震源破裂过程反演方法研究

论文摘要

基于震源理论、利用地震波形资料、通过反演技术研究地震震源的破裂过程是定量认识震源运动学特性的最有效的途径,因此,地震破裂过程的数字波形反演和成像成为近年来地震学研究的前沿和热点问题。震源运动学研究的发展对于震源动力学研究、地震预测以及震后抢险救灾都有着重要的理论和现实意义,所以,能够从地震记录中获得越来越多的震源运动学信息以便更全面地描述震源破裂的复杂性成为此类研究的努力方向。然而,随着未知量的增加,分析结果的不确定性也在增加。因此,如何在确保结果的确定性或稳定性前提下,最大限度地从地震资料中获取震源运动学信息便成为当前利用数字波形资料分析震源复杂性的研究中的一大难题。例如:现有的许多关于震源破裂过程的反演分析中,为了达到使反演稳定的目的,人为地设置了关于破裂速度、子断层震源时间函数形状和发震断层机制固定不变等前提条件。众所周知,不恰当的前提条件往往会扭曲反演结果。因此,本研究的任务是基于震源基本理论,发展、改进和优化利用地震波形资料研究震源运动学问题的方法,其目标是在保证反演稳定可靠的基础上,尽量减少人为设置的前提,尽量获取多的震源信息。本文首先从位移表示定理出发,推导了用于地震震源破裂过程反演分析的基本方程,构建了视震源时间函数反演方法和直接波形反演方法的一般形式,并首次从理论上分析讨论了不同的资料组合对反演结果的分辨能力的影响(尤其是空间分辨能力);然后,在前人工作的基础上,优化、改进和发展了多种用于震源破裂过程反演分析的方法,并通过数值试验和实际震例检验了这些方法的优越性。为了获取稳定可靠的视震源时间函数,本文引入了PLD(映射Landweber反褶积: Projected Landweber Deconvolution)方法,并专门针对视震源时间函数的提取构造了遗传算法。数值试验和对实际资料的应用结果表明,相对于传统的水平线方法,这两种方法都有着相当的优越性。利用这两种方法,本文提取了2005年克什米尔M_W7.6地震各个震相的视震源时间函数和2001年昆仑山口西M_W7.8地震的瑞雷波视震源时间函数。与其它研究结果的比较表明,本研究得到的结果是十分可信的。为了在震源机制固定的情况下利用视震源时间函数或直接利用波形资料获取稳定可靠且符合实际的反演结果,本文放开对子断层时间函数的形状的前提假设,引入拉普拉斯方程实现了破裂在时间上和空间上的光滑约束,以及标量地震矩最小约束,实现了约束条件的合理且高效化,构建了新的反演方程。对2005年克什米尔M_W7.6地震、2001年昆仑山口西M_W7.8地震和2007年宁洱M_S6.4地震的应用表明,本文提出的方法效果甚佳。为了获取滑动方向在地震断层面上的变化信息,同时保证反演结果的稳定性,在保持线性反演的前提下,本文找到了约束子断层在走向和倾向上具有相同时间过程的技术途径。利用这种方法,本文分析了2004年苏门答腊—安达曼M_W9.3地震的时空破裂过程。分析结果和其它研究结果的比较表明,这种方法的应用是非常成功的。为了获取震源机制在地震过程中的变化信息,实现对震源区不同空间位置子事件不同震源机制的再现,本文首次提出通过线性反演过程对地震破裂过程成像的方法和技术途径。利用这种方法,不但可以得到震源机制随空间的变化,而且可以通过逐步搜索法估计地震的最佳破裂速度。这种方法和技术途径的优越性在对2001年昆仑山口西M_W7.8地震的应用中得到了充分的体现。最后,针对2008年发生在四川的汶川M_W7.9地震,除震后的快速响应外;我们还采用本文中介绍的多种方法进行综合细致的分析,得到了此次地震较为详细的破裂过程解。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 震源研究进展和破裂过程研究的必要性
• 1.2 视震源时间函数研究
• 1.3 地震震源破裂过程研究
• 1.3.1 现有破裂过程反演方法的分类介绍
• 1.3.2 破裂过程反演通常采用的约束条件
• 1.4 破裂过程反演研究存在的问题
• 1.5 本文的研究内容
• 1.5.1 问题
• 1.5.2 研究特色
• 1.5.3 论文结构
• 第二章 地震破裂过程反演原理与资料分辨能力
• 2.1 地震破裂过程反演原理
• 2.1.1 公式推导
• 2.1.2 地震破裂的多普勒效应
• 2.2 资料对破裂行为的分辨能力
• 2.2.1 时间分辨能力
• 2.2.2 空间分辨能力
• 2.3 讨论和结论
• 2.3.1 破裂速度对观测地震波形的影响
• 2.3.2 波形资料的分辨能力
• 2.3.3 远场资料与近场资料反演
• 2.4 小结
• 第三章 视震源时间函数的提取：方法与应用
• 3.1 视震源时间函数提取的基本方程
• 3.2 格林函数的选取
• 3.3 常规的视震源时间函数提取方法
• 3.3.1 水平线方法、正则化方法以及平滑频谱方法
• 3.3.2 线形矩阵反演方法
• 3.3.3 非线性方法
• 3.4 本文采用的视震源时间函数提取方法
• 3.4.1 PLD 方法
• 3.4.2 遗传算法
• 3.5 方法比较和方法讨论
• W7.6）的视震源时间函数'>3.6 应用实例1：2005 年克什米尔地震（M_W7.6）的视震源时间函数
• W7.8）的瑞雷波视震源时间函数'>3.7 应用实例2：2001 年昆仑山口西地震（M_W7.8）的瑞雷波视震源时间函数
• 3.8 讨论
• W7.6 地震视震源时间函数结论的讨论'>3.8.1 2005 年克什米尔M_W7.6 地震视震源时间函数结论的讨论
• W7.8 地震视震源时间函数结论的讨论'>3.8.2 2001 年昆仑山口西M_W7.8 地震视震源时间函数结论的讨论
• 3.9 小结
• 第四章 基于视震源时间函数的震源破裂过程反演
• 4.1 理论与方法
• W7.6 地震震源破裂过程'>4.2 应用实例1：用P 波视震源时间函数反演2005 年克什米尔M_W7.6 地震震源破裂过程
• 4.3 用视震源时间函数反演破裂过程方法的优化和改进
• W7.8 地震震源破裂过程'>4.4 应用实例2：用瑞雷波视震源时间函数反演2001 昆仑山口西M_W7.8 地震震源破裂过程
• 4.5 讨论
• 4.5.1 约束方式的修改
• 4.5.2 关于本章的应用实例和反演结果
• 4.6 小结
• 第五章 单一机制情况下的直接波形反演
• 5.1 理论与方程
• 5.2 约束条件
• 5.2.1 光滑约束条件
• 5.2.2 标量地震矩最小
• 5.2.3 最大破裂速度有限约束
• 5.2.4 子断层破裂持续时间有限
• 5.2.5 滑动不能反向
• 5.3 方法检验
• 5.3.1 正演检验
• 5.3.2 反演检验
• 5.3.3 误差存在情况下的反演测试
• W7.6 地震的震源破裂过程'>5.4 应用实例1：2005 克什米尔M_W7.6 地震的震源破裂过程
• S6.4 地震震源破裂过程'>5.5 应用实例2：2007 云南宁洱M_S6.4 地震震源破裂过程
• S6.4 地震'>5.5.1 2007 年云南宁洱M_S6.4 地震
• 5.5.2 数据处理和断层面参数确定
• 5.5.3 破裂过程反演
• 5.5.4 讨论
• 5.6 讨论
• 5.6.1 假定子断层震源时间函数形状的影响
• 5.6.2 关于破裂过程反演中数据资料长度
• 5.6.3 视震源时间函数反演和直接波形反演的区别
• 5.7 小结
• 第六章 子断层滑动角可变情况下的直接波形反演
• 6.1 方程构建
• 6.2 约束条件
• 6.2.1 子断层具有相同时间过程
• 6.2.2 其它约束条件
• 6.3 方法检验
• 6.3.1 正演检验
• 6.3.2 反演检验
• 6.3.3 误差存在情况下的约束条件的作用
• W7.6 地震破裂过程'>6.4 应用实例1：2004 年克什米尔M_W7.6 地震破裂过程
• W9.3 地震破裂过程'>6.5 应用实例2：2004 年苏门答腊—安达曼M_W9.3 地震破裂过程
• 6.5.1 介绍
• 6.5.2 数据和震源模型
• 6.5.3 分辨率测试
• 6.5.4 破裂过程反演
• 6.6 讨论
• 6.7 小结
• 第七章 震源机制可变情况下的直接波形反演
• 7.1 理论与方程
• 7.2 约束条件
• 7.2.1 给定子断层震源时间函数形状
• 7.2.2 纯剪切错动情形
• 7.2.3 空间光滑约束
• 7.2.4 破裂速度恒定
• 7.3 方法测试
• 7.3.1 正演测试
• 7.3.2 反演测试
• 7.3.3 单一破裂速度反演测试
• 7.3.4 具有多个破裂速度的破裂过程反演测试
• W7.8 地震研究'>7.4 应用实例：2001 年昆仑山口西M_W7.8 地震研究
• 7.4.1 恒定破裂速度反演
• 7.4.2 震中附近的破裂行为
• W7.8 地震的破裂过程与破裂中的机制变化'>7.4.3 2001 年昆仑山口西M_W7.8 地震的破裂过程与破裂中的机制变化
• 7.5 讨论
• 7.6 小结
• W7.9 地震震源特性综合分析'>第八章 2008 年汶川M_W7.9 地震震源特性综合分析
• W7.9 地震破裂过程快速测定'>8.1 汶川M_W7.9 地震破裂过程快速测定
• W7.9 地震破裂过程综合分析'>8.2 汶川M_W7.9 地震破裂过程综合分析
• W7.9 地震的视震源时间函数'>8.2.1 汶川M_W7.9 地震的视震源时间函数
• W7.9 地震破裂过程'>8.2.2 视震源时间函数方法反演汶川M_W7.9 地震破裂过程
• W7.9 地震破裂过程'>8.2.3 单一机制下直接波形方法反演汶川M_W7.9 地震破裂过程
• W7.9 地震破裂过程'>8.2.4 子断层滑动角可变方法反演汶川M_W7.9 地震破裂过程
• W7.9 地震破裂过程'>8.2.5 震源机制可变方法反演汶川M_W7.9 地震破裂过程
• 8.3 小结
• 第九章 讨论和展望
• 9.1 讨论
• 9.1.1 反演的稳定性
• 9.1.2 计算效率和程序优化
• 9.1.3 线性反演和非线性反演
• 9.2 展望
• 9.2.1 精细可靠的地下介质结构
• 9.2.2 反演方法
• 9.2.3 丰富的高信噪比台站资料
• 9.2.4 大地测量资料
• 参考文献
• 研究生期间发表论文及科研获奖情况
• 致谢