一种确定震源中心的方法:逆时成像技术(一)——原理与数值实验

研究地震断层的精细结构需要对地震活动精确定位,然而,盖戈类标准定位方法已经不能胜任.现今计算机技术的发展使我们能够直接面对地震定位这个非线性问题,所以,我们提出一种称为逆时成像技术的确定地震震源中心的非线性方法.首先,从位移表示定理出发,阐述了逆时成像技术的原理;然后,通过多组数值实验,论证了这种技术的可行性.由于直接采用直达波信号构建包络信号,进而采用互相关技术测量观测到时,因此,观测到时的准确性和客观性得到了提升;由于采用波形聚束方法直接建立观测到时和震源位置的非线性关系,因此,绕开了盖戈类方法的线性化过程,从而杜绝了非线性问题线性化过程造成的误差;由于采用波形聚束方法而不是经典的最小二乘法求解,所以,克服了最小二乘解对于少数或者个别"出格数据(outlier)"敏感的缺点;由于采用非均匀网格搜索的方法确定非线性系统的解,所以,可以利用解集的特征半径描述解的分辨率,进而利用观测到时的标准差和分辨率来描述解的不确定性,避免了以观测误差为正态分布的假设为前提的统计方法,克服了这类方法常常给出脱离实际意义的结果的不足.然而,由于采用网格搜索方法求解非线性方程,所以,与盖戈类方法相比,计算效率相对较低.例如:这里的每次定位过程在普通的个人计算机上需要大约30s.不过,用时间换取精度也是惯常的选择.

2023年土耳其双强震震源机制中心解及震源区构造应力场特征分析

为理解2023年2月6日土耳其双震震源区的构造应力场特征,剖析双强震的孕育背景和发生条件,根据1976年1月至2022年10月全球CMT目录的震源机制解反演了土耳其双强震震源区及其邻区震前构造应力场,并模拟在其作用下各种形状断层上产生的相对正应力和剪应力分布情况。结果表明:(1)研究区域震前主要处于NNW-SSE向挤压和WWS-EEN向的拉张状态,且以拉张应力为主。这与阿拉伯板块向北运动,推挤安纳托利亚地块和安纳托利亚块体被迫向西逃逸相对应。(2)M_(W)7.8地震的断层破裂几乎沿应力场的最大剪应力平面发生,是在区域走滑型构造应力场作用下,沿应力场最大剪应力平面进行的正常能量释放。M_(W)7.5地震与背景构造应力相差较远,推测为M_(W)7.8地震产生的应力变化触发的结果。

2023年12月18日甘肃积石山6.2级地震震源机制及其对周围区域的应力影响

为研究2023年甘肃积石山6.2级地震对周围地区的应力影响,本文首先根据各个机构和学者提供的震源机制数据确定了本次地震的震源机制中心解。节面Ⅰ:走向159.08°,倾角40.57°,滑动角112.46°;节面Ⅱ:走向310.52°,倾角53.05°,滑动角71.88°。此次地震为逆冲型地震。将当地的应力体系投影到震源机制中心解的两个节面上,得到相对剪应力分别为0.797和0.951,可以看出该地震是区域构造应力场作用下的一次正常能量释放。拉脊山北缘断裂呈NNW走向,SWW倾向,倾角为45°~55°,与震源机制中心解的节面Ⅰ较为一致,判断拉脊山北缘断裂为此次地震发震断裂。基于该地震破裂模型及均匀弹性半空间模型,计算此次地震对周边地区产生的同震位移场及应变场。体应变在震中呈现拉张,距离震中较远的东北和西南两侧呈现轻微拉张,震中周边呈现压缩,东侧压缩表现更为突出。水平位移场表现为在震中西北侧和小部分东南侧的物质向外涌出,而东北侧和西南侧的物质涌入震中;与水平位移场相对应,垂直位移场在震中表现为隆升,而四周表现为略微沉降。

2021年江苏盐城海域MS5.3地震震源机制中心解及基于震源机制的区域应力场反演

2021年11月17日江苏盐城近海区域发生MS5.3地震,该地震的发震机制及其原因引起地球科学家的广泛关注,为分析地震发生的原因,本次地震的震源机制解和区域应力场的精确确定是必要的。本研究综合多种机构的震源机制解数据确定了可信的震源机制中心解。为保证震源区域应力场求解的精度,本文搜集了地震周围2016年以前的历史震源机制解数据,并利用地震观测报告,得到22个2016年之后地震的震源机制解,使用结合后的震源机制解数据求解了江苏盐城海域MS5.3地震周围的应力场。最终结果为:江苏盐城海域MS5.3地震的震源机制中心解节面Ⅰ走向104.95°,倾角70.91°,滑动角26.45°,节面Ⅱ走向5.70°,倾角65.11°,滑动角158.86°;研究区域的主压应力呈ENE-WSW向分布,主张应力呈NWN-SES向分布。将应力场投影到震源机制中心解节面上,发现两个节面均处于相对剪应力很高的水平,说明此次地震是在构造应力场作用下发生在剪应力最大释放节面上的地震,是应力积累后的一次正常释放,周边再次发生大地震的可能性减小。考虑到应力场投影到节面Ⅱ的相对剪切应力较节面Ⅰ大,并且节面Ⅱ与苏北—滨海断裂走向更为接近,确定节面Ⅱ为本次地震的发震断层面。

2013年辽宁灯塔M5.1地震震源机制中心解及震源区构造应力场特征分析

采用HASH方法计算得到辽宁灯塔M5.1地震震源机制解:节面Ⅰ走向为12.85°,倾角为89.42°,滑动角为175.83°。结合不同震源机制结果确定了本次地震震源机制中心解:节面Ⅰ走向为13.16°,倾角为88.64°,滑动角为171.01°;节面Ⅱ走向为103.38°,倾角为81.01°,滑动角为1.37°。为进一步研究本次地震的孕育背景和发生条件,收集2001—2013年辽宁地区128个M_(L)2.5~4.8地震的震源机制解资料,反演该地区构造应力场,模拟在其作用下产生的各种震源机制及相对剪应力和相对正应力的分布情况。结果表明:辽宁地区在主压应力轴为NEE向,主张应力轴为NNW向的走滑构造应力体系作用下,经过一段时间的应力积累,在剪应力最大区域、沿应力场最优节面发生破裂,从而发生灯塔M5.1地震。

同一地震多个震源机制中心解的确定

一个地震发生后,根据不同方法和资料可以求出地震的震源机制解.由于采用的方法和选择资料不同,得到的震源机制会有一定差别.为解决在多个震源机制解中确定一个合适的震源机制解进行后续分析的需求,首先推导了表示两个震源机制差别的最小空间旋转角,采用示例验证了最小空间旋转角表达了两个震源机制的差别.为找到一个与多个震源机制差别的平方和最小的震源机制,将待定震源机制与所有震源机制的最小空间旋转角的平方和作为目标函数,并且将非线性的最小空间旋转角的平方和线性化,采用Levenberg-Marquardt方法给出了求解方法.根据这种方法,给出了2008年汶川地震和2018年新疆精河地震的中心震源机制解.该方法为在多个已经求出的震源机制中确定中心解,从而进行其他诸如应力触发、地球动力学分析等提供了工具.

2020年6月9日中卫M_(L)3.4地震的震源机制及其中心解的测定

2020年6月9日宁夏中卫市沙坡头区发生M_(L)3.4地震,该地震发生在1709年中卫南7½级地震的极震区内,且震中位于以往弱震相对偏少的地区。本文利用宁夏区域地震台网的波形记录,采用gCAP方法反演了2020年6月9日中卫ML3.4地震的震源机制解及震源矩心深度,并用Hash方法计算其震源机制解,且得出了两种方法的震源机制中心解。结果表明,gCAP方法的震源机制解为:节面I走向255°,倾角79°,滑动角−20°;节面II走向348°,倾角70°,滑动角−168°,震源矩心深度为12 km。而Hash方法的震源机制解为:节面I走向344°,倾角89°,滑动角176°;节面II走向74°,倾角86°,滑动角1°。两种方法的震源机制中心解为:节面I走向255°,倾角87°,滑动角−11°;节面II走向346°,倾角80°,滑动角−176°,主压应力轴走向主要为NE向,其中gCAP方法结果与震源机制中心解的最小空间旋转角相对最小,为12.09°。结合过去地质构造资料,推测2020年6月9日中卫M_(L)3.4地震的主要错动方式为左旋走滑,且断层面为NEE向节面的可能性较大。

2019年6月17日四川长宁6.0级地震中心震源机制解及震源区构造应力场研究

不同资料和方法给出的2019年6月17日四川长宁6.0级地震震源机制解存在较大差异,为了找到1个合适的震源机制解来研究此次地震的发震方式,通过数学方法得到了与现有震源机制解差别最小的中心震源机制解,节面I的走向、倾角、滑动角分别为194.78°、52.68°和139.16°,节面Ⅱ的走向、倾角、滑动角分别为312.44°、58.67°和45.22°,根据本次地震余震分布拟合得到的断层面的走向为312.17°,与中心震源机制的节面Ⅱ走向一致,因而推断节面Ⅱ为本次地震的发震断层面。之后,利用此次地震之前震源区地震的震源机制解,反演了震源区的震前构造应力场。结果表明,长宁6.0级地震的中心震源机制解和震源区震前应力场均为逆冲型为主兼走滑分量的类型,震前应力场压轴为NWW-SEE向,中间轴为NNE-SSW向,两轴倾角接近水平,而张轴较陡,表现为逆冲型的应力场。将反演得到的应力场投影到中心震源机制解给出的与余震分布一致的节面上,发现中心震源机制解的滑动角和应力场预测的滑动角差别仅为13.45°,表明此次地震受背景应力场控制而发生在先存的薄弱面上。

2010年青海玉树Ms7.1级地震中心震源机制解及震源区构造应力场研究

2010年4月14日,青海玉树发生Ms7.1级地震。通过建立求解震源机制中心解的目标函数以及Levenberg-Marquardt迭代等数学方法求出了多个震源机制解的中心解,并结合前人资料,推断节面I(走向119.90°,倾角84.07°,滑动角-9.95°)为本次地震的主断层面。其次,从前人文献和Global GMT中共收集了50个该震源区震源机制资料,通过全局网格搜索法反演出该区的应力场,并基于反演得到的应力张量分析了玉树地区的震源机制表现。结果表明:(1)研究区域压轴(σ_(1))近北东向,张轴(σ^(3))近北西向,两轴近水平,与该地震的震源机制中心解均表现为走滑型应力状态。(2)受青藏高原物质东流及印度块体向北挤压,导致该区域发育多条北西—南东走向且以左旋走滑为主的断裂带,有利于此次玉树地震的发生。(3)此次地震未在反演出的应力场的最优节面(相对正应力和剪应力最大节面)上发生,推测该地震破裂不是将应力场作用于完整的岩石块体上导致的破裂,而是发生在已存在的薄弱面上的滑动。

2023年山东平原M 5.5地震对周围区域的应力影响

为深度剖析2023年山东平原M 5.5地震对周围区域的影响,首先结合不同震源机制结果确定了本次地震的震源机制中心解:节面Ⅰ走向124.02°、倾角72.37°、滑动角-19.54°,节面Ⅱ走向220.16°、倾角71.41°、滑动角-161.36°,该地震的震源机制与当地的应力场较为符合,是在当地构造应力场作用下的一次正常能量释放,并且节面Ⅱ的相对剪应力和正应力的结果比节面Ⅰ更容易破裂,再结合该地震断层走向判断节面Ⅱ为本次地震的发震断层面。然后基于本次地震的破裂模型及均匀弹性半空间模型,计算此次地震对周围地区产生的地表同震位移场及水平应变场,发现震中北侧和南侧的物质向外涌出,而西侧的物质涌入震中,在发震断层附近呈现明显的走滑机制;震中南北两侧隆升,西侧沉降;震中西侧的面应变分布呈现压缩,南北侧呈现伸张。最后计算该地震在周围主要活动断层上产生的库伦应力变化,结果表明平原M 5.5地震对沧东断裂北段、聊城—兰考断裂北段、高唐断裂、徐黑西断裂和埕西—丰二庄断裂的库伦应力变化不明显,对齐河—广饶断裂西段和临邑断裂的最大应力卸载量达到了千Pa量级,对夏口断裂和陵县—阳信断裂的库伦应力最大增加量达到百Pa量级,对沧东断裂中段的库伦应力最大增加量和卸载量均达到千Pa量级,应注意沧东断裂中段库伦应力变化较高区域的地震活动性。

希腊克里特MW6.0地震后的应力方向变化与强余震发生

地震的震源机制是地壳应力变化的指示器,而地壳应力变化与强震的发生直接相关。前人研究了地震震源机制变化在视应力较高的走滑型大震前的应力变化过程,而未见到震源机制变化对视应力较低的正断型大震发生的指示作用的研究。文章以2021年希腊克里特M W6.0正断型地震序列为例,通过计算地震序列震源机制解与区域应力场方向之间最小空间旋转角的变化,揭示应力变化与强震发生的关系。为保证震源机制解的准确性,采用多家机构确定的震源机制得到中心震源机制作为该地震的震源机制,而后采用该地震序列精确的震源机制求解当地应力场,最后计算地震震源机制与主震震源机制及与所估计的地壳应力场方向的空间旋转角随时间的变化,探索强震发生与应力场变化的关系。结果表明:在主震发生的短期内,余震震源机制与该区域应力场方向的空间旋转角较大,与其后小震级的弱地震活动对应;随后余震震源机制与应力场方向的空间旋转角减小,对应后面发生的3次M W>5.0的强余震,在此之后的长时间内余震震源机制和应力场方向的空间旋转角再次增大,对应的余震震级及频度皆明显下降。文章以2021年希腊克里特M W6.0地震序列为例,发现视应力较低的正断型地震前也存在应力方向集中现象,为探索地震应力前兆提供了范例。

利用DGPS技术实现可控震源的源驱动施工

本文通过介绍DGPS的原理,阐述了利用DGPS技术在Sercel公司400系列地震仪器中对可控震源源驱动施工进行实时质量监控,并通过自动计算震源组合中心(COG)的方法实现自动查找对应的震源组合中心,从而启动地震仪器采集的源驱动施工方法。该方法大幅度地提高了可控震源COG位置的精度和施工效率。

2022年墨西哥米却肯州7.6级地震序列的触发关系及发震动力学探讨

2022年9月19日墨西哥米却肯州发生M_(W)7.6地震,该地震位于北美板块与科科斯板块交汇处。为进一步研究本次地震对周围断层和后续地震的影响,剖析该地震的孕震背景和发生条件,首先使用包括USGS在内的多个国外地震机构得到的墨西哥M_(W)7.6地震以及后续的两次M_(W)>5.0地震的震源机制解,分别计算出震源机制中心解,然后通过计算主震产生库伦破裂应力变化来研究本次地震对后续两次地震的触发作用,最后收集了1976年1月1日至2022年5月31日发生在本次地震附近的M_(W)≥4.9的29条震源机制解数据,反演该地区的构造应力场,并模拟在局部构造及其作用下产生的各种断层形状及相对正应力和剪应力的分布情况。研究结果表明:①震源机制中心解表明主震和6.8级余震为逆冲型地震,而5.8级余震的震源机制为正断型地震;②本次地震对5.8级和6.8级余震的库伦破裂力变化均超过0.01MPa的阈值,表明这两次强余震可能是在主震的触发下发生的;③震源区应力场的主压应力轴为NNE-SSW向,主张应力轴近乎垂直。本地震序列的断层破裂近乎沿应力场的最大剪应力平面发生,最大限度地释放了构造运动积累的应力。

芦山M_S7.0地震究竟发生在哪里?

精心挑选速度模型和观测资料,利用逆时成像技术对2013年4月20日发生在四川芦山的MS7.0地震的起始破裂点和震源中心进行成像.成像结果表明,地震的起始破裂点位于北纬30.289±0.005°,东经102.946±0.007°,震源深度11.8±2.3km;震源中心在前3.5s时间内与破裂起始点相同,在前9.5s时间内也基本稳定在北纬30.27°和东经102.94°,距起始破裂点不远,意味着芦山MS7.0地震呈双侧破裂.

2016年青海门源M_S6.4地震重定位

利用中国地震科学台阵探测项目中部分台站和青海、甘肃地震台网的观测资料,选取最佳速度模型,利用逆时成像技术对2016年1月21日青海门源M_S6.4地震的起始破裂点和震源中心进行成像分析.结果表明:门源地震的发震时刻为北京时间2016年1月21日1时13分11s,起始破裂点位于(37.67°N,101.61°E),震源深度为9.41km;震源中心的位置变迁可以分为1—6s和7—10s两个阶段,且均基本位于倾角约75°、倾向NE的斜面附近.根据震源中心的迁移特征,推测走向为335°,倾角为56°,滑动角为97°的节面为门源地震的破裂面.结合该地震滑动角较大及高倾角逆冲构造的活动特征,认为门源MS6.4地震应为冷龙岭北侧高倾角次级逆断层活动的结果.

基于H-C方法的地震断层面快速识别方法研究——以2021-05-22青海玛多MS7.4地震为例

基于震后各机构给出的玛多M_(S)7.4地震震源机制解,利用震源-矩心(H-C)方法对地震发震断层进行快速判断,在不需要参考余震情况下,快速识别地震破裂方向。18组测定结果均显示,NWW走向的节面Ⅰ为发震断层面。综合利用震源区地质构造特征、震后余震序列分布、区域构造应力场、烈度等震线以及野外地质考察结果,验证断层测算结果的准确性,最终推断玛多M_(S)7.4地震断层面为NWW走向的节面Ⅰ、昆仑山口-江错断裂为发震断层,震源机制解显示是一次以左旋走滑为主的地震事件。

2022年9月5日泸定M_(S)6.8地震对周围地表和后续地震的影响及与背景应力的关系

为确定2022年9月5日四川泸定M_(S)6.8地震的破裂方式及对周围区域的影响,首先收集整理各机构和学者的震源机制解,给出可信的震源机制中心解,然后使用地震破裂模型计算了同震位移场和应变场,以及泸定M_(S)6.8地震对M_(S)5.0地震的库仑破裂应力变化,分析其对后续地震的影响。结果显示:震源机制中心解节面I走向为163.55°,倾角为79.39°,滑动角为-0.11°;节面Ⅱ走向为253.57°,倾角为89.89°,滑动角为-169.39°,是一次走滑型地震。位移场和面应变都呈四象限分布,且位移以水平位移为主,符合走滑型地震产生的位移场特征;M_(S)6.8级地震在10月22日M_(S)5.0地震的破裂面和滑动方向上产生的库仑破裂应力变化为0.168MPa,表明对后者的发生有触发作用;将当地的应力场投影到M_(S)6.8地震的断层面上,得到相对剪应力和正应力分别为0.772和0.225,表明本次M_(S)6.8地震是在当地应力背景下,应变能积累后的一次正常释放。

以克罗地亚M_(S)6.4地震为例检验震前应力集中现象

为检验大震发生之前是否有应力集中现象,本研究以2020年克罗地亚M_(S)6.4地震及其序列为例,采用比较地震序列的震源机制之间最小空间旋转角的方法来研究应力变化关系。最终发现,主震发生前的一段时间内,该地区发生的不同地震之间的震源机制中心解有趋近主震震源机制中心解的趋势;主震之后,余震的震源机制和主震震源机制之间的差别逐渐增大,并离散开来。此变化趋势一方面是对“应力集中和应变能释放”假说的印证,另一方面则间接说明了该地区的应力分布。由于此次大地震的发生而进行了局部调整,致使局部应力集中趋于平缓,该地区的区域构造板块或许开始进入到下一个应力积累阶段。

汶川地区区域构造应力场特征及汶川M_(S)8.0地震对周围主要断层面的影响

为剖析2008年汶川M_(S)8.0地震对后期地震的影响及发震区域构造应力场特征,首先利用2008年5月12日—2013年4月19日汶川地震及其邻区的1660条震源机制解,同时采用同一地震多个震源机制中心解的方法筛去重复地震事件的震源机制解,最终获得911个震源机制解。其次,通过网格搜索法分段反演出区域构造应力场。结果显示:东北区主要受WNW-ESE向的挤压,西南区受W-E向的挤压,中区受WSW-ENE向的挤压。西南到东北主压应力轴方向有所变化,这可能与龙门山地区受到来自印度板块北北东方向的俯冲推挤、四川盆地的阻挡和巴颜喀拉块体东南向挤压的联合作用有关。然后,基于USGS给出的汶川M_(S)8.0地震的破裂模型,计算出该地震对附近强震的触发关系,结果表明,本次汶川地震对同属龙门山断裂西南端的芦山地震触发作用明显,对位于东昆仑断裂上的玛多地震也有一定的触发作用。最后,计算汶川M_(S)8.0地震对周围断层的同震库仑应力变化,发现本次地震造成龙门山断裂南北两端、秦岭南缘断裂、鲜水河断裂东南端、东昆仑断裂、白玉断裂的库仑破裂应力增加,龙门山断裂南北两端和秦岭南缘断裂增加最为明显,对分析地震危险性有一定的参考意义。