基于重力仪记录地震波数据反演大震震源破裂过程的方法研究

Determination of earthquake source parameters and its rupture process can provide important reference in disaster prediction and earthquake relief. So it becomes the focus of recent research at home and abroad. As a complement to traditional seismology, high frequency gPhone gravimeter station network can get real-time gravity changes caused by strong ground motion in near field, where there is no problem in limited amplitude. So there is grate potential in earthquake source parameters and its rupture process inversion. Based on the high frequency data measured by gPhone gravimeters in China Earthquake Gravity Network, taking the earthquake source as point and finite fault, we will inverse the source parameters and seismic moment. Depending on the Apparent Source Time Function(ASTF) of each station extracted by the Projected Landweber Deconvolution (PLD) method, or depending on the direct waveform method, we will inverse the earthquake rupture process in time and space using gravity data alone or combined with seismometer and GNSS data. The characteristics of surface gravity changes and deformation caused by earthquake will be simulated using dislocation theory. The static coulomb stress changes will be calculated, and the influence to the main faults around will be analyzed too. This study may provide some reference to the source physical processes of strong earthquake, post-earthquake rescue and risk trend analysis.

地震震源参数及其破裂过程是震源物理研究的主要内容，是近期国内外研究的热点。作为传统地震学的补充，高频重力仪台网也可获取地震波信号，且不受限幅影响，由于缺乏细致了解，很少对其开展震源物理相关研究。本课题以中国地震重力台网中的gPhone重力仪获取的大震地震波数据为基础，通过频谱分析和积分转换获取地震波位移时间序列，并对震源以点源-有限断层的不断细化，反演计算震源参数；利用PLD方法提取各台站的视震源时间函数，采用视震源时间函数方法或直接波形方法给出典型强震的时空破裂过程；并尝试利用地震计和GNSS资料进行联合反演，分析重力资料的作用；基于有限矩形位错理论模拟地震造成的地表重力变化和形变特征，分析地震产生的静态库仑应力变化及其对周边断层地震危险性的影响。该研究可为强震震源物理过程的精细确定、地震灾害评估、震后救援以及震后危险性趋势分析提供新参考。

震源破裂过程或发震机理是地震预测的基础，利用地震波记录开展震源机制与破裂过程研究是当前地震学研究的热点之一。本项目利用重力仪记录的重力加速度地震波形数据，结合地震计和GNNS资料，开展震源参数与破裂过程反演，主要研究成果如下：提取并分析了不同频段重力仪记录信号的频谱特征，对比分析了重力仪与地震计记录对强震的响应能力，确认了重力仪对地震波记录的准确性和有效性；模拟了玛多M7.4、苏门答腊M8.6、意大利中部M6.3和M6.5地震引起的地表同震和震后永久重力变化,为利用实际形变和重力资料解释强震的孕震过程研究提供理论依据；模拟了典型强震引起的地表重力和垂向加速度时变序列，发现两者在P波频段内基本一致，从理论上验证了两者的一致性；提取并分析了区域地表峰值加速度（PGA）和峰值重力（PGG）的分布特征，为地震应急和震后灾害分析提供参考；模拟了典型强震引起的地表及时弹性重力信号（PEGS），发现相较于传统的P波预警，PEGS可提前超过10s（震中距5°）；分别采用了经验格林函数法、热浴-拟牛顿法和迭代反褶积法，单独使用重力或联合地震计及高频GNSS数据，对芦山Ms7.0、尼泊尔Mw7.9和玛多Ms7.4震源破裂过程进行了反演，获得了很好的反演效果；基于实测重力探测数据或融合全球重力场模型数据，计算了重力归一化总梯度，探讨了重力场及由重力场所反演的密度结构与构造分布、演化以及与已发强震的孕育发生关系，提升对区域构造演化和强震孕震机制的认识；基于“闭锁剪力”模式提出利用震前典型重力变化图像进行地震数值预测的方法，并进行了预测回溯检验；同样利用震前典型重力场变化数据，采用三维密度反演方法，探讨了地壳密度变化与地震孕育的关系。该研究成果为震源机制确定提供了新的数据来源，提高人们对震源的认识，为利用重力场进行震源深部构造环境及孕震过程研究提供了思路，也可为震后救援及地震危险性分析提供参考。