用近场强震动记录快速估计同震位移并反演震源滑动分布

金明培，汪荣江

1 中国地震局滇西地震预报实验场办公室，大理 671000

2 德国地球科学研究中心（GFZ），波茨坦14473，德国

1 引 言

同震位移场（或同震形变场），是指大地震发生过程中，由于断层错动引发的断层周围一定范围内地表相对于震前永久变形的空间展布特征．同震位移场可用于认识发震断裂运动学特性、反演地震破裂模型和过程、了解地震成因，其研究对于地壳构造运动、地震动力学特征、判定地震未来趋势乃至震后快速应急响应、工程抗震设计和震害预测都具有十分重要的意义．自1992年美国兰德斯地震以来，科学家们纷纷开始利用大地测量技术，特别是空间大地测量技术如GPS［1－11］和InSAR［12－22］等来获取同震位移场或形变场并极大地促进了震源滑动模型的研究．而利用近断层强震记录估算同震位移的研究虽然起步更早［23］，但进展远缓慢于上述两种方法［24－31］，对此，彭小波等［32］已进行了系统的概述和总结．然而在很多国家，包括我国在内，目前连续GPS观测站点分布仍然稀疏．另外，GPS同震位移解算比较复杂，实时性有待提高．而InSAR 数据则往往还要等待几个星期甚至更长的时间，结果难于剔除余震影响．因此，虽然大地测量数据的精度较高，但通常还不能用于强震后的快速应急响应等．相比较而言，近场强震资料近年来却日渐丰富，且大都逐步实现了实时或准实时传输，这为快速和充分利用创造了条件．但在我国，目前强震观测资料则更多地是被用于抗震设防等工程和结构设计领域，一般停留在满足于获取峰值加速度和反应谱等方面．对强震资料的进一步开发利用，如地震早期预警、地震精定位、同震位移快速获取等研究则相对滞后或尚不成熟．

我国强震动台网自“十五”期间大规模投入建设以来，技术上已得到了很大发展，分布也越来越密，且大都架设在著名断裂带附近和强震多发区，提供了诸如汶川大地震及其余震等一大批宝贵的近场记录波形．但仍有少数台站资料存在如GPS 授时故障、三分量及其极性的标识混乱甚至错误、事件前后没有足够的记录长度、事件的头文件信息不规范等问题．如何更有效地开发和充分利用好近场强震动记录资料，并由此进一步推进强震观测稳步发展，提高和规范强震记录质量，也是我们未来几年内面临的一个迫切而重要的任务．

近场强震动记录以其高分辨率（100～200 Hz）、大动态范围（最大满量程为±2g，而在日本实际最大记录可达±4g）、牢固观测系统（其拾震仪一般均采取特别措施固定）、近距离的震源系统观察等，让我们有机会更真切地看到了清晰完整的近源地震破裂过程．我国将在“十二五”期间建设“国家地震烈度速报与预警工程”，该项目建成后在强震多发区的台间距将达到20～40km（国家地震烈度速报与预警工程项目建议书），到时强震台网将更加密集和分布相对均匀，且资料能够快速传输和及时获取（目前已经可以利用无线网络实现），利用强震记录获取同震位移场逐渐变得方便、快捷和易行．在这些方面，日本密集的K－net和KiK－net强震动台网资料质量稳定、格式规范、准实时性强且易于快速网络下载使用，为全世界提供了很好的研究范例．

2 基线校正方法的发展

理论上，从强震仪记录的加速度，经过两次积分，即可得到位移时程．然而，由于基线漂移的客观存在，看起来稳态的加速度记录，经过两次积分后会产生严重的非物理位移漂移，一般难于得出真实的位移时程并由此获取永久位移信息．因此，研究自动、快速的基线漂移校正方法，将隐含在加速度记录中的基线漂移去除，从而通过积分获取同震位移目前仍然是一个经验的、进展缓慢但又是急需解决的难题．

导致强震记录基线漂移的原因较为复杂，但一般认为主要有以下三种：低频干扰（如非零初始值、背景噪声、处理误差等）；仪器自身因素（如仪器固有噪声、强震动时的磁滞现象等［33］）；强震时近场观测点地面发生倾斜或旋转［34－35］等．

进一步研究表明，基线漂移大致分为事件前基线漂移和事件引发基线漂移两个部份．而后者又可再细分为强地面运动期间的瞬态漂移（事件中漂移）和强事件后静态或半静态漂移（尾波段漂移）．上述分法，理论上并不难理解，然而在实际操作中，如何划分和选取这三段中的两个特征时间点，本文称为t1和t2，却一直成为颇有争议的问题．通常情况下，事件前基线漂移可以通过线性最小二乘法拟合事件前（强震信号到达前）记录，从而在整个加速度时程中予以去除．Iwan 等［33］认为，当加速度值小于50cm·s－2时，强震仪的磁滞现象很小，因而可以忽略不计；由此，建议应该相应地取t1，t2分别为加速度值首次和最后一次达到50cm·s－2的时刻．当确定了t1和t2后，基于速度时程的基线校正可表述为公式（1）所示的三段：

式中，vc（f）为速度时程的分段校正值，vf和af是速度时程事件后线性校正的两个拟合常数，式中的f表示与频率有关，t表示时间．

通过最小二乘线性拟合速度时程中的事件后波形（t≥t2部分），便可以得到vf和af，事件后速度时程便可以被校正，而根据拟和得来的vf，很自然地也就解决了中间部分，即瞬时基线校正．也即通过双线性基线校正即可分段去除基线漂移．按Iwan 的方法，前两个因素造成的基线漂移便可以基本去除．但强震动时的地面倾斜或旋转却极为复杂，并且因场地位置、事件大小不同而差异较大，很难有统一的规律可循．在某些情况下，若第三个因素恰巧是基线漂移的主控因素，则上述校正往往还很不准确，有时会出现较大误差，甚至反向．对此，Boore［36］通过研究1999年台湾集集地震多个记录发现，选择不同的t1和t2都可以得到看起来比较合理的校正速度时程，但最终所得永久位移却可能差异很大，也即基线校正结果对t1和t2的选择极为敏感．他建议t1和t2应该成为自由参数，最好根据不同记录的速度时程甚至位移时程特点进行有差异的选择，而不是在加速度时程中用阈值来简单判定．因此，如何选择最佳的t1和t2值就成为了基线校正的决定性因素和关键性问题．

台湾地震学家Wu等［37］研究认为，如果加速度记录中没有基线漂移，则经过一次积分后的速度时程在事件前后均应在零线附近，而再次积分后的位移时程则表现为斜坡函数．因此他们在前人的研究基础上，沿用双线性基线校正，但使t1和t2在一定边界内成为自由参数，通过反复尝试和迭代搜索不同的t1和t2，确保校正后的位移时程满足斜坡函数．在确定了t1和t2后，根据（1）式完成最终的基线校正．吴逸民等将该方法应用于台湾1999年集集和2003成功强震资料获得了与GPS观测极为接近的同震位移．

然而Wu等给出的是手动方法，难免带有主观性，且无法快速应用．Chao 等［38］简化了Wu等的方法，利用当加速度累积能量分别达25%和65%的时刻来相应地决定t1和t2，并由此给出了自动基线校正方案，经过用集集地震、成功地震等资料检验，所得结果与Wu等的大体吻合．

Wang等［39］认为Chao 等的方法对较近场校正尚好，但对稍远台站则往往存在过校正现象，且阈值方法过于简单化不能完全适用于各种复杂的基线漂移情形．他们在Wu等方法的基础上，提出了进一步改进的自动基线校正方案［39］，编写了自动快速基线校正程序SMBLOC，并将其应用于1999年台湾集集Mw7．6级地震、2007年智利TocopillaMw7．8级地震、2008 年汶川Mw7．8级地震、2010 年智利MauleMw8．8级地震．该程序使用方便，产出丰富，能够在震后快速获取同震位移场、峰值加速度和校正后的峰值速度和峰值位移等数据．然而，到目前为止，SMBLOC 解算的大都是Mw7．5以上的巨大地震事件，对更小事件使用效果如何有待进一步检验和尝试．特别是Mw6－7级左右的地震，由于震源尺度较小，能够获取同震位移的范围有限，这就要求有更加密集的观测台网．然而，目前在许多国家地区，包括我国，GPS 观测站点分布还相当稀疏，能够在震后快速给出同震位移的连续GPS站点更是少之又少，这就为利用强震台网资料解算同震位移，以补充近场位移信息提出了实际需求．就我国目前面临的震情而言，也主要还是Mw7．5级以下事件为主，能否尝试利用Mw6－7级内陆地震的强震动记录快速获取同震位移场和反演地震滑动模型目前更具现实意义．因此，本文试图利用上述程序和方法，寻找一个既有较为密集强震动台网，又有GPS解算结果的7级左右案例进行全方位、多角度对比检验，以期在今后我国发生类似级别及以上强震时能够利用越来越密集的近场强震动资料快速给出同震位移场并反演震源滑动模型，为地震快速响应、震后应急救援、灾害和损失预估、余震趋势预测等提供有价值的参考．

3 资料选取

由于日本特殊的地理位置和地质构造，强震频繁，灾害严重．特别是2011年3月11日其东北部仙台附近海域发生的Mw9．0地震，使这个国家遭受了巨大的灾难和包括海啸、核电站爆炸等空前的次生灾害．值得借鉴的是，自1995年兵库地震后，日本就在其国土上布设了别的国家难于比肩的密集强震动台网和GPS 观测网．NIED（National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention，日本国家地球科学和灾害防御研究所简称，下同）下属的两个高密度强震动台网K－net（http：//www．knet．bosai．go．jp/）和KiK－net（http：//www．kik．bosai．go．jp/）震后第一时间便能快速和及时提供高质量的强震动观测数据供世界各国科学家免费下载研究使用．同时，日本密集的GPS观测网络也为比较强震和GPS同震解算结果提供了可能．

日本当地时间2008－06－14 08∶43（北京时间09∶43），在北纬39．027°，东经140．878°的日本岩手县和宫城县交界处（见图1）发生了Mw6．9（日本震级MJMD7．2）级地震，震源深度6．5km．值得一提的是，即使在日本这样地震频发的国家，7级左右的内陆浅源地震也不多见．虽然震中附近多为山区地形，但近60km 半径范围的研究区域内（图1）还是布设有63个强震动台和57个GPS观测点．在震中附近（仅距200m）的IWTH25台，观测到了接近4g的迄今为止最大的加速度记录（见图2A）．震中周围密集的强震动台网和GPS观测网（详见图1）为估计和比较同震位移分布提供了珍贵的资料．

图1 日本2008年岩手—宫城内陆浅源地震震中及周围强震和GPS台站分布图图中灰色小方框为断层面示意图，长50km，宽20km，走向209°，倾角取40°，震中上方强震台为IWTH25（KiK－net），GPS台为icns（TU）Fig．1 Strong－motion and GPS networks near the 2008 Mw6．9Iwate－Miyagi Nairiku（Japan）inland earthquake．The small grey rectangular is the fault plane（length＝50km，width＝20km，strike＝209°，dip＝40°）．The nearest strong－motion and GPS stations over the epicenter are IWTH25（KiK－net）and icns（TU），respectively．

4 同震位移场计算

我们选取了震中周围60km 范围内的强震资料，应用SMBLOC 计算程序解算出了该地震的同震位移场，并与Ohta等［40］给出的GPS同震位移结果比较（图3）．我们发现：①断层走向线两侧的两种同震位移数据分别呈现了高度一致的总体走向，由震中向外围幅度逐渐衰减．即由强震记录获取的同震位移场无论是方向还是幅度均与GPS解算结果一致性较好，清晰地呈现出一个典型的逆冲（局部右旋）地震的位移场总特征．②强震最大水平位移出现在震中附近的IWTH25台（图2B，东西向达45．9cm，南北向34．5cm，垂直向148．6cm）和IWTH26台（东西向达－34．5cm，南北向14．9cm，垂直向－9．0cm）．特别地，位于震源上方的IWTH25台，其水平向位移无论是幅值和方向都与相距仅200 m 左右的日本东北大学GPS网icns台结果（东西向43．9cm，南北向33．9cm，垂直向155．7cm）相吻合，而两者均与周围台站的方向有明显的差异，为近北东向，这也被其北部的邻近多个GPS观测所证实．即使稍微远离断层面附近的台站，其位移和方向与周围邻近GPS结果也都非常接近．在两个密集的台网中，我们共找到了8个位置靠近（在2km 以内）的强震和GPS台站对进行了比较，所得水平向方向和振幅（篇幅所限，未列出）都吻合较好．充分说明了即使是6－7级规模的地震，如果有高质量强震资料，是可以计算出较好同震位移数据的．③从图3来看，无论是强震还是GPS，除了位于断层面上接近震中的几个台站垂直向同震位移非常可观外，其余台站（即使是非常近源的台站）给出的垂直同震位移都非常小，而且方向零乱，几无规律可循．因此，在随后实施的滑动模型反演中我们取垂直向位移的权重值仅为水平向的1/4．④强震（如断层面南端的MYG005和北端的IWTH24两个台站）和GPS中均有解算结果与周围台站的测值无论从方向还是幅度都有显著差异的台站存在．尤其是位于震中西南的GPS0913台（见图3），东西向位移高达93．1cm，南北向－116．6cm，垂直向209．0cm．一个7级地震有如此巨大的同震位移，但与周围不同方位较为邻近的三个GPS站的测值都差异很大，其原因有待进一步讨论．

图2 （A）IWTH25台未校正的加速度（左）、速度及相应的基线校正（中）和位移（右）时程图；（B）经过经验基线校正后的IWTH25台加速度（左）、速度（中）和位移（右）时程图Fig．2 （A）Seismograms at Station IWTH25，200mfrom the epicenter；（B）Seismograms at Station IWTH25，200mfrom the epicenter．Left：Uncorrected acceleration．Middle：Uncorrected velocity（grey）and their baseline corrections（black）．Right：Uncorrected displacement．Left：Corrected acceleration．Middle：Corrected velocity．Right：Corrected displacement．

图3 强震（左）和GPS（右）各自独立解算得到的水平（上）和垂直（下）同震位移场方向和幅度比较（图中走向线附近的“＋”代表地表破裂出露点展布位置，但没有具体位错数据）Fig．3 Horizontal（top）and vertical（bottom）co－seismic displacements derived from strong－motion data（left），compared with the GPS observations（right）．

5 震源滑动模型

为了模拟准实时状态下的快速反演和进一步全面比较强震和GPS结果，取NIED 给出的震源机制解，直接使用由震源机制解得来的单一断层面模型［41］，统一走向为209°，倾角为40°（实际应用中可根据资料和多个机构的震源机制解微调），滑动角为104°±20°，断层面长L＝50km，宽W＝20km，根据震中经纬度和震源深度快速计算了参考点位置（39．151°N，141．068°E）．分别用强震和GPS解算出的同震位移场，以相同的断层面参数反演了各自和共同的地震滑动模型，反演所用的软件采用由汪荣江根据约束条件下最小二乘原理及最速下降法（Steepest Decent Method）编写的SDM2008程序．该软件近年来已广泛应用于同震或震后滑动分布的反演［42－47］，所得结果详见图4和表1．从图4和表1可以看出，强震和GPS（未加入0913台，下同）单一结果给出的矩震级Mw、震源展布特征、核心区位置、主要滑动区范围、主体滑动方向、最大和平均滑动、最大应力降均比较接近，但平均应力降则有所差异，体现了观测点位置不一样结果的差异性．而强震与GPS结合后的结果与单一资料结果一致性较好，平均应力降和主要滑动范围则是两者的折衷．

此外，表1 还给出了加入GPS 的奇异观测点0913后的反演结果．可以看出一个单一和孤立的奇异点其对反演结果的影响是明显且较大的，这主要是其幅值太大，且位于断层面正上方．但由其参与反演的滑动量，特别是浅层结果与地表破裂分布和规模明显不一致，所得矩震级也偏大．我们试图通过改变光滑度、权重值和断层面倾向、以及允许走向和倾向在一定范围内线性变化均无法使其与实际地表破裂位置和规模有较好的吻合．由于该台周围很大范围内均无强震台站（最近台为IWTH25，相距8．5km），因此，为便于同等比较，未将其用于图4和表1GPS＋SM 所示的模型反演．

图4 根据强震（a）、GPS（b）和两者联合（c）反演的断层面震源滑动模型比较以上滑动模型反演未含GPS 0913台的位移资料．Fig．4 Slip models inverted from the strong－motion based（SM）and GPS co－seismic displacement data separately and jointly（SM＋GPS）The GPS data of Station 0913（TU）is not included．

表1 不同资料反演的震源滑动模型比较Table 1 Slip parameters derived from strong motion and GPS data

6 结 论

从前人的研究结果和上述分析尝试可以看出，对于Mw6－7级及其以上的大震，利用近场强震资料可以较好地解算出地震的同震位移．与远场波形数据相比，近场同震位移对地壳的介质结构不敏感，因而能对断层大小和滑动分布提供更强的约束．与GPS观测相比较，虽然由强震资料解算的同震位移精度稍差，但后者观测成本小，数据处理简单、快捷．理论上一般在震后几分钟内（主要取决于资料获取所需时间）即能由近场强震记录解算出同震位移场，并据此快速反演滑动模型，从而为震后快速信息响应、震害和灾情预估、应急救援力量分配、余震趋势研判等提供重要参考．

利用近场强震资料快速解算位移场，对强震记录有一定的技术要求，如规范的事件头文件，准确的分量和极性标识，以及较好的事件前后记录（一般要求事件前10～20s左右，事件后更长些）．另外，如果想要计算动态震源模型和参与精确定位，还要求有精准的GPS授时服务和良好的方位角分布．这些都是我国今后强震观测质量中值得重视和应该引起注意的几个方面．毕竟高质量的、信息完备的观测结果为资料的充分利用提供了广泛的空间和各种可能．在这方面，日本已为世界各国提供了一个很好的范例．也是本文之所以能成文并以日本地震为例的主要原因之一．

强震记录的基线校正方法，目前虽已实现了自动化，但其所依据的是根据单事件特征总结出来的经验准则．因此，在不同的震例计算中，所得出的同震位移矢量往往会存在少量方向和幅度奇异值，即出现个别与邻近测点明显不一致的异常测点．因此，对于快速自动方法，应该根据对资料的基本要求和结果误差估计预以适当的取舍，否则将会影响滑动模型结果的可靠性．GPS观测也会遇到类似情况，尽管其原因会不同．如本文中提到的GPS 0913台，与周围不同方位的邻近三个GPS站测值幅度和方向均显著差异．原因可能是由于该测点距离地表破裂出露区较近，产生了很大的局部非弹性场地效应．我们建议，在滑动模型的反演中，要尽量剔除这些明显奇异的观测值．

强震和GPS给出的近源永久位移都是一些有限测点的信息，而永久位移常随测点间距的增大呈非线性变化．因此，只有具备足够多的点的信息，理论上才可能给出更为完善的震源模型．从本例来看，即使像日本这样拥有密集强震台网和密集连续GPS观测网的国家，对于Mw6－7级地震来说，单用强震数据或单用GPS数据往往不足以提供充分和完备的近场位移信息．最好是能将GPS、强震，以及InSAR 给出的位移资料结合进行联合反演，以提高滑动模型的稳定性和准确性．

致 谢 感谢审稿专家给出的建设性修改意见．

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