俯沖帶復(fù)雜結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)震格林函數(shù)及其在震源反演中的應(yīng)用.pdf

1、俯沖帶作為板塊碰撞邊界，具有地質(zhì)條件復(fù)雜、地震多發(fā)、構(gòu)造活躍等特征。俯沖帶的地形起伏劇烈，比如南美洲沿智利海岸的安第斯山與毗鄰的秘魯-智利海溝高差達(dá)～14km;而地球上大多數(shù)中強(qiáng)及大地震都集中在這里，俯沖帶地震所釋放的能量占全球總量的80％以上(Pacheco and Sykes，1992)。對于這些俯沖帶中強(qiáng)及大地震(Mw＞5.5)，全球數(shù)千臺寬頻帶地震儀器在遠(yuǎn)震距離(30°～90°)上通常有較好的方位角覆蓋、其記錄的體波波形信噪比較

2、高。遠(yuǎn)震體波是反演震源參數(shù)的重要數(shù)據(jù)，而準(zhǔn)確的格林函數(shù)是遠(yuǎn)震體波震源反演的關(guān)鍵。傳統(tǒng)遠(yuǎn)震格林函數(shù)計(jì)算考慮了射線在地殼分層介質(zhì)中的響應(yīng)以及在地幔中的粘彈性衰減和幾何擴(kuò)散效應(yīng)，可以用于快速反演震源機(jī)制解參數(shù)以及有限斷層震源參數(shù)。然而，其忽略了振幅與直達(dá)體波可比的核幔邊界反射震相（如PcP、ScS）及震源區(qū)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換震相（如P波后續(xù)信號）。
　　傳統(tǒng)的遠(yuǎn)震格林函數(shù)計(jì)算沒有考慮核幔邊界反射信號。核幔邊界作為地球內(nèi)部的主要界面，由于

3、液態(tài)外核的存在，P波、S波速度在這個(gè)界面處會(huì)發(fā)生尖銳變化。在遠(yuǎn)震距離上，P波和S波在核幔邊界上的反射能量振幅較大（其中SH波在核幔邊界上全反射）、且在大震中距上與直達(dá)體波到時(shí)接近。本論文在Kikuchi和Kanamori(1991)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了包含核幔邊界反射震相的遠(yuǎn)震體波格林函數(shù)計(jì)算程序Multitel3(Multiple phases of teleseismic body waves in three components)，

4、其使用Haskell傳播矩陣與射線理論相結(jié)合的方法，高效地計(jì)算遠(yuǎn)震體波中地幔轉(zhuǎn)折波（直達(dá)P、S，地表反射pP、sP、sS以及地殼分層界面的多次反射震相等）和地核反射震相（PcP、ScS，pPcP、sPcP、sScS等）。本文將該遠(yuǎn)震體波格林函數(shù)計(jì)算程序作為子模塊分別加入了Zhu和Helmberger(1996)的雙力偶點(diǎn)源震源參數(shù)反演程序和Ji等人(2002)的有限斷層反演程序，用于中強(qiáng)以及大地震的遠(yuǎn)震體波震源反演。
　　而且，基

5、于一維分層模型的傳統(tǒng)遠(yuǎn)震格林函數(shù)無法考慮震源區(qū)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換信號。海溝作為洋-陸板塊碰撞前緣，海底地形變化劇烈、通常有較厚的沉積物堆積以及深度不均勻的海水覆蓋。這些復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)會(huì)改變地表反射波的振幅、激發(fā)復(fù)雜的后續(xù)轉(zhuǎn)換震相。當(dāng)發(fā)震位置與激發(fā)這些復(fù)雜轉(zhuǎn)換波的位置接近時(shí)，這些經(jīng)結(jié)構(gòu)改造的信號會(huì)與直達(dá)體波能量相互重疊，以較為一致的慢度傳播至全球臺站。對于這些震源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地震，使用遠(yuǎn)震體波波形數(shù)據(jù)進(jìn)行震源參數(shù)研究時(shí)，需要在格林函數(shù)計(jì)算中

6、考慮這些復(fù)雜的源區(qū)三維結(jié)構(gòu)。Wu等人(2018)發(fā)展了譜元法SEM(Spectral Element Method)與直接解法DSM(Direct Solution Method)相結(jié)合的格林函數(shù)計(jì)算方法(簡稱SEM-DSM)，其利用譜元法計(jì)算震源區(qū)的三維地震波場，然后使用基于水平分層模型的直接解方法將其傳播至全球其他區(qū)域，可以準(zhǔn)確地計(jì)算考慮震源區(qū)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的全球短周期地震波形。本文使用該混合方法計(jì)算遠(yuǎn)場體波波形，研究俯沖帶復(fù)雜結(jié)構(gòu)的

7、三維效應(yīng)以及測定中強(qiáng)地震的震源參數(shù)。
　　本文首先定量研究了核幔邊界反射震相對震源反演結(jié)果的影響，使用理論及實(shí)際震例驗(yàn)證了本文使用改進(jìn)格林函數(shù)進(jìn)行震源反演的有效性。對于中強(qiáng)地震點(diǎn)源震源參數(shù)，本文使用2014年Mw5.7盈江地震的理論波形定量測試了ScS在不同震中距范圍對震源機(jī)制解、質(zhì)心深度反演結(jié)果的影響;發(fā)現(xiàn)其最大可造成8°震源機(jī)制解、1km質(zhì)心深度的參數(shù)偏差。然后，本文將改進(jìn)的遠(yuǎn)震體波格林函數(shù)應(yīng)用于發(fā)生在陸地的板內(nèi)地震:2008

8、年Mw6.0汶川強(qiáng)余震以及2008年改則Mw6.4、Mw5.9中強(qiáng)地震，測試使用Multitel3計(jì)算的格林函數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)震體波震源反演的效果。對于大地震的有限斷層模型，本文使用2008年Mw7.9汶川地震和2015年Mw7.8尼泊爾地震的理論波形測試了核反射震相對遠(yuǎn)震波形、反演斷層模型、震源持續(xù)時(shí)間及波形擬合誤差的影響;發(fā)現(xiàn)其會(huì)與大地震直達(dá)體波震相相互混疊，造成小尺度滑移量反演特征變化、震源持續(xù)時(shí)間變長(～20s)、波形擬合誤差增大等的現(xiàn)

9、象。然后，使用改進(jìn)的遠(yuǎn)震體波格林函數(shù)反演了2005年Mw8.7Nias-Simulue地震的震源破裂過程模型，通過與前人反演結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)加入核反射震相的格林函數(shù)在一定程度上提高了有限斷層反演的分辨率。
　　以2015年發(fā)生于秘魯-智利俯沖帶上Illapel地區(qū)（智利中部）的兩個(gè)中強(qiáng)余震為例（其中一個(gè)靠近海溝，另一個(gè)靠近海岸），本文通過對比分析這兩個(gè)地震的遠(yuǎn)震P波、繞射P波(Pdiff)觀測波形和點(diǎn)源震源參數(shù)反演結(jié)果，探討了震源

10、區(qū)三維結(jié)構(gòu)對反演結(jié)果的影響。通過對比基于一維格林函數(shù)的近震及遠(yuǎn)震波形反演結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靠近海岸地震的近、遠(yuǎn)震反演結(jié)果較為一致，而靠近海溝地震的震源深度差別達(dá)10km。通過遠(yuǎn)震P/Pdiff波觀測數(shù)據(jù)對比可知，靠近海溝事件的波形更加復(fù)雜、存在振幅與直達(dá)震相可比的長時(shí)間持續(xù)波形(＞100s);而靠近海岸事件的波形相對簡單、可觀測到易理解的清晰直達(dá)震相。為了更好地?cái)M合觀測P波波形數(shù)據(jù)，本文在震源區(qū)模型中考慮了海底地形和海水等三維不均勻結(jié)構(gòu)，使用S

11、EM-DSM方法計(jì)算了遠(yuǎn)震格林函數(shù)，通過波形互相關(guān)系數(shù)方法搜索發(fā)震位置，重新確定了靠近海溝地震的水平位置及質(zhì)心深度。
　　綜上所述，本文發(fā)展了改進(jìn)的包含核幔邊界反射震相的遠(yuǎn)震體波格林函數(shù)計(jì)算方法(Multitel3)，將其應(yīng)用于中強(qiáng)地震點(diǎn)源震源參數(shù)及大地震有限斷層模型反演;本文使用Multitel3計(jì)算的一維遠(yuǎn)震格林函數(shù)和SEM-DSM計(jì)算的考慮震源區(qū)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)震格林函數(shù)，研究了俯沖帶地震在震源區(qū)的三維地震波場傳播特征，并發(fā)