用近場強震動記錄快速估計同震位移并反演震源滑動分布

金明培，汪榮江

1 中國地震局滇西地震預報實驗場辦公室，大理 671000

2 德國地球科學研究中心（GFZ），波茨坦14473，德國

1 引 言

同震位移場（或同震形變場），是指大地震發(fā)生過程中，由于斷層錯動引發(fā)的斷層周圍一定范圍內地表相對于震前永久變形的空間展布特征．同震位移場可用于認識發(fā)震斷裂運動學特性、反演地震破裂模型和過程、了解地震成因，其研究對于地殼構造運動、地震動力學特征、判定地震未來趨勢乃至震后快速應急響應、工程抗震設計和震害預測都具有十分重要的意義．自1992年美國蘭德斯地震以來，科學家們紛紛開始利用大地測量技術，特別是空間大地測量技術如GPS［1－11］和InSAR［12－22］等來獲取同震位移場或形變場并極大地促進了震源滑動模型的研究．而利用近斷層強震記錄估算同震位移的研究雖然起步更早［23］，但進展遠緩慢于上述兩種方法［24－31］，對此，彭小波等［32］已進行了系統(tǒng)的概述和總結．然而在很多國家，包括我國在內，目前連續(xù)GPS觀測站點分布仍然稀疏．另外，GPS同震位移解算比較復雜，實時性有待提高．而InSAR 數(shù)據(jù)則往往還要等待幾個星期甚至更長的時間，結果難于剔除余震影響．因此，雖然大地測量數(shù)據(jù)的精度較高，但通常還不能用于強震后的快速應急響應等．相比較而言，近場強震資料近年來卻日漸豐富，且大都逐步實現(xiàn)了實時或準實時傳輸，這為快速和充分利用創(chuàng)造了條件．但在我國，目前強震觀測資料則更多地是被用于抗震設防等工程和結構設計領域，一般停留在滿足于獲取峰值加速度和反應譜等方面．對強震資料的進一步開發(fā)利用，如地震早期預警、地震精定位、同震位移快速獲取等研究則相對滯后或尚不成熟．

我國強震動臺網自“十五”期間大規(guī)模投入建設以來，技術上已得到了很大發(fā)展，分布也越來越密，且大都架設在著名斷裂帶附近和強震多發(fā)區(qū)，提供了諸如汶川大地震及其余震等一大批寶貴的近場記錄波形．但仍有少數(shù)臺站資料存在如GPS 授時故障、三分量及其極性的標識混亂甚至錯誤、事件前后沒有足夠的記錄長度、事件的頭文件信息不規(guī)范等問題．如何更有效地開發(fā)和充分利用好近場強震動記錄資料，并由此進一步推進強震觀測穩(wěn)步發(fā)展，提高和規(guī)范強震記錄質量，也是我們未來幾年內面臨的一個迫切而重要的任務．

近場強震動記錄以其高分辨率（100～200 Hz）、大動態(tài)范圍（最大滿量程為±2g，而在日本實際最大記錄可達±4g）、牢固觀測系統(tǒng)（其拾震儀一般均采取特別措施固定）、近距離的震源系統(tǒng)觀察等，讓我們有機會更真切地看到了清晰完整的近源地震破裂過程．我國將在“十二五”期間建設“國家地震烈度速報與預警工程”，該項目建成后在強震多發(fā)區(qū)的臺間距將達到20～40km（國家地震烈度速報與預警工程項目建議書），到時強震臺網將更加密集和分布相對均勻，且資料能夠快速傳輸和及時獲?。壳耙呀浛梢岳脽o線網絡實現(xiàn)），利用強震記錄獲取同震位移場逐漸變得方便、快捷和易行．在這些方面，日本密集的K－net和KiK－net強震動臺網資料質量穩(wěn)定、格式規(guī)范、準實時性強且易于快速網絡下載使用，為全世界提供了很好的研究范例．

2 基線校正方法的發(fā)展

理論上，從強震儀記錄的加速度，經過兩次積分，即可得到位移時程．然而，由于基線漂移的客觀存在，看起來穩(wěn)態(tài)的加速度記錄，經過兩次積分后會產生嚴重的非物理位移漂移，一般難于得出真實的位移時程并由此獲取永久位移信息．因此，研究自動、快速的基線漂移校正方法，將隱含在加速度記錄中的基線漂移去除，從而通過積分獲取同震位移目前仍然是一個經驗的、進展緩慢但又是急需解決的難題．

導致強震記錄基線漂移的原因較為復雜，但一般認為主要有以下三種：低頻干擾（如非零初始值、背景噪聲、處理誤差等）；儀器自身因素（如儀器固有噪聲、強震動時的磁滯現(xiàn)象等［33］）；強震時近場觀測點地面發(fā)生傾斜或旋轉［34－35］等．

進一步研究表明，基線漂移大致分為事件前基線漂移和事件引發(fā)基線漂移兩個部份．而后者又可再細分為強地面運動期間的瞬態(tài)漂移（事件中漂移）和強事件后靜態(tài)或半靜態(tài)漂移（尾波段漂移）．上述分法，理論上并不難理解，然而在實際操作中，如何劃分和選取這三段中的兩個特征時間點，本文稱為t1和t2，卻一直成為頗有爭議的問題．通常情況下，事件前基線漂移可以通過線性最小二乘法擬合事件前（強震信號到達前）記錄，從而在整個加速度時程中予以去除．Iwan 等［33］認為，當加速度值小于50cm·s－2時，強震儀的磁滯現(xiàn)象很小，因而可以忽略不計；由此，建議應該相應地取t1，t2分別為加速度值首次和最后一次達到50cm·s－2的時刻．當確定了t1和t2后，基于速度時程的基線校正可表述為公式（1）所示的三段：

式中，vc（f）為速度時程的分段校正值，vf和af是速度時程事件后線性校正的兩個擬合常數(shù)，式中的f表示與頻率有關，t表示時間．

通過最小二乘線性擬合速度時程中的事件后波形（t≥t2部分），便可以得到vf和af，事件后速度時程便可以被校正，而根據(jù)擬和得來的vf，很自然地也就解決了中間部分，即瞬時基線校正．也即通過雙線性基線校正即可分段去除基線漂移．按Iwan 的方法，前兩個因素造成的基線漂移便可以基本去除．但強震動時的地面傾斜或旋轉卻極為復雜，并且因場地位置、事件大小不同而差異較大，很難有統(tǒng)一的規(guī)律可循．在某些情況下，若第三個因素恰巧是基線漂移的主控因素，則上述校正往往還很不準確，有時會出現(xiàn)較大誤差，甚至反向．對此，Boore［36］通過研究1999年臺灣集集地震多個記錄發(fā)現(xiàn)，選擇不同的t1和t2都可以得到看起來比較合理的校正速度時程，但最終所得永久位移卻可能差異很大，也即基線校正結果對t1和t2的選擇極為敏感．他建議t1和t2應該成為自由參數(shù)，最好根據(jù)不同記錄的速度時程甚至位移時程特點進行有差異的選擇，而不是在加速度時程中用閾值來簡單判定．因此，如何選擇最佳的t1和t2值就成為了基線校正的決定性因素和關鍵性問題．

臺灣地震學家Wu等［37］研究認為，如果加速度記錄中沒有基線漂移，則經過一次積分后的速度時程在事件前后均應在零線附近，而再次積分后的位移時程則表現(xiàn)為斜坡函數(shù)．因此他們在前人的研究基礎上，沿用雙線性基線校正，但使t1和t2在一定邊界內成為自由參數(shù)，通過反復嘗試和迭代搜索不同的t1和t2，確保校正后的位移時程滿足斜坡函數(shù)．在確定了t1和t2后，根據(jù)（1）式完成最終的基線校正．吳逸民等將該方法應用于臺灣1999年集集和2003成功強震資料獲得了與GPS觀測極為接近的同震位移．

然而Wu等給出的是手動方法，難免帶有主觀性，且無法快速應用．Chao 等［38］簡化了Wu等的方法，利用當加速度累積能量分別達25%和65%的時刻來相應地決定t1和t2，并由此給出了自動基線校正方案，經過用集集地震、成功地震等資料檢驗，所得結果與Wu等的大體吻合．

Wang等［39］認為Chao 等的方法對較近場校正尚好，但對稍遠臺站則往往存在過校正現(xiàn)象，且閾值方法過于簡單化不能完全適用于各種復雜的基線漂移情形．他們在Wu等方法的基礎上，提出了進一步改進的自動基線校正方案［39］，編寫了自動快速基線校正程序SMBLOC，并將其應用于1999年臺灣集集Mw7．6級地震、2007年智利TocopillaMw7．8級地震、2008 年汶川Mw7．8級地震、2010 年智利MauleMw8．8級地震．該程序使用方便，產出豐富，能夠在震后快速獲取同震位移場、峰值加速度和校正后的峰值速度和峰值位移等數(shù)據(jù)．然而，到目前為止，SMBLOC 解算的大都是Mw7．5以上的巨大地震事件，對更小事件使用效果如何有待進一步檢驗和嘗試．特別是Mw6－7級左右的地震，由于震源尺度較小，能夠獲取同震位移的范圍有限，這就要求有更加密集的觀測臺網．然而，目前在許多國家地區(qū)，包括我國，GPS 觀測站點分布還相當稀疏，能夠在震后快速給出同震位移的連續(xù)GPS站點更是少之又少，這就為利用強震臺網資料解算同震位移，以補充近場位移信息提出了實際需求．就我國目前面臨的震情而言，也主要還是Mw7．5級以下事件為主，能否嘗試利用Mw6－7級內陸地震的強震動記錄快速獲取同震位移場和反演地震滑動模型目前更具現(xiàn)實意義．因此，本文試圖利用上述程序和方法，尋找一個既有較為密集強震動臺網，又有GPS解算結果的7級左右案例進行全方位、多角度對比檢驗，以期在今后我國發(fā)生類似級別及以上強震時能夠利用越來越密集的近場強震動資料快速給出同震位移場并反演震源滑動模型，為地震快速響應、震后應急救援、災害和損失預估、余震趨勢預測等提供有價值的參考．

3 資料選取

由于日本特殊的地理位置和地質構造，強震頻繁，災害嚴重．特別是2011年3月11日其東北部仙臺附近海域發(fā)生的Mw9．0地震，使這個國家遭受了巨大的災難和包括海嘯、核電站爆炸等空前的次生災害．值得借鑒的是，自1995年兵庫地震后，日本就在其國土上布設了別的國家難于比肩的密集強震動臺網和GPS 觀測網．NIED（National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention，日本國家地球科學和災害防御研究所簡稱，下同）下屬的兩個高密度強震動臺網K－net（http：//www．knet．bosai．go．jp/）和KiK－net（http：//www．kik．bosai．go．jp/）震后第一時間便能快速和及時提供高質量的強震動觀測數(shù)據(jù)供世界各國科學家免費下載研究使用．同時，日本密集的GPS觀測網絡也為比較強震和GPS同震解算結果提供了可能．

日本當?shù)貢r間2008－06－14 08∶43（北京時間09∶43），在北緯39．027°，東經140．878°的日本巖手縣和宮城縣交界處（見圖1）發(fā)生了Mw6．9（日本震級MJMD7．2）級地震，震源深度6．5km．值得一提的是，即使在日本這樣地震頻發(fā)的國家，7級左右的內陸淺源地震也不多見．雖然震中附近多為山區(qū)地形，但近60km 半徑范圍的研究區(qū)域內（圖1）還是布設有63個強震動臺和57個GPS觀測點．在震中附近（僅距200m）的IWTH25臺，觀測到了接近4g的迄今為止最大的加速度記錄（見圖2A）．震中周圍密集的強震動臺網和GPS觀測網（詳見圖1）為估計和比較同震位移分布提供了珍貴的資料．

圖1 日本2008年巖手—宮城內陸淺源地震震中及周圍強震和GPS臺站分布圖圖中灰色小方框為斷層面示意圖，長50km，寬20km，走向209°，傾角取40°，震中上方強震臺為IWTH25（KiK－net），GPS臺為icns（TU）Fig．1 Strong－motion and GPS networks near the 2008 Mw6．9Iwate－Miyagi Nairiku（Japan）inland earthquake．The small grey rectangular is the fault plane（length＝50km，width＝20km，strike＝209°，dip＝40°）．The nearest strong－motion and GPS stations over the epicenter are IWTH25（KiK－net）and icns（TU），respectively．

4 同震位移場計算

我們選取了震中周圍60km 范圍內的強震資料，應用SMBLOC 計算程序解算出了該地震的同震位移場，并與Ohta等［40］給出的GPS同震位移結果比較（圖3）．我們發(fā)現(xiàn)：①斷層走向線兩側的兩種同震位移數(shù)據(jù)分別呈現(xiàn)了高度一致的總體走向，由震中向外圍幅度逐漸衰減．即由強震記錄獲取的同震位移場無論是方向還是幅度均與GPS解算結果一致性較好，清晰地呈現(xiàn)出一個典型的逆沖（局部右旋）地震的位移場總特征．②強震最大水平位移出現(xiàn)在震中附近的IWTH25臺（圖2B，東西向達45．9cm，南北向34．5cm，垂直向148．6cm）和IWTH26臺（東西向達－34．5cm，南北向14．9cm，垂直向－9．0cm）．特別地，位于震源上方的IWTH25臺，其水平向位移無論是幅值和方向都與相距僅200 m 左右的日本東北大學GPS網icns臺結果（東西向43．9cm，南北向33．9cm，垂直向155．7cm）相吻合，而兩者均與周圍臺站的方向有明顯的差異，為近北東向，這也被其北部的鄰近多個GPS觀測所證實．即使稍微遠離斷層面附近的臺站，其位移和方向與周圍鄰近GPS結果也都非常接近．在兩個密集的臺網中，我們共找到了8個位置靠近（在2km 以內）的強震和GPS臺站對進行了比較，所得水平向方向和振幅（篇幅所限，未列出）都吻合較好．充分說明了即使是6－7級規(guī)模的地震，如果有高質量強震資料，是可以計算出較好同震位移數(shù)據(jù)的．③從圖3來看，無論是強震還是GPS，除了位于斷層面上接近震中的幾個臺站垂直向同震位移非?？捎^外，其余臺站（即使是非常近源的臺站）給出的垂直同震位移都非常小，而且方向零亂，幾無規(guī)律可循．因此，在隨后實施的滑動模型反演中我們取垂直向位移的權重值僅為水平向的1/4．④強震（如斷層面南端的MYG005和北端的IWTH24兩個臺站）和GPS中均有解算結果與周圍臺站的測值無論從方向還是幅度都有顯著差異的臺站存在．尤其是位于震中西南的GPS0913臺（見圖3），東西向位移高達93．1cm，南北向－116．6cm，垂直向209．0cm．一個7級地震有如此巨大的同震位移，但與周圍不同方位較為鄰近的三個GPS站的測值都差異很大，其原因有待進一步討論．

圖2 （A）IWTH25臺未校正的加速度（左）、速度及相應的基線校正（中）和位移（右）時程圖；（B）經過經驗基線校正后的IWTH25臺加速度（左）、速度（中）和位移（右）時程圖Fig．2 （A）Seismograms at Station IWTH25，200mfrom the epicenter；（B）Seismograms at Station IWTH25，200mfrom the epicenter．Left：Uncorrected acceleration．Middle：Uncorrected velocity（grey）and their baseline corrections（black）．Right：Uncorrected displacement．Left：Corrected acceleration．Middle：Corrected velocity．Right：Corrected displacement．

圖3 強震（左）和GPS（右）各自獨立解算得到的水平（上）和垂直（下）同震位移場方向和幅度比較（圖中走向線附近的“＋”代表地表破裂出露點展布位置，但沒有具體位錯數(shù)據(jù)）Fig．3 Horizontal（top）and vertical（bottom）co－seismic displacements derived from strong－motion data（left），compared with the GPS observations（right）．

5 震源滑動模型

為了模擬準實時狀態(tài)下的快速反演和進一步全面比較強震和GPS結果，取NIED 給出的震源機制解，直接使用由震源機制解得來的單一斷層面模型［41］，統(tǒng)一走向為209°，傾角為40°（實際應用中可根據(jù)資料和多個機構的震源機制解微調），滑動角為104°±20°，斷層面長L＝50km，寬W＝20km，根據(jù)震中經緯度和震源深度快速計算了參考點位置（39．151°N，141．068°E）．分別用強震和GPS解算出的同震位移場，以相同的斷層面參數(shù)反演了各自和共同的地震滑動模型，反演所用的軟件采用由汪榮江根據(jù)約束條件下最小二乘原理及最速下降法（Steepest Decent Method）編寫的SDM2008程序．該軟件近年來已廣泛應用于同震或震后滑動分布的反演［42－47］，所得結果詳見圖4和表1．從圖4和表1可以看出，強震和GPS（未加入0913臺，下同）單一結果給出的矩震級Mw、震源展布特征、核心區(qū)位置、主要滑動區(qū)范圍、主體滑動方向、最大和平均滑動、最大應力降均比較接近，但平均應力降則有所差異，體現(xiàn)了觀測點位置不一樣結果的差異性．而強震與GPS結合后的結果與單一資料結果一致性較好，平均應力降和主要滑動范圍則是兩者的折衷．

此外，表1 還給出了加入GPS 的奇異觀測點0913后的反演結果．可以看出一個單一和孤立的奇異點其對反演結果的影響是明顯且較大的，這主要是其幅值太大，且位于斷層面正上方．但由其參與反演的滑動量，特別是淺層結果與地表破裂分布和規(guī)模明顯不一致，所得矩震級也偏大．我們試圖通過改變光滑度、權重值和斷層面傾向、以及允許走向和傾向在一定范圍內線性變化均無法使其與實際地表破裂位置和規(guī)模有較好的吻合．由于該臺周圍很大范圍內均無強震臺站（最近臺為IWTH25，相距8．5km），因此，為便于同等比較，未將其用于圖4和表1GPS＋SM 所示的模型反演．

圖4 根據(jù)強震（a）、GPS（b）和兩者聯(lián)合（c）反演的斷層面震源滑動模型比較以上滑動模型反演未含GPS 0913臺的位移資料．Fig．4 Slip models inverted from the strong－motion based（SM）and GPS co－seismic displacement data separately and jointly（SM＋GPS）The GPS data of Station 0913（TU）is not included．

表1 不同資料反演的震源滑動模型比較Table 1 Slip parameters derived from strong motion and GPS data

6 結 論

從前人的研究結果和上述分析嘗試可以看出，對于Mw6－7級及其以上的大震，利用近場強震資料可以較好地解算出地震的同震位移．與遠場波形數(shù)據(jù)相比，近場同震位移對地殼的介質結構不敏感，因而能對斷層大小和滑動分布提供更強的約束．與GPS觀測相比較，雖然由強震資料解算的同震位移精度稍差，但后者觀測成本小，數(shù)據(jù)處理簡單、快捷．理論上一般在震后幾分鐘內（主要取決于資料獲取所需時間）即能由近場強震記錄解算出同震位移場，并據(jù)此快速反演滑動模型，從而為震后快速信息響應、震害和災情預估、應急救援力量分配、余震趨勢研判等提供重要參考．

利用近場強震資料快速解算位移場，對強震記錄有一定的技術要求，如規(guī)范的事件頭文件，準確的分量和極性標識，以及較好的事件前后記錄（一般要求事件前10～20s左右，事件后更長些）．另外，如果想要計算動態(tài)震源模型和參與精確定位，還要求有精準的GPS授時服務和良好的方位角分布．這些都是我國今后強震觀測質量中值得重視和應該引起注意的幾個方面．畢竟高質量的、信息完備的觀測結果為資料的充分利用提供了廣泛的空間和各種可能．在這方面，日本已為世界各國提供了一個很好的范例．也是本文之所以能成文并以日本地震為例的主要原因之一．

強震記錄的基線校正方法，目前雖已實現(xiàn)了自動化，但其所依據(jù)的是根據(jù)單事件特征總結出來的經驗準則．因此，在不同的震例計算中，所得出的同震位移矢量往往會存在少量方向和幅度奇異值，即出現(xiàn)個別與鄰近測點明顯不一致的異常測點．因此，對于快速自動方法，應該根據(jù)對資料的基本要求和結果誤差估計預以適當?shù)娜∩?，否則將會影響滑動模型結果的可靠性．GPS觀測也會遇到類似情況，盡管其原因會不同．如本文中提到的GPS 0913臺，與周圍不同方位的鄰近三個GPS站測值幅度和方向均顯著差異．原因可能是由于該測點距離地表破裂出露區(qū)較近，產生了很大的局部非彈性場地效應．我們建議，在滑動模型的反演中，要盡量剔除這些明顯奇異的觀測值．

強震和GPS給出的近源永久位移都是一些有限測點的信息，而永久位移常隨測點間距的增大呈非線性變化．因此，只有具備足夠多的點的信息，理論上才可能給出更為完善的震源模型．從本例來看，即使像日本這樣擁有密集強震臺網和密集連續(xù)GPS觀測網的國家，對于Mw6－7級地震來說，單用強震數(shù)據(jù)或單用GPS數(shù)據(jù)往往不足以提供充分和完備的近場位移信息．最好是能將GPS、強震，以及InSAR 給出的位移資料結合進行聯(lián)合反演，以提高滑動模型的穩(wěn)定性和準確性．

致 謝 感謝審稿專家給出的建設性修改意見．

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