温联星研究组
 
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本研究组发展了一套确定小地震破裂方向的新方法

2019-04-20

地震破裂是有方向性的。假设地震沿单侧破裂,在背着破裂方向时,震源时间函数宽度变宽且振幅变小;而在迎着破裂方向时,震源时间函数宽度变窄且振幅变大。地震破裂方向性不仅是控制强地面运动的一个重要因素,可用于防震减灾;还可以帮助我们区分断层面,了解研究区域的断层分布情况。但对于震级很小的地震(ML < 3.3),由于其破裂尺度小,震源到台站的路径效应复杂,确定其破裂方向性是很困难的。中国科学技术大学地震与地球内部物理实验室温联星研究组提出了一套确定小地震破裂方向的新方法并将其命名为Relative Directivity Inversion method,简称RDI方法。该方法已发表在国际知名地学期刊 《国际地球物理学杂志》(Geophysical Journal International)(论文链接)。其作者为研究组博士生徐妍妍及其导师温联星教授。

在RDI方法中,需要用到重复地震对。地震对中包含震级较小的参考地震和震级较大的目标地震。其中,参考地震是为了去除震源到台站的复杂的路径效应,我们假设参考地震的破裂没有方向性,即参考地震的起始破裂点(图1中黑色五角星)和质心能量位置(图1中黑色圆圈)在同一处。若目标地震沿着单侧破裂,以较小邻近地震的起破点和质心位置作为参考,分别用震相初至到时差和主能量到时差来确定较大事件的起始破裂位置和质心能量位置,那么,从起始位置到质心能量位置的方向即为目标地震的破裂方向,两个位置之间距离的二倍约为其整个破裂长度(图1)。采用RDI方法,我们可以确定小地震(ML < 3.3)的破裂方向,并估计其破裂尺度。 我们将该方法用于确定日本内陆一个地震群中目标地震20100411的破裂方向,该地震震级为ML 3.2. 我们确定该地震沿N223°W方向大约破裂了350 m,破裂误差约为127 m(图2a)。反演得到的目标地震的破裂方向从该地震群中的地震分布特征(图2b)、地震对之间的主能量到时差(图3) 和理论测试(图4)三个方面得以验证。

RDI方法在确定地震破裂方向性方面有以下优势:(1)以较小的邻近的重复地震为参考,去除震源到台站的路径效应,反演结果不依赖于速度模型;(2)同时用高频和低频信号对地震起破点和质心位置重新定位,定位精确;(3)在定位的过程中引入互相关技术,避免了人为误差;(4)给定大致的破裂尺度;(5)不需要地质方面的先验信息等。其应用前景也相当广泛:(1)可以用于区分震源机制解中的断层面;(2)研究地质精细结构特别是复杂断层的分布;(3)用于地震危险性评估和抗震设防等。

图1 Relative directivity inversion method (RDI 方法)。

图1 Relative directivity inversion method (RDI 方法)。

图2 a, 目标地震20100411的方向性反演结果。蓝色五角星是参考地震的位置,红色五角星是反演得到的目标地震的起破点位置,紫色五角星是反演得到的目标地震的质心能量位置,从目标地震的起破点到质心能量位置的方向即为反演得到的破裂方向(蓝绿色箭头),且二者之间的距离约为整个破裂长度的一半。b, 该地震群中所有地震相对于同一个参考地震重定位后的位置分布。该地震群中,地震沿反演得到的目标地震的破裂方向(蓝绿色箭头)排列。

图2 a, 目标地震20100411的方向性反演结果。蓝色五角星是参考地震的位置,红色五角星是反演得到的目标地震的起破点位置,紫色五角星是反演得到的目标地震的质心能量位置,从目标地震的起破点到质心能量位置的方向即为反演得到的破裂方向(蓝绿色箭头),且二者之间的距离约为整个破裂长度的一半。b, 该地震群中所有地震相对于同一个参考地震重定位后的位置分布。该地震群中,地震沿反演得到的目标地震的破裂方向(蓝绿色箭头)排列。

图3 按照高频初至排列起来的参考地震(蓝线)和目标地震(红线)的波形。目标地震的能量在沿着反演得到的破裂方向(蓝绿色箭头)时到的早些,在背对着破裂方向时到的晚些。

图3 按照高频初至排列起来的参考地震(蓝线)和目标地震(红线)的波形。目标地震的能量在沿着反演得到的破裂方向(蓝绿色箭头)时到的早些,在背对着破裂方向时到的晚些。

图4 RDI方法的理论测试。图中蓝色五角星为设定的参考地震的位置。假定目标地震从设定的起破点(棕色五角星)破裂至结束(黑色五角星),整个破裂用图中黑色箭头表示。采用RDI方法反演得到的破裂方向(蓝绿色箭头)与设定的方向(黑色箭头)相同,且反演得到的地震起破点(红色五角星)到质心位置(紫色五角星)的距离约为设定的破裂长度的一半。

图4 RDI方法的理论测试。图中蓝色五角星为设定的参考地震的位置。假定目标地震从设定的起破点(棕色五角星)破裂至结束(黑色五角星),整个破裂用图中黑色箭头表示。采用RDI方法反演得到的破裂方向(蓝绿色箭头)与设定的方向(黑色箭头)相同,且反演得到的地震起破点(红色五角星)到质心位置(紫色五角星)的距离约为设定的破裂长度的一半。

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