地震破裂过程介绍

0.2
0
0
Distance along dip direction/km
2.5 hours
Yushu
2 days
Yushu
5 hours
Yushu
Field investigations (Chen et al., 2010)
Yushu
震后3.3小时
震后5.1小时
震后2.15小时
震后2.5小时
Tokyo University
Surface projection of slip distribution
CEA
USGS
The 27 February 2010 Chile earthquake
Stations and epicenter
DGMT LONY
U15A
HNH
SBC
S24A
BLA BRAL
350
300
250
200
150
100
50
0
0
50
100
Time (s)
The 15 July 2009 earthquake off west coast of the south island, N.Z.
Obtained 3.75 hours after the occurrence
Moment rate (1020Nm/s)
Stations and epicenter
JNU
WAKE MIDW
NACB
GUMO
KIP POHA
KKM DAV MANU TARA
XMAS
KSM SBM
RABL
UGM
KNRA
XMIS
PPTF
COCO
DGAR
RPN
SNAA
PMSA EFI
PLCA LCO
TRQA
Azimuth (Deg)
Azimuth-dependent ASTFs
GPS data inversion
High-rate GPS data inversion
PP: What has occurred
RP: What can be seen
高频GPS数据震间反演结果
Mw8.7
内容
破裂过程与地震灾害 国内地震应急的需求（国内） 国际地震预警的需求（国际） 破裂过程反演原理及技术实现
(Nw)
(Ns)
IDS Linear inversion Nonlinear inversion
∝ Nw
∝ Ns
∝min(NWNS2, NSNW2)
∝ Nw
∝ CNs
Waveform samples (NL)
∝ NL log(NL) ∝ NL3
∝ NL2Ns NL log(NL)
2014Biblioteka BaiduSouth Napa地震
15 July 2009 N.Z. earthquake
Three examples
27 February 2010 Chile earthquake
06 April 2010 Sumatra earthquake
The 15 July 2009 earthquake off west coast of the south island, N.Z.
Distance along strike direction/km
0
Distance along dip direction/km
1.6
Strike 119˚/Dip83˚
1.8
1.4
0
5 1.2
10
1
15
1.2
20 0.8
25
0.6
30
−10
0
10
20
30
40
50
60
0.6
0.4
Distance along strike direction/km
USGS updated
2010年4月14日青海玉树Mw6.9地震
2.5 hours
(a)
5 hours
(b)
2 days
(c)
Moment rate /(10 19 Nm ⋅s -1 )
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
00
5
10
15
20
Time/s
Strike 119˚/Dip83˚ 0
5
10
15
Strong-motion data
震后反演
High-rate GPS data
Strong-motion data
High-rate GPS data
震后反演数据拟合
Strong-motion data
High-rate GPS data
震间反演
Strong motion data inversion
“有限断层震源的实时成像（即破裂过程实时反演）是未来可能显著改进 地震预警工作的最重要的科学难题” (Allen et al. 2009)
http://www.eew.caltech.edu/research/finite-rupture.html
(Allen and Ziv, 2011)
(Wright et al., 2012)
内容
破裂过程与地震灾害 国内地震应急的需求（国内） 国际地震预警的需求（国际） 破裂过程反演原理及技术实现
The 2004 Sumatra Mw9.3 earthquake (Titov et al., 2005)
The 2011 Tohoku Mw9.0 earthquake
(Zollo et al., 2006)
20
25
30
35
40
45
50
−30 −20 −10
0
10
20
30
40
Distance along strike direction/km
Moment rate /(10 19 Nm ⋅s -1 )
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
5
10
15
20
25
30
Time/s
2m
3m
1.8
Moment rate /(10 19 Nm ⋅s -1 )
有限断层破裂过程
地面
有限断层地震破裂过程
Dip
Strike
断层面上每一个质点，其滑动速率 随时间有一个变化过程(震源时间函 数STF)
每一个时刻，断层面上都存在一个 累积滑动量和瞬时滑动速率的空间 分布
因此称作时空破裂过程
破裂模型的完整描述：子断层震源时间函数 (张勇等, 2010)
破裂模型的完整描述：子断层震源时间函数 (张勇等, 2010)
SABA
PTCN
ROSA
SACV RCBR
ASCN SHEL
SNZO
VNDA
LBTB
Azimuth (Deg)
Azimuth-dependent ASTFs
350 300 250 200 150 100
50
0
0
50
100
150
200
250
Time (s)
The 27 February 2010 Chile earthquake
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
10
20
30
40
50
60
t (s)
Moment rate (1020Nm/s)
CEA
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
10
20
30
40
50
60
t (s)
USGS
STF comparison
Tokyo University
CEA USGS
Slip distribution comparison
地震定位：时间和地点信息
地震震级：规模和强度信息
MS8.0
震源机制：几何学参数
破裂过程：运动学参数
地震 发生
地震定位 与震级
震源机制
破裂过程
➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢
震发强海烈灾应库余次
源震地啸度害急仑震生
性构面模分估决应危灾
质造运拟布计策力险害
动
性
震源物理性质，地震应急和地震预警
USGS updated
USGS UCSB
断层面上的滑动量分布比较
中国地震局, 3.2小时
中科院
USGS
USGS updated
Caltech
UCSB
The 6 April 2010 Sumatra earthquake
Stations and epicenter
KBS
GAMB
LVZ FUORN OBN
矩张量反演
（几何学参 数）
破裂过程 反演
（运动学 参数）
地震定位 （时空参
数）
地震震源参数测定 的发展
膨胀源
压缩源
True fault
A
Generally, M到时反lg演A
相对定位
双差定位 反演
逆断层
(M L , mb , M S , MW K K )
正断层
走滑断层
2008 年汶川MW7.9地震
内容
破裂过程与地震灾害 国内地震应急的需求（国内） 国际地震预警的需求（国际） 破裂过程反演原理及技术实现
汶川地震
两天后 三天后
汶川地震快速反演结果
（张勇等，2008）
（张勇等，2009）
（张勇等，2012）
（张勇，2012）
Earthquakes (M>6.5 in China and M>7.5 worldwide) 2009-2015
TIXI YAK
KIEV
CLTB RDO
KURK TLY
SPIA BILL
SMY MAJO
EIL RAYN
JHJ2 CBIJ WAKE
MSEY BOSA
MANU TARA
PMG CTAO MSVF
EIDS YNG ARMA
TAU
CASY
Azimuth (Deg)
Azimuth-dependent ASTFs
P2-Sec
P2-Sec (Rydelek et al., 2007)
(Zollo et al., 2007)
大地震和小地震的波形特征
Real-time determined magnitude of the 2011 Tohoku earthquake
Magnitude
8.5
8
7.5
7
6.5
6
First warning at 25 s, with M7.2
5.5
5
4.5
4
20
40
60
80
100
120
140
Time after the rupture initiation (s)
“The most important scientific challenge that would have the potential to significantly improve EEW systems is the recognition and real-time mapping of finite-fault sources.” (Allen et al. 2009)
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
5
10
15
20
Time/s
2.4 m
Distance along dip direction/km
2.4
Strike 119˚/Dip83˚
0
5
1.8
10
15
20
1.2
25
30
−20 −10 0
10 20 30 40 50
0.6
IDS = Iterative Deconvolution and Stacking
（Zhang et al., 2014, JGR）
Comparison of computation efforts
(based on a theoretical analysis)
Method
Number of stations Number of sub-faults
Moment rate (1020Nm/s)
0.4
CEA
0.3
0.2
0.1
0
0
20
40
60
80 100
t (s)
USGS
STF comparison
USGS updated
CEA USGS
Slip distribution comparison
USGS updated
CEA USGS
Surface projection of slip distribution
地震破裂过程反演 原理和软件实现I
张 勇 严川 北京大学地球与空间科学学院
内容
破裂过程与地震灾害 国内地震应急的需求（国内） 国际地震预警的需求（国际） 破裂过程反演原理及技术实现
内容
破裂过程与地震灾害 国内地震应急的需求（国内） 国际地震预警的需求（国际） 破裂过程反演原理及技术实现
震级测定 （强度参数）
Obtained 3.2 hours after the occurrence
Moment rate (1020Nm/s)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
50
100
150
t (s)
Moment rate (1020Nm/s)
STF comparison
2.5
CEA
2
1.5
1
0.5
0
0
50
100
150
t (s)
破裂过程反演的原理：多普勒效应
由奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒(Christian Doppler)于1842年提出。
多普勒效应简单描述：
波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波频会改变。
电磁波的多普勒效应：光谱的变化（颜色变化）
电磁波多普勒效应的其他用途：雷达测速，测星体运动速度
350 300 250 200 150 100
50
0
50
100
150
200
250
Time (s)
The 6 April 2010 Sumatra earthquake
Moment rate (1020Nm/s)
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
20
40
60
80 100
t (s)
Obtained 3.1 hours after the occurrence