三维地球模型中地震破裂过程的反投影成像研究

Imaging the rupture process of large earthquakes efficiently can not only enhance the knowledge of earthquake physics, but also can provide information in emergency reponse after the earthquake. The back-projection method is a recently developed tool to image the earthquake rupture process. It is high efficient, objective and stable compare to finite fault modeling. However, recent works indicate that this method suffers from the swimming artificats and the results depends on the azimuth of the networks. Possible reason include trade off of the location and time of seismic source, the influence of depth phases such as pP and sP and the lateral heterogeneity of the earth structure. To sovle these problems, we propose to devolope a new back projection method based on 3D earthquake obtained by seismic tomography. Compare currrent method the new method can avoid the disadvantage of aftershock based method such as inaccurat location, low coverage of rupture area, and the time requirement to get enough aftershocks. The new method will be used to image the rupture process of important earthquakes in the following years.

快速准确地确定地震破裂的时空分布不但可以促进对地震断层性质和区域构造演化的了解，也可以为震后应急响应提供参考。反投影方法是近年来发展起来地快速获取地震破裂过程的方法，其实质是对台阵数据进行逆时传播获取地震破裂子震源位置。与反演方法相比具有客观、高效、稳定地特点。然而，我们在应用过程当中发现了反投影方法存在“漂移”，结果也存在很强地方位依赖性等问题。造成这些问题地原因如下：1) 对于单一方位的台阵，地震发生时间和位置具有折中效应；2）深度震相pP和sP会造成假象；3）地球速度结构横向非均匀性。当前解决这些问题的方法主要是采用全球的地震台网数据来增加地震的数据的方位角覆盖，并利用余震对地震走时进行三维校正。为了解决这些问题，项目提出一种全新利用层析成像获得的三维速度模型计算理论走时的反投影方法。新方法可以克服现有方法对余震的精度以及覆盖范围的，并对重要地震进行成像，揭示其破裂特征。

解析大地震的破裂模型是研究地震成因、地震破裂的动力学机制，探究活动断层结构的研究基础。因此在地震防灾，震后应急响应，地震危险性评估等实际工作中发挥着重要的作用。反投影方法是本世纪初开始发展起来的利用地震台阵记录的远震P波对地震破裂过程进行成像的方法，其优点是不依赖于断层面和破裂速度的假设，完全是数据驱动的程序过程，因此所得结果相对更加客观。在反投影的成像过程中，需要计算从震源区域到地震台站的理论走时。传统的方法，利用一维速度模型计算理论走时，而地球横向非均匀结构的影响通过初至P波的互相关对齐实现。近期的研究表明，当破裂距离震源初始破裂点较远时，这种方法不能完全解决横向非均匀对成像结果产生的影响。本研究主要针对反投影方法中出现的这些问题开展了系统性的研究，给出了三维地球介质中反投影成像的解决方案。.首先，我们利用理论方法合成了由多个子震源产生的地震图，然后分别利用一维介质和三维模型计算理论走时进行成像，通过对比发现随着子事件距离初始破裂距离的增大，一维模型的成像结果造成的成像误差逐渐增大，成像位置的误差可达20km。针对这一问题，我们采用三维速度模型计算理论走时，并利用并行化处理提高计算理论走时的效率，同时引入相位加权叠加方法，提高想干信号的叠加强度从而提高成像结果的分辨率。.利用新发展起来的3DPWBP方法，对近年来发生的强震进行了系统性的研究，获得了这些地震的高频破裂的时空分布。2013年发生的8.3级鄂霍茨克海地震，根据我们所得的破裂成像结果中破裂方向，破裂面的大小以及能量释放效率，推断其破裂原因与俯冲带的脱水有关，这可能为深源地震的成因提供一种新的解释。2017年Mw 8.2 Chipas地震的研究，发现其破裂方向收到断裂带的影响发生弯折，破裂传播速率也由于障碍体的影响而变大，这一结果也与地震动力学模拟中弯折断层破裂传播速率的变化一致。2020年的加勒比海Mw7.7级地震的成像结果，也显示地震发生了超剪切破裂。