从震源破裂过程角度分析中国大陆强震面波震级高于矩震级的原因.pdf
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1、 407 国家自然科学基金(42021003,42074058)资助 收稿日期:20220524;修回日期:20220623 北京大学学报(自然科学版)第 59 卷 第 3 期 2023 年 5 月 Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,Vol.59,No.3(May 2023)doi:10.13209/j.0479-8023.2023.020 从震源破裂过程角度分析中国大陆强震 面波震级高于矩震级的原因 许月怡 张勇 北京大学地球与空间科学学院,北京 100871;通信作者,E-mail:zhang- 摘要 基于有限断层模型
2、和数值模拟,研究震源参数对面波震级的影响。结果表明,在矩震级相同的情况下,地震破裂持续的时间越短,面波震级就越高,反之亦然。影响地震持续时间的震源参数包括子断层破裂持续时间、破裂速度和破裂长度。若地震矩不变,子断层破裂持续时间和破裂长度与面波震级负相关,破裂速度与面波震级正相关。中国大陆测定的面波震级多数情况下显著高于矩震级的原因可能有二:一是中国大陆发生的强震多为板内地震,由于应力降偏大,破裂持续时间和断层长度可能偏短;二是相对于美国国家地震信息中心测定的 Ms(20),中国地震台网中心测定的面波震级系统性地偏大。关键词 面波震级;矩震级;震源参数 Analysis of the Reaso
3、ns why Surface Wave Magnitude is Higher than Moment Magnitude in the Mainland of China from the Perspective of Source Rupture Parameters XU Yueyi,ZHANG Yong School of Earth and Space Sciences,Peking University,Beijing 100871;Corresponding author,E-mail:zhang- Abstract The influence of the source par
4、ameters on Ms is studied through numerical simulations based on finite-fault models.The results show that the Ms is negatively correlated with earthquake rupture duration when moment magnitude remains unchanged.The source parameters that can impact the rupture duration contain the sub-fault duration
5、,rupture velocity,and rupture length.Among them,the sub-fault duration and rupture length is negatively correlated with Ms,while the rupture velocity is positively correlated with Ms,if the moment magnitude remains unchanged.The fact that the measured Ms of strong earthquakes in the mainland of Chin
6、a are significantly larger than moment magnitudes may be due to two reasons.First,the strong earthquakes in the mainland of China are mostly intraplate earthquakes with relatively higher stress drop values,which may have short rupture duration and rupture length.Secondly,Ms determined by China Earth
7、quake Networks Center(CENC)is systematically larger than Ms(20)determined by National Earthquake Information Center.Key words surface wave magnitude;moment magnitude;source parameters面波震级(Ms)和矩震级(Mw)是衡量强震(震级M 6.0)规模的两种常见标度,二者各有优缺点。面波震级的测定相对简单,但当 M 8.5 时,容易发生饱和;矩震级不会饱和,但与地震波能量的关系较弱,某些情况下无法较好地反映震感和灾害的
8、程度。对一般地震而言,不同震级标度之间整体上存在线性经验关系13,但具体到某一个地震事件,中国地震台网中心(China Earthquake Networks Center,CENC)测定的面波震级(Ms)、美国国家地震信息中心(National Earthquake Information Center,NEIC)测北京大学学报(自然科学版)第 59 卷 第 3 期 2023 年 5 月 408 定的 Ms(20)以及全球矩心矩张量组(Global Centroid-Moment-Tensor,GCMT)测定的矩震级 Mw 之间存在较大的差异(图 1)。例如,2014 年云南景谷地震的Ms
9、比 Mw 大 0.8 级,2017 年西藏米林地震的 Ms 和 Ms(20)比 Mw大 0.4 级(表 1)。震级测定的一致性问题一直备受关注。矩震级完全取决于地震矩,与断层附近介质的剪切模量、错动面积和位错量相关,对断层错动的时间过程不敏感4;面波震级则由面波振幅与周期的比值决定,Ms 和 Ms(20)采用的面波周期范围也有差别4,所以受断层错动时间过程影响。一个较为简单且极端的例子是,假定两次矩震级相同的地震事件具有相同的位错量,但其中一次事件完成这一错动的时间为10 s,另一次事件完成这一错动的时间为 100 s,由于用于测定面波震级的远场地震波幅度与断层错动速率成正比,前者的面波幅度显
10、著高于后者,导致其面波震级明显偏大。本文基于有限断层模型,采用不同的震源参数 Ms,Ms(20)和 Mw 分别来源于中国地震台网中心正式目录(http:/)、美国国家地震信息中心(https:/www.usgs.gov/)和全球矩心矩张量项目(https:/www.globalcmt.org/)图 1 2009 年 1 月至 2021 年 12 月中国大陆 Ms 6.5 的地震Ms与Ms(20)震级对比 Fig.1 Comparison between Ms and Ms(20)of earthquakes Ms 6.5 from January 2009 to December 2021 i
11、n the mainland of China 表 1 2009 年 1 月至 2021 年 12 月中国大陆Ms 6.5 地震目录 Table 1 Earthquake catalogue(Ms 6.5)from January 2009 to December 2021 in the mainland of China 发震时间(北京时)经度/()纬度/()震中 位置 Mw Ms(20)Ms 发震时间(北京时)经度/()纬度/()震中 位置 Mw Ms(20)Ms 20210522 02:04:13 98.37 34.61 青海 玛多 7.4 7.6 7.9 20150703 09:07:
12、44 78.15 37.56 新疆 皮山 6.4 6.6 6.5 20210521 21:48:35 99.88 25.70 云南 漾濞 6.1 6.2 6.5 20141007 21:49:39 100.55 23.40 云南 景谷 6.1 6.3 6.9 20200723 04:07:18 86.81 33.19 西藏 尼玛 6.4 6.3 6.6 20140803 16:30:12 103.33 27.11 云南 鲁甸 6.2 6.3 6.6 20200626 05:05:17 82.34 35.69 新疆 于田 6.3 6.2 6.5 20140212 17:19:48 82.51 3
13、6.14 新疆 于田 6.9 7.2 7.3 20200119 21:27:56 77.21 39.83 新疆 伽师 6.0 6.1 6.5 20130722 07:45:56 104.21 34.54 甘肃 岷县 6.0 6.2 6.7 20171118 06:34:18 95.00 29.75 西藏 米林 6.5 6.9 6.9 20130420 08:02:47 102.99 30.30 四川 芦山 6.6 6.8 7.0 20170809 07:27:52 82.89 44.27 新疆 精河 6.3 6.4 6.6 20120630 05:07:31 84.74 43.42 新疆 新源
14、 6.3 6.4 6.6 20170808 21:19:48 103.82 33.20 四川 九寨沟 6.5 6.8 7.0 20100414 07:49:36 96.59 33.22 青海 玉树 6.9 7.0 7.3 20161125 22:24:30 74.10 39.20 新疆 阿克陶 6.6 6.7 6.8 20090828 09:52:06 95.90 37.60 青海 海西 6.3 6.2 6.6 许月怡等 从震源破裂过程角度分析中国大陆强震面波震级高于矩震级的原因 409 模拟地震波,并基于模拟的地震波测定其面波震级,详细地探究不同的震源参数(包括子断层破裂(断层上质点振动)持
15、续时间、破裂速度和破裂长度)如何造成面波震级与矩震级的差异。1 研究方法 1.1 基于有限断层模型的地震波模拟 根据震源表示定理,地震辐射的波场可以表示如下5:,(,)*(,;)d(),npqnp qutmtGt xx(1)其中,un(x,t)为观测点(台站)x 处 n 方向的位移,Gnp,q为格林函数,表示断层面 处单位强度的力偶在观测点 x 处激发的 n 方向位移。mpq 是断层面 处地震矩张量的分量,如果断层面上的震源机制不随时间改变,则可表示为 mpq(,t)=M0()s(,t)(ep vq+eq vp),e 和 v 分别为滑动方向和断层面法向方向的单位矢量,M0()为标量地震矩,s(
16、,t)是震源时间函数。假定断层面由 K 个大小相等的子断层组成,台站总数为 L,根据式(1),台站 l 处的位移()lnu t可写成离散形式6:01,*(,;)()Klnkkknp qlkpqqputMstGt。xe ve v(2)在震源机制已知的情况下,本文基于 AK135 大 陆模型78,利用反透射系数法9计算 Gnp,q(x,t;)(ep vq+eq vp),所以只需给定断层面上的滑动分布和破裂模式,就可以根据式(2)计算台站处的观测波形。测定面波震级时,需要将观测资料转换为仿真资料,假设()lnu s为地面位移()lnu t的频谱(s=i2f,i=1),模拟地震仪的传递函数为 H(s)
17、,仿真记录的位移()lnd t可表示为 (1()e d2 illstnndtUsH ss。(3)中国基式(SK)中长周期地震仪的传递函数10为 32252.36()(0.44720.2693)(52.3625.),72sH sssss(4)美国世界标准台网长周期(WWSSN-LP)地震仪的传递函数11为 3220.97866()(0.80360.16877)(0.136570.00427)sH sssss。(5)两种仪器的幅频特性曲线(图 2)表明,SK 地震仪对 0.115 s 周期的地震波响应较好,其频带在0.211 s 是平坦的;WWSSN-LP 对 350 s 周期的地震波反映较好,频
18、谱峰值出现在 15 s4。考虑到中国地震台网与境内地震的平均震中距小于 25,而Ms(20)需要震中距大于 20,我们分别设定震中距 图 2 中国基式(SK)中长周期地震仪和世界标准台网长周期(WWSSN-LP)地震仪的幅频特性曲线 Fig.2 Displacement response of typical Chinese Intermediate Period Broad Band SK Seismograph and World-Wide Standardized Seismograph Network Long-period Seismograph 图 3 测定Ms和Ms(20)所用台
19、站分布 Fig.3 Distribution of stations for the determination of Ms and Ms(20)北京大学学报(自然科学版)第 59 卷 第 3 期 2023 年 5 月 410 在 525和 3090范围内均匀分布的各 100 个观测台站来测定 Ms 和 Ms(20),如图 3 所示。为了探究矩震级固定情况下震源参数对面波震级的影响,分别模拟矩震级为 6.8,7.2 和 7.5 的地震,包括单侧和双侧破裂模型(即表 2 中 6 种震例),震源机制固定,断层的走向、倾角和滑动角分别为 90,45和 45。图 4 和 5 以 Mw=7.2 为例,展
20、示震源参数的定义。破裂长度为 L,矩震级为 6.8,7.2 和 7.5的破裂模型分别采用 1 km1 km,2 km2 km 和 3 km3 km 的子断层,震源时间函数均用一个简单的等腰三角形表示,破裂起始时间用子断层到震源的距离 l 除以破裂速度 Vr 来计算,子断层的破裂持续持续时间为 Tr(图 5(a),故整个地震的破裂持续时间为 Ta=lmax/Vr+Tr(lmax 与 L 正相关),双侧破裂(图5(c)持续时间少于单侧破裂(图 5(b)。以单侧破裂Ms(20)=Mw 时的震源参数为参照,6 种模拟震例都 表 2 破裂模型的震源参数 Table 2 Source parameters
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