- Предмети
- Резюме
- Вступ
- Результати
- Часова еволюція максимального переміщення
- Модель, придатна для оцінки параметрів
- Випробування та аналіз міцності.
- Обговорення
- Методи
- Обробка даних та обчислення середнього пікового переміщення
- Додаткова інформація
- Додаткова інформація
- Файли PDF
- Додаткова інформація
- Коментарі
Предмети
Резюме
Процес зародження та поширення руйнування землетрусу досліджувались за допомогою лабораторних експериментів та теоретичних моделей, але існує обмежена кількість масштабних спостережень за зонами землетрусних розломів. Запропоновано різні моделі, і чи можна передбачити величину, поки триває розбивка, є невирішеним питанням. Тут ми показуємо, що еволюція максимального зміщення зубця Р з часом є інформативною щодо початкової стадії процесу розриву і може бути використана як проксі для остаточного розміру розриву. Для аналізованого набору землетрусів ми виявили швидке початкове збільшення максимального переміщення для малих подій та повільніше зростання для великих землетрусів. Наші результати вказують на те, що землетруси, що відбуваються в регіоні з великою критичною відстанню ковзання, з більшою ймовірністю переростають у великий розрив, ніж ті, що беруть початок у регіоні з меншою відстанню ковзання.
Вступ
Інтерес до початку розриву знову піднявся нещодавно через його безпосередній вплив на швидку оцінку масштабів землетрусу. Здатність правильно відрізнити невеликий шок від великої події за допомогою аналізу першого спостереження зубця Р має вирішальне значення для заходів щодо зменшення ризику, спричинених системами раннього попередження про землетруси. Кілька авторів продемонстрували, що перша частина записаних P-хвиль містить інформацію про величину через її частоту та/або вміст амплітуди 17, 18, 19, 20. Більшість цих досліджень зосереджувались на аналізі фіксованого часового вікна Р (PTW; 3–4 с).
У цьому дослідженні ми вимірювали максимальну амплітуду зміщення відфільтрованих сигналів P-хвилі (Pd) через поступово розширюється PTW. Попередні дослідження початку осцилограм аналізували деякі землетруси, зафіксовані на обмеженій кількості станцій, або землетруси, що належать до тієї самої послідовності. За таких умов може бути важко чітко розпізнати та розрізнити ефекти джерела та розповсюдження, які можуть вплинути на початкову форму сигналів. Тут ми використовуємо більший високоякісний набір даних з 43 помірних до сильних японських подій, що охоплюють діапазони великої величини (M) та відстані (R) (4≤ M ≤9; 0≤ R ≤500 км). Ми проаналізували понад 7000 трикомпонентних сигналів, записаних на 1120 станціях. Повний перелік проаналізованих подій наведено в Додатковій таблиці 1, тоді як детальніше про вибір бази даних - у розділі Додаткові методи. На рисунку 1 показана карта використовуваних станцій та епіцентрів вибраних подій.
Розподіл станцій, які використовувались у цьому дослідженні (маленькі зелені кола), та епіцентральне розташування 43 обраних подій (кольорові зірки). Розмір зірки пропорційний величині, а колір представляє глибину джерела. Чорна смуга внизу праворуч позначає протяжність 100 км.
Повнорозмірне зображення
Результати
Часова еволюція максимального переміщення
Кількість проаналізованих землетрусів гарантує адекватну вибірку даних у контейнерах за величиною та відстанню (рис. 2а - в). Для кожної події логарифм кривої P d проти PTW (далі скорочено кривої LPW) отримується шляхом усереднення даних з усіх доступних станцій за один раз (як правило, більше 100; див. Розділ Методи). Ми виявили, що кожна крива з часом поступово збільшується, поки не буде досягнуто стабільне кінцеве значення. Рівень плато (PL) і час насичення зазвичай зростають із величиною (рис. 3а).
( до ) Гістограма кількості землетрусів як функція від сили. ( b ) Розподіл величини як функції глибини для вибраних подій. ( c ) Розподіл записів як функція відстані для різних класів величини.
Повнорозмірне зображення
( до ) Середній логарифм кривої P d проти PTW (LPW) для кожної аналізованої події. Вісь y представляє середній логарифм P d, отриманий з використанням усіх наявних даних у кожному моменті часу, після виправлення окремих значень для ефекту відстані (за допомогою рівняння 1). Вкладиш - це схематичне зображення функції кусково-лінійної підгонки. ( b, c, d ), Приклад кривої LPW для трьох репрезентативних подій величини M 4,7 ( b ), 6,7 ( c ) та 9 ( d ), відповідно. На кожній панелі сірими колами є дані, що спостерігаються з відповідними смужками помилок ± 1σ (пунктирними лініями). Суцільна лінія - це найкраща функція підбору, отримана за допомогою кусково-лінійної моделі, а темні квадрати позначають час T1 і T2 кожної події.
Повнорозмірне зображення
Для однієї станції кінематичні моделі джерела далекого поля вказують, що крива P d проти часу відтворює форму функції видимого часу джерела 21. Осереднюючи P d серед багатьох станцій, розподілених за азимутом та відстанню, отримана функція наближається до MRF. Приймаючи трикутну форму для MRF, плато P d проти кривих часу досягається на піку MRF, і відповідний час є проксі для вихідного моменту та тривалості 22. Наші спостереження вказують, що початкова форма кривих P d у порівнянні з часом, як правило, відповідає експоненціальній тенденції.
Модель, придатна для оцінки параметрів
Хоча ці оцінки стосуються всього процесу розбиття, початкове зменшення навряд чи призведе до остаточного постійного значення, незалежно від величини. На відміну від цього, якщо припустити, що для D c характерне значення 0,5–1 м для події M = 7 27, відповідне значення для події M = 4,5 буде мати масштаб 5–10 см. Екстраполюючи це значення до від'ємних величин, отримаємо мікрометричні до міліметрові значення для D c, відповідно до оцінок лабораторних експериментів. Така шкала вказує на наявність більшої енергії руйнування на початковій стадії розриву для більших подій. Крім того, розмір нуклеації безпосередньо пов'язаний зі швидкістю вицвітання для лінійних моделей вицвітання ковзання 28, що свідчить про більший розмір і довший характерний час зародження більших подій, що підтверджується позитивною шкалою T1 з величиною.
Збільшення енергії розриву за величиною зазвичай трактується в механіці руйнування землетрусів як гомогенізований ефект всіх конкуруючих дисипативних механізмів у площині розломів, таких як тертя, пошкодження від розлому, термічне наддув та злиття 29. Поширюючи цю інтерпретацію на початкову стадію розриву, можливі зміни D c вздовж розлому можуть бути пов'язані з характерною довжиною нерівностей 3 або з внутрішньою жорсткістю зони розлому, яка пружно накопичує енергію під час розлому. Тектонічний розлом навантаження. Припускаючи змінний фрактальний розподіл D c у розломі, з деякою просторовою когерентністю, ми стверджуємо, що коли сейсмічний розрив розвивається в області з низьким значенням D c, його ймовірність розриву в сусідніх областях є низькою. На відміну від цього, коли когерентний розрив зароджується у більшій області постійного струму, це, швидше за все, стане більшою подією. У цьому контексті зміна D c та ймовірності збільшення початкового сейсмічного розриву виправдовує дисперсію значень B1 відносно величини.
Нарешті, лінійно-лінійна залежність між MRF та B1 вказує на експоненціальне зростання фази зародження. Хоча спостережувані значення T1 порівнянні з часом зародження, ми не можемо виключити ймовірність того, що вони передбачають початкове прискорення фази динамічного пробою. Крім того, більша енергія розпаду перешкоджає швидкому прискоренню руйнування на цій ранній стадії, що також обмежує збільшення швидкості моменту з часом.
Спостережувані коливання B1 за величиною можуть мати значний вплив на швидку оцінку потужності землетрусу. Однак нахил, виміряний у цій роботі, випливає із середньої тенденції сотень записів, що охоплює широкі діапазони азимуту та відстані, тоді як у реальному часі доступність даних залежить від геометрії вихідної станції. Тому необхідний додатковий аналіз для моделювання передачі даних у реальному часі та для оцінки мінімальних даних близького походження, необхідних для обмеження початкового нахилу. Якщо припустити, що схил добре обмежений даними, близькими до джерела, короткого часового вікна (приблизно 1 с, додаткова рис. 7) достатньо для оцінки масштабів землетрусу.
Методи
Обробка даних та обчислення середнього пікового переміщення
Для отримання сигналів зміщення спочатку середнє значення та лінійний тренд видаляються з вихідних даних прискорення. Ці записи подвійно інтегровані, і для усунення довгострокової штучної тенденції та базових ліній, введених операцією подвійної інтеграції, застосовується безпричинний високочастотний фільтр Баттерворта з частотою відсічення 0,075 Гц. Час початку хвилі P вибирався вручну з кожної вертикальної складової записів акселерометра.
Ми вимірюємо максимальну амплітуду зміщення у відфільтрованих сигналах P-хвилі (Pd) протягом поступово розширюваного PTW, починаючи з 0,05 с після часу запуску зубця P і продовжуючи до очікуваного надходження фази S 30. Для кожної події ми отримали криву LPW шляхом усереднення всіх наявних даних у кожному часовому вікні після виправлення значень Pd, що спостерігаються на різних станціях, на ефект геометричного ослаблення. Для порівняння значень Pd, що спостерігаються на різних станціях, ефект геометричного затухання коригували за допомогою наступного співвідношення ослаблення:
де М - величина події, P d вимірюється в см (у фіксованому часовому вікні 3 с), а гіпоцентральна відстань R вимірюється в км. У рівнянні (1) один термін (log R) використовується для пояснення як геометричного розсіювання, так і анеластичного затухання. Кількості, що використовуються тут, надані Японським метеорологічним агентством і вважаються еквівалентними теперішнім. Для землетрусів з М
де T p - спостережуваний час початку хвилі P, R - гіпоцентральна відстань в км і b = 0,088. Коефіцієнт b був отриманий за допомогою лінійного регресійного аналізу після ручного вибору часу надходження хвилі S для обмеженої кількості записів у нашому наборі даних.
Для кожної події ми встановлюємо максимум PTW для дослідження, виходячи з очікуваної тривалості джерела кінематичних моделей для відповідної величини, і ми враховуємо принаймні вдвічі більше очікуваної тривалості. Щоб розрахувати середню криву LPW, нам також потрібно щонайменше п'ять точок даних, які слід використовувати для кожного PTW. Середнє обчислення зупиняється, коли кількості точок даних недостатньо або коли PTW досягає максимального обмеження часу, залежно від того, яка умова настає першою.
Для моделювання кривих LPW ми використовуємо обернену кусково-лінійну функцію підгонки для п'яти невідомих параметрів: першого та другого кутових часів (T1 та T2 відповідно), нахилу двох прямих ліній (B1 та B2, відповідно) та остаточного PL.
Додаткова інформація
Як цитувати цю статтю: Коломбеллі, С. та ін. Докази різниці в початку розриву між малими та великими землетрусами. Нац. 5: 3958 doi: 10.1038/ncomms4958 (2014).
Додаткова інформація
Файли PDF
Додаткова інформація
Додаткові рисунки 1-7, Додаткові таблиці 1-2, Додаткове обговорення, Додаткові методи та Довідкові посилання
Коментарі
Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов та правил спільноти. Якщо ви виявите щось образливе або не відповідає нашим умовам чи інструкціям, позначте це як неприйнятне.