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大地震震源破裂模型:从快速响应到联合反演的技术进展及展望

已有 648 次阅读 2020-4-1 15:19 |个人分类:《中国科学》论文|系统分类:论文交流|关键词:学者

解析大地震的破裂模型是研究地震成因,破裂动力学机制,探究活动断层结构等研究方向的基础。在地震防灾,应急响应,危险性评估等实际工作中发挥着重要的作用。

近日,北京大学地球与空间科学学院的几名研究人员联合发表了综述性文章“大地震震源破裂模型:从快速响应到联合反演的技术进展及展望”。该文章由岳汉博士为第一作者,张勇、盖增喜、王腾和赵里教授作为合作者,发表于《中国科学:地球科学》2020年第4期。

文章对近年来在大地震破裂模型反演的方法及应用上取得的进展进行综述和分析,结合北京大学地球物理专业相关研究人员在大地震破裂模型的快速反演、震源反投影、大地测量、地震波与形变观测数据的联合反演、复杂地球模型中破裂过程的反演及强地面运动模拟等方面的工作,分析不同研究方法的特长以及不足。提出从短期快速响应到长期科学问题的系统化研究思路,并对于自动一体化的从震源模型反演到强地面运动预测的应急系统, 以及全动力学反演方法进行了分析和展望。

首先,文章以大地震响应研究的时间线为轴,将一次大地震之后的研究内容划分为应急导向以及研究导向两个部分(图1)。从地震预警、快速响应、成像技术、联合反演、震动模拟、震后释放模型以及断层闭锁模型几个角度综述了地震破裂研究的技术进展。并就关键的技术瓶颈以及科学问题展开分析。

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图1 大地震震源研究的时间线

地震由断层上的位错产生。位错造成的动能伴随地震波以几公里/秒的速度传播至周围介质。地震波携带的动能造成建筑物和工程设施的破坏和垮塌是直接损害的主要原因。随后,余震、海啸、滑坡、土壤液化、堰塞湖溃堤等次生灾害继续对于震区造成威胁。一次地震造成的灾害持续时间往往超过数月。震灾发生后救灾的首要任务是在营救黄金时间(3天)之内从垮塌建筑中营救幸存者。因此,大地震发生之后早期的研究以地震预警、快速响应、救援和灾害评估为导向, 而后期的研究以破裂机制以及科学问题为导向。

对于某一次大地震研究的首要问题是描述发震过程。通过时空分布的位错源描述地震破裂过程称为地震动态破裂模型,该模型也是很多后续研究过程,如强地面运动、震后释放以及介质响应的基础。随着响应时间、自动化程度以及数据要求,对于地震破裂过程的描述也可以简化为点源解、线性源、多点源、成像解以及有限断层模型。这些模型对于数据的要求逐渐增高,反演效率逐渐降低,反演结果逐层精细(图2)。联合利用近场大地测量、影像遥感(如GPS、InSAR)、强地面运动、远震体波面波、海啸波等数据的反演,能够获得曲面多支断层上的动态破裂模型,对于破裂细节的描述最为精细。该方向依赖于结合地震学、测量学以及海啸波等多种观测手段的联合反演技术,数据响应时间较长以及计算成本较高,同时对于反演参数的反复调试也依赖研究人员的经验。但是随着未来数据采集技术、计算效率以及自动化参数拾取算法的改进,震源联合反演有望自动化的快速实现,并在地震的快速响应中发挥作用。

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图2  基于不同数据反演结果的时间、空间以及位错量分辨率的三角示意图

最后,该文章针对地震破裂研究中的若干科学问题,如动力学过程、地震破裂的自相似性以及预警的时间极限进行了分析。并且提出了从快速响应到反演模型、预测模型的一体化研究思路。

文章就过去二十年左右大地震反演工作中的进展进行了综述和归纳,得到如下认识:

(1)过去20年间,多维度观测数据的大量涌现; 模拟工具、反演理论及成像算法的逐渐成熟;全球大地震的活跃,为地震研究提供了大量震例。这些进展成为大地震研究快速发展的重要基石。

(2)震源反演研究的自动化已经逐渐进入有限断层反演领域,并有望在密集观测地区实现全自动化有限断层反演。并且进一步推动危险性估计以及地面震动模拟的自动化。该自动化方法有望在黄金救援时间内对救灾工作给出指导。

(3)震源物理学,运动学以及动力学方面的研究的进展依然是局部的。对于重要的科学问题仍缺乏足够的观测证据以及可靠、普适的分析方法。这些方面的研究有望成为未来地震科学研究的重点方向。




文章信息:[点击下方链接可阅读原文] 

中文版:岳汉, 张勇, 盖增喜, 王腾, 赵里. 2020. 大地震震源破裂模型: 从快速响应到联合反演的技术进展及展望. 中国科学: 地球科学, 50(4): 515–537

英文版:Yue H, Zhang Y, Ge Z, Wang T, Zhao L. 2020. Resolving rupture processes of great earthquakes: Reviews and perspective from fast response to joint inversion. Science China Earth Sciences, 63(4): 492–511, https://doi.org/10.1007/s11430-019-9549-1



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