基于有限断层震源与地壳速度模型的2011年日本东北（Tohoku）Mw 9.1大地震在印度台站的远震波形模拟对比研究

《Natural Hazards Research》：Effects of Finite-Fault Source and Crustal Velocity Models on Teleseismic Simulation of 2011 Tohoku Earthquake at Indian Seismic Stations

　　

2011年Mw 9.1东北（Tohoku）地震产生了被全球记录到的强地震波。本研究考察有限断层滑动模型表征方式与三维地壳速度结构对重现印度境内20个地震台站所记录远震地面运动的相对影响。地面运动模拟采用SPECFEM3D_GLOBE，结合已发表的有限断层滑动模型与全球三维地壳速度模型开展。通过波形对比、Anderson拟合优度（GOF）评分与残差分析对模拟与记录波形进行评价。结果表明，尽管各有限断层震源模型均表征同一次地震，但破裂几何与滑动分布差异会在模拟波形中产生显著差别。相比之下，地壳速度模型的选择对模拟波形特征的影响相对有限。此外，研究人员利用AxiSEM模拟识别出记录中低振幅的大圆弧路径面波到时，并约束了其预期到时与相对振幅。上述发现表明，在远震波形预测中，有限断层震源表征的影响大于本研究考察的全球地壳速度模型之间的选择差异。

研究背景与问题　2011年日本东北（Tohoku）M_w 9.1地震是1900年以来记录到的第四大地震，其海啸波高可达40 m，造成逾15000人死亡及福岛第一核电站严重事故，同时在全球宽带地震台网留下高质量记录。该地震发生于太平洋板块向鄂霍次克（Okhotsk）板块俯冲的日本海沟，汇聚速率7–10 cm/yr，历史上该海沟曾发生1896年三陆（M 8.1–8.5）、1933年三陆（M 8.4）与1968年十胜近海（Tokachi-Oki，M 8.2）等大地震。由于不同研究反演所用数据集不同，该事件已发表十余个有限断层模型，但这些模型尚未在远震距离上通过正演模拟相互比较。远震地面运动的准确模拟同时依赖震源表征与三维地球速度结构，而二者的相对重要性此前很少被系统量化；已有的地壳模型敏感性研究多集中于区域距离。印度国家地震中心（NCS）宽带台站记录的该事件波形（震中距约4955–7682 km，路径穿越东亚、青藏高原边缘与孟加拉湾）此前未被用于该事件研究，为已发表震源模型提供了独立检验基准。因此研究人员开展本项研究，以评估有限断层震源表征与全球地壳速度结构对远震波形模拟的相对影响。

研究内容与结论　研究人员采用SPECFEM3D_GLOBE，对11个已发表有限断层滑动模型（SM1–SM11）与4个全球三维地壳模型（crust1.0、crust2.0、crustmaps、crustSH，地幔模型固定为S20RTS）组合开展正演模拟，并通过波形对比、Anderson拟合优度（GOF）评分与峰值地面速度（PGV）残差分析进行评价；另用AxiSEM长时长模拟约束大圆弧面波的到时窗口。结论为：有限断层震源的破裂几何、滑动分布与峰值滑动差异会显著改变模拟波形，即使传播距离达数千公里，常用的点源近似对这类巨型逆冲地震的远场模拟未必充分；4个全球三维地壳模型给出的波形特征、GOF评分与残差相近，无某一模型在各台站与分量上一致最优，模拟结果对现有全球地壳模型的选择相对不敏感；记录中识别出的低振幅大圆弧面波峰值速度比小圆弧到时低约80–98%，显示绕地球传播面波的强衰减。该研究的意义在于量化了远震模拟中震源不确定性与地壳模型不确定性的相对量级，为巨型逆冲地震远场模拟的模型选择提供依据。

关键技术方法　采用谱元法（SEM）全球波场模拟软件SPECFEM3D_GLOBE，网格为6个立方球块、每块320×320谱元、分16个切片并行，并在莫霍面以下及约771 km深度以下设两个加密层，时间步长0.13 s、模拟时长2500 s；采用高斯震源时间函数，子断层以中心点源表征，矩震级由子断层面积、滑动量与刚度换算，矩张量由已发表的走向、倾角与滑动角构建，缺 rupture time 与 rise time 的模型按震源位置、断层几何与深度相关剪切波速剖面推算（破裂速度取局部剪切波速的0.8倍），上升时间采用Somerville等（1999）标度关系；使用印度国家地震中心（NCS）20个宽带台站记录，震中距4955–7682 km，统一时间窗3000 s，经基线校正与0.01–25 Hz带通滤波；采用Anderson（2004）十参数GOF评分与RotD50 PGV残差分析；使用AxiSEM结合PREM一维模型与Global CMT点源开展3.5 h长时长模拟。

研究结果　（1）印度地震图数据：20个台站记录相位到时一致，最高PGV为0.374 cm/s（CMBY台南北向分量，震中距约6004 km），台站分布覆盖印度次大陆，路径穿越多种地壳结构，为评价合成波形提供合适数据集。（2）2011年东北地震震源模型：11个模型的矩震级M_w 9.0–9.1、地震矩3.55×10²²–5.92×10²² Nm、破裂长度340–625 km、宽度200–260 km、峰值滑动30.72–70.42 m，震中相距约50 km以内，反映震源不确定性。（3）地面运动模拟：网格可分辨最短周期13.6 s（约0.07 Hz），比较限于此频率以下；SHL台结果表明滑动模型选择使谱水平在分析频带内相差约一个数量级，0.03 Hz以上差异最大，SM6谱振幅最低、SM4与SM8最高；crustSH因无独立沉积层、地壳更平滑而使面波列更紧凑、峰值更大；各台站与分量上无地壳模型一致最优。（4）滑动模型与三维地壳模型评价：Anderson评分显示几乎所有台站–模型组合低于6分，属差至中等；水平分量上SM1、SM2、SM3、SM7、SM9得分较高，SM4、SM5、SM6较低，NDI、MNGR、NGP台站得分持续偏低；垂直分量趋势相似，SM1、SM2、SM9较好；地壳模型间评分差异一般小于1分。残差分析中残差范围约?0.8至1.9，以±0.3（PGV相差2倍）为基准，SM1、SM2、SM9、SM10平均残差（?0.05、?0.15、0.17、0.27）落在带内，SM3与SM7高估（0.32）、SM11低估（?0.30）；滑动模型解释约83%的残差方差，地壳模型不足1%，crust1.0振幅略低、crustSH略高。（5）大圆弧面波识别：17个台站大圆弧到时清晰可辨，AxiSEM模拟在到时与振幅量级上与记录吻合，平均视速度3.9 km/s；大圆弧与小圆弧峰值振幅比约0.02–0.20，垂直分量最清晰，二者谱形相似。

讨论与结论　全部11个震源模型表征同一次M_w 9.1地震且地震矩与震源机制相近，但在同一数值框架与速度模型下产生显著不同的长周期波形、傅里叶振幅谱与PGV；固定震源而更换全球地壳速度模型时差异明显更小，说明差异源于断层滑动分布与破裂过程，无法由点源近似表征。研究结论为：（1）已发表有限断层模型的破裂几何、滑动分布与峰值滑动差异在模拟波形中产生明显差别，表明有限断层特征在远震距离上仍影响地面运动，常用点源近似对这类地震的远场模拟未必总是充分；（2）4个全球三维地壳速度模型的模拟波形特征、GOF评分与残差相似，虽存在振幅与谱特征差异但无模型一致更优，表明模拟地面运动对现有全球三维地壳模型的选择相对不敏感；（3）借助AxiSEM模拟在记录速度时程中识别出低振幅大圆弧面波到时，其PGV比相应小圆弧到时低约80–98%，显示绕地球传播面波的强衰减。