俯冲带复杂结构的远震格林函数及其在震源反演中的应用

摘要

俯冲带作为板块碰撞边界，具有地质条件复杂、地震多发、构造活跃等特征。俯冲带的地形起伏剧烈，比如南美洲沿智利海岸的安第斯山与毗邻的秘鲁-智利海沟高差达～14km;而地球上大多数中强及大地震都集中在这里，俯冲带地震所释放的能量占全球总量的80％以上(Pacheco and Sykes，1992)。对于这些俯冲带中强及大地震(Mw＞5.5)，全球数千台宽频带地震仪器在远震距离(30°～90°)上通常有较好的方位角覆盖、其记录的体波波形信噪比较高。远震体波是反演震源参数的重要数据，而准确的格林函数是远震体波震源反演的关键。传统远震格林函数计算考虑了射线在地壳分层介质中的响应以及在地幔中的粘弹性衰减和几何扩散效应，可以用于快速反演震源机制解参数以及有限断层震源参数。然而，其忽略了振幅与直达体波可比的核幔边界反射震相（如PcP、ScS）及震源区复杂三维结构的转换震相（如P波后续信号）。
　　传统的远震格林函数计算没有考虑核幔边界反射信号。核幔边界作为地球内部的主要界面，由于液态外核的存在，P波、S波速度在这个界面处会发生尖锐变化。在远震距离上，P波和S波在核幔边界上的反射能量振幅较大（其中SH波在核幔边界上全反射）、且在大震中距上与直达体波到时接近。本论文在Kikuchi和Kanamori(1991)的基础上，发展了包含核幔边界反射震相的远震体波格林函数计算程序Multitel3(Multiple phases of teleseismic body waves in three components)，其使用Haskell传播矩阵与射线理论相结合的方法，高效地计算远震体波中地幔转折波（直达P、S，地表反射pP、sP、sS以及地壳分层界面的多次反射震相等）和地核反射震相（PcP、ScS，pPcP、sPcP、sScS等）。本文将该远震体波格林函数计算程序作为子模块分别加入了Zhu和Helmberger(1996)的双力偶点源震源参数反演程序和Ji等人(2002)的有限断层反演程序，用于中强以及大地震的远震体波震源反演。
　　而且，基于一维分层模型的传统远震格林函数无法考虑震源区复杂三维结构转换信号。海沟作为洋-陆板块碰撞前缘，海底地形变化剧烈、通常有较厚的沉积物堆积以及深度不均匀的海水覆盖。这些复杂的三维结构会改变地表反射波的振幅、激发复杂的后续转换震相。当发震位置与激发这些复杂转换波的位置接近时，这些经结构改造的信号会与直达体波能量相互重叠，以较为一致的慢度传播至全球台站。对于这些震源区结构复杂的地震，使用远震体波波形数据进行震源参数研究时，需要在格林函数计算中考虑这些复杂的源区三维结构。Wu等人(2018)发展了谱元法SEM(Spectral Element Method)与直接解法DSM(Direct Solution Method)相结合的格林函数计算方法(简称SEM-DSM)，其利用谱元法计算震源区的三维地震波场，然后使用基于水平分层模型的直接解方法将其传播至全球其他区域，可以准确地计算考虑震源区复杂三维结构的全球短周期地震波形。本文使用该混合方法计算远场体波波形，研究俯冲带复杂结构的三维效应以及测定中强地震的震源参数。
　　本文首先定量研究了核幔边界反射震相对震源反演结果的影响，使用理论及实际震例验证了本文使用改进格林函数进行震源反演的有效性。对于中强地震点源震源参数，本文使用2014年Mw5.7盈江地震的理论波形定量测试了ScS在不同震中距范围对震源机制解、质心深度反演结果的影响;发现其最大可造成8°震源机制解、1km质心深度的参数偏差。然后，本文将改进的远震体波格林函数应用于发生在陆地的板内地震:2008年Mw6.0汶川强余震以及2008年改则Mw6.4、Mw5.9中强地震，测试使用Multitel3计算的格林函数进行远震体波震源反演的效果。对于大地震的有限断层模型，本文使用2008年Mw7.9汶川地震和2015年Mw7.8尼泊尔地震的理论波形测试了核反射震相对远震波形、反演断层模型、震源持续时间及波形拟合误差的影响;发现其会与大地震直达体波震相相互混叠，造成小尺度滑移量反演特征变化、震源持续时间变长(～20s)、波形拟合误差增大等的现象。然后，使用改进的远震体波格林函数反演了2005年Mw8.7Nias-Simulue地震的震源破裂过程模型，通过与前人反演结果的对比，发现加入核反射震相的格林函数在一定程度上提高了有限断层反演的分辨率。
　　以2015年发生于秘鲁-智利俯冲带上Illapel地区（智利中部）的两个中强余震为例（其中一个靠近海沟，另一个靠近海岸），本文通过对比分析这两个地震的远震P波、绕射P波(Pdiff)观测波形和点源震源参数反演结果，探讨了震源区三维结构对反演结果的影响。通过对比基于一维格林函数的近震及远震波形反演结果发现，靠近海岸地震的近、远震反演结果较为一致，而靠近海沟地震的震源深度差别达10km。通过远震P/Pdiff波观测数据对比可知，靠近海沟事件的波形更加复杂、存在振幅与直达震相可比的长时间持续波形(＞100s);而靠近海岸事件的波形相对简单、可观测到易理解的清晰直达震相。为了更好地拟合观测P波波形数据，本文在震源区模型中考虑了海底地形和海水等三维不均匀结构，使用SEM-DSM方法计算了远震格林函数，通过波形互相关系数方法搜索发震位置，重新确定了靠近海沟地震的水平位置及质心深度。
　　综上所述，本文发展了改进的包含核幔边界反射震相的远震体波格林函数计算方法(Multitel3)，将其应用于中强地震点源震源参数及大地震有限断层模型反演;本文使用Multitel3计算的一维远震格林函数和SEM-DSM计算的考虑震源区复杂三维结构的远震格林函数，研究了俯冲带地震在震源区的三维地震波场传播特征，并发展了基于三维模型进行近海沟地震重定位的方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 格林函数计算方法研究进展

1．2 中强及大地震远震体波反演研究进展

1．3 核幔边界反射震相与远震体波震源反演

1．4 俯冲带复杂结构转换震相与远震体波震源反演

1．5 论文结构

第二章 远震格林函数改进与震源反演应用理论

2．1 理论地震图计算

2．1．1 中强地震双力偶点源产生的位移场

2．1．2 大地震有限断层模型产生的位移场

2．2 远震体波格林函数改进

2．2．1 考虑核幔边界反射震相的远震格林函数

2．2．2 考虑震源区复杂结构的远震格林函数

2．3 基于波形拟合的震源反演方法

2．3．1 使用网格搜索方法反演双力偶点源震源参数

2．3．2 使用模拟退火方法反演有限断层震源参数

2．4 小结

第三章 使用基于射线理论的远场格林函数进行中强地震震源参数反演

3．1 引言

3．2 核幔边界反射震相对点源震源参数反演精度的影响

3．2．1 数据合成与处理

3．2．2 反演测试与分析

3．2．3 讨论

3．3 基于改进的一维格林函数进行震源机制解、质心深度反演

3．3．1 2008年5月25日Mw6．0 青川强余震

3．3．2 2008年1月9日Mw6．4 改则地震及其1月16日Mw5．9 余震

3．4 小结

第四章 使用基于射线理论的远场格林函数进行大地震震源破裂过程反演

4．1 引言

4．2 核幔边界反射震相对大地震破裂过程反演的影晌

4．2．1 核反射震相对远震波形的影响

4．2．2 核反射震相对有限断层模型的影响

4．2．3 核反射震相对震源持续时间及波形拟合误差的影响

4．2．4 讨论

4．3 基于改进的一维格林函数进行大地震破裂过程反演

4．3．1 2005年3月28日Mw8．7 Nias-Simulue地震

4．4 小结

第五章 使用一维、三维远场格林函数进行俯冲带中强地震震源参数反演

5．1 引言

5．2 震源区复杂三维结构对点源震源参数反演的影响

5．2．1 海沟结构对远震波形的影响

5．2．2 近海沟和近海岸两次事件的地震重定位

5．2．3 基于改进一维格林函数的震源机机制及质心深度反演

5．3 基于三维远震格林函数进行震源参数测定

5．3．1 海沟位置及发震断层确定

5．3．2 远震P波及绕射P波(Pdiff)波形计算

5．3．3 基于三维远震格林函数的地震重定位

5．3．4 近海沟地震的震源区三维效应

5．3．5 海底地形与海水的共同作用

5．4 讨论

5．4．1 俯冲带地震准确重定位方法及其应用前景

5．4．2 震源区三维模型设置

5．4．3 震源区三维结构对2015 Illapel Mw8．3 大地震破裂过程的影响

5．5 小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果