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汶川地震序列震源机制及其动力学解释

汶川地震序列震源机制及其动力学解释

作者：胡幸平中国地震局地壳应力研究所

学位级别：硕士

2008年5月12日14时28分,四川省汶川县发生灾难性的MS8.0级特大地震,之后陆续发生了数以万计的余震。汶川地震发生于大陆内部高角度逆冲的龙门山断裂带上,与有历史记载以来的逆冲型大地震不同。汶川地震及其余震序列的发震机理、发展规... 详细信息

2008年5月12日14时28分,四川省汶川县发生灾难性的MS8.0级特大地震,之后陆续发生了数以万计的余震。汶川地震发生于大陆内部高角度逆冲的龙门山断裂带上,与有历史记载以来的逆冲型大地震不同。汶川地震及其余震序列的发震机理、发展规律和构造背景等科学问题引起了国内外地球科学工作者的广泛关注。构造应力是地震孕育发展及发生的直接动因,震源机制解能够判别断层错动方式和地震发震机制,汶川地震序列震源机制解所表现出来的规律特征,背后对应着怎样的区域构造应力场及其动力学解释,是认识汶川地震序列的动力学机制所需解决的重要问题。本文的研究工作针对汶川地震序列展开,利用汶川地震序列大量的地震观测数据,从震源机制解和构造应力场的角度,探讨研究汶川地震序列的动力学机制。具体研究思路是,从求解震源机制解入手,研究汶川地震序列震源机制解的分布特征;然后,采用有限元数值模拟方法,对发生汶川地震的龙门山断裂带及周边地区的构造应力场进行计算;最后,根据模拟的数值结果,计算构造应力场作用下的理论震源机制解,通过理论解与实际震源机制解求解结果的对比分析,尝试性地对汶川地震序列震源机制解的分布规律与区域构造应力场以及断层构造的关系进行定量分析。基于上述思路,本文的主要研究工作和结果包括以下四部分: 1)深入细致地研究分析了利用P波初动极性数据求解地震震源机制解的基本原理和关键问题,在许忠淮提出的格点尝试法基础上,主要从四个方面对利用P波初动极性求解震源机制解的方法加以改进:①依据P波初动数据点的可信度和密集程度决定其权重,在一定程度上消除数据点在震源球上分布不均匀引起的求解偏差。②将聚类分析引入到震源机制解的求解过程中,采用聚类分析的方法对所有可选解进行聚类,同时给出每个聚类解簇的平均解,如果存在多个解簇,将震源机制解限定在少数几个备选解中。③借鉴jackknife技术,对求解结果的稳定性进行检验,增加了找到真解的可能性,对解的可信度有了更好的把握。④改善B轴搜索方式,使其简单而更为均匀。通过理论数据检验,验证了改进后方法的可靠性和有效性。另外,依据方法上的关键改进,提出了主要基于解的离散度并参考最低加权矛盾比对P波初动解质量进行评价的新方案:用聚类中心个数CN、最小旋转角均方根RMS和最低加权矛盾比ψmin这三个参数对震源机制解的求解质量进行定量评价。 2)广泛搜集数字地震波形纪录等相关资料,认真严格地判读了P波初动极性,使用比较精确的定位结果,采用改进后的格点尝试法,对汶川地震序列震源机制解进行了求解,给出了125个4.0级以上(含一个3.9级地震)质量可靠的震源机制解。根据求解结果发现:汶川MS8.0级主震初始破裂为纯逆冲型,124个余震绝大部分是逆冲型或走滑型地震。汶川地震序列震源机制解具有分段分布特征,其P轴方位在近东西方向两侧一定范围内分布。 3)依据主要断层资料及精细介质参数,利用ANSYS软件,建立了龙门山断裂带及其周边地区的三维弹性有限元模型。根据GPS观测资料确定边界条件,并考虑构造变形速度随深度变化的三种典型模式,通过模拟运算分别给出了这一区域的构造应力场的数值模拟结果。三种模式的模拟结果均显示,龙门山断裂带及其周边地区最大主压应力方向为北西西-南东东向到近东西向,并且由北往南有一定角度的顺时针偏转。这表明模型边界上构造变形的速度差异是决定龙门山断裂带及其周边地区构造应力场的主要因素。另外,龙门山断裂带及其周边地区的最大主压应力方向与偏转趋势与前人的研究结果相一致,在一定程度上验证了本文数值模拟结果的合理性。 4)依据三种构造变形模式下的构造应力场数值模拟结果,分别采用两种方法,对汶川地震序列的理论震源机制解进行了求解。结果表明,青藏高原内部边界下地壳层变形更快的模式下的构造应力场与汶川地震序列震源机制解的分布规律最为吻合。 5)通过汶川地震序列理论震源机制解的研究发现,对于汶川地震序列震源机制解,区域构造应力场在较大程度上影响和控制其总体分布规律,而发震断层构造是影响其具体形态的重要构造因素;一小部分的余震震源机制解与区域构造应力场不相吻合,其力学机制值得深入探讨。

关键词：汶川地震序列震源机制解 P波初动极性有限元模拟构造应力场理论震源机制解

格点尝试法计算综合断层面解的置信区间分析--以赣南地区为例

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地震地质 2018年第6期40卷 1305-1317页

作者：王甘娇胡幸平高威崔效锋中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室北京100085 中国大洋矿产资源研究开发协会北京100860

为定量分析小震综合断层面解计算结果的可靠性,将Bootstrap抽样技术引入到格点尝试法的计算中,初步提出了对格点尝试法求解结果进行置信区间计算分析的思路和方法,即以2种方式来确定表示综合断层面解分布特征的样本集合:一种是以格点尝... 详细信息

为定量分析小震综合断层面解计算结果的可靠性,将Bootstrap抽样技术引入到格点尝试法的计算中,初步提出了对格点尝试法求解结果进行置信区间计算分析的思路和方法,即以2种方式来确定表示综合断层面解分布特征的样本集合:一种是以格点尝试法给出的可选解作为样本集合,另一种是引入Bootstrap抽样技术来获取的样本集合;然后借助分位数法对这2种样本集合(综合断层面解的P、B、T轴)的置信区间进行计算。针对赣南地区构造应力场研究成果相对较少这一状况,文中在回顾已有成果的基础上,利用近期的小震震源机制解数据,对赣南地区综合断层面解及其置信区间进行了计算分析。结果表明,2种样本方式均可以较好地获得主应力轴的置信区间;置信区间能够更好地定量展示格点尝试法计算结果的可靠性以及主应力轴的置信范围;赣南地区中间主应力轴近垂直(倾角95%的置信范围为45°～90°),最大和最小主应力轴近水平(倾角95%的置信范围分别为0°～40°、0°～20°),最大主应力轴方位为SEE向(方位95%的置信范围为110°～140°),最小主应力轴方位为NNE向(方位95%的置信范围为15°～45°),为走滑应力类型。该结果不仅与前人的计算分析结果相一致,并且前人给出的赣南地区应力方向均位于文中给出的置信区间内。

关键词：构造应力场置信区间 Bootstrap抽样赣南地区综合断层面解

首都圈地区震源机制解及现今构造应力场时空变化特征研究

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地震学报 2019年第1期41卷 33-45页

作者：樊文杰崔效锋胡幸平陈佳维云南省地震局中国昆明650224 中国地震局地壳应力研究所中国北京100085

基于2009年1月至2017年11月首都圈地区发生的8 061个地震事件的23 293条P波初动极性数据,采用改进的格点尝试法计算了首都圈地区单次地震的震源机制解和小震综合断层面解。在初步分析这些数据的基础上,利用计算得到的单次地震的震源机... 详细信息

基于2009年1月至2017年11月首都圈地区发生的8 061个地震事件的23 293条P波初动极性数据,采用改进的格点尝试法计算了首都圈地区单次地震的震源机制解和小震综合断层面解。在初步分析这些数据的基础上,利用计算得到的单次地震的震源机制解和搜集到的已有历史地震的震源机制解数据,运用线性反演法对首都圈地区构造应力场的时空变化特征进行了研究。结果显示:(1)研究区的地震震源机制解类型以走滑型为主,正断型次之,这些地震震源机制解的P轴方位大都为ENE向和近EW向,与该地区的构造应力场方向基本一致,仅有个别地震的P轴方位为NNW向;(2)首都圈地区的构造应力场具有较好的一致性和连续性,最大主应力轴方位由西部的ENE向至东部的近EW向呈现顺时针旋转的趋势,应力类型整体上为走滑型,这与以往的研究结果相一致;(3)通过与已有研究结果相比较认为:京西北地区现今构造应力场是相对稳定的,最大主应力轴未呈明显改变;唐山地区和北京地区的构造应力场(最大主应力轴)在1976年唐山地震前后可能发生了变化,唐山地震后一年至今(1977—2017年)是否发生变化,依据现有的计算结果尚不得而知,需要更多的研究来进一步验证.

关键词：首都圈地区震源机制解构造应力场时空变化特征

2021年3月19日那曲M6.1地震震源区应力应变特征及其动力学意义

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地球物理学报 2022年第2期65卷 673-685页

作者：李玉江邵志刚胡幸平石富强刘皓晴陈连旺应急管理部国家自然灾害防治研究院北京100085 中国地震局地震预测研究所北京100036 陕西省地震局西安710068

2021年3月19日在西藏那曲发生M6.1地震,震源区应力应变环境与应力演化对于理解该地震的孕育背景与发震机制具有重要的意义.地震发生后,快速收集震中周边的实测应力数据、震源机制解和GPS观测数据,开展区域构造应力场反演与应变率场解算... 详细信息

2021年3月19日在西藏那曲发生M6.1地震,震源区应力应变环境与应力演化对于理解该地震的孕育背景与发震机制具有重要的意义.地震发生后,快速收集震中周边的实测应力数据、震源机制解和GPS观测数据,开展区域构造应力场反演与应变率场解算.基于历史强震位错模型,利用PSGRN/PSCMP程序计算周边历史强震引起的M6.1地震震源处库仑应力变化.结果表明,那曲地震震中区域构造应力场的最大主压应力轴方位为北北东向,与发震断层面的走向近乎平行,使得地震表现为以正断活动性质为主的特征.最大主压应变率的方向与最大主压应力轴方位基本一致,地震处于最大剪应变率的梯度带上.1950年察隅M8.7地震的发生造成那曲地震震源处明显的应力增加,同震和震后应力变化分别为1.91×10^(4)Pa和8.27×10^(4)Pa.1411年当雄南M7 2/3地震以来9次历史强震的发生造成震源处累积库仑应力增加9.06×10^(4)Pa,意味着那曲M6.1地震是在印度板块与欧亚板块持续挤压的动力学背景下发生的,区域历史强震活动起到明显的促进作用.研究结果为认识那曲地震的发震背景和动力学机制提供理论依据.

关键词：那曲M6.1地震构造应力环境库仑应力变化应变率场

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用格点尝试法求解P波初动震源机制解及解的质量评价

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地球物理学报 2009年第5期52卷 1402-1411页

作者：俞春泉陶开崔效锋胡幸平宁杰远北京大学地球与空间科学学院造山带与地壳演化教育部重点实验室北京100871 北京大学地球与空间科学学院中国地震局地壳应力研究所北京100085

P波初动符号物理图像明确,是稳定的地震波信息.在资料充分时,可以较好地确定震源机制解.网格搜索法是目前流行的利用P波初动符号求解地震震源机制解的方法.不过,在实际观测资料不充分时,虽然较迭代算法优越,但网格搜索法依然有较大的不... 详细信息

P波初动符号物理图像明确,是稳定的地震波信息.在资料充分时,可以较好地确定震源机制解.网格搜索法是目前流行的利用P波初动符号求解地震震源机制解的方法.不过,在实际观测资料不充分时,虽然较迭代算法优越,但网格搜索法依然有较大的不确定性.到目前为止,人们还没有找到合理的解决方案,极大地制约了这一类方法的应用.针对这一现状,本文在许忠淮提出的格点尝试法的基础上对网格搜索法进行了几个方面的改进.首先,采用新的加权方法计算加权矛盾比:权重因子包括反映初动符号质量的权重以体现资料质量的影响;不包括反映观测点与节面距离的权重以避免因节面附近资料权重的双重减小带来的系统偏差;通过减小震源球上密集资料点的权重以部分地抵消震源球上P波初动符号资料分布不均匀对可能解的影响.在通过加权矛盾比筛选可能的震源机制解时,把震源球分为面积相对均匀的网格进行解的搜索,避免了因网格划分不均匀所导致的平均解的计算偏差.针对资料不足情况下震源机制解会受控于个别观测点P波初动符号的情况,我们借鉴杰克刀(jackknife)技术,在可选解中增加了那些一个观测点被去除后的可选解,既对解的质量有了更好的把握,又增加了找到真解的可能性.进一步地,针对可选解存在多个解簇的情况,本文提出了通过聚类提供多组可选解的做法.最后,针对目前缺乏对解的合理评价体系的现状,提出了主要基于解的离散度并参考加权最小矛盾比对震源机制解质量进行评价的新方案.

关键词：震源机制解 P波初动网格搜索法

基于汶川地震序列震源机制解对龙门山地区构造变形模式的初步探讨

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地球物理学报 2012年第8期55卷 2561-2574页

作者：胡幸平崔效锋宁杰远陈连旺中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室北京100085 北京大学地球与空间科学学院北京100871

本文采用理论震源机制解的分析方法,以汶川地震序列震源机制解为约束,探讨龙门山地区构造变形模式及其与汶川地震序列的关系.通过有限元模拟,计算了龙门山地区不同构造变形模式下的构造应力场,得到了理论震源机制解,并与汶川地震序列实... 详细信息

本文采用理论震源机制解的分析方法,以汶川地震序列震源机制解为约束,探讨龙门山地区构造变形模式及其与汶川地震序列的关系.通过有限元模拟,计算了龙门山地区不同构造变形模式下的构造应力场,得到了理论震源机制解,并与汶川地震序列实际震源机制解进行对比分析,初步探讨了该区构造变形模式对汶川地震序列的影响.结果显示,在龙门山地区,青藏高原内深部构造变形快于地表的构造变形模式下,区域构造应力场对应的理论震源机制解与汶川地震序列震源机制解的相符程度较高.这种一致性可能表明:(1)青藏高原内部深部构造变形快于地表,是龙门山地区比较合理的构造模式;(2)构造应力场是影响汶川地震序列震源机制的重要力学因素.

关键词：汶川地震序列震源机制解构造变形模式理论震源机制解

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汶川地震序列震源机制解研究

北京大学学报（自然科学版） 2011年第6期47卷 1063-1072页

作者：崔效锋胡幸平俞春泉陶开王艳华宁杰远中国地震局地壳应力研究所北京100085 北京大学地球与空间科学学院北京100871

利用2008年5月12日至8月7日包括国家地震台网、地方区域地震台网和流动地震台网在内的1023个地震台站及IRIS台站的数字地震波形记录资料,读取P波初动极性,并采用改进的格点尝试法对汶川地震序列震源机制解进行求解,给出121个4.0级以上... 详细信息

利用2008年5月12日至8月7日包括国家地震台网、地方区域地震台网和流动地震台网在内的1023个地震台站及IRIS台站的数字地震波形记录资料,读取P波初动极性,并采用改进的格点尝试法对汶川地震序列震源机制解进行求解,给出121个4.0级以上质量可靠的震源机制解。根据求解结果发现:汶川Ms 8.0级主震P波初动解为纯逆冲型;汶川余震序列震源机制解绝大部分是逆冲型或走滑型地震,并具有分段分布特征;其P轴方位有两个优势分布方向:北西西—南东东向和北东东—南西西向。

关键词：汶川地震序列 P波初动震源机制解

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长宁地区复杂地震活动的力学成因分析

地球物理学报 2021年第1期64卷 1-17页

作者：胡幸平崔效锋张广伟王甘娇 Arno Zang 史丙新姜大伟应急管理部国家自然灾害防治研究院北京100085 江西省地震局南昌330039 GFZ German Research Centre for Geosciences Telegrafenberg14473 PotsdamGermany 四川省地震局成都610041

长宁地区地震活动复杂,发生在长宁背斜轴部的长宁MS6.0地震及其后续中强余震的震源机制与相距仅十几公里的南部向斜区内的中强震具有显著差异;这种差异仅仅是由于发震断层构造不同所造成的,还是孕育地震的应力场本身也存在局部变化?为... 详细信息

长宁地区地震活动复杂,发生在长宁背斜轴部的长宁MS6.0地震及其后续中强余震的震源机制与相距仅十几公里的南部向斜区内的中强震具有显著差异;这种差异仅仅是由于发震断层构造不同所造成的,还是孕育地震的应力场本身也存在局部变化?为了回答这一问题,本文在通过双差层析成像反演修正小震定位和波速结构的基础上,利用小震综合震源机制解方法获取了长宁地区地壳应力场的精细结构,并据此分析了其与中强震震源机制解的力学一致性.研究发现,长宁地区地壳应力场的最大主应力轴在整个区域内基本都处于近水平状态,其方位虽由北向南发生了一定角度的顺时针旋转,但也基本保持为近东西向;相比之下,应力类型在长宁背斜轴部和南部向斜区之间存在显著差异——前者为逆冲型,而后者为走滑型.同时,这两个局部区域的应力场与对应区域内的中强震震源机制解的吻合度较高,但与非对应区域内的中强震震源机制解的吻合度较低,甚至在力学上是相抵触的,表明区域应力场的局部改变是长宁地区复杂地震活动的必要力学基础.通过岩石力学估算,本文认为岩石泊松比的横向差异很可能是造成这种应力场局部改变的主要成因.此外,本文还对长宁MS6.0地震序列的发震构造进行了探讨,认为长宁背斜轴部在6~9 km深度内存在基底断层,而正是这种基底断层在区域应力场作用下发生错动导致了长宁MS6.0地震序列的发生.

关键词：长宁地区复杂地震活动应力场局部变化岩石泊松比基底断层

利用P波初动资料求解汶川地震及其强余震震源机制解

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地球物理学报 2008年第6期51卷 1711-1718页

作者：胡幸平俞春泉陶开崔效锋宁杰远王艳华中国地震局地壳应力研究所北京100085 北京大学地球与空间科学学院地球物理系北京100871

通过查阅国家地震台网、各省区域地震台网和流动地震台网,以及IRIS数据中心给出的一些国际台站的数字波形记录,读取P波初动方向,利用格点尝试法计算了2008年5月12日汶川8.0级(MS)特大地震以及其后发生的部分强余震(44次)的震源机制解.... 详细信息

通过查阅国家地震台网、各省区域地震台网和流动地震台网,以及IRIS数据中心给出的一些国际台站的数字波形记录,读取P波初动方向,利用格点尝试法计算了2008年5月12日汶川8.0级(MS)特大地震以及其后发生的部分强余震(44次)的震源机制解.这组震源机制解是对哈佛大学已公布的9个地震的最佳双力偶解的很好补充.

关键词：汶川地震震源机制解 P波初动格点尝试法