断层滑动分布与震源破裂过程联合反演研究
Joint Inversion of Fault Slip Distribution and Kinematic Rupture Process of Big Earthquakes

本论文的主要研究领域集中于地震震源破裂过程的联合反演;具体来说,就是试图通过对发生在中国大陆内部的三个典型震例的地震震源参数、地震断层几何结构及其地表形变特征等方面进行综合性研究,从而总结出不同震例类型的发震特征、破裂样式等一般性规律,同时研究不同数据类型在反演地震震源参数的不足与优势,比较分析联合各类不同数据源进行反演的优势特征等.选取的三个震例分别为2008年的四川汶川Ms8.0级地震(逆冲为主)、2008年的新疆于田Ms7.3级地震(正断层性质)及2010年的青海玉树Ms7.1级地震(左旋走滑为主).这三个震例对应三类典型的地震断层类型,便于进行综合性的分析研究.首先,它们都发生在巴颜喀拉次级地块的主要边界上,而巴颜喀拉地块目前被认为是中国大陆内部最为活跃的次级地块之一;其次,它们的震级都足够大,均超过7.0级,而大地震往往"携带"地球内部介质特性、应力分布状态等基本信息,能为研究现今板块运动状态及其趋势分析提供"窗口";最后,它们均发生在地震监测数据能力迅速提升的当代,具备研究基础同时也急需开展工作.为获得地震及断层的破裂过程与滑动分布,我们采用了联合反演的技术手段,使用的数据包括高分辨率卫星影像、GPS、InSAR同震形变场及远场地震波等.考虑到反演问题的不唯一性,采用了分辨率测试的方法,试图辨析各数据种类的分辨能力,从而进一步判别反演结果的可靠性.通过不同地震类型的类比研究、不同数据的联合反演,希望能对理解地震孕育过程、震灾形成机理及未来地震孕育趋势提供参考.主要研究内容如下:首先,通过InSAR技术,获取汶川地震的同震形变场,初步分析其特征及地表破裂几何结构,加深对地震地表形变场的认识,同时为断层滑动分布反演准备基础数据;与其它的空间对地观测手段如GPS等进行同震形变场综合对比分析,并进行联合反演;利用分辨率测试方法分析反演结果的不确定性及其成因,获得基于InSAR与GPS数据联合反演的分辨率特征,提高对汶川地震断层滑动分布随走向与深度变化特征的认识;其次,利用InSAR数据研究于田地震的同震地表形变场;利用高分辨率卫星影像数据,分析其断层地表分布特征;基于三段有限断层模型反演于田地震的滑动分布;分析数据反演分辨率及入射角与方位角变化对反演结果造成的不确定性影响等;最后,利用地震波与InSAR联合反演玉树地震的震源破裂过程.首先获取ALOS PALSAR雷达卫星数据所观测到的InSAR同震形变场,并利用像素追踪技术获得偏移量图,分析玉树地震的断层地表线迹及其特征,并建立5段断层模型;联合反演玉树地震的震源破裂过程,分析反演参数与震源不确定性,分析不同数据权重对反演结果的影响,分析可能存在的超剪切破裂现象,最终获得玉树地震的震源破裂随时间与空间的变化过程.通过本论文的震例综合对比研究,我们获得以下认识:●运用InSAR技术获取了中国大陆内部三次典型地震事件的同震形变场,加深了对地震断层滑动模式及其地表形变特征的认识首先,InSAR获取的汶川地震同震形变场清晰反映出汶川地震地表同震形变场分布特征,干涉条纹以北东向发震断层(映秀-北川断裂)为中心,且呈包络状分布.同震形变场影响范围非常大,长宽达到500km*450km范围;南侧甚至到达乐山、重庆一带,北侧到南坪、武都、康县.从干涉条纹的分布格局可以看出,发震断层两侧干涉条纹有多次起伏,且有一定的两盘不对称性,这说明位错量沿断层分布是不均匀的.在发震断层南西端映秀镇附近,出现了排列细密的同心干涉条纹,说明这一带的形变强度非常大.北川县城南东侧,有平行于断层密集的干涉条纹包络,表明该段发震断层有较大的地表位错量.在汶川地震震中位置,条纹开始包络震中,表明震中附近是发震断层的西端点.在青川附近,条纹已包络了发震断层,显示了出断层东端形成的形变场格局.发震断层附近,断层两侧均表现为局部抬升,且沿断层形变量分布很不均匀,表现出较强的分段性.其次,从于田地震的InSAR同震形变场分析,断层西盘(或北西盘)运动较为复杂,靠近断层区域为东向或沉降运动,而远离断层往西约50km则为西向或抬升运动;断层东盘(或东南盘)运动相对简单,以东向或沉降运动为主.两盘相对运动的趋势大体与震源机制解揭示的正断层破裂相一致.最后,玉树地震的InSAR形变场条纹则清晰显示发震断层为NW-SE的玉树断裂,平均走向为310°.除部分靠近断层两侧的区域由于形变过大导致SAR数据失相干外,整体形变场特性非常清晰,可初步判定此次地震的左旋走滑运动特征.断层南盘为远离卫星方向运动,最大值达-42cm;断层北盘向靠近卫星方向运动,峰值为40cm左右;且峰值出现地点与地表调查所获得的位错分布较为吻合.由形变条纹分布我们可初步判定发震断层长约76km;东段约32km的断层滑动到达地表,形成较为明显的地表破裂分布;西段则形成较为连续的形变条纹.InSAR形变场整体分布特征与野外调查及偏移量追踪的结果均较为吻合.●联合反演了GPS与InSAR数据,确定了汶川地震断层滑动分布特征;并通过合成数据测试,确定了其分辨率相对较高与较低的区域经过分辨率测试反演,我们认为汶川地震的断层滑动分布反演,其可靠结果位于主断裂的地表下15km处;深部及次断裂的滑动分布可靠性降低.反演获得的断层滑动分布主要特征为:三个滑动分布集中区,分别位于映秀镇、岳家山及北川地区等,且主要分布于地表15km左右;滑动角显示在映秀-北川断裂的西南段以逆冲为主、沿北东向逐渐转换为以右旋走滑为主甚至纯右旋走滑运动.●引入入射角与方位角随观测点位变化的InSAR数据反演于田地震的滑动分布,获得了其断层滑动分布特征及部分震源参数于田地震的InSAR数据反演结果显示,在引入入射角与方位角变化后,断层2和断层3上形成较大的滑动分布集中区,最大滑动量达3.2m,而在断层1处则滑动相对较小.我们的反演结果并未出现与走滑断层类似的"浅部滑动缺失"现象,且滑动主要集中于014km深度.反演获得的较佳矩张量为3.3*1019N.m,矩震级达Mw7.0.●联合反演了InSAR与地震波数据,获得了玉树地震的震源破裂过程、断层滑动分布特征及部分震源参数玉树地震的主要破裂过程持续了20秒;这期间释放了约90%左右的总能量.在前10秒内,一个滑动分布集中区形成于震源附近,其能量释放极值位于8秒左右.随后的破裂主要沿断层走向往东南方向发展,并最终在断层东南段浅层10km内形成一个较大的滑动集中区,这一阶段的能量释放极值到达于12秒左右.反演获得的矩张量为2.3*1019 N.m,相当于矩震级Mw约为6.9.