使用歐洲、 中國、 日本和澳大利亞4個臺陣由反投影方法確定的2015年4月25日尼泊爾MW7.8地震的短周期能量*

Dun Wang, Jim Mori

1) Earthquake Research Institute， University of Tokyo， 1-1-1， Yayoi，Bunkyo-ku， Tokyo 113-0032， Japan 2) Disaster Prevention Research Institute， Kyoto University， Uji，Kyoto 611-0011， Japan

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使用歐洲、 中國、 日本和澳大利亞4個臺陣由反投影方法確定的2015年4月25日尼泊爾MW7.8地震的短周期能量*

Dun Wang1), Jim Mori2)

1) Earthquake Research Institute， University of Tokyo， 1-1-1， Yayoi，Bunkyo-ku， Tokyo 113-0032， Japan 2) Disaster Prevention Research Institute， Kyoto University， Uji，Kyoto 611-0011， Japan

摘要應(yīng)用反投影(backprojection)分析方法確定了2015年尼泊爾地震產(chǎn)生的短周期(0.5～5 s)能量的震源位置和時間。 使用歐洲、 中國、 日本和澳大利亞不同方位的不同臺陣的數(shù)據(jù)， 這些數(shù)據(jù)在破裂傳播方面表現(xiàn)出一致的特性。 發(fā)震后的25～55 s， 強短周期能量震源分布在震中以東10～100 km內(nèi)。 前20 s破裂速度約1.0 km/s， 而在其后的30～40 s 加速到～3.0 km/s。 短周期能量震源位置接近于斷層下傾邊緣， 它補充了更靠上發(fā)生的大斷裂滑動區(qū)域。 尼泊爾地震可能是大斷層滑動區(qū)域與短周期能量震源區(qū)域不一致的另一個實例， 這可能與破壞性強地震動有關(guān)。

引言

沿低角(～10°)主喜馬拉雅逆沖斷層， 也就是印度和歐亞板塊的邊界， 2015年4月25日發(fā)生了7.8級地震(美國地質(zhì)調(diào)查局， U.S. GeologicalSurvey， USGS)。 本次地震是極具破壞性的一個事件， 其強震動對建筑物造成了廣泛的破壞， 致使本地8500多人死亡。 因為地震附近強震儀很少， 很難定量估計破壞烈度的等級和分布。 根據(jù)遠(yuǎn)震記錄研究短周期能量輻射， 并使用這些數(shù)據(jù)推斷強震動的震源區(qū)域。

另外， 由短周期能量輻射提供的信息與由低頻數(shù)據(jù)推斷出的信息無相關(guān)性(如， 使用遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)確定的破裂過程)。 比如， 1994年遠(yuǎn)東日本三陸近海(Far East Off Sanriku)地震[1]、 2010年智利馬烏萊(Maule, Chile)地震[2]和2011年日本東北地區(qū)近海(Tohoku-Oki)地震[3-10]的短周期能量同大斷層位移區(qū)域差異很大。 另一方面， 其他地震短周期震源顯示出和大滑動區(qū)域類似的位置[11]。 因此， 短周期能量輻射的時空演化可能是理解單個地震破裂動力學(xué)復(fù)雜性的關(guān)鍵。

這里， 我們使用反投影方法[12-13]追蹤地震產(chǎn)生的短周期(0.5～5 s)能量源。 這種方法常用于映射大地震的破裂傳播[2， 5-6， 14-21]。

與臺陣方向有關(guān)的反投影結(jié)果可能存在一些偏差， 所以使用不同方位的不同地震臺網(wǎng)來驗證破裂傳播的細(xì)節(jié)。 在本研究中， 我們使用歐洲、 中國、 日本和澳大利亞的4個獨立臺陣研究短周期能量破裂圖案。 澳大利亞的數(shù)據(jù)還得到了東南亞臺站的補充。

1數(shù)據(jù)

我們使用了歐洲(由50多個網(wǎng)絡(luò)運營商構(gòu)成的歐洲聯(lián)合臺陣)、 中國(中國地震局運營的中國臺陣)、 日本(國家地球科學(xué)與災(zāi)害預(yù)防研究所運營的Hi-net)[22]和澳大利亞4個大區(qū)域臺陣(圖1)的2015年4月25日尼泊爾MW7.8地震和幾個余震的記錄。 表1給出了這些臺陣的具體信息。 歐洲臺陣對尼泊爾地震的方位角范圍是300°～340°， 中國臺陣方位角范圍是35°～77°， Hi-net范圍是52°～72°和澳大利亞臺陣(包括一些東南亞臺站)的范圍是105°～165°。

圖2示出了臺站分布和每個數(shù)據(jù)集的波形， 其中Hi-net 的波形經(jīng)儀器校正到和寬帶數(shù)據(jù)相同的頻率范圍內(nèi)[23]。 記錄臺陣內(nèi)的波形具有良好的相似性， 但不同臺陣之間的波形存在一些差異， 臺陣內(nèi)波形的相似性對獲得好的結(jié)果很重要。 如果一個臺陣覆蓋很大的區(qū)域(相對寬的方位角和大的震源距)， 波形開始不同， 結(jié)果變得較不可靠。 具有眾多臺站也是一個重要因素。 所以， 對選擇用于反投影分析的數(shù)據(jù)， 存在區(qū)域范圍和臺站數(shù)目之間的折衷。 為了確保我們分析中使用的數(shù)據(jù)波形相似， 我們使用了波形相關(guān)系數(shù)為0.4的閾值。

圖1歐洲區(qū)域臺陣(左)、 中國臺陣(中)、 日本Hi-net臺陣(右)和澳大利亞臺陣(底)的臺站分布圖。 震源機制由全球矩心矩張量(Global Centroid Moment Tensor， GCMT)確定。 實線和虛線分別示出了震中距和斷面走向

表1　本研究使用的4個區(qū)域臺陣的信息

臺站數(shù)的第1個數(shù)為臺站總數(shù)， 括號內(nèi)的數(shù)為反投影使用的臺站數(shù)

圖2歐洲(a)、 中國(b)、 日本(c)和澳大利亞(d)臺站記錄波形。 Hi-net數(shù)據(jù)波形已對儀器響應(yīng)[23]做了校正并轉(zhuǎn)換成了類似于歐洲和中國臺陣寬帶記錄的速度。 記錄剖面上邊的兩張圖顯示了現(xiàn)有所有臺站(右)和在記錄剖面畫出的選擇臺站(左)

2方法

我們的反投影方法使用對齊的P波時窗疊加尋找產(chǎn)生最高疊加振幅的震源位置。 在這個算法中， 我們使用了像Wang 與Mori[24]在其文章中詳細(xì)描述的平方疊加振幅。 因為我們要獲得短周期能量輻射的精確振幅估計值， 所以我們應(yīng)用了線性疊加[25]。

我們將具有最大疊加振幅的位置推斷為那個時窗的震源位置。 預(yù)測的臺站之間的時差由IASP91地球模型[26]計算。 我們首先使用在每個臺陣地理中心記錄的模型波形(歐洲臺陣的GR.GRB5， 中國臺陣的JL.FST， 日本Hi-net的N.HMNH和澳大利亞臺陣的AU.AS31)的互相關(guān)對齊濾波(2.0～100 s)的P波初至的初始10 s； 這意味著我們僅使用了相對波初至的時差。 因為我們使用了時差， 所以計算相對到時不依賴于具體地球模型。 將美國地質(zhì)調(diào)查局確定的震中(28.230°N， 84.731°E)假設(shè)為起始破裂位置。 反投影結(jié)果的相對位置對假設(shè)的震中的依賴性不強[27]， 也只對隨深度而變的[28]到時差存在輕度依賴， 所以我們所有的震源位置使用了15 km的固定深度(據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局)。 對每個時窗， 我們使用間距為15 km的50×35個點的網(wǎng)格在震源區(qū)域很寬的范圍上測試了位置。 時窗具有10 s的持時和2 s的偏差。

對反投影算法， 我們著眼于輻射能量的短周期成分， 對0.5～5.0 s之間的數(shù)據(jù)濾波。 我們在0.1～10 s之間試過幾個周期范圍。 較長的周期需要較長的時窗， 且時間分辨率較低。 可能因為震源和臺站區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)， 對較短的周期， 波形之間的相關(guān)性變差。 這些結(jié)果在選定的時間范圍內(nèi)代表一個帶寬， 這個帶寬具有良好的波形相關(guān)性也具有足夠的時間分辨率來研究破裂的細(xì)節(jié)。

3結(jié)果

圖3示出了使用歐洲、 中國、 Hi-net和澳大利亞臺陣對每個時窗確定的震源位置(即最高疊加振幅的位置)。 方塊的大小與疊加振幅的平方成正比。 根據(jù)4個臺陣確定的較大短周期能量源的時間和位置結(jié)果存在很好的相似性： 人們可以清晰地看到向東傳播， 在破裂開始后的25～55 s， 最強短周期輻射能量從震中東邊的～10 km擴(kuò)展到100 km(見本文電子補充材料中的S1～S4演示)。

Hi-net和澳大利亞臺陣的數(shù)據(jù)源比歐洲和中國臺陣的數(shù)據(jù)源向東擴(kuò)展得更遠(yuǎn)些。 這可能是受到了由地震臺陣的時間和距離之間折衷引起的“漂移假象”的影響， 這種“漂移假象”在反投影結(jié)果中時有發(fā)生[2， 25， 29]。 不同方位臺陣獲得的略有不同的震源分布可能反應(yīng)了沿路徑及臺站附近速度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。 如， 澳大利亞臺陣一些能量向東擴(kuò)展得更遠(yuǎn)。 歐洲臺陣在澳大利亞臺陣的相反方向， 因此， 由它推斷的破裂長度比由澳大利亞臺陣推斷的短得多。 使用不同方位的多臺陣是評價反投影結(jié)果臺陣偏差的一種直觀方法。

對于每個時窗的震源位置， 圖3(下)顯示出震中距隨時間的變化。 與最高疊加振幅位置不同， 由不同數(shù)據(jù)集獲得的破裂速度顯示了相當(dāng)一致的結(jié)果。 這4個臺陣顯示了2.0～2.2 km/s的平均破裂速率， 此破裂速率大致為當(dāng)?shù)丶羟胁ㄋ俚?7%～63%[30]。 從細(xì)節(jié)著眼， 人們可由這4個臺陣看到起初破裂相對緩慢， 前10～20 s 的破裂傳播更慢。 后來， 隨著大振幅高頻能量的產(chǎn)生， 破裂以～3.0 km/s的較快速率擴(kuò)展。

4分辨率測試

為了評估來自不同方位和臺站下方具有不同局部結(jié)構(gòu)的臺陣的可能位置偏差， 我們使用在歐洲、 日本和澳大利亞記錄的震級從MW6.6到7.3的3個余震數(shù)據(jù)進(jìn)行了反投影， 還使用了由主震導(dǎo)出的臺站校正(圖4)。 使用像用于主震的相同周期范圍(0.5～5.0 s)對波形進(jìn)行了濾波。

圖3歐洲(a)、 中國(b)、 日本(c)和澳大利亞(d)臺陣的反投影分析結(jié)果。 在地圖視圖(上)和時間-距離曲線(下)顯示了每個時間步長(2 s)具有最大相關(guān)疊加的時間(方塊的顏色深淺)和振幅(方塊的大小)。 這里， 距離為重新定位震中的直線距離。 地震圖對0.5～5.0 s的短周期范圍進(jìn)行了濾波。 圓圈是美國地質(zhì)調(diào)查局確定的余震。 星號是美國地質(zhì)調(diào)查局確定的震中

圖4(a)～(c)是使用由主震對歐洲臺陣、 Hi-net和澳大利亞臺陣導(dǎo)出的臺站校正的一系列余震(MW6.3～7.3)的反投影結(jié)果。 這些方塊是每個時窗疊加振幅的局部最大值， 其大小與振幅成正比。 空心圓表示由美國地質(zhì)調(diào)查局確定的震中

歐洲臺陣向西北似乎存在20～30 km的顯著偏差。 Hi-net和澳大利亞數(shù)據(jù)沒有顯示出大的偏差。 考慮到MW6～7地震的有限長度和震中位置的不確定性， 我們推斷出反投影結(jié)果的分辨率是10～20 km。

位置測試也表明， 記錄臺陣方向不同結(jié)果也不同。 這就是所謂的漂移假象。 因為歐洲和澳大利亞臺陣的方向相反， 短周期能量中心的正確位置可能在中間位置。 在前50 s， 兩個臺陣結(jié)果的位置差異約10～30 km(圖3)，這就限制了短周期能量輻射源的位置。

5全球觀測

廣泛分布的全球臺站記錄的波形記錄剖面可以顯示破裂傳播和大滑動震源脈沖的位置[31]。 我們對在40°～100°距離上記錄的波形對齊了豎向?qū)拵У卣鹚俣炔ㄐ蔚某踔?圖5a)。 在0.05和0.2 Hz之間對這些數(shù)據(jù)做濾波以觀看比我們的反投影結(jié)果更低的頻率。 在圖5c可以看到， 低頻全球波形由于方向性效應(yīng)顯著不同， 這可能使我們得不到反投影的高分辨率圖像。

為了評價應(yīng)用不同方位記錄數(shù)據(jù)的反投影定位的不確定性， 可以采用比較全球波形相似性這種定性的方法。 在前50～60 s， 圖5的波形示出了破裂向東南傳播的方位依賴性。 在東南亞和澳大利亞記錄的波形， 在P波到達(dá)后的40～60 s似乎存在一些顯著差異， 這可能是由沿射線路徑或臺站下方的局部結(jié)構(gòu)造成的。

這些波形顯示， 前20～30 s振幅小， 時差不大， 表明有相對低的破裂速度。 而后的30～60 s， 隨著大振幅的出現(xiàn)， 破裂似乎向東南加速。 我們拾取了所有方位清晰可見的最大脈沖時間， 使用相對定位方法確定了震源位置[32]。 此脈沖源的位置在震中東南79.7 km處(圖5b)， 與圖6示出的低頻模型一致[33]。 脈沖的時空位置還給出了約2.5 km/s的平均滑動擴(kuò)展速度。 在P波到達(dá)60 s 時， 振幅降到了噪聲水平。 但是， 有趣的是， 在P波到達(dá)100 s前后， 出現(xiàn)了一連串的波， 這可能是早期的余震或余滑。

我們的反投影表明， 前20 s的緩慢破裂速度約是1.0 km/s， 在高能量破裂階段(20～60 s)， 其速度約是3.0 km/s， 這與全球觀測結(jié)果基本一致， 開始破裂緩慢， 而后快速擴(kuò)展。 然而， 高頻輻射能量位置好像和大的低頻脈沖位置不同， 即使考慮了反投影結(jié)果的不確定性， 也仍然不同。

6討論

圖6示出了我們的短周期(0.5～5 s)輻射位置和由全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)及合成孔徑干涉雷達(dá)(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)數(shù)據(jù)[33]反演獲得的主斷面上靜態(tài)滑動的滑動分布模型比較。 這個模型包括由GPS靜態(tài)位移偏移的低頻數(shù)據(jù)和InSAR數(shù)據(jù)的靜態(tài)位移。 低頻滑動模型的滑動分布圖案表明， 加德滿都(Kathmandu)城市北部和北東部的大幅滑動， 這也和前節(jié)描述的大的低頻脈沖位置一致。 不同于大幅滑動的區(qū)域， 我們的短周期輻射源似乎是沿著滑動量相對較小的斷面下傾邊緣更靠北。 我們的短周期能量輻射源位置與由反投影全球地震數(shù)據(jù)獲得的相似[34-35]。

對最近發(fā)生的其他大地震， 像2010年的智利馬烏萊地震和2011年的日本東北地區(qū)近海地震， 人們也觀察到了這樣的圖案[3-4， 6， 8-9， 18， 36-42]。 然而， 智利地震和日本地震之間的差異是這兩個例子都顯示了頻率依賴輻射的大的深度差異。 對尼泊爾地震， 因為斷層面近于水平， 所以短周期和長周期地震輻射的不同區(qū)域都位于大致同樣的深度。 由于滑動初始的應(yīng)力集中[43]和破裂速度的變化[44]， 人們認(rèn)為大地震的破裂前緣會產(chǎn)生較高水平的短周期能量。 因為這種高振幅短周期能量突然出現(xiàn)在大幅滑動之前， 因而可能和破裂加速(破裂速度的變化)[45]或大滑動區(qū)域邊界有關(guān)[43]。

圖5(a)全球?qū)拵_站(圓點)和震中(星號)位置； (b) 使用的相對定位方法的大拾震脈沖位置(方塊)； (c) 以P波初至對齊和以方位角分類的全球臺網(wǎng)震中距40°～100°的豎向?qū)拵У卣鹩涗泩D； 半透明條塊指示4個臺陣的方位角范圍； (d) 黑三角表示最大脈沖峰值， 它約束了與大滑動矩心類似的P波位置((b)中的方塊)[33]。 方塊表示使用確定的脈沖位置的到時

圖6短周期能量輻射和滑動模型的位置對比。 方塊和菱形表示根據(jù)兩個方向(方塊是歐洲臺陣， 菱形是澳大利亞臺陣)數(shù)據(jù)推出的短周期能量輻射源。 星號表示主震震中。 等值線示出了由GPS和InSAR數(shù)據(jù)反演的滑動分布模型[33]。 灰方塊表示使用全球波形由相對定位方法確定的大脈沖位置

前20 s， 破裂以較慢的速度(～1.0 km/s)開始， 然后在剩下的30～40 s， 以快得多的～3.0 km/s的速度擴(kuò)展。 這與Satriano和Hutko[44](數(shù)據(jù)和資源)做的其他研究結(jié)果一致。 使用全球數(shù)據(jù)的反投影表明， 破裂速度變化很大， 但平均破裂速度和我們的結(jié)果類似[34]。 短周期波形疊加能量和全球?qū)拵Рㄐ委B加都表明， 存在初始破裂階段的小振幅和后來快速擴(kuò)展階段的大能量/滑動。 在2010年MW6.9青海玉樹地震中， 人們也觀察到了同樣的現(xiàn)象[32]。 玉樹地震破裂開始很弱， 速度為2.5 km/s， 而后加速到4.7～5.8 km/s， 在玉樹鎮(zhèn)發(fā)生了大幅滑動。 因此， 我們認(rèn)為， 破裂速度和能量/滑動釋放之間可能存在聯(lián)系。 快速破裂擴(kuò)展可能與大滑動范圍有關(guān)。

7結(jié)論

我們使用歐洲、 中國、 日本和澳大利亞4個地震臺陣分析了2015年4月25日尼泊爾MW7.8地震短周期(0.5～5 s)能量輻射。 前20 s, 破裂以～1.0 km/s的速度開始， 下剩的30～40 s， 破裂以～3.0 km/s的較快速度擴(kuò)展。 短周期能量主要來自向東的破裂傳播， 靠近俯沖斷層下傾邊緣， 并對加德滿都城市東北20～30 km的大的凹凸體震源形成補充。

8數(shù)據(jù)和資源

本研究使用的地震數(shù)據(jù)由地震學(xué)合作研究協(xié)會(Incorporated Research Institutions for Seismology， IRIS； www.iris.edu， 最新訪問時間為2015年4月)、 歐洲臺陣(http:∥eida.gfz-potsdam.de/webdc3/， 最新訪問時間為2015年4月)、 中國臺陣(http:∥www.ceic.ac.cn/， 最新訪問時間為2015年4月)和日本國家地球科學(xué)與防災(zāi)研究所數(shù)據(jù)中心(http:∥www.hinet.bosai.go.jp， 最新訪問時間為 2015年4月)獲得。 IRIS的Alex Hutko和Claudio Satriano的反投影結(jié)果在網(wǎng)站http:∥www.ipgp.fr/～satriano(最新訪問時間是2015年8月)和http:∥ds.iris.edu/ds/products/backprojection(最新訪問時間是2015年8月)上可以得到。 震源機制在全球矩心矩張量項目組網(wǎng)站(Global Centroid Moment Tensor， GCMT； www.globalcmt.org， 最新訪問時間為2015年5月)下載。 本文使用的其他數(shù)據(jù)來自參考文獻(xiàn)列出的出版資源。 所有圖件由Wessel和Smith[46]的通用繪圖工具(GMT)繪制。

文獻(xiàn)來源： Dun Wang， Jim Mori. Short-period energy of the 25 April 2015MW7.8 Nepal earthquake determined from backprojection using four arrays in Europe， China， Japan， and Australia. Bull. Seismol. Soc. Amer.， 2016， 106(1): 259-266

(甘肅省地震局楊國棟譯)

(譯者電子信箱， 楊國棟： yanggd@gsdzj.gov.cn)

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在線材料： 使用4個不同臺陣對尼泊爾地震進(jìn)行反投影的動畫演示。

* 收稿日期：2016-02-23； 采用日期： 2016-03-05。

中圖分類號：P315.3；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.05.006