1、第一部分 基本知识和理论 第五章 地震观测数据的应用 （测震数据）,本章目的,通过本章， 使学员了解地震观测数据在地震预测、地球科学研究以及其他领域的应用，了解这些应用对地震数据的内容、质量、时效、格式等方面的需求，以及在台站和台网环境中可能开展的地震数据应用工作。,地震数据 （ earthquake-related data),地震观测数据 地震探测数据 地震调查（考察）数据 地震实验与试验数据 地震专题数据 防震减灾综合数据 其它地震数据,地震观测数据,测震数据 强震动观测数据 地磁观测数据 地电观测数据 地下流体观测数据 大地形变测量数据 定点地壳形变观测数据 重力测量数据 地震遥感数据
2、 其它地震观测数据,测震数据的分类,基础数据（台站、台网基本状况、观测日志、震级量规函数、走时表、 速度模型） 原始数据：原始记录波形数据 加工数据：地震事件波形数据震相数据单个地震定位结果（单台、台网）地震目录（单台、台网）地震报告（单台、台网）震源力学参数,第一节 “新地震参数”的测定 第二节 地震预测的地震学方法 第三节 对数据服务的要求,内 容,第一节 “新地震参数”的测定,“新地震参数”的含义,地震的震源位置、发震时刻及震级称作地震基本参数。 描述震源力学特征的参数称为震源力学参数，或简称震源参数。（ “新地震参数”） 地震“新参数目录”，就是要把震源参数与地震基本参数一起编入地震目
3、录之中，甚至把一些基于地震观测数据得到的地球介质参数也纳入其中。 尚无明确的规范或约定来确定新参数目录中应包含哪些参数以及这些参数的标准测定方法。,http:/earthquake.usgs.gov/,事例之一（美国地调局快速矩张量解）,http:/ 震源模型与地震矩张量表示方法 (2) 地震断层与震源机制解 (3) 震源谱与相关的震源参数,（一）震源模型,天然地震是由于地球介质承受应力的能力骤然降低而自然地发生于地球介质内的一种快速破裂现象。,弹性回跳,地震是一种内源。 内源必须满足的力学条件是：净力和净力矩都等于零,内源力学条件示意图 (a) 单力偶：净力为零，净力矩不为零。 (b) 双力
4、偶：净力为零，净力矩为零。,(a),(b),无矩双力偶震源模型,f,x,y,z,f =(fx, fy, fz),力的分解,地震矩张量,M =,净力矩为零的条件要求M是对称的,M只有6个独立分量,地震矩张量的分解,地震矩张量M可分解为对称部分（或称各向同性部分）和偏量部分，即M=PI+ （5.1.11） 其中P为标量，I为单位矩阵， I= 为地震矩张量中的偏量部分， 其中 对于在均匀介质中的爆炸源或内向爆炸源，矩张量不存在偏量部分，而纯剪切错动源的矩张量不存在对称部分，只含有纯偏部分。,在主轴t、b、p坐标系中地震矩张量可分解成：该式表示，地震矩张量可以分解为一个强度为（M1+M2+M3）/3的
5、膨胀中心，一个标量地震矩为（M1-M3）/2的无矩双力偶，一个强度为（2M2-M3-M1）/6的补偿线性矢量偶极（CLVD）。,无矩双力偶是最接近于矩张量偏量部分的双力偶，称为最佳双力偶。 这部分是天然地震的主要部分,地震矩张量,(1) 尽管双力偶模型作为等效力与断层的错动等效，但实际的天然地震的发震过程不仅是断层的错动。而且，地下核爆炸或化学爆炸引起的体积突然膨胀以及地球内部的相变引起的快速扩展或体积突然收缩都可激发地震。因此，从最一般的观点出发，各种地震震源可以统一地用地震矩张量表示。(2) 二阶地震矩张量在一级近似上客观地、完整地表示了最一般类型的地震震源的等效力。断层错动（剪切位错）等
6、效于双力偶，这只是由地震矩张量描述的各类震源中的一种。,（二）断层与震源机制解,多数浅源地震为断层的剪切错动。 地震断层通常用断层的走向S、倾角和滑动角三个参数来描述。按目前国际上常用的描述方法，这些参数的定义是： 走向S：断层面与水平面交线的方向，但此交线有两个方向，为唯一确定，按以下原则确定其中之一为断层的走向：人沿走向看去，断层上盘在右。走向用从正北顺时针量至走向方向的角度S表示，0S360。 倾角：断层面与水平面的夹角，090。 滑动角：在断层面上度量，从走向方向逆时针量至滑动方向的角度为正，顺时针量至滑动方向的角度为负。滑动方向指断层上盘相对于下盘的运动方向，-180180。走向S和
7、倾角是断层的几何参数，二者规定了断层的产状；滑动角是断层的运动参数，由这一参数的具体数值，可描述断层的各种运动类型。,The strike angle f is measured clockwise against North ( 0 f 360 ). To resolve the 180ambiguity, it is assumed that when looking into the strike direction the fault dips to the right hand side (i.e. its fault-trace projection is towards the
8、right of the net centre). The dip angle d describes the inclination of the hanging wall against the horizontal ( 0 d 90). The rake angle l describes the displacement of the hanging wall relative to the foot wall ( -180 l 180 ). l = 0 corresponds to slip in strike direction, l 0 means upward motion o
9、f the hanging wall (i.e. reverse or thrust faulting component) and l 0 downward motion (i.e. normal faulting component).,strike：走向 dip：倾角 rake(slip)：滑动角,例如，0表示左旋走滑断层（断层水平错动，人在断层一侧面对断层，另一侧向左），180表示右旋走滑断层（断层水平错动，人在断层一侧面对断层，另一侧向右），+90表示逆断层（断层上盘相对于下盘向上方错动），-90表示正断层（断层上盘相对于下盘向下方错动）。,一般情况下,90,0,-90,180,-1
10、80,左旋走滑,右旋走滑,45,-45,135,-135,逆断层,正断层,对于剪切错动源，地震矩张量与描述断层错动的走向S、倾角和滑动角有如下关系： 从上列关系可知 以及 因此，对于剪切错动源，地震矩张量的6个独立分量中只有4个是真正独立的。这等价于用S、这三个断层参数加上M0来表示剪切错动源。,在上式中的标量M0称作标量地震矩，简称地震矩。地震矩与断层面面积A和断层面上的平均位错D成正比：式中为震源区介质的剪切模量。M0的单位是力矩单位牛顿米（Nm）（国际单位制）。以前的文献中使用厘米.克.秒制，单位是达因.厘米（dyn.cm）。1 Nm=107 dyn.cm 在一些关系式中，因不同时期使用
11、不同的单位不同，于是给出不同的常数项。例如，在使用dyn.cm表示时，矩震级而当使用Nm表示时，矩震级,双力偶点源与剪切错动源的等价性,在均匀弹性介质中，若在一个小的平面断层上发生一个突然的纯剪切错动（没有垂直于断层面的突然位移），则会产生地震波辐射，这样的剪切错动源产生的远场（震源距震源尺度）地震波与在震源处突然有一个双力偶的作用产生的地震波相同，即剪切错动源与双力偶点源在产生远场地震波的意义上是等价的。因此，当可将震源近似看成点源时，双力偶点源模型就成为描述剪切错动源的常用模型。利用双力偶点源模型可以求出描述断层错位的参数S、，此即地震的断层面解（震源机制解）。,物理含义,剪切错动源,真实
12、自然现象 位移描述,力学描述,走向为 方向的垂直断层的右旋运动可用的矩张量表示,这里 叫做标量地震矩，为,相应的双力偶模型有两个可能的断层面。两个可能的断层有相同的矩张量描述（主断层面与辅助断层面）。,P、S波幅射图像,压缩区,膨胀区,双力偶震源远场幅射的P波（上面）和S波（下面）图像。,对于P波（a和c），断层面的延伸平面（x-z平面）和垂直于断层面的平面（y-z平面，即辅助面）是位移等于零的平面，称为P波的两个节平面。I、III两个象限辐射出去的P波是压缩波，传到台站后使垂直向地震仪记录到初动向上的地动位移，即初动方向为正。II、IV两个象限辐射出去的P波是拉伸波（又称膨胀波），传到台站后
13、使垂直向地震仪记录到初动向下的地动位移，即初动方向为负。在I、III象限内，与x和y轴夹角为45的方向为压缩P波辐射最强的方向，该方向是双力偶点源的T轴方向。在II、IV象限内，相应的象限平分线方向为拉伸P波辐射最强的方向，该方向是双力偶点源的P轴方向。 双力偶点源辐射的S波也呈四象限分布（b和d），但S波辐射的强、弱分布正好与P波相差45，P波的两个节平面正好是S波辐射最强的方向，而P、T轴方向是S波辐射为零的方向。 Z轴方向是断层面和辅助面的交线方向，在此方向上P波和S波辐射位移的振幅都为零，所以Z轴又称零轴，通常记为N轴或B轴。,利用双力偶点源模型，根据地震观测求震源模型参数的结果，通常
14、称为震源机制解，也称地震的断层面解。,由上面可以看出无论是P波还是S波，均呈现四象限分布。这种分布格局是导致由观测资料得到的震源机制解无法区分断层面和与之垂直的辅助面。因此震源机制解一般将这两个面的结果同时给出实际工作中可根据该地区的断层情况确定那个面为发震断层。,乌尔夫网概念,（三维上点）,（平面上点）,震源机制解得平面表示方法（沙滩球）,方位角,0,180,一个弧线代表一个平面,(50),(50),一个点代表一条射线,Determination of the fault plane parameters f , d and l in the net diagrams.,B,A,N,目前国际
15、上震源机制解表示的通用的标准,有颜色区为张区，空白区为压区,Beach-ball presentation of the net projections of the fault plane cut-traces and of the penetration points of the T-and P-axes through the lower focal hemisphere for different faulting mechanisms. White sectors correspond to negative and black sectors to positive first-
16、motion polarities.,震源机制解简单判定方法,如果四象限分布较好，一般认为是走滑型地震； 如果不存在四象限分布，为正断层或逆断层地震；如果圆心为有颜色区（张区），为逆断层型地震如果圆心为无颜色区（压区），为正断层型地震 (3) 存在四象限分布，圆心为有颜色区（张区），为走滑兼逆断层型地震 (4)存在四象限分布，圆心为无颜色区（张区）为走滑兼正断层型地震,震源球和它们相应的断层几何形状。左边是下半球投影，压缩区为阴影。右边的块体图说明断层的几何形状（可能给出观测到的幅射图像的主断层面和辅助断层面）,对于震源机制解，可以给出12个参数，它们是,节面I走向S，倾角和滑动角 节面II走
17、向S ，倾角和滑动角 P轴的方位角Az和倾角Pl T轴的方位角Az和倾角Pl N轴的方位角Az和倾角Pl,这12个参数中只有3个是独立的，由此可求出其余的参数。,发震日期和时间（UTC） 地理区域 震中：纬度 经度 矩震级Mw USGS矩张量解由矩张量反演得到的深度（km）和使用的台站数 在坐标系中的矩张量元素（朝上、南、东）乘以标度值，单位Nm（牛米）。 主轴：分解到主轴系统中的矩张量。“Val”是本征值，“Plg”和“Azm”是本征值的取向，“Azm”是力轴的方向，从正北顺时针量度。“Plg”是力轴从水平面向下倾的角度。主轴系统中的三个力轴是“T”轴（张应力轴）、“P”轴（压应力轴）和“N
18、”轴（中间应力轴）。 最佳双力偶：标量矩M0 节面：双力偶可由两个正交节面表示，即NP1和NP2，分别给出走向（strike），倾角（dip）和滑动角（slip），哪一个节面是实际断层面必须参考其他数据或假定才能确定。,据中国和USGS结果，该地震为走滑型地震,2010年1月13日海地7.1级地震,1900以来7级以上地震分布图,北美板块,加勒比板块,近东西向节面为发震断层，左旋走滑型地震,东京大学,美国地质调查局,Principal axes: T Val= 4.57 Plg=58 Azm=306 N -0.05 5 208 P -4.52 32 115 Best Double Couple
19、: Mo=4.5*10*22 NP1:Strike= 29 Dip=77 Slip= 95 NP2: 187 14 68,日本 海沟地震深度剖面,圆表示初动向下，三角表示初动向上,P波初动方法,（三）如何计算震源机制解,CMT Centroid Moment Tensor 矩心矩张量,地震矩张量 Seismic Moment Tensor,地震矩张量与断层面参数的关系,M0为地震矩，为方位角，为滑动角，为倾角,地震波传播的方向性 -有限移动源-,（四）,作为时间函数的地震矩张量,作为地震震源的等效力的表示，地震矩张量是时间的函数。 只有矩张量的快速变化才能辐射出强烈的地震波。 除非特大地震，大
20、多数地震是矩张量在几秒钟之内急速增长的过程，即大多数地震是上升时间仅有几秒钟的快速变化过程。,Total Slip in the M7.3 Landers Earthquake,Rupture on a Fault,Depth Into the earth,Surface of the earth,Distance along the fault plane,100 km (60 miles),Slip on an earthquake fault,Slip on an earthquake fault Second 2.0,Slip on an earthquake fault Second
21、 4.0,Slip on an earthquake fault Second 6.0,Slip on an earthquake fault Second 8.0,Slip on an earthquake fault Second 10.0,Slip on an earthquake fault Second 12.0,Slip on an earthquake fault Second 14.0,Slip on an earthquake fault Second 16.0,Slip on an earthquake fault Second 18.0,Slip on an earthq
22、uake fault Second 20.0,Slip on an earthquake fault Second 22.0,Slip on an earthquake fault Second 24.0,太阳湖段：25km 布喀达坂峰段：110km 库赛湖段：150km 昆仑山口段：90km,破裂带规模和展布,2001年11月14日青海昆仑山口西8.1级地震,震源破裂过程：,2001年昆仑山口西8.1级地震,滑动速率大小,滑动位移大小,破裂过程,1、不是单一破裂，存在三次以上的破裂事件，其中以布格达板段和库赛湖段两次破裂为主； 2、布格达板段最先破裂，持续150秒；库赛湖段约50秒后开始破裂
23、，持续约100秒。两段的累积位错量相当,汶川地震断层破裂过程,Gavin Hayes, USGS,2011年3月11日 日本9.0级地震,M. Ishii, Harvard University,台站记录 = 震源*几何扩散（弹性）*非弹性衰减（Q值）*场地响应*仪器响应,（五）震源参数,震源谱,在时间域里的箱形脉冲给出了频率域里的sinc函数,震源模型的振幅谱，它是两个 函数的乘积，相当于时间域里两个持续时间 分别为 和 的箱形函数的褶积。,0：零频振幅 fc：拐角频率,震源谱分析及谱参数的测定,理论震源谱：,残差：,A (f)是观测谱振幅； Ai0(f)是震源谱振幅； R是震中距； G(R
24、) 是几何扩散项； Q(f)是介质品质因子（非弹性衰减）； S(f)是台站的场地响应。,Aij(f)是第j个台站观测到第i个地震的谱振幅； Ai0(f)是第i个地震的震源谱振幅； Rij是震中距；b是几何扩散系数； c(f)是非弹性衰减系数； Sj(f)是第j个台站上的场地响应。,非弹性系数c(f)与介质品质因子Q之间的关系,D(km)：地壳深度（the thickness of the earths crust) R01=1.5D (70km) R02=2.5D (130km),Geometrical attenuation factors,三段线性回归,(1) R R01时，R01=50K
25、m （初值），直达波衰减,(2) R01 R R02时，R02=100Km (初值)，对应于转换带，直达波和各种壳内界面和Moho面上的反射波,(3) R02 R时，对应多个反射、折射S波的衰减,未知参数,分段：R01 （=1.5D), R02 （=2.5D) 衰减：b1(=1), b2 (=0), b3 (=0.5), c 台站的场地响应：Sj,（7种未知量）,（圆盘破裂模型）,震源参数,地震矩,破裂半径,应力降,辐射能量,视应力,这里是密度，Vs是S波速度，R是辐射花样系数（对水平分量S波 ，对SH波0.48）,新参数地震目录：文本文件,时间 纬度 经度 震级(M) 地震矩(Mw) 拐角频
26、率(fc) 辐射能量(Es) 视应力(S) 应力降(S) 深度,小 结,1等效力和内源,等效力：“在地球表面产生的位移与由震源区内的实际物理过程在地球表面产生的位移相同的力”。 内源必须满足的力学条件是净力和净力矩都等于零。 无矩双力偶：双力偶的合力和合力矩都为零。,2. 地震矩张量,在点源近似的条件下，二阶地震矩张量在一级近似上客观地、完整地表示了最一般类型的地震震源的等效力。因此，通常把二阶地震矩张量简称为地震矩张量。地震矩张量解析：净力矩等于零这一条件使得地震矩张量为对称张量，即Mjk=Mkj。因此，地震矩张量只有6个独立分量 地震矩张量的分解：地震矩张量可以分解为一个强度为/3的膨胀中
27、心，一个标量地震矩为/2的无矩双力偶，一个强度为/6的补偿线性偶极。其中的无矩双力偶是最接近于矩张量偏量部分的双力偶，称为最佳双力偶。,M =,3. 断层与震源机制解,双力偶点源辐射的远场地震波及震源机制解：利用双力偶点源模型，根据地震观测求震源模型参数的结果，通常称为震源机制解，也有人称作地震的断层面解。 剪切错动源：多数浅源地震为断层的剪切错动。地震断层通常用断层的走向S、倾角和滑动角三个参数来描述。,(3) 两个节面（节面I和节面II）中有一个是断层面，一个是辅助面。对于震源机制解，可以给出12个参数，它们是：节面I走向S ，倾角和滑动角节面II走向S ，倾角和滑动角P轴的方位角Az和倾
28、角PlT轴的方位角Az和倾角PlN轴的方位角Az和倾角Pl这12个参数中只有3个是独立的，由此可求出其余的参数。,Determination of the fault plane parameters f , d and l in the net diagrams.,B,A,N,（4）剪切错动源的地震矩张量和标量地震矩 对于剪切错动源，地震矩张量的6个独立分量中只有4个是真正独立的。这等价于用S、这三个断层参数加上M0来表示剪切错动源。 标量地震矩M0 与断层面面积A和断层面上的平均位错成D正比：M0 =DA 式中为震源区介质的剪切模量。 M0的单位是力矩单位牛顿米（Nm）（国际单位制）。,4
29、. 地震破裂的持续时间和方向性,大地震发生有一定的持续时间和破裂方向，通过对地震波形记录反演，可得到地震的发生过程，目前这方面资料已在网上能及时得到。本课程只需要了解其原理和结果表述方式。,(1) 一次地震是由不同时间发生的多次破裂组成； (2) 不同方向记录的波形频率是有差别的。,5、由地震记录谱测定地震矩、应力降和震源特征尺度应力降是指震前和震后震源区应力之差。震源特征尺度即为地震破裂的特征尺度，是震源区大小的一种度量，对于大地震，往往用地震断层长度来描述震源特征尺度。而对于小地震，可用薄的圆盘来描述地震的震源区，可用圆盘半径r 描述震源尺度。但这里的“大”和“小”是相对的，不同地区会不同。,
