Seismic Site Response Inferred From Records at a Dense Linear Array Across the Chenghai Fault Zone, Binchuan, Yunnan

Abstract

Ground shaking during earthquakes is critical for seismic hazard assessment and is subject to a number of factors, such as earthquake rupture speed and directivity (e.g.,

High‐Resolution Imaging of Fault Zone Structure Along the Creeping Section of the Haiyuan Fault, NE Tibet, From Data Recorded by Dense Seismic Arrays

“…Low‐velocity zones can produce relatively long‐period high‐amplitude seismic waves, and this amplification pattern may be a combined effect of lower elastic modulus, propagation (focusing and defocusing of body waves), and FZTWs (e.g., Li & Leary, 1990; Li et al., 2000; Ben‐Zion & Aki, 1990; Ben‐Zion et al., 2003; Peng et al., 2003; Yang et al., 2020; Jiang et al., 2021; She et al., 2022; Song & Yang, 2022). To detect the low‐velocity‐zone related amplification of incoming waves, we calculate the normalized amplitude of the 3‐Hz low‐pass‐filtered local events as the integral of the squared envelope of the waveforms within 20 s of the event origin time.…”

“…waves), and FZTWs (e.g., Li & Leary, 1990;Li et al, 2000;Ben-Zion & Aki, 1990;Peng et al, 2003;Yang et al, 2020;Jiang et al, 2021;She et al, 2022;Song & Yang, 2022). To detect the low-velocity-zone related amplification of incoming waves, we calculate the normalized amplitude of the 3-Hz low-pass-filtered local events as the integral of the squared envelope of the waveforms within 20 s of the event origin time.…”

Rupture propagation on heterogeneous fault: Challenges for predicting earthquake magnitude

“…针对由断层⾮均匀性导致的"震中-震级测不准关系", 对⽬标断层开展地震动⼒学模拟 是⼀个可⾏的⼿段。事实上, 地震动⼒学数值模拟已经被⼴泛应⽤于地震情景构建, 包括现 代及历史地震 [82] 。若与⽬标断层的地质背景、滑移速率、能量积累等结合, 可应⽤于⾮均 , 表明了利⽤地震动⼒学模拟来预测震级的可⾏性。 地震破裂受断层上应⼒⽔平, 摩擦性质, 以及断层结构共同控制。因此开展可靠的动⼒ 学模拟, 需要对上述因素进⾏合理约束。我们可以通过地震学⽅法研究断层结构；⽬前基 于密集台阵的断裂带成像、地震精定位等⼿段都可⽤于刻画断层结构 [54,84,85] , 并发展了⼀ 系列基于密集台阵的新⽅法 [57,86,87] 。约束断层在孕震深度的应⼒分布缺乏直接测量数据, ⽬前最有效的⽅法是利⽤现代⼤地测量⼿段, 反演震间期断层上的闭锁程度分布, 进⽽计算 断层上的应⼒分布, 圈定断层的⾼应⼒块体 [9,10,83] 。由于断层摩擦属性很难进⾏直接约束, ⽬前主要参考实验室摩擦实验结果 [88] , 或利⽤近场观测结合动⼒学参数反演的⽅法约束不 同地质条件下的同震摩擦属性 [89,90] 。结合以上⾮均匀断层性质进⾏动⼒学模拟, 可观察地 震是否能突破块体间的低应⼒区, 并得到未来可能的地震情形 [9,10,91] 。 除动⼒学模拟外, Noda 等⼈ [92] 从能量平衡的⻆度, 计算断层已经积累的弹性能和地震 所消耗的能量(摩擦热和破裂能的总和), 判断块体是否能破裂甚⾄发⽣穿越不同块体的 级联破裂。其原理表述如下: 累积弹性能远⼤于破裂传播所消耗的能量, 则破裂可以持续 传播, 最终产⽣⼤地震。但计算破裂能和摩擦⽣热都基于关键同震摩擦参数的数值。如前 所述, ⽬前估算发震断层的摩擦属性尚存挑战 [90,93] , 参数的估计也存在相当的不确定性。据 此估算未来地震的震级也存在相当的不确定性。 2.2 地⾯运动多变性与灾害评估 除了地震的最终震级, 地⾯运动强度预测是地震灾害评估中⾮常重要的⼀环。⽬前绝 ⼤部分灾害评估采⽤经验预测公式(empirical Ground motion prediction equations, GMPEs) 对地震可能产⽣的地⾯运动强度进⾏预测 [94,95] 。在 GMPEs 中, 地震引起的地⾯运动强度 主要受到地震震级、震中距、传播介质属性(尤其为近地表速度结构, ⽐如地下 30 m 的剪 切波速度结构𝑉 𝑠 30)控制。然⽽, 对于复发周期⻓的⼤地震, 此类经验预测公式通常缺乏近 场数据。⽽近场地⾯运动受到地震破裂过程的影响较为剧烈, 其破裂过程, 包括破裂⽅向 [96] 以及地表破裂分布 [97] 等, 对近场地⾯运动灾害分布起到⾄关重要的作⽤, 这对于经验公式 在⼤地震预测中的应⽤提出了挑战。 基于⾮均匀断层的动⼒学破裂模型未来可⽤于预测⼤地震地⾯运动 [98,99] 。上⽂中提到, 地震的破裂⽅向性可能受到断层物质属性及孕震带结构影响, 需要结合动⼒学模型进⾏判 断。即使断层性质已知, 地震从不同位置起破依然会引起不同的⽅向性和地⾯响应。如在 俯冲带, 当地震从深部成核向海沟处传播时, 容易引起较⼤的浅部滑移和海底隆升, 增加海 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1086 啸⻛险 [9] 。⾛滑断层在⾮均匀应⼒条件下, 不同的起破点位置可能会造成不同的浅部滑移 分布和地表破裂分布 [10] [90,100,101] , 尤其是 板块边界的断层。但是, 许多陆内断层的构造不⼀, 孔隙压⼒是否遵循静⽔压或近静岩压的 变化规律则需要更多观测验证。通过研究⼩地震震群活动规律与某些已知应⼒扰动的关系, 如远震动态触发 [102][103][104] 、潮汐…”

“…除影响震级⼤⼩外, 地震滑移随深度的分布也受到震中位置的影响。在针对安宁河断 裂带的动⼒学模拟结果中, 同样利⽤震间闭锁得到应⼒分布(图 3a), 当破裂起始点发⽣ 变化时, 有的破裂会成为⾃停⽌破裂(图 3b), 形成中等强度的地震；有的会导致⼤地震, 但破裂不会到达地表(图 3c)；有的则可能会冲破地表, 造成严重的近地表位移(图 3d), 震害严重。在后⾯两种情况⾥, 两者的震级相差 0.2, 并且成核区都处于⾼应⼒区, 甚⾄未能 到达地表的破裂起始位置所在的应⼒更⾼, 这说明浅部滑移分布与震中位置的应⼒⾼低并 ⾮简单的正⽐关系。这种与震中位置相关的破裂情景, 物理机制源于破裂前缘释放能量与 断层破裂能的空间分布 [10] 。因为⾮均匀应⼒分布状态的存在, 导致破裂前缘能量释放率与 震中位置密切相关, ⽽破裂前缘的能量释放率会决定破裂的空间展布暨最终震级。 1. 1.3 断裂带介质结构 除了断层⾯上的特征, 断层周围的介质属性对断层上的地震破裂发展也有着重要影响。 在近断层的观测尺度上, 介质存在较强的⾮均匀性。由于近断层区域在历史地震中经历了 强烈的地⾯运动, 该区域常伴有断层破碎带 [47][48][49][50] , 这类破碎带由⾼度破碎的岩⽯材料组成, 呈现出较低地震波速的地震学特征, 因此也被称为近断层低速带。近断层破碎带的跨断层 宽度通常在⼏⼗⽶到⼏千⽶的量级, 其地震波速度相⽐围岩低约 20%到 50% [51][52][53][54][55] 。作为⼀ 种常⻅的近断层⾮均匀特征, 断层破碎带不仅能放⼤地震波的地表震动 [56,57] 并引⼊复杂的 波场, 更能对断层⾯上的地震破裂过程产⽣影响。数值模拟的研究表明, 断层破碎带的存在 能够扩⼤地震的破裂延伸范围并影响地震震级的最终⼤⼩ [13] ；由于破碎带界⾯引⼊的反 射波与⾸波等复杂的地震波场调节了断层上破裂的传播速度以及滑移模式 [58,59] 。断层低 速带的存在也会影响由地⾯观测估算断层⾯上的摩擦参数结果, 造成⾼估的情况 [60] 。 此外, 断层的周边介质速度结构还可能存在跨断层两侧的不对称性, 即断层两侧存在 物质差异, ⼜称为双材料结构 [61,62] 。断层两侧的物质差异取决于断层的形成过程与环境, 差 异程度可以由地震波速度成像揭示, 在多个断层带均有发现。如⽟树地震的发震断层上, 断 层带⾸波研究观测到 5%~8%的波速差异 [63] ；北安纳托利亚断层两侧约有 6%的纵波速度 差异 [64] ；圣安德烈斯断层两侧的介质地震波速度差在 5%~30%之间 [62] 。这种断层的双材 料结构可影响地震破裂发展的⽅向性, 从⽽影响断层周围的地表震动与灾害分布。破裂动 ⼒学模拟研究结果显示, 当断层两侧介质存在速度差异时, 地震破裂将存在⼀个优先破裂⽅ 向, 与较慢波速⼀侧介质的运动⽅向⼀致 [61] 。考虑双材料结构的影响并估计优先破裂⽅向, 对于区域地震灾害评估, 尤其是在⼈⼝聚集区具有积极意义。 2. 1.4 孕震带尺度 断层上孕震带区域的⼏何特征可以影响地震破裂的发展和传播。作为地震破裂发⽣的 区域, 孕震带的空间范围是有界的。由于受到地壳内温压条件的影响, 地震破裂只能发⽣在 ⼀定的深度范围内 [65,66] , 从⽽限制孕震带在沿断层倾向的宽度。作为孕震带的⼀项基本⼏ 何特征, 孕震带的有限宽度影响着地震破裂的发展。观测数据表明, 倾滑地震的破裂⻓度随 宽度的增加⽽增加, 两者之间的⽐值⼀般不超过 8(图 4a)；但⾛滑地震则不同, 当破裂达 到整个孕震带宽度(孕震带饱和现象)前后, 地震破裂的震源参数存在着不同的尺度关系 [67][68][69][70] , 破裂的⻓度/宽度⽐具有很⼤的变化(图 4b)。部分⾛滑地震(M W >7)的破裂⻓度 远超其破裂宽度, 其⽐值⾼达 40(图 4b)。观测数据表明, 孕震带的宽度对破裂的发展及 最终地震的震级存在着控制作⽤, ⽽破裂动⼒学数值模拟研究的结果也揭示了其内在的机 理 [71] 。若⾛滑断层孕震带宽度有限(⼩于 10 km) , 破裂会成为⾃停⽌模式(selfarresting), 震级有限；随着孕震带宽度的增⼤, 同等初始条件下地震破裂的模式会从⾃停 ⽌破裂向逃逸(breakaway)破裂转化, 造成更⼤的地震破裂规模和最终地震震级。同时, 孕震带宽度也能影响近断层地表运动, 并影响从地表估算摩擦参数的视趋势 [60] 在⼀些较⻓的断层上, 孕震带的⼏何特征还存在沿⾛向的变化, 并影响断层上的破裂发 展。例如孕震断层在⾛...…”

Fault Zone Imaging With Distributed Acoustic Sensing: Body‐To‐Surface Wave Scattering

“…Moreover, low velocity structures can amplify ground motion, and some studies have used S-wave amplification caused by the reduced velocities in fault damage zones to delineate their structure (e.g. Qiu et al, 2021;Song & Yang, 2022). Another approach is to use fault zone trapped waves, waves generated by constructive interference of critically reflected waves in the fault damage zone, which can be initiated by sources outside the fault zone (Fohrmann et al, 2004) and have been used to constrain the structure of fault damage zones (e.g.…”