地震动旋转分量用于矩张量反演的数值实验

【作者】 华思博； 张勇；

【机构】 北京大学地球与空间科学学院；

【摘要】 我们要想完整描述地震产生的地面运动,除了传统平动的三个分量外还需要旋转的三个分量以及六分量的应变,而传统地震动观测主要集中在平动三分量上,随着科学技术的发展,利用光纤技术观测地震的旋转分量已经逐步得到实现,并已经在一些领域内得到应用。本研究中我们对旋转分量应用于矩张量反演进行了比较全面的数值实验。我们从均匀无限空间剪切位错源的激发的地震动旋转分量格林函数的理论公式出发,对比了旋转三分量与平动三分量在辐射花样上的差异,由此推测将旋转分量用于矩张量反演很可能会对传统平动分量提供很好的信息补充。随后我们等间隔选取走向、倾角和滑动角生成了24624个纯剪切位错的矩张量,在多种台站分布的情况下给定地震矩为1的单位震源时间函数,利用Qssp2017计算格林函数,合成理论地震图,加高斯随机噪声后分别对这24624个矩张量合成的波形进行矩张量反演和矩心深度搜索。我们发现在平动三分量的基础上加入旋转分进行联合反演会显著提升反演结果的可靠性,各矩张量分量均会有不同程度的提升;如保持总记录数量不变(即加入旋转分量时台站数量减半),某些矩张量分量反演效果会提升但某些分量可能会降低。同时我们发现,在低频情况下,旋转分量对于深度更加敏感,当反演深度偏离实际深度时,反演的波形残差会急剧增加,因此引入旋转分量对于约束矩心深度有显著的效果。此外我们尝试了不同频带、震中距、信噪比、及考虑速度结构模型误差的情况,发现在低频、震中距较小、速度结构较准确的情况下加入旋转分量对结果的提升更明显。整体而言,尽管旋转分量的使用需要满足一定的条件如足够准确的速度结构模型,较低的频带等,在矩张量反演工作中引入旋转分量还是很有帮助的,旋转分量提供的空间梯度信息是对平动信息很好的补充,尤其是在稀疏台站和已有非常充足的平动的台站的情况下,能更好地约束和提升矩张量反演结果的可靠性。由此未来若光纤地震仪(可以测量旋转分量)能够得到较为广泛地布设并对地震动旋转分量进行观测,很可能为矩张量反演工作提供帮助。更多还原