2021年08月17日

港中大杨宏峰教授团队提出一种密集地震台阵数据反演算法 有助获得高精度断裂带结构

香港中文大学理学院杨宏峰教授及香港中文大学深圳研究院博士后研究员姜小欢博士最近提出了一种基于密集地震台阵的远震接收函数到时反演方法。该方法利用远震接收函数的P-S转换波到时信息,通过反演,同时获得所有台站下方低速带深度和Vp/Vs信息,该成果是密集台阵数据应用的一项突破,也为分析地壳活动带来新的路径与启示。相关研究成果已被美国地球物理学会旗舰期刊(Journal of Geophysical Research - Solid Earth)顺利接收。

密集地震台阵架设 收集三分量地震数据

地震的本质是断层两侧的快速滑动,而一个断层主要由断层核(Fault Core)和破裂带(Damage Zone) 构成(图1)。破裂带在地震发生过程中往往导致较大影响,如放大地震震动、促进地震破裂的传播等。因此研究断裂带结构可以加深对大地震发生的整个过程、影响因素及长期发展演化的认识,也有助于地震灾害的评估和防御。

图1. 典型断裂带简图(Chester & Logan, 1986)

断裂带在地震学中表现为低速区域,宽度通常是几百米,尺度很小,要想获得其精细结构,需要非常密集的地震台阵。香港中文大学杨宏峰教授团队在云南大理附近的程海断裂带上布设了一条超密的8公里长的线性地震台阵,平均台站间距仅50米 (图2)。程海断裂带位于地震活跃的中国云南省西部,属于青藏高原东南缘大理-丽江地区滇西北裂陷带的东部边界断裂。其中包含了多组走向不同、活动性质各异的次级断层,属于典型的复合型断裂带。此次研究团队布设的超密集台阵为研究程海断裂精细结构提供了非常难得的机遇。

图2. 台站及研究区断裂带分布图。

研究成果有助于获得高精度断裂带结构

研究断裂带的难点之一是如何有效约束断层低速带的深度。随着全球密集地震台阵的布设,发展出了越来越多的高精度成像新方法,用来研究低速断裂带结构。杨教授团队基于阻尼最小二乘迭代反演理论,发展出一种基于密集地震台阵的远震接收函数到时反演方法。方法利用接收函数中拾取的浅层低速带的P-S一次转换波Pbs及其多次波PbpPs到时信息,给定一个S波速度模型,利用最小二乘算法进行迭代反演,同时获得密集台阵下方低速带结构的深度及比值。运用该方法能获得高精度的浅层低速带结构。

研究团队利用一系列的低速数模型进行数值模拟,验证了新方法的有效性及稳定性,并成功将该算法应用于横跨云南程海断裂带南段的线性密集地震台阵中。反演结果显示,台阵下方的程海断裂带低速带平均深度为1.1公里。

同时,研究团队根据反演得到的值及从层析成像结果获得的Vs速度模型,获得了对应的Vp速度模型(图3)。为了验证结果的可靠性,根据反演模型计算得到的远震理论初至P波及S波到时,与实测数据中的到时具有很好的一致性。此外,与传统的单台站H-方法结果(图3蓝色圆点)比较,反演结果也具有更好的稳定性及连续性。

图3. 程海断裂测线下方低速带反演结果。蓝色圆点为单台H-方法结果,跳跃很大。

杨宏峰教授表示:“随着全球密集地震台阵的发展,基于密集台阵的新算法研发将成为趋势,本次提出的算法是一个非常有效的研究浅层低速带结构的工具,未来可用于研究断裂带及沉积盆地结构。”

此项研究由国家重点研发项目[2018YFC1503400],中国地震科学实验场项目[2019CSES0107],和香港研究资助局项目[14305617]资助。

论文全文可浏览:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2021JB022190


关于研究团队

杨宏峰教授,现为香港中文大学理学院地球系统科学系副教授、香港中文大学深圳研究院研究员,研究领域主要包括地震物理学、俯冲带动力学、诱发地震、地壳断层带和地下结构的高分辨率成像等。

姜小欢博士,香港中文大学深圳研究院博士后,毕业于中国地质大学(武汉),于2019年8月入职研究院,隶属于杨宏峰教授课题组。主要研究方向为基于密集台阵的远震接收函数成像方法研究及应用。


杨宏峰教授目前在深圳研究院开展的项目包括:

中国科学技术部-国家重点研发计划-重大自然灾害监测预警与防范-项目名称:基于断层带行为监测的地球物理成像与地震物理过程研究,课题名称:断层带深浅部精细结构探测与方法研究,专题名称:区段2密集台阵观测与断层结构成像2018YFC1503400