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2024-07-29 作者:

2011年第2期 世 界 地 震 译丛 49 根据静态和高速率GPS、InSAR及宽频带 远震数据的201 0年2月27日智利中部 马乌菜Mw 8.8地震的滑动分布 B.Delouis J.一M.Nocquet M.Vall6e 摘要 2010年2月27日浅源俯冲型Mw8.8地震破裂了智利中部34。S~38。S的消 减板块边界。通过远震记录、InSAR和高速率GPS(HRGPS)数据的联合反演,我们恢 复了这次巨大地震期间滑动的时空分布。另外,我们的模型说明与宽频带面波一致。破 裂起始于32km的深度,并双向扩展在震源的SSW和NNE两个方向形成了两个主滑动 区。起始过程并未发生在这些主凹凸体之一的内部或其边缘,而是发生在两者之间。在 最初的30s内,滑动以向南传播为主;随后,破裂变得缓慢而且更对称。最后,北凹凸 体变得占优势,最大滑动长度达到约20m。根据双侧破裂扩展解释,大部分地震矩是在 110s,即相对短时间内释放的。总体平均破裂速度为2.6km/s,但最初向南扩展时速度 更快,为3.2km/s。大的滑动未到达海沟,该结果与中等尺度的海啸相吻合。向下破裂 的深度为50km,与Ruegg等(2009)根据震前GPS数据推断的闭锁区下限相一致。 2010)。 引言 大震期间的快速滑动触发近场、中场及 远场的地震波,这些地震波在地表检测到, 2010年2月27日,智利中部康赛普西翁 而且可用于推断破裂过程的特征。大地测量 和康斯蒂图西翁市附近遭受到大地震的袭击, 数据,通过定量地表由中场和近场项组合产 首都圣地亚哥有剧烈震感。根据美国地质调查 生的静态位移,可使我们恢复滑动的空间分 局(USGS,http://earthquake.usgs.gov/earth 布,但对破裂期间的滑动时间演变不敏感。 quakes/eqinthenews/2010/us2010tfan/#scitech)、 地震学数据对破裂的时间和空间特性都很敏 全球矩心矩张量(GCMT,http://Ⅵnvw.global— 感,然而如果没有静态约束,则难免要在描 cmt.org/)和近期研制的SCARDEC方法(ht— 述滑动时间和空间分布的参数之间作取舍。 tp://geoazur.oca.eu/spip.php?article675)进 因此,通过将地震学数据和大地测量数据的 行的快速震源确定,都将此次地震确定为俯冲 联合反演,就可提供对破裂过程的最精确的 型地震,矩震级A 一8.8。用浅深度(<50km) 描述。 和以低角度向东倾斜的节面,就可快速地将其 本文介绍了利用静态和1Hz运动GPS、 归类为俯冲的纳斯卡板块和上覆南美板块之间 远震及InSAR数据对2010年2月27日智 边界的板间俯冲型地震。这也很快由产生的海 利Mw8.8地震破裂的联合反演。高速率 啸所证实。另外,35。S~37。S之间的俯冲段显 GPS(HRGPS)记录在直接记录位置时间演 示出与1835年地震以来积累的大滑动不足高 化(而不是速度或加速度)方面有优势,而且 度耦合(Ruegg et al,2009;Madariaga et al, 即使在快速大运动的情况下也从未饱和过, 50 世界地震译丛 2011拄 280 281。282。283。284。285。286。287。288。289。290。291。292。293。294。295。 图1破裂模型(灰色矩形框)的位置和投影到地表的滑动分布。灰色圆点为 用于离散断层模型的子断层或点源的中心。黑色粗线为海沟,红色和 蓝色箭头(原图为彩色图——译注)分别为GPS观测的和计算的水平 位移。双色圆圈为GPS静态数据观测(外圈)和计算(内圈)的垂直位 移。插图为解开的InSAR数据[日本航空航天厅(JAXA)和日本经贸 工业省(METI)原始数据,NIED处理的干涉图,详见正文]。红色虚 线为图2a所示的3个剖面。GPS台站C0NZ、SANT和VALP分别 表示康塞普西翁、圣地亚哥和瓦尔帕莱索市。阴影面分别表示1960 年智利南部瓦尔的维亚和1985年智利中部瓦尔帕莱索地震的破裂区 域。1960年地震的破裂面积来自Plafker和Savage(1970)及Ruegg等 (2009);1985年地震的破裂区是重画的,结合了Mendoza等(1994)得 到的滑动分布;余震区据Barrientos(1995) 使得这种数据在短距离或区域距离处特别有 tinuo RAMSAC,http }| .ign.gob. 用。这种综合数据集能使我们仅用来自可能 ar/ramsac)提供的南美洲40个连续GPS 震后形变非常小的污染可靠地确定主震滑动 (CGPS)观测站的两个子网的数据。首先, 分布的主要特征。 在国际地球参考框架2005(ITRF2005。见 Altamimi et al,2007)下,我们将两个子网 1 数据 合并成一个位置解,得到日时问序列。我们 仔细核对了用于确定该框架的未受同震位移 1.1静态GPS数据 影响的18个地点。选择震前7天及震后一 天的平均值估计同震位移,以避免同震位移 我们使用GAMIT/GLOBK软件包 估计中由震后快速运动引起的任何污染。这 1O.35版(Herring et al,2009)处理由国际 样得到的同震位移在水平分量上的精度优于 GNSS服务处(IGS;Dow et al,2009)和 1cm,垂直分量上优于2cm。图1为此次反 Red Argentina de Monitoreo Satelital Con— 演中使用的GPS测点及其水平和垂直分量 第2期 根据静态和高速率GPg、IngAR及宽频带远震数据的 2010年2月27日智利中部马乌莱Mlw8.8地震的滑动分布 cm 350 300 a 250 200 nm O 0 O O O 珊 0 O O O 如0铷 l5O 100 50 (b1 MA01 5 cmlI ⅣIZAS 10 cmlI ⅣIZAE 10 cml。 _ CSL0 20 cmIl CFAG I 20 cm] l LHCL 图2(a)说明数据拟合的SAR干涉图3个剖面(P1,P2,P3)。LOS: 视线位移(正数表示卫星远离地面)。水平轴:相对于指定原点的 距离。(b)HRGPS记录的模拟。台站位置见图1 的同震位移(可详见HTML.doi:10.1029/ 2010DL043899的附件表S1)。 1.2高速率GPS数据 对于CGPS测点的子集,我们采用两步 法处理包括发震时间在内1小时时间窗的 每个测点,我们使用了跟踪软件(Herring et al,2009),用双差载波相位求解每个测量 时期的相位模糊度和三维位置。为了提高解 的稳定性,在整个时间窗内保持选择的卫星 不变。我们仔细检查每个卫星的相位残差, 去除系统残差大的GPS卫星PRN17和4。 1Hz的数据。首先,形成单差值来推导多 普勒频移(两个时期测量值相位差的比率), 反演第一时期测量的位置变化。用获得的时 间序列确定最早地震波的到时。利用这一信 息选择远场中(>800 km)震后最初400s被 认为固定不变参照测点的子集。对于近场的 选择RIO2(经度为E292.25。,纬度为一 53.7855。)作为参考点,这样得到的结果稳 定性最佳。 选择的时间序列从震前一天开始,利用 恒星时进行滤波。这种滤波显著地减少了长 周期的漂移(>100s)。这种基于运动学处理 世界地震译丛 (a) P波 (b) SH波 图3 P波(a)和SH波(b)远震记录的模拟。对振幅进行了归 一化处理,使其具有相同的震中距。图中只显示了一组 数据,全部数据见附件。(c)总震源时间函数。在图2a 和2b中, 为台站的方位角 获得的静态位移在2cm之内与根据 日本经贸工业省(METI)和日本航空航天厅 GAMIT/GI OBK静态处理得到的结果一 (JAXA)的ALOS/PALSAR ScanSAR原始 致,说明震后数小时发生的快速震后形变非 数据绘制的。InSAR图像下载自:http:// 常小。根据获得的位移时间序列的质量,选 supersites.unavco.org/chile.php。它相当 择0.005~0.02 Hz不同的截止频率对 于ALOS卫星的下降路径422,master HRGPS记录进行了高通滤波,在0.03 Hz 2008/04/10,slave 2010/03/01。反演中, 进行了低通滤波。因此,反演选择的低频范 我们使用了沿图1重绘边缘分布的1172个 围恰好能够大体反映此次Mw8.8巨大地震 点。使用GPS校准点的CONZ站点的静态 破裂过程的主要特征。 位移并反演视线(LOS)偏移进行打开In— SAR数据。 1.3 InSAR数据 1.4宽频带远震数据 我们使用的合成孑L径雷达(SAR)干涉 图涵盖了2010年2月27日地震破裂带的主 从地震学联合研究协会(IRIS)数据中心 要部分。该图是NIED(Ozawa,2010)根据 (http://www.iris.edu/wilber)恢复了数 第2期 根据静态和高速率GPS、InSAR及宽频带远震数据的 2010年2月27日智利中部马乌莱M 8.8地震的滑动分布 字地震台网联合会(FDSN)在45。~78。之间 24个宽频带台站的远震波形,并在有效方 位角范围内取样。远震记录的处理包括:仪 器响应反褶积、积分求取位移、给P波(垂 最大值为24s。对于126个子断层(点源)的 每一个,需要反演的参数包括:滑动起始时 间、滑动角和3个三角函数的振幅值。破裂 起始时间由最小(1.8 km/s)和最大(3.5 km/s)破裂速度决定。滑动角的变化范围为 1OO。~120。。 直)和SH波(水平横向)波列加窗、将一般 放大倍数和震中距均等、对P波和S波分 别进行0.01~0.8Hz和0.01~0.4Hz的带 采用模拟退火最优化算法进行非线性反 通滤波。 2 反演过程 首先,通过模拟远震波形确定2010年 2月27日地震的震源机制。我们进行了一 系列的联合反演,发现走向、倾角和滑动角 分别为15。,18。,110。与地震学和大地测量 数据非常吻合。我们的估计结果与GCMT 得到的结果(18。,18。,112。)及美国地质调 查局的矩心矩张量(14。,19。,104。)相近。 我们的运动学模拟根据的是Delouis等 (2002)介绍的方法。该模型由一个长 720km、宽280km的独立断层段组成,将 其沿走向及倾向均匀地分割为126个40km ×40km的子断层。为了更清楚地将破裂区 与非破裂区加以区分,模型选择的破裂区域 比预测的要大。断层走向及倾角为固定值 (分别为15。和18。)。破裂初始点即模型的 震源为智利大学地球物理系(http: www.dgf.uchile.c1)提供的36.208。S, 72.963。W,深度为32 km。尽管智利大学 地球物理系(DGF)提供的震中位于NEIC/ USGS估计的震中位置SSW方向40km处, 然而该位置与联合数据集拟合最佳。 将每一子断层中心点作为各自的点源, 将各点连接,构成近似的连续破裂,以此模 拟波形。为了模拟静态位移,用位错面代表 子断层。对每个点源,根据其区域释放的地 震矩速率确定其点源时间函数。这里我们用 3个等腰三角函数叠加来表示,其持续的时 间均为12s,区域震源时间函数持续的时间 演。以均方根数据拟合差及总地震矩的同步 最小化作为收敛判据。均方根拟合差的误差 为各个独立数据集(远震、InSAR、静态 GPS、HRGPS)均方根误差归一化处理后的 平均值。最小化总地震矩是为了减少断层模 型的假滑动。我们还证实,当独立数据集赋 予50 的权重时,下面所述滑动模型的主 要特征是稳健的。 局域至区域距离的合成地震图(HRGPS 数据)使用Bouchon(1981)为一维速度模型 设计的离散波数法计算。远震台站的合成图 则采用Nabelek(1984)的射线理论近似法生 成。震中区则采用Laske,Masters,Reif (http://igppweb.ucsd.edu/ ̄gabi/rern.ht— m1)的cRusT2.0全球地壳速度模型。利用 Savage(1980)的弹性半空间的位错公式计 算静态位移(静态GPS及InSAR)。 3反演结果与分辨率 图1为联合反演的地表投影图。从图中 可以观察到两个主破裂区或称凹凸体,其位 置分别位于震中SSW和NNE方向,表明 了双侧破裂传播的特点。震源区的滑动尺度 相对不太大,为4~8m,而SSW和NNE 方向凹凸体的滑动分别达到13m和21m。 沿走向破裂总长度为500 km,沿上倾方向, 大的滑动结束于距海沟20~40 km处(纬度 34.4。~一33.5。之间除外),这种特征限 制了由此引发的海啸规模。沿下倾方向,滑 动相当均衡地停止在45~50 km深度范围 (如图1所示)。 54 世界地震译丛 图1为静态GPS观测值与我们联合反 演预测值的对比,图2(a)和(b)分别为In— SAR和HRGPS记录,图3为远震记录。 数信号反褶积获得。然而,反褶积算子的固 有不稳定性可能会影响到计算结果。为了得 到更加可靠的相对震源时间函数,我们采用 更加稳健的Vallife(2004)的反褶积方法, 从InSAR数据中可以看出,北部和南部的 破裂边界非常清晰,说明对破裂边界的约束 效果非常好,并显示出两个相当于两个大滑 动区的明显最大值区(图2a的剖面P1)。图 2b为模拟强震记录的HRGPS时间系列。 其中对相对震源时间函数加以4个物理约束 条件(因果性、非负性、有限时间和等面 积)。结果表明,相对震源时间函数对选择 的余震并不很敏感。图4b为FDSN的l1 图3为不同方位的台站子台网远震P波和 SH波的波形模拟(完整的台网见附件)。根 据主震震源时间函数(STF,见图3c),大 部分地震矩在最初的110s内释放,滑动加 权的平均破裂速度为2.6 km/s,但平均来 讲向南的破裂速度(2.7km/s)比向北 (2.5km/s)稍快。这种差异的原因主要是由 于最初的30s内向南的破裂传播速度 (3.2km/s)较快。 为了确定断层模型离散解的稳定性,我 们再次进行了两次联合反演,一次是将子断 层网格东移20 km,一次是将网格间距由 40km换成20km。相应的滑动图见附件。 这些检验表明,由于子断层间距选择合理, 得到的结果是稳定可靠的。 图4a为6个时间段破裂的时间演化截 图。从图中可以看出,在最初45s内,破裂 方向主要以向南为主。同时,几乎完成了破 裂的倾斜范围。之后(60s时),破裂花样变 得较均匀对称。从75s起,以向北的破裂为 主。综合来看,总的滑动花样略呈不对称分 布,NNE方向释放了6O 的地震矩,SSW 方向释放为40 。总地震矩为1.8E+ 22Nm(Mw一8.8)。滑动模型可以从附件中 以ASCII格式得到。 我们将我们的运动学震源模型与宽频带 远震波形进行比较,以进一步验证其有效 性。为此,我们选择两次Mw一6.6的余震 (2010—03—05、2010—03—16)作为经验格林函 数(EGF)。理论上,相对震源时间函数 (RSTF)可以直接由主震信号的经验格林函 个台站记录的勒夫波相对震源时间函数(实 线)以及由我们的时空模型以勒夫波相速度 为4.5km/s(Schwartz,1999)计算的相对震 源时间函数。由于随台站方位角不同而变的 相对震源时间函数直接与破裂过程的特征有 关,实测相对震源时问函数与理论计算相对 震源时间函数之间高度的相似性表明了我们 所推荐的震源模型是真实可靠的。这证实了 地震传播的2个主要特征:(1)震中以北 (DAG、SSB和UNM台站)紧密的相对震 源时间函数表明释放了更多地震矩;(2) SBA和CAN台站最初的相对震源时问函数 峰值表明破裂向南扩展较小但较早。 为了评估滑动分布分辨率在断层模型上 的可能变化以及不同数据集对此的贡献情 况,我们进行了合成检验。另外对独立反演 和联合反演的分辨率分别进行了评估。合成 模型和反演在附录中给出。这些检验的主要 结果如下:(1)独立数据集中,由于InSAR 数据含有大量的沿海地带数据,因此对滑动 地点约束最好;(2)联合反演得到了最佳的 合成凹凸体。这是通常的情况,因为在联合 反演中,每个单一数据集均对总分辨率有贡 献;(3)模型上部,也就是靠近海沟部位, 由于海岸与海沟之间的近海缺少测点,因而 滑动的分辨率较低。 4讨论与结论 我们对2010年智利地震的分析是对相 对比较低的频率进行的,旨在恢复此次巨大 第Z期 根据静态和高速率GPS、InSAR及宽频带远震数据的 2010年2月27日智利中部马乌莱M、V8.8地震的滑动分布 55 (a) fb 料 ■ 鬃●■■— : ‘_- _ - - - : : 2O ~一一 ~~ ~~ ~~ 坚180 吕 时间尺度 220s 趣"2268 —▲滑动/m :由经验格林函数反褶积得到的RsTF . 用滑动模型计算的RsTF 300.200.1OO 0 lO0 200 300 km 沿走向 △:震源■—珲蕊窿 霸■一1 5 3.0 6.0 10 0 22.0 图4(a)联合反演所得滑动分布的快照图。给出了6个时间段的积累滑动。最后 一副图(底图,标有“总”)为最终滑动分布。黑色箭头为滑动矢量。(b)实测 与理论计算的相对震源时间函数(RSTF)的对比。实测的相对震源时间函数 (实线)通过勒夫波窗口由主震横向信号对2010年3月5 Ft余震(Mw一6.6) 的横向信号进行稳定反褶积获得。相对震源时间函数理论值(虚线)由我们的 破裂过程模型计算得到。对两种相对震源时间函数均进行了10s的平滑处理。 图中给出了所选择的FDSN台站名称、方位角以及振幅。0为台站方位角 地震滑动分布的主要特征。若采用更多数据 和更高频率作进一步研究,必将得到破裂过 倾端的深度为50 km,与通过GPS地表测 量得到的闭锁区下倾端的估计值一致(Rue— 程的更好细节。不过,我们的联合反演清晰 地给出了此次地震破裂为双侧扩展的证据, 从震中向两侧方向各扩展大约250km,总 滑动花样不太对称,NNE方向释放的地震 矩比SSW方向多20 。显著地是,破裂下 gg et al,2009)。这也与在智利北部板间大 地震(Delouis et al,1997;Pritchard and Si— mons,2006;Delouis et al,2009)发现的说 明南美俯冲板块大段之下的深部经历从有震 到无震的转变过程等同。靠近海沟部位,尽 世界地震译丛 管滑动分布分辨率很低,但我们的模型清晰 地说明在板块边界的最上部并未发生大的滑 34.5。S,此后破裂逐渐减小直至在34.2。S 处完全结束。这与1985年智利中部瓦尔帕 莱索地震的破裂南端终止位置相吻合 (Comte et al,1986;Mendoza et al,1994; 动,这一点也与这种大地震引发的中等强度 的海啸相吻合。地震破裂时间由远震体波及 HRGPS数据确定。这两组数据均表明,在 最初的30s内,破裂向南扩展的速度高于平 均速度(2.6 kin/s)。破裂开始之后约60s, 震源两侧的破裂呈大致对称分布。在75s 后,破裂以北侧为主。这种在时间上的演变 也由远震台站根据面波得到的相对震源时间 Barrientos,1995,图1)。这次2010年地震 致使Campos等(2002)研究发现的地震空区 发生了破裂,但破裂向北扩展更远。 通过运用大地测量和地震学数据的联合 反演,我们恢复了2010年智利中部地震破 裂的主要特征。在这些数据中,强震记录选 函数独立证实。破裂的有效持续时间为 110s,对于M 8.8地震来讲是相对短持续 时间,但完全可由双向破裂来解释,使得两 个区域几乎同时释放大量地震矩。相对于两 侧的主滑动区,震中区的滑动尺度较小。显 择频率小于1Hz的高速率GPS时间序列数 据,其地面位移地震图没有合成误差。若将 高速率GPS观测站设置在视破裂带上,便 可得到约束未来地震震源反演的丰富高质量 的数据。 然,2010年智利主震的起始过程并未发生 在主凹凸体内。 尤其用InSAR数据很好地约束了破裂 的南北两端。在震中以南,大的破裂终止于 37.2 ̄S,此后在38。S附近破裂扩展速度急 译自:Geophys Res Leet.2010.37,I 17305 原题:Slip distribution of the February 27, 2O10 Mw一8.8 Maule earthquake,cen— tral Chile,from static and high—rate GPS。InSAR。and broadband teleseis— 剧降低。这与1960年智利南部瓦尔的维亚 M>9.5地震北部的破裂终止位置相吻合 (Plafker and Savage,1 970;Cifuentes, mic data (核工业航测遥感中心 康秀平译;吕春来校) 1989,图1)。在震中以北,大的破裂终止在 

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