基于TDE模型的同震破裂反演算法及震例研究

摘要

地震学研究是强烈依赖观测数据的一门边缘学科。自上世纪八十年代末九十年代初起，历经约二十载的发展，以全球导航定位系统（GNSS或GPS）和合成孔径雷达干涉测量（InSAR）等为主的大地测量技术，通过获取高精度、高时间分辨率及大面积连续覆盖的地表形变数据，已经发展成为研究地震运动学与动力学特性的重要手段，如获取地震形变周期特征、反演震源滑动参数及模拟震后介质流变学性质等。其中，基于大地测量手段获取的同震数据与线弹性位错理论模型，反演获得地震震源错动参数，是大地测量技术应用于地震研究最为成功的领域之一，已经发展成为认识地震发震机理及研究地震破裂机制的最直观的手段。知道，以往多数研究均基于Okada位错模型的矩形元算法进行反演，在模拟单一平面断层时具有建模简单快速等优点，而在构建复杂几何模型时往往存在重叠或空区；这种重叠和空区将阻碍精细反演的发展和挖掘断层破裂细节的能力，甚至可能造成认识上的误解。现有诸多研究显示，发震断层的几何结构往往存在较大的空间变换，构建复杂断层模型具有较强的实际应用价值。利用三角元构建的复杂断层几何模型可以准确模拟连续光滑曲面，从而克服了传统矩形元模型的空区和重叠问题。 因而，本文基于三角元模型开发了三角元正演程序模块，研究并实现了复杂断层三角元快速离散化算法和基于大地测量数据的三角元（TDE，triangular dislocation element）反演程序，解决了以往研究中断层模型普遍存在的重叠或空区等问题，并将以上研究成果应用到2015年Mw8.3Illapel Mw8.3地震，2015年Gorkha Mw7.9地震和2016年Mw7.0Kumamoto地震的研究分析当中。论文获得如下主要结论： 1、根据最新的无奇异点TDE组合算法解析解公式编写了正演程序模块，并与Okada位错解析解模拟结果进行了对比分析，测试并验证了TDE正演程序模块的稳定性和可靠性。 2、研究并实现了快速建立复杂断层的三维几何模型离散化程序，实现了不同走向、不同倾角、多分段等复杂断层三维曲面三角元快速离散化功能。 3、基于使用附有约束条件的最小二乘算法编写了TDE反演程序模块，实现了对复杂断层几何模型中三角单元的滑动分布反演和地震矩与震级的计算等。 4、利用测试板（check-board）测试原理对TDE反演程序进行了分辨率测试反演，并与现有的Okada反演程序进行对比验证，分析了TDE反演程序的特点、优势及其可靠性等。 5、利用TDE反演程序对三次不同类型且具有复杂断层几何结构的地震进行了示范性研究，包括发生在大洋俯冲带的2015年智利Mw8.3Illapel Mw8.3地震、板内大型逆冲地震2015年尼泊尔Gorkha Mw7.9地震和板内复杂走滑型地震2016年日本Mw7.0Kumamoto地震，从不同侧面对具体震例所揭示的科学问题进行了详细研究和讨论。

目录

声明

第一章 绪论

1.1震源参数的大地测量数据反演

1.1.1震源参数

1.1.2大地测量数据反演

1.2大地测量数据反演运动学模型研究现状

1.2.1 Okada模型发展研究现状

1.2.2 TDE模型发展研究现状

1.2.3存在问题

1.3研究内容、技术路线及章节安排

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

1.3.3章节安排

第二章 大地测量数据反演基本理论与方法

2.1 位错模型基本理论

2.1.1 Okada位错模型

2.1.2 三角元位错模型

2.2 大地测量数据反演函数模型

2.3 震级计算方法

第三章 TDE_inv反演程序实现

3.1 TDE_inv反演程序功能及架构

3.1.1 TDE_inv反演程序功能

3.1.2 TDE_inv反演程序架构

3.2复杂断层离散化模块实现

3.2.1复杂断层离散化模块实现方案

3.2.2复杂断层离散化输入文件

3.2.3复杂断层离散化样例

3.3 TDE_inv输入、输出文件

第四章 TDE_inv程序反演测试

4.1 TDE_inv同震形变场模拟

4.1.1走滑断层同震形变场模拟

4.1.2逆冲断层同震形变场模拟

4.2走滑断层滑动分布反演测试

4.2.1走滑断层滑动三分量数据反演测试

4.2.2走滑断层滑动视线向数据反演测试

4.3逆冲断层滑动分布反演测试

4.3.1逆冲断层滑动三分量数据反演测试

4.3.2逆冲断层滑动视线向数据反演测试

4.4平滑约束因子反演测试

第五章 实际震例反演分析

5.1洋陆板间地震-2015年Mw8.3 Illapel地震

5.1.1发震背景介绍

5.1.2同震形变场数据分析

5.1.3同震破裂模型

5.1.4地震危险性分析

5.2板内俯冲型地震-2015年Mw7.9尼泊尔地震

5.2.1构造背景

5.2.2同震形变场数据分析

5.2.3同震破裂模型

5.2.4区域构造与库仑应力讨论

5.3陆内走滑型地震-2016年Mw7.0熊本地震

5.3.1构造背景

5.3.2同震形变场数据分析

5.3.3同震破裂模型反演

5.3.4熊本地震破裂过程分析

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢