穆璇, 白永良*, 單新建, 張國宏, 王振杰
1 中國石油大學(xué)(華東)海洋與空間信息學(xué)院, 青島 266580 2 中國地震局地質(zhì)研究所, 北京 100029
地震是地殼運(yùn)動(dòng)引起的地球表層快速震動(dòng),是釋放地球內(nèi)部能量的過程.快速、準(zhǔn)確獲取震源參數(shù),對(duì)于揭示發(fā)震機(jī)制具有重要作用(Mignan et al.,2015).獲取震源滑動(dòng)參數(shù)的主流方法有地震波波形法(Shao et al.,2011;陳俊磊等,2020;何驍慧等,2020;趙翠萍等,2011)和形變觀測反演法(侯麗燕等,2020;邵志剛等,2011,2015;申文豪等,2019;張國宏等,2010).對(duì)于海底地震而言,因缺少有效的地震臺(tái)站、形變觀測等數(shù)據(jù),導(dǎo)致上述方法無法反演海底震源參數(shù);受時(shí)間尺度限制,針對(duì)地震波動(dòng)時(shí)間很長的大地震或特大地震,這兩類方法也無法準(zhǔn)確推測其震源參數(shù)(龔正,2016).
由于地震孕育和發(fā)生過程中,常伴有地表重力場的局部變化(Han et al.,2010;Heki and Matsuo,2010),該變化的主分量與地震斷層運(yùn)動(dòng)引起的地表形變有關(guān)(付廣裕等,2015;賈宇鵬等,2015;談洪波等,2009,2011;燕乃玲等,2003;張國慶等,2015).因此,重力反演是獲取海底大地震初始震源參數(shù)的一個(gè)有效手段(Zhou et al.,2018;付廣裕等,2018;龔正,2016;劉寧等,2009;鄭增記等,2019).由于地球物理場固有的等效性,反演結(jié)果具有非唯一性.如能明確同震重力變化對(duì)震源不同滑動(dòng)參數(shù)的敏感性特征,就可在一定程度上對(duì)反演結(jié)果加以限定,有助于提高震源參數(shù)的反演精度.然而,這一特征尚不清晰.
用于分析因變量對(duì)多個(gè)自變量敏感性的方法包括非參數(shù)統(tǒng)計(jì)法、曲線斜率法、敏感性系數(shù)法、敏感度函數(shù)法、正交試驗(yàn)法、均勻設(shè)計(jì)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等(冉濤等,2018).其中,敏感性系數(shù)法和敏感度函數(shù)法適用于參數(shù)較少的情況.以此為基礎(chǔ),章光和朱維申(1993)及王輝和陳衛(wèi)忠(2012)針對(duì)不同參數(shù)具有不同物理量綱時(shí)無法直接比較敏感性的問題,提出了無量綱化的敏感性分析方法.在分析同震重力變化對(duì)震源滑動(dòng)參數(shù)的敏感性時(shí),各滑動(dòng)參數(shù)也具有不同量綱.因此,本文將引入該方法,評(píng)估同震重力變化對(duì)震源不同滑動(dòng)參數(shù)的敏感性.
本文將以2004年蘇門答臘地震初始震源參數(shù)為基準(zhǔn)參數(shù)集,基于Okubo位錯(cuò)理論正演計(jì)算地表同震重力變化,再引入無量綱化的敏感性分析方法,分析和比較不同滑動(dòng)參數(shù)影響同震重力變化的敏感性,最終為基于同震重力變化反演初始震源參數(shù)提供指導(dǎo).
通過正演方法可以計(jì)算出震源不同滑動(dòng)參數(shù)下的地表同震重力變化,進(jìn)而可以分析同震重力變化對(duì)各滑動(dòng)參數(shù)的敏感性.
利用Okubo位錯(cuò)理論可以根據(jù)震源滑動(dòng)模型快速計(jì)算出地表同震重力變化.在彈性半無限空間直角坐標(biāo)系o-x1x2x3中,設(shè)斷層寬度為W,斷層長度為L,斷層走向?yàn)棣?,斷層傾角為δ,斷層質(zhì)心深度為ξ3,斷層上盤相對(duì)于下盤的走滑、傾滑和張裂位錯(cuò)分量分別為U1、U2、U3.定義滑動(dòng)角θ為斷層上盤移動(dòng)方向與斷層走向之間的夾角,滑移量D為滑動(dòng)角方向的位錯(cuò)分量.地表任意點(diǎn)(x1,x2,0)處的重力變化Δg可以表示為(Okubo,1992)
Δg(x1,x2)={ρG[U1Sg(ξ,η)+U2Dg(ξ,η)
+U3Tg(ξ,η)]+ΔρGU3Cg(ξ,η)}‖
-βΔh(x1,x2),
(1)
式中ρ、Δρ分別為介質(zhì)密度、張裂紋內(nèi)密度與介質(zhì)密度之差;G為萬有引力常數(shù);β=0.309×10-5m·s-1,為自由空氣重力梯度;ξ、η是為方便對(duì)斷層面積分而定義的代換變量;Sg(ξ,η)、Dg(ξ,η)、Tg(ξ,η)、Cg(ξ,η)是分別對(duì)走滑、傾滑、張裂和張裂填充物貢獻(xiàn)進(jìn)行微分得到的系數(shù),表達(dá)式由Okubo(1992)給出;Δh表示地表高程變化,對(duì)地表任意點(diǎn)(x1,x2,0)的數(shù)值可由下式計(jì)算:
+U3Th(ξ,η)]‖,
(2)
式中,“‖”為Chinnery記號(hào),表示如下置換關(guān)系:
f(ξ,η)‖=f(x1,p)-f(x1,p-W)-f(x1-L,p)
+f(x1-L,p-W),
(3)
其他未提及參數(shù)的具體含義和計(jì)算過程,請參見Okubo(1992)的定義.
當(dāng)利用αk表示第k個(gè)震源滑動(dòng)參數(shù)、dg表示同震重力場振幅時(shí),根據(jù)位錯(cuò)理論式(1),可以將dg和αk之間的關(guān)系抽象為
dg=f(α1,…,αk-1,αk,αk+1,…,αn).
(4)
(5)
根據(jù)式(5)繪出特性曲線dg-αk,其斜率可以表征同震重力變化對(duì)單一震源滑動(dòng)參數(shù)αk擾動(dòng)的敏感性.然而,這種由斜率直接表達(dá)的敏感性帶有量綱.例如,對(duì)斷層深度敏感性的量綱為μGal·km-1,對(duì)斷層傾角和滑動(dòng)角敏感性的量綱為μGal/(°).因此,具有不同量綱各滑動(dòng)參數(shù)的敏感性之間無法直接比較.
k=1,2,3,…,n
(6)
(7)
圖1 蘇門答臘地區(qū)構(gòu)造綱要與地震分布(MW≥7.5)(數(shù)據(jù)來源:https:∥www.globalcmt.org/CMTsearch. html/[2021-05-14])Fig.1 Plate tectonics and earthquake (MW≥7.5) distribution in the Sumatra region (Data sources:https:∥www.globalcmt. org/CMTsearch.html/[2021-05-14])
蘇門答臘地區(qū)位于印度—澳大利亞板塊和歐亞板塊的俯沖型邊界上(鄧園浩等,2017)(圖1).圖1中震源球展現(xiàn)了全球矩心矩張量解中心(Global CMT)給出的1980年至今,該區(qū)域發(fā)生的MW≥7.5歷史地震.2004年12月26日,印尼蘇門答臘島以北海域發(fā)生了MW9.0級(jí)淺源逆沖型大地震,根據(jù)Global CMT發(fā)布的地震機(jī)制顯示,其震源中心位于3.09°N,94.26°E,是繼1960年智利地震后規(guī)模第二大的地震,也是GRACE重力衛(wèi)星第一次記錄到重力變化的地震(劉泰等,2019).
影響地震引發(fā)地表同震重力變化的主要震源滑動(dòng)參數(shù)有斷層位置、斷層走向、斷層傾角、滑移量及滑動(dòng)角(龔正,2016;熊維等,2015).由于斷層平面位置和走向不影響地表同震重力變化幅度(龔正,2016),所以本文不分析同震重力變化對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的敏感性.最終,針對(duì)斷層質(zhì)心深度(簡稱斷層深度)、斷層傾角、滑移量和滑動(dòng)角這四個(gè)相互獨(dú)立的震源滑動(dòng)參數(shù)進(jìn)行地表同震重力變化正演和敏感性分析.
本文設(shè)計(jì)的方法適用于海底大地震發(fā)生后短時(shí)間內(nèi),基于快速測定的初始震源參數(shù),研究某一震例同震重力變化對(duì)震源不同滑動(dòng)參數(shù)的無量綱化敏感性排序,為正式反演該地震震源參數(shù)時(shí)的參數(shù)設(shè)置提供依據(jù).因此,考慮應(yīng)用環(huán)境及Okubo位錯(cuò)理論的模型設(shè)置,本文根據(jù)2005年東京大學(xué)地震研究所(Yamanaka,2005)運(yùn)用遠(yuǎn)震體波波形法給出的2004年蘇門答臘地震震源參數(shù)(表1),設(shè)置了單一有限矩形斷層模型.該模型與Okubo位錯(cuò)理論相匹配,主要滑動(dòng)參數(shù)于震后短時(shí)間內(nèi)獲得,數(shù)據(jù)完整、模型簡單,適用于快速計(jì)算.將這組震源參數(shù)設(shè)置為基準(zhǔn)參數(shù)集,統(tǒng)一設(shè)定四個(gè)參數(shù)圍繞基準(zhǔn)值上下各波動(dòng)40%,以此獲取用于敏感性分析的各參數(shù)變化范圍(表1).
表1 用于敏感性分析的2004年蘇門答臘地震震源參數(shù)基準(zhǔn)值(Yamanaka,2005)與變化范圍Table 1 Reference value and variation range of source parameters (Yamanaka,2005) of the 2004 Sumatra earthquake for sensitivity analysis
圖2 斷層深度變化引起地表同震重力變化的正演結(jié)果Fig.2 Forward modeling results of surface coseismic gravity changes caused by depth changes
圖3 斷層傾角變化引起地表同震重力變化的正演結(jié)果Fig.3 Forward modeling results of surface coseismic gravity changes caused by dip changes
圖4 滑移量變化引起地表同震重力變化的正演結(jié)果Fig.4 Forward modeling results of surface coseismic gravity changes caused by slip changes
圖5 滑動(dòng)角變化引起地表同震重力變化的正演結(jié)果Fig.5 Forward modeling results of surface coseismic gravity changes caused by rake changes
圖6 不同斷層深度引起的地表同震重力變化Fig.6 Surface coseismic gravity changes caused by different depths
圖7 不同斷層傾角引起的地表同震重力變化Fig.7 Surface coseismic gravity changes caused by different dips
圖8 不同滑移量引起的地表同震重力變化Fig.8 Surface coseismic gravity changes caused by different slips
圖9 不同滑動(dòng)角引起的地表同震重力變化Fig.9 Surface coseismic gravity changes caused by different rakes
圖10 同震重力場振幅受斷層深度、斷層傾角、滑移量及滑動(dòng)角影響的趨勢Fig.10 The variation of amplitude of coseismic gravity field affected by depth, dip, slip and rake
根據(jù)2004年蘇門答臘震例斷層面長寬和斷層傾角的取值,以斷層質(zhì)心的平面位置為中心,建立寬度為600 km、長度為1300 km的地面矩形模擬區(qū).該模擬區(qū)域能夠囊括地震引發(fā)地表重力場有效變化的空間位置.對(duì)待研究的四個(gè)獨(dú)立震源滑動(dòng)參數(shù)分別進(jìn)行斷層深度加深、滑移量加大、斷層傾角和滑動(dòng)角采用常用的特征角度值組合,以檢驗(yàn)正演計(jì)算的正確性.
為了使斷層深度的檢驗(yàn)范圍不局限于淺源地震(<70 km),設(shè)置斷層深度分別為10 km、50 km和90 km,其他參數(shù)取蘇門答臘地震震源的實(shí)際參數(shù)固定不變.如圖2所示,淺源地震引起的同震重力變化幅度大但影響范圍小,中源地震引起的同震重力變化幅度小而影響范圍大,符合深度變化導(dǎo)致地表重力變化的一般規(guī)律.
為了直觀分析斷層傾角變化引起的同震重力變化,同時(shí)控制斷層不突破地表,選擇滑動(dòng)角為0°的走滑型斷層進(jìn)行檢驗(yàn),且固定斷層深度為25 km.設(shè)置斷層傾角分別為特征角度值0°、45°和90°,其他參數(shù)取蘇門答臘地震震源的實(shí)際參數(shù)固定不變.如圖3所示,走滑型斷層引發(fā)的同震重力變化對(duì)稱分布于斷層兩側(cè).隨著斷層傾角不斷增大,引起的同震重力變化范圍擴(kuò)大.當(dāng)斷層傾角達(dá)到90°時(shí),同震重力變化的幾何分布符合一般規(guī)律,即呈內(nèi)外兩個(gè)四象限分布的特征.
固定斷層深度為25 km,設(shè)置滑移量分別為20、40、60 m,其他參數(shù)取蘇門答臘地震震源的實(shí)際參數(shù)固定不變.如圖4所示,隨著滑移量呈倍數(shù)增加,引起的同震重力變化幅度穩(wěn)步增大,且保持增幅一致,表明兩者間有明顯的線性相關(guān)性,正演結(jié)果符合位錯(cuò)理論式(1)中滑移量與地表重力變化的線性關(guān)系.
固定斷層深度為25 km,設(shè)置滑動(dòng)角分別為特征角度值0°、45°和90°,其他參數(shù)取蘇門答臘地震震源的實(shí)際參數(shù)固定不變.如圖5所示,當(dāng)滑動(dòng)角為0°時(shí),正、負(fù)同震重力變化以垂直走向方向?yàn)檩S,對(duì)稱分布于斷層寬邊兩側(cè).隨著滑動(dòng)角增大至45°,正、負(fù)同震重力變化逐漸向?qū)γ娌迦?,幾何分布上出現(xiàn)了明顯的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).直至滑動(dòng)角增加到90°時(shí),正、負(fù)同震重力變化以平行走向方向?yàn)檩S,對(duì)稱分布于斷層長邊兩側(cè).隨著滑動(dòng)角從0°旋轉(zhuǎn)至90°,同震重力變化的幾何位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了90°,符合滑動(dòng)角變化影響同震重力變化幾何分布的理論趨勢.
與正演計(jì)算的正確性檢驗(yàn)相同,為囊括地震引發(fā)地表重力場有效變化的空間位置,以斷層質(zhì)心的平面位置為中心,建立寬度為600 km、長度為1300 km的地面矩形模擬區(qū).在敏感性分析的參數(shù)取值范圍內(nèi)(表1),依次計(jì)算地表區(qū)域同震重力變化隨斷層深度、斷層傾角、滑移量和滑動(dòng)角這四個(gè)獨(dú)立參數(shù)變化的情況(圖6a—9a).當(dāng)單個(gè)獨(dú)立參數(shù)變化時(shí),其他參數(shù)取蘇門答臘地震震源的實(shí)際參數(shù)固定不變.為直觀分析不同滑動(dòng)參數(shù)變化對(duì)同震重力變化的影響,在模擬區(qū)內(nèi)劃定一條垂直于、斜交于、近似平行于斷裂走向的AA′、BB′和CC′ 剖面,得到沿三個(gè)剖面的同震重力變化隨各參數(shù)變化的情況(圖6b—9b).CC′ 剖面沒有劃定為絕對(duì)平行于斷裂走向,是為了同時(shí)獲取正、負(fù)地表同震重力變化在斷層走向首尾處的有效信息.
由圖6—9可知,當(dāng)僅有斷層深度從6 km增加至14 km時(shí),地表重力場變化范圍擴(kuò)大(圖6a),AA′與BB′剖面上同震重力變化振幅減小,CC′剖面上同震重力正變化數(shù)值加大、負(fù)變化數(shù)值減小、振幅變化不明顯(圖6b).當(dāng)僅有斷層傾角從4.8°增加至11.2°時(shí),地表重力場變化范圍無明顯改變(圖7a),三條剖面上同震重力正變化數(shù)值減小、負(fù)變化數(shù)值加大、振幅變化不明顯(圖7b).當(dāng)僅有滑移量從12 m增加至28 m時(shí),地表重力場變化范圍顯著擴(kuò)大(圖8a),三條剖面上同震重力變化振幅顯著增加(圖8b).當(dāng)僅有滑動(dòng)角增加時(shí),在相對(duì)90°幾乎對(duì)稱分布的67.2°和112°處,地表重力場變化范圍基本一致(圖9a),AA′與BB′剖面上同震重力變化分布幾乎重合(圖9b),但由圖9a中斷層走向的首尾處和圖9b 中CC′剖面上同震重力變化分布可以發(fā)現(xiàn),地表重力場正負(fù)變化在空間上有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢,這是其他三個(gè)參數(shù)不具備的特性.當(dāng)滑動(dòng)角繼續(xù)增加至156.8°時(shí),這一逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢依然存在,且整個(gè)模擬區(qū)域重力場正負(fù)最值的空間位置連線已由垂直斷裂走向逐步旋轉(zhuǎn)至平行斷裂走向(圖9a).AA′與BB′剖面上的同震重力變化振幅明顯減小,CC′剖面上的同震重力變化振幅明顯增大(圖9b).
綜上,斷層深度、斷層傾角、滑移量和滑動(dòng)角在用于敏感性分析的范圍內(nèi)變化時(shí),會(huì)導(dǎo)致幾條剖面上同震重力變化發(fā)生改變,且各自引起的重力變化幅度有所差異.特別地,當(dāng)滑動(dòng)角變化時(shí)(圖9),同震重力場幾何分布發(fā)生旋轉(zhuǎn),沿不同剖面具有不同的數(shù)值分布特征.因此,有限個(gè)剖面上的同震重力變化不足以說明整個(gè)重力場的變化情況.為準(zhǔn)確分析2004年蘇門答臘地震同震重力變化對(duì)震源滑動(dòng)參數(shù)的敏感性,本文選定該震例在整個(gè)模擬區(qū)域內(nèi)的同震重力場振幅dg作為代表區(qū)域同震重力變化的系統(tǒng)特性,采用數(shù)值法擬合特性曲線(式(5)),大致了解同震重力變化受震源滑動(dòng)參數(shù)擾動(dòng)的影響,結(jié)果如圖10所示.
由系統(tǒng)特性曲線擬合結(jié)果(圖10)可知,當(dāng)斷層深度從6 km增加至14 km的過程中,地震產(chǎn)生的區(qū)域同震重力場振幅減小了230.82 μGal,且減小的趨勢逐漸加快(圖10a).當(dāng)斷層傾角從4.8°增加至11.2°的過程中,地震產(chǎn)生的區(qū)域同震重力場振幅增加了56.23 μGal,且增加的趨勢逐漸加快(圖10b).當(dāng)滑移量從12 m增加至28 m的過程中,地震產(chǎn)生的區(qū)域同震重力場振幅增加了1799.29 μGal,且增加的趨勢呈線性(圖10c).當(dāng)滑動(dòng)角從67.2°至156.8°的過程中,地震產(chǎn)生的區(qū)域同震重力場振幅呈波動(dòng)形式升降,且于90°處取得極大值、135°處取得極小值,相差了409.59 μGal,越靠近90°和135°處,其變化趨勢越平緩(圖10d).
利用式(7)計(jì)算目標(biāo)滑動(dòng)參數(shù)取值為2004年蘇門答臘地震實(shí)際震源參數(shù)時(shí)的敏感度因子(表2),得到同震重力變化對(duì)該震例各參數(shù)的量化敏感性.結(jié)果表明,對(duì)于2004年蘇門答臘地震,同震重力變化對(duì)四個(gè)獨(dú)立參數(shù)的敏感性由高到低的順序?yàn)榛屏?、滑?dòng)角、斷層深度和斷層傾角.其中,斷層傾角的敏感度因子比其他參數(shù)的敏感度因子小了一個(gè)量級(jí),在四個(gè)參數(shù)中表現(xiàn)為最不敏感;而滑移量和滑動(dòng)角表現(xiàn)出的敏感性明顯高于另外兩個(gè)參數(shù)的敏感性.由于本文方法沒有針對(duì)地震類型進(jìn)行特定約束,是一個(gè)泛泛的方法,因此可在各種類型的地震中應(yīng)用.但著重強(qiáng)調(diào)的是,上述結(jié)果是基于2004年蘇門答臘地震給出的,對(duì)于其他震例,該結(jié)論不可直接引用,需根據(jù)本文方法重新計(jì)算、排序.
表2 2004年蘇門答臘地震各參數(shù)的敏感度因子Table 2 Sensitivity factors of the 2004 Sumatra earthquake parameters
考慮到在淺源、低傾角、逆沖型的2004年蘇門答臘震例上,同震重力變化對(duì)滑移量和滑動(dòng)角的敏感性比對(duì)斷層深度和斷層傾角的敏感性要高得多,建議在基于同震重力變化反演震源參數(shù)的過程中,加大對(duì)滑移量和滑動(dòng)角的重視程度.例如,依據(jù)先驗(yàn)信息,精細(xì)刻畫高敏感性參數(shù)的模擬區(qū)間.因?qū)鄬由疃群蛿鄬觾A角的敏感性較低,僅當(dāng)滑移量和滑動(dòng)角反演精度較高時(shí),才能夠保證有效反演出斷層深度和斷層傾角.注意,這一結(jié)論僅代表同震重力變化對(duì)2004年蘇門答臘震例條件的敏感性,對(duì)于其他震例對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)參數(shù)集,結(jié)論會(huì)有所不同,但本文方法是適用的.
隨著衛(wèi)星觀測技術(shù)的逐步發(fā)展,同震重力變化數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間分辨率均會(huì)得到不斷提高.當(dāng)震中位置距離臺(tái)站較遠(yuǎn)時(shí),可以使用地震臺(tái)站的地震波數(shù)據(jù)反演出初步的震源參數(shù),并以此作為基準(zhǔn)參數(shù)集.在基準(zhǔn)值附近,利用本文方法分析同震重力變化對(duì)不同滑動(dòng)參數(shù)的敏感性.依據(jù)敏感性差異,對(duì)各參數(shù)設(shè)定不同的反演權(quán)重,有助于得到更加準(zhǔn)確的震源參數(shù).
本文設(shè)計(jì)了一套定量化表征同震重力變化對(duì)震源滑動(dòng)參數(shù)敏感性的方法體系:基于位錯(cuò)理論和初始震源參數(shù),通過同震重力變化正演得到震源不同滑動(dòng)參數(shù)下的區(qū)域地表同震重力場振幅,再利用無量綱化敏感性分析方法,定量評(píng)估同震重力變化對(duì)震源不同滑動(dòng)參數(shù)的敏感性.上述方法在2004年蘇門答臘地震中的應(yīng)用結(jié)果表明,在該震例上,同震重力變化對(duì)滑移量、滑動(dòng)角、斷層深度和斷層傾角這四個(gè)獨(dú)立震源滑動(dòng)參數(shù)的敏感性依次降低.其中,滑移量和滑動(dòng)角為影響該地震同震重力變化的高敏感性參數(shù),在利用同震重力變化反演獲取震源滑動(dòng)參數(shù)時(shí),需著重考慮這兩個(gè)參數(shù).另外,此方法同樣適用于其他震例,但在不同震例中,同震重力變化對(duì)各滑動(dòng)參數(shù)的敏感性將有所差別.
致謝感謝審稿專家提出的寶貴意見和建議.