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2022年 53卷 第2期
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2022, 53(2): 119-137.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-048
摘要
摘要:
本征光纤振动传感通过在光纤一端重复发射探测激光，在光纤同端或另外一端接收散射光或透射光并解调它们的变化，测量光纤上的动态应变（即振动）. 本征传感以光纤为传感器，具有结构简单，布设灵活，运维方便的优点，能应用于流体、高温、高压或强电磁干扰等恶劣环境，可以大幅度延伸可监测的区域，并实现相对廉价的长期连续监测. 此外，光纤传感还可以利用全球城市内、城际间和跨洋等已有光缆中的冗余光纤资源，快速构建振动监测网络，改善振动监测能力. 目前基于散射光的振动传感，单台仪器可以实现沿光纤米级间隔、近百千米的密集分布式监测；而基于透射光的传感，尚缺乏分布式观测能力，但可检测上万千米长光纤上的强烈振动. 本文介绍这两类本征光纤振动传感相关的基本原理、应用实例和发展前景.
本征光纤振动传感通过在光纤一端重复发射探测激光，在光纤同端或另外一端接收散射光或透射光并解调它们的变化，测量光纤上的动态应变（即振动）. 本征传感以光纤为传感器，具有结构简单，布设灵活，运维方便的优点，能应用于流体、高温、高压或强电磁干扰等恶劣环境，可以大幅度延伸可监测的区域，并实现相对廉价的长期连续监测. 此外，光纤传感还可以利用全球城市内、城际间和跨洋等已有光缆中的冗余光纤资源，快速构建振动监测网络，改善振动监测能力. 目前基于散射光的振动传感，单台仪器可以实现沿光纤米级间隔、近百千米的密集分布式监测；而基于透射光的传感，尚缺乏分布式观测能力，但可检测上万千米长光纤上的强烈振动. 本文介绍这两类本征光纤振动传感相关的基本原理、应用实例和发展前景.
2022, 53(2): 138-147.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-051
摘要:
大地震的发生不仅与断层几何形态、应力积累状态有关，更和周围介质结构存在密切关系. 近年来，随着观测手段的不断丰富和技术的不断发展，越来越多的研究工作聚焦于大地震震源区的精细结构，并将观测结果与发震机制联系起来. 目前，地震学家普遍用凹凸体（asperity）模式解释大地震的发震机制，即断层从闭锁到突然滑断的过程. 在这个过程中，断层深部几何形态和应力状态较难准确获取，而介质结构却可以通过地震层析成像和大地电磁探测等手段获得. 本文将从大地震震源区介质结构的角度，系统总结已有的观测结果，探讨结构特征与凹凸体的关系. 为此，我们对全球震级大于6级且震源区开展过凹凸体研究的地震事件进行了统计分析. 本文共统计了123个不同震源机制的地震，包括54个板内地震和69个板间地震. 这些地震研究主要分为两类：一类是结构研究；另一类是震源破裂过程研究. 在结构研究中，共有17个板内地震和14个板间地震. 这些地震的结构研究表明，震源区发震断层附近均存在高强度（高地震波速或高电阻率）的异常体，这些异常体被认为是地震发生的凹凸体，对地震的发生起到控制作用. 在这31个大地震中，有4个地震发生在俯冲的海山处，海山即为明显的结构异常体，且有效正应力较高，是孕育大地震的高强度凹凸体. 研究结果可以作为凹凸体对大地震发生起到重要作用的直接证据. 在震源破裂过程研究中，共有92个大地震，研究表明断层附近存在较大的同震滑移带，推测存在高强度的凹凸体. 并且，大多数地震具有显著的单侧破裂特征，而这与结构不均匀展布密切相关. 破裂过程研究结果可以作为凹凸体对地震发生起到关键作用的间接证据. 结构和破裂过程研究均表明，结构控制的凹凸体在大地震孕育过程中发挥着十分重要的作用. 凹凸体具有高速、高阻及高力学强度的特征，更容易在长期的断层闭锁期中积聚构造应力，进而导致大地震的发生. 因此，我们可以通过结构研究，利用高速、高阻异常体识别潜在的大地震凹凸体，评估断层的发震能力，从而为防震减灾工作提供重要依据. 同时，我们发现凹凸体与震源机制无关，在逆冲断层、正断层和走滑断层中发挥着同样重要的作用.
大地震的发生不仅与断层几何形态、应力积累状态有关，更和周围介质结构存在密切关系. 近年来，随着观测手段的不断丰富和技术的不断发展，越来越多的研究工作聚焦于大地震震源区的精细结构，并将观测结果与发震机制联系起来. 目前，地震学家普遍用凹凸体（asperity）模式解释大地震的发震机制，即断层从闭锁到突然滑断的过程. 在这个过程中，断层深部几何形态和应力状态较难准确获取，而介质结构却可以通过地震层析成像和大地电磁探测等手段获得. 本文将从大地震震源区介质结构的角度，系统总结已有的观测结果，探讨结构特征与凹凸体的关系. 为此，我们对全球震级大于6级且震源区开展过凹凸体研究的地震事件进行了统计分析. 本文共统计了123个不同震源机制的地震，包括54个板内地震和69个板间地震. 这些地震研究主要分为两类：一类是结构研究；另一类是震源破裂过程研究. 在结构研究中，共有17个板内地震和14个板间地震. 这些地震的结构研究表明，震源区发震断层附近均存在高强度（高地震波速或高电阻率）的异常体，这些异常体被认为是地震发生的凹凸体，对地震的发生起到控制作用. 在这31个大地震中，有4个地震发生在俯冲的海山处，海山即为明显的结构异常体，且有效正应力较高，是孕育大地震的高强度凹凸体. 研究结果可以作为凹凸体对大地震发生起到重要作用的直接证据. 在震源破裂过程研究中，共有92个大地震，研究表明断层附近存在较大的同震滑移带，推测存在高强度的凹凸体. 并且，大多数地震具有显著的单侧破裂特征，而这与结构不均匀展布密切相关. 破裂过程研究结果可以作为凹凸体对地震发生起到关键作用的间接证据. 结构和破裂过程研究均表明，结构控制的凹凸体在大地震孕育过程中发挥着十分重要的作用. 凹凸体具有高速、高阻及高力学强度的特征，更容易在长期的断层闭锁期中积聚构造应力，进而导致大地震的发生. 因此，我们可以通过结构研究，利用高速、高阻异常体识别潜在的大地震凹凸体，评估断层的发震能力，从而为防震减灾工作提供重要依据. 同时，我们发现凹凸体与震源机制无关，在逆冲断层、正断层和走滑断层中发挥着同样重要的作用.
2022, 53(2): 148-158.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-004
摘要:
选取1950年以来中国大陆内部发生的数十次6.0级以上强震的孕震、发震机制研究实例，本文回顾总结了近年来国内外学者对强震的发生与地壳介质结构不均匀性关系的研究进展情况，分析了不同研究方法的优点和存在的问题. 相对定位方法获取精确的余震震源位置和地震层析成像方法，获得震源区高分辨率的三维速度结构是目前研究强震孕震构造和发震机制的主要手段. 与流体触发俯冲带强震机制不同，大陆强震多发生于易于积累应力的高速块体内部或高低速块体过渡区域，中下地壳的低速高导层的弱化作用是触发强震的主要因素. 深入了解发震地区的地壳介质结构、发震构造和地震活动的关系，可以为预测地震的发生和防震减灾提供重要的参考数据.
选取1950年以来中国大陆内部发生的数十次6.0级以上强震的孕震、发震机制研究实例，本文回顾总结了近年来国内外学者对强震的发生与地壳介质结构不均匀性关系的研究进展情况，分析了不同研究方法的优点和存在的问题. 相对定位方法获取精确的余震震源位置和地震层析成像方法，获得震源区高分辨率的三维速度结构是目前研究强震孕震构造和发震机制的主要手段. 与流体触发俯冲带强震机制不同，大陆强震多发生于易于积累应力的高速块体内部或高低速块体过渡区域，中下地壳的低速高导层的弱化作用是触发强震的主要因素. 深入了解发震地区的地壳介质结构、发震构造和地震活动的关系，可以为预测地震的发生和防震减灾提供重要的参考数据.
2022, 53(2): 159-171.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-042
摘要:
基于统计理论的贝叶斯反演方法在先验信息和观测数据的约束下，以后验概率分布的形式表征模型参数在不同区间的可能性大小. 相对于确定性反演理论，贝叶斯反演通过提取模型参数边缘概率分布、最大后验解、平均解、相关系数等定量评价反演结果的不确定性以及模型参数之间的相互关系，通过模型参数后验概率分布反映观测数据和先验信息对模型参数的约束能力. 本文基于贝叶斯方法在地球物理反演中的应用，总结了贝叶斯反演的基本流程，详细介绍了不同背景条件下的先验信息概率分布选择、似然函数建立、后验概率公式求解. 在优化参数方面，介绍了模型参数的固定维和变维反演概念，以及超参数的优化方法；在反演方法方面，着重介绍了固定维和变维反演马尔科夫链蒙特卡罗采样方法；在模型参数评价方面，介绍了不同情况下贝叶斯统计参数的求取. 然后讨论了贝叶斯反演方法采样效率提升的具体措施. 最后对贝叶斯方法在地球物理反演中的应用作出总结.
基于统计理论的贝叶斯反演方法在先验信息和观测数据的约束下，以后验概率分布的形式表征模型参数在不同区间的可能性大小. 相对于确定性反演理论，贝叶斯反演通过提取模型参数边缘概率分布、最大后验解、平均解、相关系数等定量评价反演结果的不确定性以及模型参数之间的相互关系，通过模型参数后验概率分布反映观测数据和先验信息对模型参数的约束能力. 本文基于贝叶斯方法在地球物理反演中的应用，总结了贝叶斯反演的基本流程，详细介绍了不同背景条件下的先验信息概率分布选择、似然函数建立、后验概率公式求解. 在优化参数方面，介绍了模型参数的固定维和变维反演概念，以及超参数的优化方法；在反演方法方面，着重介绍了固定维和变维反演马尔科夫链蒙特卡罗采样方法；在模型参数评价方面，介绍了不同情况下贝叶斯统计参数的求取. 然后讨论了贝叶斯反演方法采样效率提升的具体措施. 最后对贝叶斯方法在地球物理反演中的应用作出总结.
2022, 53(2): 172-186.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-061
摘要:
海底地形影响着海洋自然灾害、资源开发以及军事国防. 海底地形的探测手段由过去传统的船载声呐技术发展到依靠重力数据反演水深. 国外从1980年代就开始利用船载和卫星测高数据开发全球水深模型，截至目前发布的水深模型空间分辨率达到15″. 本文总结了声呐、激光测深雷达、卫星测高重力数据和遥感影像反演水深的研究现状，并分析每种测深手段的优缺点，介绍了五种水深模型代表产品ETOPO、DTU、GEBCO、SRTM、SIO topo系列的发展历程，并利用我国近海海域的船测水深数据对各系列的最新产品进行精度评估，结果表明近期发布的产品精度明显优于2009年发布的ETOPO1，SRTM15+V2.3的精度最高，其误差标准差为30.297 m，误差小于50 m的数据量占比87.2%. 本文可为了解测深方法以及水深模型的发展过程提供参考.
海底地形影响着海洋自然灾害、资源开发以及军事国防. 海底地形的探测手段由过去传统的船载声呐技术发展到依靠重力数据反演水深. 国外从1980年代就开始利用船载和卫星测高数据开发全球水深模型，截至目前发布的水深模型空间分辨率达到15″. 本文总结了声呐、激光测深雷达、卫星测高重力数据和遥感影像反演水深的研究现状，并分析每种测深手段的优缺点，介绍了五种水深模型代表产品ETOPO、DTU、GEBCO、SRTM、SIO topo系列的发展历程，并利用我国近海海域的船测水深数据对各系列的最新产品进行精度评估，结果表明近期发布的产品精度明显优于2009年发布的ETOPO1，SRTM15+V2.3的精度最高，其误差标准差为30.297 m，误差小于50 m的数据量占比87.2%. 本文可为了解测深方法以及水深模型的发展过程提供参考.
2022, 53(2): 187-203.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-015
摘要:
随着浅部金属矿产资源逐渐开发殆尽，向第二深度空间（500～2 000 m）找矿是未来必然的趋势. 在深部找矿中，常规重、磁、电法的探地信号急速衰弱，无法满足勘探要求，而地震信号具有很好的穿透性及深层分辨率，非常适合于深部探矿. 因此，地震方法在金属矿勘探领域的潜力被国内外很多专家学者看好，并做了许多相关的研究工作. 本文首先通过对五种典型金属矿床的特征分析，探讨了常规反射地震方法在金属矿勘探中的适用性，认为岩性、岩体尺度和反射界面特征是反射地震适用与否的关键因素；其次通过综述金属矿地震勘探在采集、处理、解释反演和被动源勘探技术四个方面的研究进展，总结了目前需解决的关键技术问题，并展望未来的发展前景. 最后指出：（1）在反射地震为主流勘探方法的情况下，应将工作重心放在解释反演上，挖掘资料潜力；（2）应基于岩石物理学探索金属矿成矿作用对地震属性的影响；（3）散射波及被动源相关理论是未来金属矿地震勘探的重要发展方向.
随着浅部金属矿产资源逐渐开发殆尽，向第二深度空间（500～2 000 m）找矿是未来必然的趋势. 在深部找矿中，常规重、磁、电法的探地信号急速衰弱，无法满足勘探要求，而地震信号具有很好的穿透性及深层分辨率，非常适合于深部探矿. 因此，地震方法在金属矿勘探领域的潜力被国内外很多专家学者看好，并做了许多相关的研究工作. 本文首先通过对五种典型金属矿床的特征分析，探讨了常规反射地震方法在金属矿勘探中的适用性，认为岩性、岩体尺度和反射界面特征是反射地震适用与否的关键因素；其次通过综述金属矿地震勘探在采集、处理、解释反演和被动源勘探技术四个方面的研究进展，总结了目前需解决的关键技术问题，并展望未来的发展前景. 最后指出：（1）在反射地震为主流勘探方法的情况下，应将工作重心放在解释反演上，挖掘资料潜力；（2）应基于岩石物理学探索金属矿成矿作用对地震属性的影响；（3）散射波及被动源相关理论是未来金属矿地震勘探的重要发展方向.
2022, 53(2): 204-213.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-053
摘要:
强震动加速度记录特别是近场强震动记录中经常会出现基线偏移的现象，加速度记录中的微小基线偏移会导致积分获得速度和位移时程产生不合理的非物理特征. 本文详细地分析了低频误差和地面的倾斜或旋转对原始加速度记录积分获得的速度和位移时程的具体影响，讨论了近场强震动记录基线校正的准则. 针对低频误差引起的基线偏移，论述了应用最广泛的高通滤波方法的基本原理，讨论了滤波器的选择、非因果滤波的加零填充、余弦渐变平滑零填充部分和加速度记录的过渡带、非因果滤波截止频率的选取标准以及去除零填充后如何避免获得的速度、位移时程和加速度反应谱值不兼容的问题. 针对地面倾斜或旋转引起的基线偏移，论述了Iwan两段式基线校正方法的原理，以及基于Iwan方法开发和改进的基线校正方法的研究进展，并指出各种方法存在的问题. 说明了对于不同地震尺度的近场强震动记录基线校正方法的选择. 在没有可用的方法可以量化不同误差来源的贡献以及无法同时测量六个分量的强震动记录（三个平移分量和三个旋转分量）之前，利用大数据分析和机器学习等技术手段，基于Iwan方法原理，从海量的近场强震动记录中自动快速识别出稳定、可靠的强震段和结束段开始时间将是未来的发展方向.
强震动加速度记录特别是近场强震动记录中经常会出现基线偏移的现象，加速度记录中的微小基线偏移会导致积分获得速度和位移时程产生不合理的非物理特征. 本文详细地分析了低频误差和地面的倾斜或旋转对原始加速度记录积分获得的速度和位移时程的具体影响，讨论了近场强震动记录基线校正的准则. 针对低频误差引起的基线偏移，论述了应用最广泛的高通滤波方法的基本原理，讨论了滤波器的选择、非因果滤波的加零填充、余弦渐变平滑零填充部分和加速度记录的过渡带、非因果滤波截止频率的选取标准以及去除零填充后如何避免获得的速度、位移时程和加速度反应谱值不兼容的问题. 针对地面倾斜或旋转引起的基线偏移，论述了Iwan两段式基线校正方法的原理，以及基于Iwan方法开发和改进的基线校正方法的研究进展，并指出各种方法存在的问题. 说明了对于不同地震尺度的近场强震动记录基线校正方法的选择. 在没有可用的方法可以量化不同误差来源的贡献以及无法同时测量六个分量的强震动记录（三个平移分量和三个旋转分量）之前，利用大数据分析和机器学习等技术手段，基于Iwan方法原理，从海量的近场强震动记录中自动快速识别出稳定、可靠的强震段和结束段开始时间将是未来的发展方向.
2022, 53(2): 214-227.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-068
摘要:
2021年11月18日20时42分54秒，宁夏回族自治区银川市灵武市发生MS4.0地震，灵武市及周边区域震感明显，并引起了社会的广泛关注. 本文基于Hypo2000定位方法、初至P震相定位方法和gCAP方法研究了该地震的震源参数，计算了现今区域应力场体系在该地震的震源机制解两个节面上产生的相对剪应力和相对正应力. 结果表明，灵武MS4.0地震的初始破裂深度为20 km，震源矩心深度为19 km，震源较深. gCAP计算的震源机制解节面I走向280°、倾角61°、滑动角30°，节面II走向174°、倾角64°、滑动角147°，矩震级为MW4.1. 全矩张量解显示灵武MS4.0地震双力偶成分占全矩张量解的85.18%，属于天然地震事件，结合震源区所在的莫霍面、地壳深部热结构以及区域地质构造特征，初步分析认为灵武MS4.0地震发震机理可能与银川地堑上地幔物质上涌活动有关，并且热物质对断层有着一定的弱化作用，震源区不易形成较大的应力积累，使得本次灵武地震以中等程度的地震方式释放. 现今应力场体系在灵武MS4.0地震震源机制解节面I上产生的相对剪应力为0.689，而在节面II的剪应力为0.817. 通过比较两个节面、主压应力轴以及节面上剪应力等，认为灵武MS4.0地震震源机制节面II上的剪应力相对较大是由于区域构造应力场主压应力轴和节面II之间的夹角要大于和节面I之间的夹角所致，两个节面理论上都有可能是发震破裂面，但结合相对剪应力和已有地质断层右旋走滑的性质来看，本文认为该地震在节面II上剪切滑动的可能性要大于节面I，为此节面II为发震破裂面的可能性相对较大. 区域构造应力的主压应力不等同于震源机制P轴，P轴的走向和震源机制两个节面一样均属于震源机制节面的固有属性，主要和节面的走向有关；区域构造主压应力方向和地震破裂面之间的夹角是影响破裂面上剪应力大小的主要原因之一，但其夹角并不能影响其P轴的走向.
2021年11月18日20时42分54秒，宁夏回族自治区银川市灵武市发生MS4.0地震，灵武市及周边区域震感明显，并引起了社会的广泛关注. 本文基于Hypo2000定位方法、初至P震相定位方法和gCAP方法研究了该地震的震源参数，计算了现今区域应力场体系在该地震的震源机制解两个节面上产生的相对剪应力和相对正应力. 结果表明，灵武MS4.0地震的初始破裂深度为20 km，震源矩心深度为19 km，震源较深. gCAP计算的震源机制解节面I走向280°、倾角61°、滑动角30°，节面II走向174°、倾角64°、滑动角147°，矩震级为MW4.1. 全矩张量解显示灵武MS4.0地震双力偶成分占全矩张量解的85.18%，属于天然地震事件，结合震源区所在的莫霍面、地壳深部热结构以及区域地质构造特征，初步分析认为灵武MS4.0地震发震机理可能与银川地堑上地幔物质上涌活动有关，并且热物质对断层有着一定的弱化作用，震源区不易形成较大的应力积累，使得本次灵武地震以中等程度的地震方式释放. 现今应力场体系在灵武MS4.0地震震源机制解节面I上产生的相对剪应力为0.689，而在节面II的剪应力为0.817. 通过比较两个节面、主压应力轴以及节面上剪应力等，认为灵武MS4.0地震震源机制节面II上的剪应力相对较大是由于区域构造应力场主压应力轴和节面II之间的夹角要大于和节面I之间的夹角所致，两个节面理论上都有可能是发震破裂面，但结合相对剪应力和已有地质断层右旋走滑的性质来看，本文认为该地震在节面II上剪切滑动的可能性要大于节面I，为此节面II为发震破裂面的可能性相对较大. 区域构造应力的主压应力不等同于震源机制P轴，P轴的走向和震源机制两个节面一样均属于震源机制节面的固有属性，主要和节面的走向有关；区域构造主压应力方向和地震破裂面之间的夹角是影响破裂面上剪应力大小的主要原因之一，但其夹角并不能影响其P轴的走向.
2022, 53(2): 228-232.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-015
摘要:
2022年1月15日汤加一座海底火山发生了猛烈的爆炸式喷发，喷出大量火山灰、气体与水蒸气，并进入平流层，形成巨大火山灰云团，引起国内外广泛关注. 本文对汤加火山的地质构造背景、喷发历史、喷发过程、灾害影响、喷发机理等方面进行综合分析，详述此次汤加火山喷发的过程及灾害影响，由此引申到当前国内活火山的活动状态. 长白山天池火山作为规模最大、最具潜在灾害性喷发危险的活火山，其火山监测预警研究工作应进一步加强. 借鉴此次汤加火山灾害应对经验，科学研判火山动态、完善国内火山灾害风险监测预警系统尤为重要.
2022年1月15日汤加一座海底火山发生了猛烈的爆炸式喷发，喷出大量火山灰、气体与水蒸气，并进入平流层，形成巨大火山灰云团，引起国内外广泛关注. 本文对汤加火山的地质构造背景、喷发历史、喷发过程、灾害影响、喷发机理等方面进行综合分析，详述此次汤加火山喷发的过程及灾害影响，由此引申到当前国内活火山的活动状态. 长白山天池火山作为规模最大、最具潜在灾害性喷发危险的活火山，其火山监测预警研究工作应进一步加强. 借鉴此次汤加火山灾害应对经验，科学研判火山动态、完善国内火山灾害风险监测预警系统尤为重要.
