基于面波数据的地下核爆炸的全元素矩张量反演方法-何永锋.pdf

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1、第37卷第5期2017年9月爆炸与冲击EXPLOSION AND SHOCK WAVESV0137，NO5Sept，2017基于面波数据的地下核爆炸的全元素矩张量反演方法+何永锋1，李 锴1，刘炳灿1，姚国政1，赵克常2，张献兵2，曾乐贵1(1陆军装甲兵学院，北京100072；2北京大学地球与空间科学学院，北京100871)摘要：区域分层介质模型下，可以将地震波场描述为矩张量各分量作为权重的基本格林函数的线性组合，利用该理论地震波场可以反演实际天然地震或地下核爆炸的震源机制，反演结果中不同震源机制成分的比重，可以用来识别地下核爆炸，该系统方法越来越受到关注。给出了基于广义反射一透射系数方法的水

2、平分层介质模型的地震波场正演公式并对基于该公式的单台反演结果的准确性、稳定性、可靠性进行了理论分析，为利用该公式对实际地下核爆炸进行反演提供了理论基础，该方法对利用区域少量甚至是单站记录数据检测、识别地下核爆炸具有重要参考意义。关键词：地下核爆炸；面波；格林函数；全元素矩张量反演方法；补偿线性偶极矢量源中图分类号：0382。1 国标学科代码：1303520 文献标志码：A通常采用忽略源区非线性效应的等效力模型来描述震源机制1宅，震源机制的定量描述主要包括震源强度和震源的断层面解(倾角、滑动角、走向)。FGilbert首先引进了矩张量的概念3，定义为作用在一点上的等效体力的一阶矩，这种等效力不仅

3、可以描述典型天然地震的位错模型，还可以描述由爆炸导致的源区体积的快速膨胀及由于介质相变导致的源区体积的快速坍塌4。介质相变的力学性质表现为剪切模量的突然改变，这个物理机制可以用补偿线性偶极矢量源(compensate linear vector dipole，CLVD)表示5一。用矩张量表示震源，能将记录波形数据、震源机制和传播路径三者之间的关系归结为线性关系，如果已知震源位置和相应的介质模型下的格林函数，那么由记录波形数据就可以线性地反演出震源机制矩张量。利用初动波形数据反演震源机制矩张量需要分布较好的近场台站数据，当这个条件无法得到满足时，从区域少量台站甚至是单台记录数据反演稳定的矩张量解

4、就显得十分有意义8。o，由于区域的长周期地震波对速度结构的横向变化相对不敏感，在震源定位较准确、波形数据信噪比较高的情况下，利用面波数据也可以反演得到稳定的矩张量解。地下核爆炸通常是在人烟稀少且严格保密的条件下进行的，获取实施地下核爆炸的本土近场台站数据很困难，因此利用区域少量甚至是单站记录数据来检测、识别地下核实验具有重要现实意义。1 方法原理近年来，理论地震图计算能力及效率得到了进一步的提高，基于复杂的分层介质模型的反演方法越来越受到人们的重视。天然地震的反演研究以MLJost等m3的工作为代表，CYWang等嘲在前人工作基础上，给出了任意一个位错点源和爆炸源产生的地震波场表达式及所需的1

5、0个基本Green函数，其中包含爆炸源Green函数，理论上可以得到含有爆炸源成分的全元素矩张量解(full moment tensor)。*收稿日期：2016-0127；修回日期：2016-0829基金项目：国家自然科学基金项目(41374068)第一作者：何永锋(1966一)，男，博士研究生，教授，heyfengsinacom。万方数据946 爆 炸 与 冲 击 第37卷SEMinsOn等m3对MLJost等，03给出的含有爆炸源格林函数的地震波场公式进行了修正，并采用CKSaikia123给出的离散波数积分方法来计算理论格林函数。本文中，采用XFChenm3、ZXYaO等m1的基于广义反

6、、透射系数方法的水平层状地球模型中理论地震图的计算方法，本质上两种方法是一致的，矩张量权重表现形式略有不同，经过对两种算法对比分析，得到本文中采用的公式。在圆柱坐标系下，理论位移“在垂向、径向和切向分量分别为：一心降cos20-G丁DD,z+等)+(_-G-笋cos20一G丁DD,z+争)+M。(号G。，：+堡笋+M。(Gss,zsin2口)+M，。(一GDS,zCOS臼)+M，(一GDs,sin0)一也降cos20一G丁DD,r+争)+(_-G-笋cos20一G丁DD,r+孚)+ M盛(号G吡，+孚+(Gss,sin2口)+心(一GDS,rCOS0)+心(一GDS,rsin0)一心降sm口)

7、+心(-争sin2口)+式中：口是台站到震源的方位角，G豁是纯走滑断层(倾角90。，滑动角o。)的格林函数，G鹏是纯倾滑断层(倾角90。，滑动角90。)的格林函数，G。是45。的斜滑断层(倾角45。，滑动角90。)的格林函数口5|，Ger是纯爆炸源的格林函数，z、r、t分别表示垂向、径向和切向。与SEMinson等113和DDreger等嘲给出的公式不同之处，主要体现在GD队、G。卟权重系数上。由于考虑了纯爆炸源的格林函数，由式(1)可以反演出含有爆炸成分的震源机制矩张量，对所反演矩张量没有任何约束条件，不仅能反演力偶(doublecouple，DC)成分，还能准确地反演对角线(isotrop

8、ic，ISO)成分。2 数值模拟21 理论震源机制矩张量反演BRomanowicz等163的研究结果表明，在速度结构比较准确的情况下，利用单台三分量的区域震相进行反演能得到可靠的反演结果17。为验证基于式(1)反演方法的准确性，利用该公式对不同震源机制进行理论数值反演，采用的模型为KLMclaughlin等口81给出的适于东哈萨克斯坦地区的地壳速度模型(见表1)。Q。、Q，分别为横波、纵波品质因数，震源深度统一取d一10 km，震源时间函数为艿函数，理论格林函数的计算结果如图1所示，利用Butterworth带通滤波器进行滤波，滤波周期为2050 S。表1理论地壳模型Table 1 Theor

9、etical crustal modelO20003000548816464219522744032928384924499627002700270027002702280728582875287933722790300033003400354i370337813807381445735020540059006100630865976736678267958147100001500020000600OO525OO5000045000400OO350OO179OOOOO0OO0O0OOOOOOOOOO0OOOOO0OOOOOOOOOOOOOO2222222222万方数据第5期 何永锋，等：基于面

10、波数据的地下核爆炸的全元素矩张量反演方法 947Gss=GDS：八卜C-DD2弋、一厂Gm：assr一、一GDs，rGbn，6毛P，图1理论格林函数Fig1 Filtered GreenS functions八入二-GDS211 纯爆炸源的反演先计算基于球对称源的理论地震图，并进行周期范围为2050 S滤波处理，将各格林函数代入式(1)，利用最bZ-乘法在时间域进行反演m。得到EXP源准确矩张量解：21源的得到CLVD213任意位错源的反演采用SEMinson等111给出的DC源为任意位错源(倾角67。，滑动角45。，走向23。)，先计算该DC源的理论地震图并进行相应的滤波处理，利用式(1)进

11、行反演。得到该DC源的准确矩张量解：一0062 4、一0560 10508 7J214混合源的反演混合源为含有多种成分的震源X(EXP+CLVD+DC)，先计算混合源的理论地震图，并进行相应滤波处理，利用式(1)进行反演。得到该混合源的准确矩张量解：0062 43一o560 1 I一2508 1)。0；063357 21二。0；。56620 41一一01。1。0一-一00560 1 0 508 7 0 0 1 0。5 一 I+l l+l一 I J I在介质速度结构和震源深度等信息准确的条件下，基于式(1)进行反演，可以准确得到震源中EXP、CLVD和DC成分，根据各种成分的比重，理论上可以达到

12、区分天然地震和地下核爆炸的目的。570336605OOO一914溺藿|mmC；一一，。，|M57O鹃弘OOO一9l4嘶堇叭叭m一一，一一M9l455243656Ommm一一，L万方数据948 爆 炸 与 冲 击 第37卷f一0。068 9 0675 2 0062 3、M。一1 0675 2 0469 20560 3 I，I一0062 3 0560 3 2508 6 Jf一0089 0 0637 5 0063 4、Mbl 0711 2 0408 60558 4 l，I一0063 4 0558 4 2508 8 Jr0055 1 0654 70060 ohM。一l 0654 7 0506 0056

13、4 5I一0060 0 0564 5 2512 0 Jr，o999 7 oooo 2 o fo500 o o o lo o 1ooo 2J L、 o oooo 3 1ooo 1Jf，一o545 7 0635 3 0062 3 f，一o046 o o635 5 一o062 3万方数据第5期 何永锋，等：基于面波数据的地下核爆炸的全元素矩张量反演方法 9493 结 论不同的震源机制具有不同的矩张量形式，利用反演得到的矩张量的特征值及特征向量可以对震源机制进行分析，震源矩张量可以分解为对角线部分及偏量部分，地下核爆炸的震源与天然地震震源的矩张量中的对角部分和偏量部分具有不同的表现形式。本文中利用数值

14、方法，验证了基于单台数据的震源矩张量反演方法，分析了存在噪声干扰、震相到时误差、速度模型误差和震源深度定位误差的情况下，反演方法的稳定性。各种误差的分析结果表明，震源深度误差对反演结果的影响较大。地震波的实际传播路径和地壳的三维结构对记录波形影响较大，同时台站的记录数据可能会受到其他的干扰因素，数据品质会受到影响，因此由一维地壳速度模型反演得到准确的结果是困难的，即使利用对分层结构敏感的面波。本文的研究结果对于从震源的角度来了解地下核爆炸的物理机制具有较好的参考意义，同时也为利用单台记录数据反演震源矩张量、并进一步进行识别提供了理论支持。参考文献：1Stump B W，Johnson L RT

15、he determination of source properties by the linear inversion of seismogramsJBulletin of the Seismological Society of America，1977，67(6)：1489150223-475763778-97101112Aki K，Richards P GQuantitative seismology：Theory and methods,MSan Francisco：Freeman W H and Cornpany，1980Gilbert FExcitation of the no

16、rmal modes of the earth by earthquake sources-JGeophysical Journal Internationa1，1971，22(2)：223226Kennett B L NSeismic wave propagation in stratified mediaM-Cambridge：Cambridge University Press，1983Knopoff L，Randall M JThe compensated linear-vector dipole：A possible mechanism for deep earthquakesJJo

17、urnal of Geophysical Research，1970，75(26)：49574963何永锋，陈晓非，张海明地下核爆炸Lg波的激发机制I-J地球物理学报，2005，48(2)：367372He Yongfeng，Chen Xiaofei，Zhang HaimingThe excitation of Lg wave by underground nuclear explosionJChinese Journal of Geophysics，2005，48(2)：367372何永锋，赵克常，张献兵，等地下核爆炸地震波二次源特征J地球物理学，2012，55(5)：17421748He

18、Yongfeng，Zhao Keehang，Zhang Xianbing，et a1The characteristic of the waveform from the second sourceinduced by underground explosion,J7Chinese Journal of Geophysics。2012，55(5)：17421748Wang C Y，Herrmann R BA numerical study of P一，SV一，and Shwave generation in a plane layered mediumJBulletin of the Seis

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21、,JGeophysical Journal International，1994，118(1)：142158万方数据950 爆 炸 与 冲 击 第37卷131415161718192032122323Chen X FA systematic and efficient method of computing normal modes for multilayered halLspaceJGeophysical Journal International，1993，115(2)：391409Yao Z X，Harkrider D GA generalized reflection-transmi

22、ssion coefficient matrix and discrete wavenumber method for synthetic seismogramsJBulletin of the Seismological Society of America，1983，73(6)：16851699Langston C ASource inversion of seismic waveforms：The Koyna，India，earthquakes of 13 September 1967JBulletin of the Seismological Society of America，1

23、98 1，7 1(1)：1-24Romanowicz B，Dreger D，Pasyanos M，et a1Moniting of strain release in central and northern California usingbroadband dataJGeophysical Research Letters，1993，20(15)：16431646赵翠萍19972003年新疆伽师震源区特征的地震学方法研究D北京：中国地震局地球物理研究所，2006McLaughlin K L，Barker T G，Day S M，et a1Effects of depth of burial

24、 on explosion and earthquake regionalseismograms：Regional discrimination and yield estimationRJolla，California，1988Fukuyama E，Dreger D SPerformance test of an automated moment tensor determination system for the future“Tokai”earthquakeJEarth，Planets and Space，2000，52(6)：383392郑建常，陈运泰基于Langston分解和Hil

25、bert变换约束的区域偏量矩张量反演方法及应用J地震学报，2012，34(2)：171190Zheng Jianchang，Chen YuntaiRegional deviatoric moment tensor inversion based on Langstons decompositionand Hilbert transform constraints and its applicationJActa Seismologica Sinica，2012，34(2)：171190林向东，葛洪魁，徐平，等近场全波形反演：芦山70级地震及余震矩张量解J地球物理学报，2013，56(12)：4

26、037-4047Templeton D C。Dreger D SNon-double-couple earthquakes in the long valley volcanic regionJBulletin of theSeismological Society of America，2006，96(1)：6979许力生，陈运泰震源深度误差对矩张量反演的影响J地震学报，1997，19(5)：462470Full moment tensor inversion method of underground nuclear explosionsbased on surface waves dat

27、aHe Yongfen91，Li Kail，Liu Bingcanl，Yao Guozhen91，Zhao Kechan92，Zhang Xianbin92，Zeng Leguil(1Army Armored Forces Academy，Beijing 100072，China；2School of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China)Abstract：Powerful techniques have been developed for calculating the plane wave resp

28、onse of horizontal ly layered modelsThis method is quite general and is widely used in synthetic wave algorithmsUsing this method，we can describe the displacements in terms of a 1inear combination of the momenttensor elements，and the moment tensor for an arbitrarily oriented dislocation can be given

29、 by thismethodThe moment tensor can be used to distinguish natural earthquakes and underground nuclearexperiments according to its different elements。In this paper we rewrite the formula and estimate thereliability of the nondoublecouple solutions on the basis of error analysis that includes the var

30、iance ofmodeling and of the noise in the dataOur analysis of synthetic data shows that this method is robustand can be used in the real data analysesThe result is significant for monitoring nuclear explosions byusing data from j ust a few monitoring stations or even from a single stationKeywords：underground nuclear experiment；surface wave；Green functions；full moment tensor inversion；compensate linear vector dipole source(责任编辑丁峰)万方数据