大地震破裂同震辐射频率关系研究

摘要

二十一世纪以来全球范围内大地震的频发与地震观测手段的进步，为我们研究大地震的破裂过程提供了前所未有的机会。前人在对俯冲带大地震的研究中发现.大地震破裂过程中的不同频率的同震辐射具有随深度系统变化的模式。这种频率-深度对应关系的地震学观测结果为我们认识俯冲带区域断层表面相关的物理性质提供了极大的帮助。但是这种频率相关性仍然存在一些不能确定的问题，例如，这种频率相关性是仅限于俯冲带区域的逆冲型地震还是对其他类型的地震都存在？是什么物理机制导致了这种高低频率下同震辐射的不同分布？这种同震辐射的观测对我们认识大地震破裂过程有什么更加深刻的参考意义？为了解决这一系列的问题，本文中我们采用频率域压缩感知方法，一种高精度的反投影方法，对五年来发生的三个代表性大地震的同震辐射分布进行了系统的研究。
　　首先，我们在传统的频率域压缩感知方法的基础上，针对该方法在研究大地震破裂过程中的存在的两个问题对原方法进行了改进，发展了一种改进后的压缩感知方法:
　　1）传统的压缩感知方法空间分辨率和计算效率受到震源区网格大小的限制，精细的网格可以提高空间分辨率，但是会大大增加计算量。因此我们发展了基于自适应网格的压缩感知方法，在保证了足够的空间分辨率的同时提高了压缩感知方法的计算效率;
　　2）为了保证时间分辨率，我们使用滑动时间窗截取根据P波到时对齐的远震P波数据，在大地震破裂的后期阶段，波形往往会由于能量辐射位置的不同产生倾斜，为我们使用滑动时间窗截取的数据引入系统误差，因此我们在计算的过程中采取一种滑动窗时间矫正的方法，减轻了由于截窗对结果产生的影响。针对这一系列的改进，我们设计了相应的人工测试来确保方法的可行性。
　　应用压缩感知方法，我们研究了最近发生的不同类型的三个大地震破裂过程中的同震能量辐射源的时空分布:
　　1）2012年苏门答腊Mw8.6大型走滑地震，这是目前人类记录到的最大的走滑型地震，我们的结果表明该地震的破裂过程极其复杂，分为多个阶段，涉及到当地复杂的共轭断层结构;
　　2）2015年发生在喜马拉雅陆陆碰撞带上的尼泊尔Mw7.8级地震，其破裂过程自西北沿喜马拉雅碰撞带走向向东南方向单侧传播;
　　3）2015年发生在南美俯冲带智利的Mw8.3级地震，该地震属于典型的俯冲带大地震，其破裂从震中出发向主要向浅部传播。对于这三个地震我们的频率域结果均显示出明显的能量辐射频率相关性，即不同频率同震辐射源的空间分布存在系统的差异性。
　　在通过分辨率测试确保我们结果的可信性之后，我们将这几个地震的同震辐射源分布分别与同震滑移分布以及由同震滑移计算得到的同震剪切应力变化（静态应力降）进行对比。我们的对比结果显示，地震同震过程中的低频辐射源与断层面上的高滑移以及剪切应力下降区域相对应，对应该区域大尺度凹凸体(asperity)的破裂以及累积应力释放的过程;而高频辐射源往往对应断层面上高滑移区域的边界，并且对于逆冲型地震（俯冲带、陆陆碰撞区域），高频辐射常常对应高滑移区域在断层下倾(downdip)方向的边界。同时这些高频辐射源处于同震过程中断层面上剪切应力增加的区域，可能是由于小尺度凹凸体在同震过程中被加载破裂所产生。这种频率相关性现象不仅与前人在俯冲带发现的频率-深度对应关系是相吻合的，更是一种补充。我们认为，同震辐射的频率相关性可能并不限于某种类型的地震，或者某些局部区域，而是一种来源于地震断层面物理性质的一种普遍存在的现象。这种方法对于地震的研究，可以更直接地帮助我们认识和理解破裂过程的动力学特性以及大地震的物理机制。

目录

声明

摘要

第1章 研究背景介绍

第2章 研究方法与测试

2．1 压缩感知的基本原理

2．2 反演方法与基本分辨率测试

2．3 自适应网格算法

2．4 滑动窗时间矫正方法

2．5 方法小结

第3章 地震基本信息与数据

3．1 苏门答腊Mw8．6级地震

3．2 尼泊尔Mw7．8级地震

3．3 智利Mw8．3级地震

第4章 地震破裂同震辐射的时空分布

4．1 苏门答腊Mw8．6级地震

4．2 尼泊尔Mw7．8级地震

4．3 智利Mw8．3级地震

第5章 讨论

5．1 同震辐射与同震滑移

5．2 同震辐射与同震应力降分布

5．3 大地震同震辐射的频率相关性

第6章 总结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果