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摘要
地震预警系统是近年来全世界防震减灾领域的研究热点,日本、美国等国家的地震预警系统运行情况表明这种系统能够有效地减小地震带来的危害。目前地震预警系统在我国处于一个快速发展的阶段。我国台湾地区、首都圈地区、福建地区、兰州地区近年来相继建成了地震预警系统,开展了一系列的测试运行工作。此外,我国国家地震烈度速报与预警工程项目正在建设阶段,预计2020年底能够建设完成并投入测试工作,将对华北平原、南北地震带、东南沿海、新疆天山地震带等区域进行地震预警服务。然而,目前我国的地震预警系统仍未经历过大地震的考验。日本3·11地震警示着我们,地震预警系统不仅在震级、地震动参数的估测结果上存在着较大的不确定性,并且震源的点源假设可能会造成严重的震级、地震动参数低估。本文通过大量具有背景信息的强震动记录,对地震预警相关的震级、地震动参数和断层破裂长度估测方法进行研究。主要的工作内容和取得的成果如下:(1)系统地总结了国内外地震预警系统建设与运行情况及相关研究进展,并详细介绍了目前地震预警系统运行中震级、地震动估测面临的主要问题。(2)利用我国四川汶川地震、四川芦山地震、台湾集集地震及日本熊本地震的主震及其余震事件的344组记录,得到了P波初动后频率参数τc、位移幅值参数Pd与震级M之间的关系。研究表明τc方法在震级小于6.5以下表现良好,震级大于6.5时会出现饱和现象;Pd方法的标准差随时间窗的增加而减少;Pd方法的稳定性高于τc方法。对以幅值参数进行震级估测的MPa、M-Pv、M-Pd 3种方法进行了对比研究,认为3种方法的标准差Pa方法>Pv方法>Pd方法,Pd方法的稳定性更高。(3)研究造成PGV-Pd这一地震动参数估测方法出现低估的可能原因,提出了提高PGVPd方法准确性、减小低估可能性的方法,同时给出了PGV-Pa、PGV-Pv、PGV-Pa 3种地震动参数估测方法的比较结果。对熊本地震及其余震的Kik-net地震动记录的震中距因子进行分析,将获得的强震动数据按震中距从0—100 km平均划分为5个区段,将Pd的时间窗宽度取3—10 s,分别给出了分震中距区段和时间窗宽度的PGV-Pd线性拟合关系。研究表明对应相同的震中距分段情况,随着P波时间窗的增加,统计关系的标准差表现出逐渐减小的趋势,PGV与Pd的相关性显著增强。基于震级大于5的5次浅震对PGV的估测结果进行检验,得到了基岩数据估测PGV的准确度高于地表数据估测PGV的准确度,对震中距进行分段的PGV估测方法准确度高于不考虑震中距因子的估测方法的结论。通过对前人以Pd估测PGV方法的分析,选取熊本地震、芦山地震、汶川地震、集集地震4次地震主震及其强余震事件强震动记录提出了改进的以Pd估测PGV的分段线性函数和二次函数地震预警方法,并对这两种方法和已有线性方法的参数与残差进行了对比分析。对Pd>0.2 cm的观测数据,分段线性函数和线性函数的残差均值分别为0.029、0.038;对Pd>0.5 cm的观测数据,分段线性函数和线性函数的残差均值分别为0.06、0.005,减小了一个数量级。研究表明分段线性函数方法能够极大地降低高Pd条件下的低估风险。探讨了PGV-Pa、PGV-Pv、PGV-Pd 3种方法的优劣,在相同的时间窗条件下,PGVPa关系是3种统计关系中标准差最大的,也就是PGV-Pa方法的稳定性是最低的; 3 s时间窗下,PGV-Pd方法的标准差小于PGV-Pv方法;4 s时间窗下,两者的稳定性相近;5—10 s时间窗下,PGV-Pv方法的标准差是最小的。讨论了在PGV-Pd方法基础下,以井下基岩Pd估测井下基岩PGV、最终估测震级这种将PGV-Pd原地预警方法转化为异地预警的震级估测方法的可能性,以及这种方法所能提供的额外预警时间。(4)在对频率参数、位移幅值参数Pd与震级M之间的关系和位移幅值参数Pd与地震动参数PGV之间关系进行研究的基础上,提出了单台震级、地震动参数估测的超越概率计算方法,可为在地震发生时按照特定震级的不同概率水平采取不同的紧急处置方案提供依据。拓展了震级估测的贝叶斯方法,建立了地震预警以位移幅值参数Pd进行多台站3—10 s连续估测震级的贝叶斯方法。通过对2016年10月21日日本Central Tottori地区发生的M6.6地震的模拟,展示了本文的贝叶斯方法在单台震级估测中的优势。同时展示了随时间的推进,该方法是如何提高多台站震级概率估测方法的准确性的。(5)采用近场地震动波束形成技术,利用自贡台阵在汶川地震中得到的地震动记录,通过反演主能量来源方位角的方法研究了实时估测汶川地震的破裂尺度的可行性。在地震动峰值加速度到来前约10 s,该方法得到的断层破裂尺度为120 km,从震中向东北、西南传播各60 km。这一结论较好地反映了汶川大地震最主要的能量释放过程的断层破裂尺度。最终的破裂尺度估测结果为约230 km,主要从震中向SW方向延伸。这个结果低估了NE方向上的破裂,认为离台阵较远的破裂过程容易受到能量传播衰减的影响而不能被检测出来。研究了使用近场P波估测破裂初始方向的可行性,该方法得到汶川地震的初期破裂尺度为从震中向NE方向延伸50 km,得到估测结果的时间比利用S波早了约40 s。这种方法可较为准确地描述断层的初期破裂传播过程,但是初始震中的估测有一定的偏差。为满足实时估测震源破裂过程的应用,研究了算法的计算速度,串行计算每秒的断层破裂位置需要约2.4 s。对算法时间复杂度进行了研究,并采用8线程并行计算算法,该算法下计算每秒的破裂位置用时约0.8 s,能够为数据传输预留时间并满足实时破裂尺度估测的应用。
- 出版日期2019
- 单位中国地震局地球物理研究所
