地震臺陣處理在地震預(yù)警中的應(yīng)用

L.Meng　R.M.Allen　J.-P.Ampuero

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地震臺陣處理在地震預(yù)警中的應(yīng)用

L.MengR.M.AllenJ.-P.Ampuero

摘要強(qiáng)震來臨之前預(yù)先發(fā)出警告的地震預(yù)警(EEW)系統(tǒng)是減輕地震災(zāi)害的關(guān)鍵。目前運行的地震預(yù)警系統(tǒng)基于的是點源假設(shè)，由于忽視有效源的效應(yīng)導(dǎo)致震級幅度被低估，從而在大地震事件中效用受限。在這里，我們探討地震預(yù)警使用活斷層附近的小孔徑地震臺陣來實時表征破裂尺寸的概念。反向追蹤臺陣波形可實時估計出破裂前沿的范圍(代表破裂的尺寸)和方向性，為現(xiàn)有的地震預(yù)警系統(tǒng)針對M>7地震提供附加的地震預(yù)警性能。我們在模擬的實時環(huán)境中對其實際運行，并分析由美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣(UPSAR)監(jiān)測的2004年加利福尼亞帕克菲爾德M6地震記錄，以及由加利福尼亞圣迭戈強(qiáng)震傳感器監(jiān)測的2010年El Mayor-Cucapah M7.2地震記錄。我們發(fā)現(xiàn)基于較小事件的數(shù)據(jù)校正由美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣下方的傾斜結(jié)構(gòu)引起的反方位角的偏差至關(guān)重要。我們估計的破裂長度比其他研究推斷的長度短30%，但是對于地震預(yù)警的目標(biāo)仍然是合理的。我們把這種差異歸因于破裂方向性效應(yīng)及單個臺陣視野有限。這種方法的準(zhǔn)確度也許會隨視野重疊的臺陣網(wǎng)而改善。我們對此通過九州和北海道北部兩個Hi-net臺網(wǎng)的臺站群追蹤2011年日本東北地震的破裂來予以說明。所得結(jié)果與遠(yuǎn)震反投影結(jié)果一致且得到了破裂長度及方向性的合理估計值。與提出的其他有限斷層地震預(yù)警方法相比，該臺陣方法受全球定位系統(tǒng)或地震臺網(wǎng)的粗略性影響較小，提供了破裂的高頻特征而對某些結(jié)構(gòu)獲得了比地震動更適合的預(yù)報因子。

0引言

地震預(yù)警(EEW)系統(tǒng)是一種新的機(jī)制，在地震時強(qiáng)震動來臨之前發(fā)出警報來減輕地震災(zāi)害。當(dāng)前運行的所有地震預(yù)警系統(tǒng)都將地震作為一個點源，使用震級幅度或頻度標(biāo)定。這種方法更適用于中等到大地震，但對于最大地震(M>～7.5)，由于對震級的低估以及缺乏有關(guān)已破裂斷層的位置和范圍的信息而對地震動顯著低估。在日本東北近海M9.0地震期間的地震預(yù)警性能使這個問題尤其突出(Hoshibaetal，2011)。僅使用P波振幅信息，日本地震預(yù)警系統(tǒng)估計的飽和震級為8.1級。同時，未能考慮到有限破裂的擴(kuò)展，該系統(tǒng)僅對東北地區(qū)發(fā)布了強(qiáng)震烈度警告。然而，關(guān)東地區(qū)卻經(jīng)歷了比預(yù)期更大的地震動。東北近海地震的例子證實了對在目前進(jìn)行的實時確定有限斷層范圍的工作中，全球定位系統(tǒng)(GPS)方法提供了比地震方法更可靠的靜態(tài)位移，因而是一個靜態(tài)滑動模型(Hudnutetal，2002；Allen and Ziv，2011；Colombellietal，2013)。只要有密集的臺站覆蓋，也提出了用FinDer方法(B?seetal，2012)基于近/遠(yuǎn)場地震波形的差異確定線性斷層幾何形狀。

在這里，我們探討使用活斷層附近密集地震臺陣群來實時成像大地震破裂過程的概念。這種臺陣可以以鋸齒形方式沿著斷層部署，其中每個臺陣均覆蓋有效的視野。反向追蹤這種臺陣記錄的地震波形可估計出破裂的方向性、大小、持續(xù)時間、速度和段落。這個方法現(xiàn)在常用于成像在遠(yuǎn)震距離(Ishiietal，2005；Mengetal，2011)和區(qū)域距離(Valléeetal，2008；Meng，Ampuero，Sladenetal，2012)記錄的地震，有時在近震距離也使用(Fletcheretal，2006；Allmann and Shearer，2007；Honda and Aoi，2009)。這里，我們研究的關(guān)鍵方面是在近震距離實時實施臺陣處理來估計M>6地震的破裂尺度。其原理類似于通過各種軍事和民用天線定位和跟蹤移動源。強(qiáng)高頻(HF)地震波通常被認(rèn)為從破裂前沿輻射出。跟蹤大震期間高頻地震波的源可得到破裂前沿的遷移。破裂前沿的軌跡標(biāo)志著地震所涉及到的斷層范圍(圖1)。更普遍地說，這種方法提供了高頻輻射源區(qū)域的范圍。

1方法

穿過臺陣傳播的波到達(dá)方向可以用臺陣處理技術(shù)通過分析相干地震信號相位確定。在這里，我們采用相關(guān)疊加技術(shù)，其中將所有波形對的歸一化互相關(guān)系數(shù)形成波束(延遲和累加)而不是波形。這提高了淺層地殼環(huán)境中相對于散射和多重路徑的穩(wěn)健性(Borceaetal，2002；Fletcheretal，2006)。對于選定的時間窗，在臺站i和j之間的相關(guān)系數(shù)ccij定義如下：

式中，xi是由第i個臺站記錄的地震信號，t是時間指數(shù)，ij(θ)是在臺站i和j之間波到達(dá)的時間延遲，這個方程的和包含運行時間窗的持續(xù)時間。我們假設(shè)臺陣孔徑遠(yuǎn)小于震中距且沖擊的波前近似為平面。延遲作為沖擊平面波慢度向量θ的函數(shù)由ij(θ)=θ·(ri-rj)的點積給出，其中ri和rj表示第i和第j個臺站的位置向量。為了快速實現(xiàn)，將ij(θ)四舍五入到最近的離散樣本值。我們將這種方法與更耗時的基于子樣本頻譜時間位移的實現(xiàn)方法進(jìn)行了對比，并證實在我們感興趣的頻帶高采樣率的信號并未產(chǎn)生顯著的誤差。

隨后對所有臺站對的相關(guān)系數(shù)求和來獲得作為候選平面波慢度向量函數(shù)的疊加相關(guān)系數(shù)scc(θ)。慢度向量包含震源深度(視速度)及其橫向位置(反方位角)的信息。為了地震預(yù)警的目的，我們感興趣的主要是橫向破裂尺度，并且關(guān)注反方位角的作用。對于給定的反方位角，我們將投影的橫向位置定義為大圓路徑與從預(yù)先確定的斷層目錄(例如南加州地震中心共用斷層模型)中提取的候選斷層面的交叉點(可能非平面的)。由基于傳統(tǒng)點源的地震預(yù)警系統(tǒng)(例如，ElarmS；Kuyuketal，2013)以實時方式提供震中位置。如果震中在已知斷層區(qū)外邊，則斷層面近似為線性平面，其走向由附近插入的斷層確定。

然后分析在運行窗上計算的疊加相關(guān)性與沿斷層走向的距離和時間的關(guān)系。每次都識別疊加相關(guān)峰值的位置。如果峰值超過規(guī)定的閾值(這里為背景噪聲平均疊加相關(guān)的3倍)，就相當(dāng)于顯著的地震輻射體。在震源成像研究(Fletcheretal，2006；Valléeetal，2008；Meng，Ampuero，Stocketal，2012)中，用距離—時間域的地震輻射體的軌跡來推斷破裂尺度和破裂速度。然而，這種分析在識別破裂走向和分支模式時含有人工干預(yù)，這并不容易適用于實時實現(xiàn)。我們因此根據(jù)位置信息提出一種簡單算法來表征破裂的尺度和方向性。我們將沿斷層面最左邊和最右邊的地震輻射體之間的距離定義為破裂長度。相對于震源的這兩個端點的位置提供了破裂的方向性和類型(單側(cè)或雙側(cè))。對于地震預(yù)警來說破裂速度的信息不是必需的。

圖1　用小型地震臺陣成像地震破裂的概念。移動的滑移脈沖是由斷層面上通過暖色顯示的高滑動速度區(qū)。爆炸符號表示破裂前沿在地表的投影。三角形是臺陣的臺站。曲線是地震波入射的射線路徑。虛線標(biāo)記的是破裂的空間范圍。該圖的彩色版僅適用于電子版本

22004年帕克菲爾德M6.0地震

我們在模擬的實時環(huán)境中將所提出的方法應(yīng)用到2004年發(fā)生在加利福尼亞帕克菲爾德的M6地震。這次地震是當(dāng)?shù)匦⌒偷卣鹋_陣(美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣UPSAR，參見數(shù)據(jù)與來源)記錄的為數(shù)不多的大地震(M>6)之一。此臺陣由孔徑約1km，間距約200m的13個臺站組成，離圣安德烈斯斷層約12km。Fletcher等(2006)指出，破裂運動學(xué)可以從美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣的數(shù)據(jù)中檢索得到。

圖2　(a)帕克菲爾德地區(qū)的俯視圖。圖中的實心圓是2004年帕克菲爾德地震5個樣本余震的震中。正方形是利用臺陣分析重新得到方位的沿線性斷層面余震的投影位置。箭頭標(biāo)示偏置方向。五角星是1966年地震和2004年地震的震中。三角形是美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣以插圖中的臺站分布布設(shè)的位置。(b)實心圓是反方位角殘差(觀測值-實際值)作為實際反方位角的函數(shù)；灰色實心圓是22°傾斜界面到223°預(yù)測的異常方位。(c)由傾斜層擾動的射線路徑(虛線)和通過水平層所預(yù)期射線路徑(實線)的示意圖。該圖的彩色版僅適用于電子版本

這里，在調(diào)查主震事件之前，我們先針對余震進(jìn)行臺陣分析。圖2a對比了震源與由美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣得到的反方位角推斷的位置。結(jié)果顯示位置偏向破裂帶的中心。圖2b進(jìn)一步顯示了相對于理論方位角的反方位角殘差(實測值與理論值的差)的線性相關(guān)。Fletcher等(2006)提出，這種偏差是由于與斷層破壞區(qū)相關(guān)的橫向速度變化引起的射線路徑彎曲導(dǎo)致的。然而，這個假設(shè)需要降低遠(yuǎn)離斷層的速度梯度，這與真實斷層區(qū)所觀測到的相反。

在核監(jiān)控地區(qū)，很久以前人們就知道，地震臺陣下的傾斜速度結(jié)構(gòu)會影響入射的遠(yuǎn)震波場并致使方位角和慢度與水平分層介質(zhì)中的預(yù)期值有偏差(圖2b)(Niazi，1966；Otsuka，1966a，b)。在這種情況下，傾斜結(jié)構(gòu)通常被解釋為是莫霍間斷面(Greenfield and Sheppard，1969)。這種傾斜層效應(yīng)還未在近震距離臺陣分析的情況下進(jìn)行探討。這里我們提出美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣的方位角偏差是由淺沉積層與基巖之間的傾斜界面引起的。理論認(rèn)為反方位角殘差的正弦曲線依賴性隨跨過2π范圍的實際反方位角而變(Bondaretal，1999；Flanaganetal，2012)。這種偏差模式可用來約束傾斜結(jié)構(gòu)的方向：相對界面傾斜方向殘差從負(fù)到正跨過零的方位(Lindquistetal，2007)。

因為我們的分析只涉及圣安德烈斯斷層帕克菲爾德段的地震活動，方位覆蓋僅限制約為90°(圖2b)。然而，反方位角異常地在43°從正到負(fù)穿過零(垂直于圣安德烈斯斷層的走向)，表明界面向圣安德烈斯斷層相反的方向傾斜(從北223°)。這符合美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣的地形(圖2a)。傾斜層可能是由與圣安德烈斯斷層長期變形有關(guān)的平行斷層的褶皺變形引起的(Mount and Suppe，1987)。方位角偏差的大小依賴于入射角、穿過傾斜界面的速度反差及其傾斜角。各個余震的入射角根據(jù)帕克菲爾德地區(qū)的一維速度模型計算(Rouxetal，2005)。界面的傾角可以由給出穿過界面速度的斯奈爾定律計算得到(Flanaganetal，2012)。沉積層與基巖之間的速度反差太淺而不能通過層析成像來求解。這里我們假設(shè)淺沉積層與基底巖石之間的剪切波速度比為1：2。推斷的傾斜度是22°，與由層析成像研究得到的頂層的傾斜度數(shù)一致(例如，Thurberetal，2006)。這個傾角與假設(shè)的通過傾斜界面的速度反差交替換位。對于較小的剪切波速度比實際的角度可能更大。盡管我們無法解決這個交替換位問題，但為了校正反方位角我們并不需要去做。

圖3　疊加相關(guān)系數(shù)作為相對于震源沿走向位置的函數(shù)和用灰度表示的時間。(a)美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣中心臺站的地震記錄圖。(b)，(c)疊加相關(guān)系數(shù)作為震源位置(相對于中心沿斷層走向投影)和時間(相對于事件發(fā)震時刻滑動窗中心的)函數(shù)，圖a中沒有校正傾斜界面效應(yīng)；圖b中校正了傾斜界面效應(yīng)?？招膱A是每次用相關(guān)系數(shù)排列的最大相關(guān)性的位置。虛線標(biāo)記高頻能量來源的開始和結(jié)束，給出了圖b中5km和圖c中9km破裂規(guī)模的估計值。該圖的彩色版僅適用于電子版本

一旦確定了傾斜結(jié)構(gòu)，我們就可將基于模型的方位校正應(yīng)用到帕克菲爾德主震的臺陣分析，而不是由Fletcher等(2006)基于將特別平滑函數(shù)與方位角偏差擬合得到的經(jīng)驗校正。我們基于模型的校正能外推到經(jīng)驗數(shù)據(jù)集中說明的方位角范圍以外，因為標(biāo)定函數(shù)的正弦形狀已建立，所以只需更少的余震就能獲得可靠的校正。

根據(jù)Fletcher等(2006)的做法，為了考慮當(dāng)?shù)赝ㄟ^臺陣的S波速度變化，也對特定臺站應(yīng)用了延遲校正。在實踐中，這些校正可以通過對幾次余震最佳擬合平面波的走時殘差進(jìn)行平均獲得。我們發(fā)現(xiàn)這種校正影響輕微。所產(chǎn)生的反方位角的差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主傾斜層的影響。

我們將相關(guān)疊加應(yīng)用于2004年帕克菲爾德主震期間記錄的1s滑動窗0.5～8Hz頻帶的S波。這種近距離的S-P波走時比破裂持續(xù)時間短，這使我們不會利用P波跟蹤整個破裂。地震動加速度信號的主頻高于1Hz。與Fletcher等(2006)為了地震預(yù)警目的而獲得更穩(wěn)健可靠的圖像相比，該帶寬更窄且窗口更長。單側(cè)破裂模式由于最左邊的點靠近震源、最右邊的點更靠右而約束很好。圖3比較了是否進(jìn)行傾斜層校正情況的2004年帕克菲爾德地震的震源成像。忽略傾斜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致破裂長度只有5km(圖3a)，大大短于M6地震的典型破裂長度。一旦進(jìn)行了校正，破裂長度就為9km(圖3b)，與Fletcher等(2006)基于相同數(shù)據(jù)集得到的估算值一致。兩種估算值在使用當(dāng)?shù)厮信_站通過反投影鑒別的震源與最北邊子事件之間的距離都短于13km(Allmann and Shearer，2007)。產(chǎn)生這種差異的一個原因是方向性效應(yīng)。單側(cè)西北向的破裂剛開始朝臺陣方向擴(kuò)展，但穿過緯度35°55′后則偏離臺陣。這種方向性效應(yīng)增強(qiáng)了美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣記錄的南部破裂的地震輻射，削弱了北部的破裂。因此破裂的最北部似乎太弱而不能由美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣成像，這導(dǎo)致低估了破裂長度。在這種情況下，單個臺陣不足以監(jiān)測整個破裂區(qū)。因而這就需要有部分重疊視野的多個小型臺陣網(wǎng)來平衡方向性效應(yīng)。

圖4　由圣迭戈強(qiáng)震臺陣成像的El Mayor-Cucapah地震。地圖顯示了圣迭戈強(qiáng)震臺陣(三角形)和地震的斷層跡線。右邊的圖片是對以圖3所示相同方式繪出的主震的相關(guān)疊加分析。該圖的彩色版僅適用于電子版本

32010年El Mayor-Cucapah M7.2地震

作為最近發(fā)生在下加利福尼亞的最大地震，2010年El Mayor-Cucapah地震是另一個可用來證明地震預(yù)警應(yīng)用臺陣處理的例子。它被在加利福尼亞圣迭戈的一組13個孔徑約30km的強(qiáng)震臺站完好地記錄到(見數(shù)據(jù)與來源)。該臺陣在距離破裂處超過150km的強(qiáng)震區(qū)外側(cè)，但我們可以用這個例子作為額外檢驗來證明這里提出的一般方法可估計地震破裂的尺度。我們處理了10s滑動窗的0.2～1Hz頻率范圍的S波數(shù)據(jù)。因為該臺陣相對于斷層跡線不是最佳排列，也就是說，它不是垂直于斷層，因而該臺陣的分辨率有限。該地震的破裂也比2004年帕克菲爾德地震更復(fù)雜，為前后時間過程復(fù)雜的雙側(cè)破裂。使用我們的實時模擬的臺陣技術(shù)，可識別出總體為雙側(cè)破裂的走向(圖4)，盡管與兩個破裂前沿相關(guān)的地震輻射體間歇性地出現(xiàn)。北破裂段的長度為60km，與有限斷層模型一致(例如，Weietal，2011)。然而，南破裂段僅有20km長，顯著短于有限斷層模型的破裂長度。這也是由方向性效應(yīng)引起的：向東南方向的破裂表現(xiàn)較弱，因為破裂向圣迭戈相反的方向擴(kuò)展。此外，南破裂段的分辨率也較低，因為該臺陣的大圓路徑比北破裂段與斷層走向更傾斜。這個例子再一次證明了沿活斷層的長度實時應(yīng)用多重臺陣網(wǎng)的價值。總的來說，80km的破裂長度短于Wei等(2011)估計的120km破裂長度，但對地震預(yù)警的目標(biāo)來講仍然是合理的估計值，而且好于將地震作為點源處理。

42011年日本東北M9.0地震

前面兩個將臺陣處理應(yīng)用于地震預(yù)警的例子證實了多重臺陣的必要性。很少有大地震被近距離的多個小型臺陣記錄下來。不過，我們不妨對這個問題進(jìn)行提升處理，用常規(guī)地震臺網(wǎng)記錄的巨大逆沖地震檢驗這個概念。我們現(xiàn)考慮由整個日本的密集Hi-net地震臺網(wǎng)記錄的2011年東北M9.0地震。

我們將臺陣分析應(yīng)用到Hi-net臺網(wǎng)的兩個臺站群，一個在九州島，另一個在北海道北部(圖5，左圖)。這兩個臺陣分別距離震源約1 000km和700km，其內(nèi)的臺站間距約為20km。這種設(shè)置較之美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣/2004年帕克菲爾德地震例子按比例擴(kuò)大了約100倍(平均間距200m，震中距12km)。處理的是0.1～0.25Hz頻帶的數(shù)據(jù)。這一頻率范圍比帕克菲爾德震例中采用的頻率范圍低了將近100倍。我們選擇這個相對高頻帶將這些結(jié)果與遠(yuǎn)震臺陣的反投影結(jié)果進(jìn)行對比。對低頻帶的分析一致地再現(xiàn)了大規(guī)模破裂的特點。我們使用的是Pn震相，它攜帶最高的頻率成分，并證實非常適合做區(qū)域距離的震源成像(Meng，Ampuero Sladenetal，2012)。盡管日本東北地震的破裂已在地方和區(qū)域尺度由單個臺陣和臺網(wǎng)通過臺陣處理成像了(Hondaetal，2011；Nakaharaetal，2011；Maercklinetal，2012；Roten，2012)，但我們的工作是首次用多個臺陣聯(lián)合成像這次地震。

我們分別對兩個臺陣的記錄進(jìn)行了臺陣分析，然后在每個時期通過交叉得出由兩個反方位角定義的方向來確定地震輻射源的位置。其重要性定義為兩個相關(guān)系數(shù)的和。我們對反方位角應(yīng)用靜態(tài)校正以便最初源位于震源。該校正北海道臺陣約為2°，九州臺陣為10°。在這個數(shù)值范圍內(nèi)，方位角的偏差更可能是由橫向速度變化而不是地形或傾斜結(jié)構(gòu)引起的。在九州臺陣觀測到的較大偏差可能反映了島弧與弧后盆地之間的橫向速度反差。

一般來說，聯(lián)合臺陣分析非常合理地恢復(fù)了東北地震的破裂過程(圖5，右圖)?？臻g范圍和破裂史都與高頻遠(yuǎn)震反投影的結(jié)果一致(例如，Ishii，2011；Koperetal，2011；Mengetal，2011；Yaoetal，2011；Zhangetal，2011)。沿走向的破裂長度約為300km，比低頻滑動反演的長度小(例如，Weietal，2012)，但與高頻強(qiáng)震數(shù)據(jù)的震源模型中的空間范圍一致(Asano and Iwata，2012)。向南的破裂范圍和方向性充分解釋了在關(guān)東地區(qū)觀測到的強(qiáng)地面加速度。東北地震的這個例子說明了多重地震臺陣能更好地為地震預(yù)警視角表征破裂的長度和方向性。

5討論

基于臺陣的地震預(yù)警方法可與實時表征地震破裂有限尺度的其他方法相比。根據(jù)靜態(tài)場的測量，基于全球定位系統(tǒng)的方法(Allen and Ziv，2011；Colombellietal，2013)在S波到達(dá)時就能提供有效的滑動估計。然而，由于在反演中適用的空間分辨率和平滑正則化有限，實際滑動區(qū)的邊界只能大致地確定。輔助方法是利用由全球定位系統(tǒng)臺站對組成的齊珀全球定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，沿著圣安德烈斯南部斷層的長度在斷層的每一邊布設(shè)一對臺站。這樣就可直接測量地表滑動，但要求沿需要監(jiān)測的每個斷層都有全球定位系統(tǒng)臺站(Hudnutetal，2002)。同樣，通過區(qū)分近場和遠(yuǎn)場臺站，F(xiàn)inder方法(B?seetal，2012)估計破裂區(qū)的周長。除非有非常密集的臺站覆蓋，否則邊界可能還是很模糊。另一方面該臺陣方法對通過利用地震波場的高頻成分得到的破裂邊界提供了更清晰的輪廓。在2004年帕克菲爾德地震例子中，我們處理的地震圖達(dá)到8Hz(波長37m，假設(shè)淺層的剪切波速度為300m/s)，意味空間和時間的分辨率更清晰。

圖5　通過在九州和北海道北部Hi-net臺網(wǎng)的臺站群成像的日本東北地震。該地圖給出了選用的臺站(三角形)和海溝。五角星表示震源。右圖中的實心圓代表通過組合兩個臺陣確定的反方位角發(fā)現(xiàn)的地震輻射位置。實心圓的亮度和大小分別表示破裂時間和來自兩個臺陣的相關(guān)系數(shù)之和。該圖的彩色版僅適用于電子版本

由高頻臺陣分析得到的破裂視圖不一定與破裂過程的低頻狀況相關(guān)。在一般情況下，該臺陣查看的是前面高頻子事件中尾波突出的最后一個強(qiáng)高頻子事件。換句話說，該臺陣僅查看破裂的強(qiáng)輻射部分，但不能分辨平滑破裂的延遲。這部分地解釋了為什么高頻臺陣研究成像的帕克菲爾德地震的破裂長度(Fletcheretal，2006；Allmann and Shearer，2007；本研究)短于由有限斷層研究(Liu and Archuleta，2006)和余震區(qū)(Waldhauseretal，2004)估計的破裂長度。另一方面，如果破裂突然終止，停止相位很強(qiáng)，則高頻破裂尺度就可能與低頻破裂尺度一樣大甚至更大。這是2010年海地地震的情況，高頻滑動破裂超過了靜態(tài)滑動區(qū)的邊緣(Meng，Ampuero，Sladenetal，2012)。在這其中的一種情況下，小孔徑臺陣成像的高頻破裂過程更直接地適合高頻地震動的預(yù)測。Wei等(2012)研究表明，日本東北地震的大部分地震動可用位于接近本州島的巨大逆沖斷層深部總滑動的18%來解釋。該深部滑動由臺陣分析成像了高頻，它的位置描繪了長期滑動區(qū)底部的輪廓。在災(zāi)難性的海地地震例子中，相比低頻滑動區(qū)，向西的高頻破裂更接近海地太子港，(Meng，Ampuero，Sladenetal，2012)，這可能導(dǎo)致了這個事件中經(jīng)歷的異常高的地震動(Houghetal，2010)。因此，這種高頻臺陣方法可能成為地震預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，因為它可以約束高頻地震動的估值，這關(guān)系到低層樓房的居民區(qū)(如洛杉磯地區(qū))以及關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和生命線(O’Rourkeetal，2012)。為此，可基于由臺陣分析鑒別的高頻子事件的距離和能量(觀測到的高頻能量)研究經(jīng)驗的地震動預(yù)測方法。

從實時實現(xiàn)的實踐觀點來看，該臺陣分析其實是一個成像過程而不是反演，它不存在不適定和欠定問題。它需要的關(guān)于速度模型和破裂運動學(xué)的假設(shè)更少，因此更適用于實時實現(xiàn)。在其他基于現(xiàn)有臺網(wǎng)的有限斷層地震預(yù)警方法(全球定位系統(tǒng)和Finder)中，有關(guān)震級和滑動的信息只有S波到達(dá)臺網(wǎng)的臺站之后才能獲得。相比之下，該臺陣分析方法可以提供持續(xù)更新的地震破裂尺度，在地震開始之前能節(jié)省數(shù)秒鐘的時間。

對由臺陣之下傾斜層引起的異常方位角進(jìn)行校正對基于臺陣處理的地震預(yù)警方法很重要。美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣下的傾斜結(jié)構(gòu)可能不是獨一無二的，因為在大的走滑斷層附近與斷層平行的褶皺很常見(Mount and Suppe，1987)。因為我們建議在靠近活斷層的地方部署小型臺陣，因而很可能未來所有部署都需要這些校正。為了校正，在部署固定強(qiáng)震臺陣之前需要有臨時高靈敏度臺陣來記錄校準(zhǔn)事件(小近震事件或遠(yuǎn)震事件)。對于地震活動性較低的地區(qū)，基于模型的傾斜層校正特別有利，因為它比經(jīng)驗校正需要更少的校準(zhǔn)事件。

基于臺陣方法的地震預(yù)警系統(tǒng)仍然面臨著挑戰(zhàn)。特別是斷層走向需要根據(jù)斷層地圖來假設(shè)，而如果地震發(fā)生在先前未知的斷層上這就有問題了，盡管大地震(M>7)發(fā)生在未知斷層系上的概率較低。斷層走向的假設(shè)可通過結(jié)合多重臺陣處理和呈三角形的破裂位置來說明，就如這里所證實的日本東北地震的例子。盡管特定站點反方位角偏差通常用離線余震數(shù)據(jù)處理來校準(zhǔn)(Hondaetal，2008)，但對于地震預(yù)警的實現(xiàn)可以通過迫使初始反方位角估計值與震源位置匹配來獲得一階靜態(tài)校正。這個過程在東北大地震的例子中產(chǎn)生了合理的結(jié)果。

本文給出的帕克菲爾德地震和El Mayor-Cucapah地震的例子證明，由于破裂方向性效應(yīng)和有效視野有限，用單個臺陣成像震源還有不足。這導(dǎo)致低估了破裂的長度。具有部分重疊視野的多重臺陣系統(tǒng)是有潛力的解決方案。聯(lián)合的視野可以覆蓋大區(qū)域，可在重疊的目標(biāo)段內(nèi)對破裂長度的估計值進(jìn)行平均來提高穩(wěn)健可靠性。由方向性效應(yīng)引起的偏差可以通過將臺陣定位在相對于破裂方向不同的方位來減小。

包括這里說明的基于臺陣的地震預(yù)警方法，有限斷層地震預(yù)警方法的另一個挑戰(zhàn)是盲區(qū)的大小。盲區(qū)也就是在S波到達(dá)之前不能接收警報的區(qū)域。盲區(qū)的半徑主要由發(fā)布警報的地震震級閾值決定。地震達(dá)到M6.5大概需要10s(破裂長度為30km，假設(shè)破裂速度為3km/s)，而S波到達(dá)離斷層10km的臺陣需要3s(假設(shè)S波速度為3.5km/s)。發(fā)布警報需要13s，導(dǎo)致的盲區(qū)至少有45km，顯著大于當(dāng)前加利福尼亞綜合地震臺網(wǎng)震動預(yù)警的地震預(yù)警系統(tǒng)的值(Kuyuk and Allen，2013)。我們注意到這一盲區(qū)時間是由破裂持續(xù)時間決定，而不是由波的走時。用P波代替S波不會使其顯著減少(并受到S-P波走時短于破裂持續(xù)時間的挑戰(zhàn))。雖然對所有有限斷層地震預(yù)警方法來說盲區(qū)的問題很常見，但這些系統(tǒng)并非旨在提供首次警報而是在地震警報發(fā)出后發(fā)送更新的破裂擴(kuò)展情況。

在臺陣能為地震預(yù)警的目的而部署之前還有許多研究工作要做。對臺陣幾何結(jié)構(gòu)和位置提出最優(yōu)化設(shè)計、確定最佳處理參數(shù)(如頻帶和滑動窗的長度)和量化不確定性等都是很重要的。用現(xiàn)實震源和路徑效應(yīng)通過合成檢驗進(jìn)行確認(rèn)將有助于進(jìn)一步發(fā)展實時實現(xiàn)戰(zhàn)略。不過，為了地震預(yù)警的目的，這里給出的初始檢驗為基于當(dāng)?shù)嘏_陣的方法追蹤地震破裂的概念構(gòu)成了證據(jù)。

6結(jié)論

我們研究了一種基于地震臺陣數(shù)據(jù)實時表征地震破裂長度和方向性的方法。我們提出的策略能促使對大地震進(jìn)行更可靠的地震預(yù)警。我們在模擬的實時環(huán)境中應(yīng)用所提出的方法，并分析了主震。我們根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣提取的2004年帕克菲爾德地震的記錄論證了該概念。我們發(fā)現(xiàn)校正由臺陣之下傾斜結(jié)構(gòu)引起的反方位角偏差很重要。用小事件的數(shù)據(jù)標(biāo)定傾斜層的效應(yīng)后，我們得到的地震破裂長度為9km。這比得上或者稍短于用所有地方臺站通過反投影鑒別的兩個主高頻子事件之間13km的距離。我們把破裂長度的這種差異歸因于靠近美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣影響高頻輻射振幅的破裂方向性。在另一個例子中，我們處理了由一組圣迭戈的強(qiáng)震傳感器記錄的2010年El Mayor-Cucapah地震的地面加速度。我們發(fā)現(xiàn)對破裂長度的估計又受到這種雙側(cè)破裂的兩個前沿不同方向性效應(yīng)的干擾，同時受到單個臺陣視野的限制。我們模擬的80km的實時估計值，略小于其他研究估計的120km，但對于地震預(yù)警目的來講仍然是合理的。具有重疊視野的臺陣網(wǎng)可以潛在地提高可靠性和準(zhǔn)確度，對此我們已用日本九州和北海道的Hi-net臺網(wǎng)兩個臺站群通過聯(lián)合成像2011年日本東北大地震證明了：恢復(fù)的破裂過程與遠(yuǎn)震反投影成像的結(jié)果一致，推斷的300km的破裂長度和向南的方向性對于地震預(yù)警的目的也是符合的。我們比較了基于臺陣的地震預(yù)警方法與其他基于全球定位系統(tǒng)和地震數(shù)據(jù)的實時有限斷層地震預(yù)警解決方案的好處。該臺陣方法約束了破裂的高頻方面，而這些方面是當(dāng)前地震預(yù)警系統(tǒng)的補(bǔ)充，且在某些情況下是更合適的地震動預(yù)測因子。

數(shù)據(jù)與來源

訪問工程強(qiáng)震數(shù)據(jù)中心(CESMD)下載了El Mayor-Cucapah地震的強(qiáng)震數(shù)據(jù)(http：//strongmotioncenter.org/；最后訪問時間2013年4月)。美國地質(zhì)調(diào)查局帕克菲爾德密集地震臺陣記錄的帕克菲爾德地震記錄圖可從美國地質(zhì)調(diào)查局國家強(qiáng)震項目網(wǎng)站(http：//nsmp.wr.usgs.gov/；最后訪問時間2013年2月)得到。日本東北大地震的寬頻帶地震圖可從日本Hi-net臺網(wǎng)(http：//www. hinet. bosai. go. jp；最后訪問時間2014年2月)獲得。

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譯 者 簡 介

鄭寧寧(1986—)，女，中國地震臺網(wǎng)中心工程師，主要從事信息網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、信息數(shù)據(jù)處理工作。E-mail：zhengningning@seis.ac.cn。

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鄭寧寧譯.2016.地震臺陣處理在地震預(yù)警中的應(yīng)用.世界地震譯叢.47(4)：282-294.doi：10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201604002

中國地震臺網(wǎng)中心鄭寧寧譯

中國地震局地球物理研究所呂春來校

大地震的預(yù)警需要實時說明有限尺度。