非对称地震矩张量时间域反演:理论与方法

本文在对称地震矩张量反演的基础上,进一步研究了非对称地震矩张量时间域反演的理论与方法,结果表明:非对称地震矩张量反演与对称地震矩张量反演类似,只需将对称地震矩张量反演方法略加改动,即增加3个待解参数,便可实现非对称地震矩张量反演.为了判断非对称地震矩张量反演相对于对称地震矩张量反演是否存在过度拟合,运用了AIC准则(赤池信息准则).为了定量地描述地震矩张量之间的差异,引入了地震矩张量的矢量表示法.通过分析格林函数与地震矩张量各分量之间的关系,得出:在非对称地震矩张量反演时,若仅用垂直向地动位移数据,将无法区分M_(xy)与Myx这两个分量,需要同时运用垂直向与水平向地动位移数据进行联合反演才能区分M_(xy)与Myx;若采用不同的速度结构模型或不同的格林函数计算方法,则需重新评估地震矩张量各分量的分辨度问题.为检验非对称地震矩张量反演方法的可行性,利用合成地震图进行了一系列数值试验.数值试验结果表明,在非对称地震矩张量反演中,有必要引入S波进行P波与S波联合反演以提高反演的准确性和判定断层面的能力.

断层厚度的地震效应和非对称矩张量

近几十年来,震源的矩张量表示及其反演获得了巨大成功。在震源物理的研究中,地震矩张量作为一个二阶对称张量已被广泛接受并且得到了成功的应用,但非对称矩张量则鲜有提及。本文阐述了在震源理论中非对称矩张量在物理上的合理性及其重要性,指出断层厚度的地震效应需要用非对称矩张量来表示。在第2章中,作者从表示定理和唯象描述出发,导出了具有厚度的断层的非对称矩张量表示式,指出要求矩张量具有对称性不是一个绝对必要的限制。非对称矩张量解中的反对称部分使得在断层面解中,作用于两个节面上的单力偶不再相等。这一性质可以用来区分断层面和辅助面。基于具有厚度的断层模型,可判断与强度较大的单力偶相联系的节面为断层面,另一节面为辅助面。在第3章中,作为非对称矩张量反演的基础,作者介绍了时间域反演对称矩张量的理论、方法和步骤,并叙述了它在地震应急反应中的应用。反演非对称矩张量的基本理论和方法与反演对称矩张量类似,只需在反演对称矩张量的基础上做部分改进,也就是只需增加3个待解参数,即可实现非对称矩张量反演。为了判断相对于对称矩张量反演,非对称矩张量反演是否存在过度拟合,作者运用了Akaike信息准则。在非对称矩张量分析中,引入了矩张量的矢量表示,以定量地描述矩张量之间的差异。通过分析格林函数与矩张量各分量之间的关系,作者指出,在非对称矩张量反演时,仅用垂直向数据,将无法区分Mxy和Myz这两个分量。需要引入水平向数据,进行联合反演,以区分Mxy和Myz。这是非对称矩张量反演与对称矩张量反演之间最大的不同,也是影响非对称矩张量反演的重要因素。若采用不同的速度结构模型或不同的格林函数计算方法,则矩张量各个分量的分辨问题需要重新讨论。利用合成地震图进行的数值试验,检验了非对称矩张量反演方法的可行性。数值试验的结果表明,引入S波与P波联合反演非对称矩张量是必要的。P波和S波联合反演能提高反演的准确性,提高对断层面的判定能力。从2008年到2010年,选出了13次可判定断层面的地震事件进行了非对称矩张量反演。反演结果表明,P波和S波联合反演得到的非对称矩张量解,其对称部分是稳定准确的。利用非对称矩张量反演,也可得到可靠的对称矩张量解。AIC判据表明,非对称矩张量反演相对于对称矩张量反演不存在过度拟合。结合具有厚度的断层模型和非对称矩张量解,13次地震中有6次地震的断层面和辅助面得到了正确分辨,正确率不高。由非对称矩张量解计算的λ值较小表明,非对称矩张量解中,对称部分比重较大,反对称部分比重较小,整体特征仍然是由对称部分决定的。虽然反对称部分提供的额外信息使得我们可以将断层面和辅助面区分开来,但分辨能力并不强。

澳大利亚西南部2018年Lake Muir 5.7级震群矩张量反演及其构造意义

2018年澳大利亚西南部Lake Muir 5.7级震群发生在Yilgarn克拉通和Albany-Fraser造山带的边界上,对于该震群地震矩张量的研究有利于揭示发震机理以及边界带的应力状态。由于区域地震台网台站分布稀疏且该区域上地壳到下地壳的vP/vS值变化比较大。用同一个vP/vS比值来建立适合用于全波形矩张量反演的一维速度模型是比较困难的。

2021年5月21日云南漾濞M_(S)6.4地震序列地震矩张量及发震构造

2021年5月21日云南大理州漾濞县发生了M_(S)6.4地震.我们利用区域地震台网记录的地震波形资料,首先采用多点源地震矩张量反演方法确定了漾濞地震序列中3次M_(S)≥5.0地震的矩心矩张量解,分析研究了地震矩释放的最佳模型;然后对序列中较大地震进行了绝对定位,结合余震序列重新定位结果研究了地震矩心在断层面上的位置.结果显示M_(S)5.6前震可用2点源模型模拟,矩震级分别为M_(W)5.3、M_(W)5.1,矩心时间相隔约30 s,矩心位置相距约2 km.M_(S)6.4主震可用单点源模型模拟,矩心与起始破裂点平面距离约5 km.前震和主震的矩心均位于地表以下6 km处,矩心与起始破裂点的位置关系显示两地震向南东方向单侧破裂,断层以“前震\|主震”型地震序列典型的“撤退式”方式破裂,M_(S)5.6前震的发生降低了断层面的抗剪强度,从而发生了更大的M_(S)6.4主震.M_(S)5.2余震可用单点源模型模拟,起始破裂点与矩心空间位置相近,在地表以下约10 km处.余震区构造应力场反演结果显示漾濞6.4级地震序列属于区域应力场触发的地震活动,地震序列震源机制解符合走滑断裂伴生的负花状构造系统内部断裂的运动特征,余震的空间分布图像显示花状构造系统内部的两条断裂发生了地震活动.

近场全波形反演:芦山7.0级地震及余震矩张量解

2013年4月20日四川芦山发生了7.0级地震.该地震是自2008年汶川8.0级地震以来发生在龙门山断裂带上的最强地震,截至5月5日,四川省数字遥测台网记录到了52个(ML≥4.0)余震.我们搜集了信噪比相对较高的宽频带数据,根据已有的三个分别适合于四川盆地和龙门山断裂东南地区、西南山区、西北山区速度模型,利用TDMT_INVC方法计算矩张量,获得了芦山主震及其16个余震的高质量矩张量解;根据P轴、B轴和T轴的倾角对主震及余震的断层类型进行了分类,结果表明:芦山地震的震级为Mw6.46(矩震级),地震矩为0.61×1019 Nm,震源深度为13km,震源机制类型为逆断层.芦山余震类型简单,主要为逆冲型;芦山地震序列震中分布于龙门山断裂带西南端的彭县—灌县断裂上,本研究获得的主震和余震的震源机制主要为逆冲型,这表明了龙门山断裂西南端主要为逆冲特征.芦山地震震源性质与汶川地震相近,发震间隔时间短,且均发生于同一构造单元内,表明了该地震与汶川地震可能有密切关系.

2013年吉林前郭—乾安震源区中强地震矩张量反演与区域孕震环境研究

2013年10月31日11时03分,在吉林省松原市前郭尔罗斯蒙古族自治县发生M_S5.5级地震,11时10分,震区再发生Ms5.0级地震.截止2013年11月23日,吉林前郭-乾安地区（本文统称为前郭-乾安震源区）已经发生Ms5.0级以上地震5次.虽然震源区外围中强地震活跃,但在前郭-乾安震源区内,据历史地震资料记载,仅2006年3月31日在距离本次地震序列以西8 km处发生过一次乾安、前郭交界Ms5.1级地震.除此之外,距离震源区90 km处,曾于公元1119年2月发生过M6.7级地震.为了更好地认识区域孕震环境,本文利用吉林、辽宁、内蒙古以及黑龙江数字地震台网的三分向宽频带波形资料,建立了适用于这些台站的分区速度结构模型,反演了2013年10月31日-11月23日前郭-乾安震源区M_L≥4.5级中强地震的矩张量解.结果显示,几次中强地震均呈现逆断层兼少量走滑性质,其中NW走向的节面Ⅰ为此次中强地震序列的断层面,发震断层的优势走向集中在320°左右,优势倾角分布在38°-65°.根据矩张量反演结果,结合地震序列重新定位（郑钰,待发表）后的空间分布情况,我们推测此次地震序列的发震构造可能是震源区基底深部一条NW向隐伏逆冲断层,这条断层延伸至地表的位置可能位于震源区北侧靠近124°经度隆起带附近.此外,震源区的发震构造和浅部应力场可能是在西太平洋板块俯冲产生的挤压应力场背景下,受控于郯庐断裂带右行走滑的次级应力场.

伽师震源区中等强度地震矩张量反演及其应力场特征

使用区域数字地震台站记录的宽频带长周期波形资料,在时间域反演了1997～2004年伽师震源区52次中等强度地震的矩张量.反演结果揭示,在小尺度的伽师震源区内,震源机制解的P轴、T轴和N轴呈现出明显的分区特征.本文进一步把伽师震源区分为东区和西区,分别反演了东区与西区的应力场.应力场反演结果表明,东区的应力场主压应力轴走向为321°,基本水平.最大主张应力走向68°,倾角40°.截至2004年7月,伽师震源区西部的应力场一直较为稳定,最大主压应力方向为12°,最大主张应力方向282°,二者都基本水平,中等主应力轴基本直立.自西向东,伽师震源区最大主压应力轴逆时针旋转了49°,并且西区张应力的水平作用较为显著,东区压应力的水平作用显著.应力场的这种非均匀变化特征与GPS观测得到的地壳运动速率的空间分布以及塔里木盆地边界附近的地形地貌特征有很好的一致性.震源区深部结构的陡变以及位于震源区东部边界规模较大的NW走向的普昌断裂和色力布亚隐伏断裂可能对产生这种横向非均匀的局部应力场起了重要的作用.

声发射矩张量反演

地震矩张量反演是获取震源过程的有效方法.岩石变形过程中的声发射与地震类似,均是弹性应变能快速释放.如假设条件得到满足,矩张量反演方法同样可用于了解声发射震源过程.声发射矩张量反演可使用P波位移进行计算.当样品尺寸远大于声发射波长,且声发射由微破裂产生,声发射源的尺度很小时,P波矩张量反演可采用远场近似.本文首先针对声发射的特点,实现根据远场P波反演声发射矩张量的算法,并通过人工声发射实验对算法的正确性和可靠性进行了检验.最后,用声发射矩张量反演方法对花岗岩单轴压缩实验的声发射源特征进行了分析.结果表明:对于纯剪切破裂模式,声发射矩张量反演可得断层面;对于非纯剪切破裂模式,如纵向挤压导致的横向张性劈裂,由于存在多解性不能得到断层面,但可通过矩张量的迹区分破裂模式.

一种矩张量反演新方法及其对2008年汶川M_S8.0地震序列的应用

本文利用全球地震台网(GSN)的宽频带与长周期地震波形资料,采用矩张量反演的新方法,反演得到了2008年5月12日四川省汶川县MS8.0地震及其7个较大余震(MS5.0—6.0)的矩张量解与震源时间函数等震源参数.文章首先简要叙述矩张量反演新方法的理论背景和技术途径,并以汶川大地震的一个余震为例阐述了具体的实现过程;然后给出包括主震在内的8次地震的矩张量解和震源时间函数;最后分析探讨这些结果的构造意义.本文提出的矩张量反演新方法,不但与全球矩心矩张量(GCMT)一样,可以给出点源矩张量解,而且还可以给出点源的震源时间函数.反演得到的汶川大地震的7个较大余震的震源时间函数表明,即使是中等强度的地震也可能有复杂的震源过程;汶川大地震的多数余震发生在以逆冲为主、兼具小量走滑分量的龙门山断裂带的主断裂上,但很可能有些余震则发生在主断裂附近的次级走滑断裂上.

地震矩张量反演在地震快速反应中的应用

利用地震矩张量反演的方法，对１９９６年１１月～１９９８年１月发生于我国境内的１０次ＭＳ≥５．２地震的震源机制进行了快速测定，并以“地震震源参数简报”的形式将测定结果及时发送中国地震局震情值班室和有关省地震局。

基于矩张量的深埋隧洞岩爆机制分析

以锦屏二级水电站微震监测数据为基础,将矩张量引入到深埋隧洞岩爆机制分析研究中。对分析过程中遇到的2个关键问题提出了针对性的建议:①隧洞工程为线性工程,传感器布置空间有限,难以形成良性传感器阵列,矩张量分析结果的可靠性受到很大的影响,为此,提出了数值计算过程中的坐标系空间旋转法。该方法按最优路径旋转隧道坐标系,使对于同一个事件的每个传感器,源-传感器射线到新坐标系的3个方向余弦差值在10倍数值范围以内,在数值计算过程中,可以得到较理想的矩张量结果。②针对Ohtsu使用矩张量分解判断岩石破裂类型的方法中,提出的各分量比重计算公式,仅适用于各分量均为受拉的情况。考虑快速掘进条件下隧洞工程受力方向的不确定性,扩展其分量比重计算公式到更一般适用状态。在此基础上,建立了一套完整的岩爆孕育过程矩张量分析方法。利用该方法对锦屏二级水电站典型岩爆微震数据进行分析,结果表明,该方法可以较好地解释岩爆孕育过程岩石破裂演化机制。

利用矩张量反演法研究江苏高邮—宝应M_S4.9级地震震源机制解和震源深度

基于江苏、安徽、山东和浙江等省区域台网共19个宽频带数字台站的地震波形,采用HypoDD双差定位方法确定了2012年7月20日江苏高邮—宝应MS4.9级地震震中位置,再利用时间域矩张量反演法TDMT_INV获得了其震源机制解和震源深度.反演结果显示：最佳双力偶解为节面Ⅰ走向290°,倾角88°,滑动角-21°;节面Ⅱ走向21°,倾角69°,滑动角-177°,地震矩震级为MW4.95,震源深度约为7-9km.利用滑动时窗相关法提取sPn震相测定震源深度为8.95km,两者一致性较好.随后不同地壳模型和不同震中定位误差对反演结果的影响试验揭示了反演结果具有稳定性.通过以下几种分析：1与利用CAP（Cut and Paste）矩张量反演法得到的结果进行对比;2P波初动投影;3正反演试验探求反演结果不稳定的影响因素等方法,验证了反演结果的可靠性.综合本文研究成果、震后科学考察结果（包括重力测量和地震烈度分布图）及现有的地质构造资料,推测此次地震的发震构造为杨汊仓—桑树头断裂,节面Ⅱ为断层面,是一个右旋走滑兼有少量正断层性质的错动.

2004年首都圈地区中小地震的矩张量反演

通过首都圈地区宽频带数字地震波形反演,获得了2004年发生在该地区的51次中小地震的矩张量解,由此确定了这些地震的标量地震矩、矩震级、双力偶分量和补偿线性矢量偶极分量的大小以及断层面参数和应力轴参数,并通过数值试验对反演结果进行了评价.

基于微震矩张量的矿山围岩破坏机制分析

微震是矿山岩体损伤的重要信号,并被用于矿山围岩稳定性分析。为应用矩张量理论,研究矿山开采围岩破坏机制,对理论运用中的关键问题提出了解决办法:(1)通过引入适于矿山岩体应力状态的矩张量三分量分解模型,解决了由于矿山应力状态不确定带来的矩张量分解方程组求解的不确定问题;(2)针对Ohstu提出的矩张量岩体破坏模式判据的不足之处进行了讨论和修正,使其适于矿山岩体工程岩体破坏模式分析。利用改进后的矩张量分析方法对冬瓜山铜矿的部分巷道围岩破坏机制进行研究,印证了冬瓜山巷道围岩破坏是一种以剪切破坏为主,多因素综合作用的破坏形式的结论。当巷道穿过不同岩层接触带时,微震事件在接触带附近积聚,表明巷道围岩出现剪切破坏带并形成冒落区;位于单一岩层中的巷道围岩中的微震活动较为分散,破坏原因多为围岩应力集中,破坏形式表现为局部性围岩冒落。

基于微震信息的硬岩新生破裂面方位特征矩张量分析

为了更清晰直观地了解高应力下硬岩破坏(岩爆、片帮、应力型塌方等)孕育过程中岩石破裂演化过程,根据岩石破裂面的特点,依据微震监测数据的矩张量结果,推导并得到了岩体破裂面空间方位计算方法,在此基础上给出了根据运动夹角来判断岩石破裂类型的确定方法。借助此方法,在实例研究中进一步证明了深埋隧洞矩张量分解判断破裂类型分析方法的可靠性。依托锦屏二级水电站深埋引水隧洞这一典型工程,依据破裂面的方位角、倾角特征和岩爆宏观破坏情况,初步探究了即时性应变-结构面滑移型岩爆的孕育过程:在岩爆孕育初期,以张拉破裂为主,由于硬性结构面的存在,在开挖扰动应力调整初期,破裂面由岩体浅层往岩体较深层硬性结构面扩展,张拉破裂面尖端接近硬性结构面时,硬性结构面上发生剪切滑移,若较深层岩体内部还有其他硬性结构面存在,则在该硬性结构面尖端,除随着岩体浅层切向应力的持续增大,往开挖面扩展外,继续以张拉破裂面型式往深层扩展,至较深层硬性结构面上剪切破裂产生,最终以剪切滑移面为破坏面边界往开挖面发展,并最终将岩体抛掷而出。

近震源宽频带记录的地震矩张量反演

以１９８５年４月１８日云南禄劝地震（Ｍ＿ｓ＝６．１）的１５次余震为例，使用简单介质模型进行近震源记录的地震矩张量反演，并试图通过反演结果的讨论，进一步明确有关方法的意义和限度．将ＤＣＳ－３０２数字磁带加速度仪组成的小孔径流动台网获得的三分向近震源宽频带记录进行两次积分得到位移地震图，对依据震相特征选出的信噪比较大的直达Ｐ波、直达Ｓ波和ＳＰ转换波波形在频率域进行矩张量反演．反演中采用均匀弹性半空间的格林函数．计算结果表明，采用简单的介质模型，选取信噪比较大的震相进行矩张量反演，对Ｍ＿Ｌ＜４．０的地震可以较好地给出震源机制解和地震矩，对Ｍ＿Ｌ约为４－５的地震可以较好地给出震源机制解．在不十分了解详细结构的情况下，用本文所发展的反演方法处理大量中小地震求震源机制和构造应力场是十分便利的．地震矩张量反演的结果给出禄劝地区的主压应力轴为近ＮＮＷ向，接近水平，表明该地震与欧亚板块和印度板块边界的构造运动有关．

利用地震矩张量与GPS资料推算中国大陆现今地壳运动能量分布特征

在一次地震轮回时间段内,对于某个相对统一和完整的体系,应变能的积累与释放基本等量。地震资料得到的地壳变形场是现今地壳应变能已得到释放后的一种表现,而GPS资料得到的地壳变形场中则既包含地壳应变能量的释放量,也包含积累量。结合中国大陆及其邻区的地质构造与活动地块分布特点,将研究区划分为32个独立的分区。在此基础之上,利用地震和GPS资料分别计算得到了两组单位体积能量积累率,并对其进行了比较分析。研究表明,本次地震轮回中大多数区域的地壳应变能量已基本释放完毕,我国境内只有青藏北部、川滇、昆仑、阿尔金等几个地区的地壳应变能量积累偏高,仍具有发生较强地震的可能性,是今后地震预测研究应该重点关注的地区。

用应变地震观测求解震源矩张量的基本原理

震源机制解,即对地震矩张量的推断,对于地震研究具有至关重要的意义.应变地震观测是张量观测,与摆式地震仪的位移矢量观测不同,可以为地震研究提供新的数据源.本文讨论用应变地震观测求解震源矩张量的基本原理.在距离震源足够远的地方,地震波可以看成平面波,其性质决定于震源矩张量.假设平面地震波的应变张量可以由震源矩张量通过坐标变换计算得到,就可以通过观测应变地震波求解震源机制.这个假设至少对于双力偶震源机制是成立的.由此可以证明,在理想的无限介质中,只要有两个以上不同地点的应变地震波观测,就可以解出震源矩张量.这为解决震源机制问题提供了新的方法.目前的地震矩张量求解方法需要两方面的条件:或者需要很多观测点(例如体波反演),或者需要长周期地震波资料(例如面波反演).这些方法只适用于分析比较大的地震.对于小震,因为通常其震中周围不会有足够多的摆式地震仪观测点观测到其地震波,而地震波周期又短,难以利用传统方法给出可靠的震源机制解,所以只需少数观测点就能求解震源矩张量的新方法特别有意义.用应变地震观测求解震源机制,可以给出更为精确的结果.

基于矩张量分析的花岗岩破裂声发射特征试验

基于声发射定位技术和矩张量分析方法,对在单轴加载条件下岩石破裂过程中的裂纹破裂机制及时空分布特征进行试验研究.借助CAD软件展示不同破裂机制的声发射事件,直观反映裂纹破裂类型.研究结果表明:单轴压缩加载试验中,花岗岩试样破裂以剪破坏为主,但岩石微裂纹的破裂类型所占比例并不固定,岩石内部微裂纹破裂类型与岩石材料的力学环境有关;花岗岩作为一种脆性岩石,破裂不符合格里菲斯强度准则认为的脆性材料都是拉伸破坏的基本观点,证明格里菲斯强度准则对于均质度不高的脆性岩石的适用性有一定的局限;花岗岩单轴压缩试验中,试样的破坏类型与其应力水平没有关系,3种类型的声发射事件随应力增大的变化趋势相似.

地震矩张量元素M_(rr)的空间分布与中国大陆岩石层地块

用哈佛CMT目录和中国地震震源机制目录给出了地震矩张量元素Mrr的符号的空间分布。这种空间分布图像相当于Tanimoto等 ( 2 0 0 0 )的“地壳势能变化”的空间分布图像的一种简化形式 ,Mrr的符号代表了地震震源处的应力状态。之所以进行这种简化是因为在相当多的情况下 ,地震的震源或矩心深度难以测准 ,并且震源机制目录的完整性得不到保证。将Mrr的分布图像与中国大陆岩石层地块的分布图像进行对照 ,可以发现由Mrr标志的地块内部的应力状态具有相当的一致性。地块边缘处的应力状态与地块内部的应力状态不同 ,似乎表明地块本身具有一定的整体性 ,同时地块之间存在相对运动。