高原巴颜喀拉块体内部的玛多M_(W)7.4地震是继2008年M_(W)7.9汶川地震之后在中国陆区发生的最大地震.由于玛多地震发生在板块内部滑移速率较缓慢的次级断裂上,该地震成为研究巴颜喀拉块体内部地震危险性的典型震例.通过计算2021年玛多地震序列中震级大于2.5的地震应力降,我们调查了该地震序列应力释放的时空演化规律.首先,利用已有的青藏高原及其周边地区宽频带Lg波衰减模型,对玛多地震序列产生的地震Lg波观测数据进行了传播路径衰减校正,获得119个地震事件的Lg波震源谱;然后,通过将理论震源函数与观测数据拟合,获得对Lg波标量地震矩、拐角频率和高频下降率的估计;最后,根据标量地震矩和拐角频率计算了2021年玛多地震序列的应力降.结果表明,2021年5月21日玛多地震主震应力降为22 MPa,余震序列的应力降分布范围为0.08~7.5 MPa、中位数为0.39 MPa,平均值为0.88 MPa.应力降与震级具有较强的正相关关系,说明该地区的地震活动可能并不遵从地震自相似理论.换言之,大小地震具有不同的破裂动力学性质.玛多地震序列应力降变化反映了断层面上的应力释放过程具有强烈的非均质性.主震发生之后余震应力降显著降低,但其间仍夹杂着少数具有较高应力降的事件.这些高应力降事件所在区域与主震后破裂面上的闭锁和应力集中区域相对应.

剪切产热不稳定性及其在研究深源地震发生机理上的应用

本文运用稳定性分析的方法,研究在粘弹性介质(Maxwell体)中剪切产热不稳定性的发生条件,并讨论其对于深源地震发生机理的应用.结果表明,在板块向下俯冲的过程中,由粘滞损耗产热将会发生剪切不稳定性,这为解释深源地震发生提供了一个基础.

通过地震成像分辨率研究近地表复杂介质散射对成像质量的影响

近地表广泛分布的小尺度非均匀介质严重影响地震数据和成像质量.本文引入参数化的随机介质来描述近地表非均匀介质;借助功率谱、相关长度、均方根扰动等随机统计特征量研究近地表非均匀介质层对地震波传播、散射及成像的影响;通过成像过程的点弥散函数表述成像分辨率.利用数值方法建立模型的随机统计特征量与成像分辨率特征量之间的关系,以定量或半定量的方式研究二者之间的相关性.数值计算结果表明,近地表非均匀介质层的厚度、速度扰动的幅度以及非均匀体的尺度等都对地震数据质量和成像品质有明显的影响.以全数值方法建立起关于近地表非均匀介质复杂性和地下成像质量之间的关系,有望成为研究近地表非均匀介质对地震数据采集和成像分辨率影响的有效工具.

地震照明分析及其在地震采集设计中的应用

地震照明分析是在给定地下背景结构的情况下用模拟方法研究采集系统对地下结构的探测能力.对目标照明的影响主要来自观测系统的设置,上覆地质结构的复杂性以及目标倾角等三项因素.我们将上述因素的影响统一纳入到对照明的定量计算中.本文阐述了关于地震照明的一系列基本概念,并基于波动理论给出对不同类型照明的计算方法.首先将入射和散射波分解到局部角度域并导出局部照明矩阵,它包括了在目标附近所有可能的入射和散射方向对照明的贡献.从照明矩阵出发,研究入射和反射波在角度域中与反射面的相互作用,并由此获得对地下结构的不同照明描述.作为例子,具体给出了对局部照明矩阵,空间体照明,反射面定向照明,反射面照明角度覆盖,以及对反射面可视性的计算方法,并给出了相应的数值计算结果.最后,讨论了照明分析方法在地震采集设计中的一些可能应用.

模拟倾斜界面情况下区域地震范围内的长周期Pnl波

中国大陆地壳厚度的特点是东部地区薄西部地区厚,因此在计算Pnl波的Green函数时进一步考虑了莫霍界面倾斜的影响.本文将广义射线理论推广到倾斜层结构模型,该方法的计算结果与有限差分的计算结果有很好的一致性.理论计算表明,在同一个倾斜结构模型中沿相反方向传播的Pnl波有明显的差异.因此当地壳厚度的变化不能忽略时,根据水平层模型的理论计算结果拟合Pnl波记录时效果不够理想.对菏泽、门源地震资料的处理结果表明,用一个更接近实际地壳的倾斜层模型来拟合Pnl波比用等效厚度平行层模型来拟合要更为合理.

广义屏传播算子及其在地震波偏移成像方面的应用

吴如山 ,金胜汶 ,谢小碧 .广义屏传播算子及其在地震波偏移成像方面的应用 .石油地球物理勘探 ,2 0 0 1,36 (6 ) :6 5 5～ 6 6 4 广义屏传播算子 (Generalized Screen Propagator或 GSP)是一种在双域 (dual- domain)中实现的广角单程传播算子。这一方法略去了在非均匀体之间发生的交混回响 ,但是它可以正确处理包括聚焦、衍射、折射和干涉在内的各种多次前向散射现象。由于新近在这一领域中的发展 ,这种双域方法能够在强速度反差的介质中比较精确地计算大角度波的传播 ,由此我们能够在复杂地质结构中经济有效地获得高分辨图像。本文首先对在复杂结构中使用传统的 Kirchhoff方法和时—空域中的有限差分方法偏移成像的优越性和局限性进行分析 ;然后对广义屏传播算子的发展、基本原理、计算方法及其基本特性等进行介绍。在详细介绍两种广义屏传播算子 (即混合拟屏方法和广义的 Padè屏方法 )的同时 ,给出了几个二维和三维偏移成像的实例。