毛慧玲,秦嘉政

(云南省地震局,昆明 650224)

2007年寧洱 6.4級(jí)地震橫波分裂研究＊

毛慧玲,秦嘉政

(云南省地震局,昆明 650224)

通過(guò)研究 2007年6月 3日寧洱MS6.4地震余震序列的三分向記錄,為探索橫波分裂現(xiàn)象以及上地殼存在裂隙各向異性提供依據(jù),并發(fā)現(xiàn)快速 S波偏振有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)方向,分別為 NW140°和 NW150°,這與寧洱地區(qū)的主應(yīng)力場(chǎng)方向基本一致。橫波分裂延遲時(shí)間能夠動(dòng)態(tài)反映地下應(yīng)力場(chǎng)的變化趨勢(shì),且較大余震發(fā)生之前延遲時(shí)間出現(xiàn)大幅度上升。

橫波分裂;裂隙各向異性;延遲時(shí)間;寧洱地震

0 引言

隨著三分向數(shù)字化記錄地震臺(tái)網(wǎng)的投入使用以及地震預(yù)報(bào)工作的開展,在地殼以及上地幔中由巖石各向異性引起的 S波分裂已被廣泛地觀測(cè)到。在構(gòu)造應(yīng)力等因素的作用下,地下介質(zhì)實(shí)際上是表現(xiàn)為各向異性的,這種介質(zhì)的主要地球物理特征之一就是橫波在其中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生分裂現(xiàn)象。分裂后的兩列偏振波以不同的速度沿平行或垂直于裂隙面的方向傳播,先到達(dá)的稱為快波,后到達(dá)的稱為慢波,快、慢波的到達(dá)時(shí)間之差為橫波分裂延遲時(shí)間?？觳ǖ钠穹较蚺c主壓應(yīng)力場(chǎng)的方向有關(guān),而慢波的延遲時(shí)間與裂隙密度、縱橫比以及水的含量有關(guān),因此對(duì)橫波分裂參數(shù)的提取和分析研究對(duì)于探索地下應(yīng)力場(chǎng)的分布、地質(zhì)構(gòu)造、地下裂隙的排列、介質(zhì)方位各向異性以及地震預(yù)報(bào)等具有重要的意義。

2007年6月 3日寧洱 6.4級(jí)地震序列主要沿?zé)o量山斷裂帶呈NW向分布,在宏觀震中區(qū)還有多條NNE和NNW向近似共軛的次級(jí)斷裂帶?？紤]到寧洱地區(qū)歷史上中強(qiáng)地震的重復(fù)性以及地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性,筆者認(rèn)為深入了解該地區(qū)地下介質(zhì)的分布特點(diǎn)以及追蹤地下應(yīng)力場(chǎng)的變化情況對(duì)地

1 資料選取

2007年6月 3日云南省寧洱縣發(fā)生 MS6.4地震,截止到 12月 3日共記錄到 2級(jí)以上地震 573次,其中 2.0～2.9級(jí)地震 515次,3.0～3.9級(jí)地震 52次,4.0～4.9級(jí)地震 4次,最大余震為 5.1級(jí)。該地震序列主要沿 NW向展布,長(zhǎng)軸長(zhǎng)50 km,短軸長(zhǎng) 43 km,震源深度主要集中在 15 km范圍內(nèi)。由于橫波分裂的波形資料必須滿足 S波窗的要求,即 S波的入射角必須小于 35°,以避免 S—P轉(zhuǎn)換波的干擾,故筆者只采用了在震中周圍的小黑江、同心、寧洱、德化、勐先和白龍 6個(gè)流動(dòng)數(shù)字地震臺(tái)的波形資料,以 EDA模型為基礎(chǔ),研究寧洱MS6.4主震后,該區(qū)域地下介質(zhì)的變化以及應(yīng)力的釋放和積累隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化情況。圖 1給出了本次地震的震中分布以及 6個(gè)流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)的分布情況。這 6個(gè)流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)的臺(tái)基都為土層,且 3個(gè)分向的儀器響應(yīng)靈敏度都為 291 count/μm·s-1。圖 2給出了該區(qū)域 1970年以來(lái)的M≥5.0地震的震源機(jī)制解,其震源機(jī)制解給出的主壓應(yīng)力方向?yàn)镹NW向,這與李克昌等(1980)所給出的該區(qū)域的主壓應(yīng)力方向是一致的。

圖1 寧洱 6.4級(jí)地震序列及流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)分布Fig.1 Distribution of theMS6.4 Ning'er earthquake and the aftershocks and six temporary stations

圖2 1970年以來(lái)寧洱M≥5.0地震震源機(jī)制解Fig.2 Focalmechanis m solution of theM≥5.0 earthquakes in Ning'er since 1970

2 橫波分裂方法

橫波分裂的兩個(gè)參數(shù)能反映主應(yīng)力的變化以及裂隙構(gòu)造和演化情況。筆者通過(guò)比較分析后,選用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖方法,該方法的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)人機(jī)結(jié)合,能夠直觀地通過(guò)多次旋轉(zhuǎn)分析后分裂出快波和慢波。其原理是根據(jù)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向的突然變化來(lái)確定快波和慢波的初動(dòng)(圖 3)?？觳ǖ竭_(dá)后的線性軌跡表示偏振方向,慢波到達(dá)后疊加于快波之上,使線性軌跡發(fā)生變化。慢波到達(dá)之前即線性軌跡發(fā)生變化之前的這段時(shí)間即為橫波分裂時(shí)間。圖 4為經(jīng)過(guò)多次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后的 S波分裂圖形,從圖中可以看出 S波分裂是十分明顯的。

圖3 2007年6月 25日 2時(shí) 56分寧洱 ML1.6地震德化臺(tái)原始記錄和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖(a)原始記錄圖;(b)P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖,左、右框分別代表南北向和東西向的 P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng);(c)水平面的 S波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖,每方框?yàn)?0.1 sFig.3 Original sei smogram and particle movement maps atDehua station on June 25,2007(a)Original records;(b)P-wave particle motion:the left pane corresponds to the particle motion of SN component,the right pane corresponds to the one of EW component;(c)S-wave particle motion,each plot stands for 0.1s

圖4 2007年6月 25日 2時(shí) 56分寧洱ML1.6地震 S波分裂圖形(a)快波 (S1)、慢波 (S2);(b)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖 (1、2框時(shí)間相連);TS-P=3.09 s;快波方位角φ=135°;延遲時(shí)間Δt=0.06 sFig.4 Shearwave spliting,of the Ning'erML1.6 earthquake on June 25,2007(a)S1stands for fast-wave,S2stands for slow-wave;(b)Particle movementmap.plot 1 and plot 2 are continuous in time;TS-P=3.09 s;φ=135°;Δt=0.06 s

3 結(jié)果分析

在 6個(gè)觀測(cè)臺(tái)中,由于白龍臺(tái)和勐先臺(tái)的大部分波形數(shù)據(jù)不滿足 S波窗的要求,故舍棄。下文給出了其余 4個(gè)臺(tái)站記錄到的快波偏振方向和慢波的延遲時(shí)間演化情況。

3.1 快波偏振方向分析

圖5給出了同心臺(tái)、寧洱臺(tái)、德化臺(tái)和小黑江臺(tái)的快波偏振方向玫瑰圖。從圖中可以看出,同心臺(tái)和德化臺(tái)的快波偏振方向集中在 140°范圍內(nèi),而寧洱臺(tái)和小黑江臺(tái)的快波偏振方向主要集中在150°范圍內(nèi)。偏振方向的大小存在一定的差異,這可能與臺(tái)站所在位置的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。從圖 1余震序列的震中分布和 6個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的空間分布來(lái)看,同心臺(tái)和德化臺(tái)有一個(gè)共同的特點(diǎn):在臺(tái)站的下方存在一條與無(wú)量山斷裂帶近似垂直的次級(jí)斷裂帶。特別是德化臺(tái),由于它剛好位于該次級(jí)斷裂帶上,所記錄到的快波偏振方向與另外 3個(gè)臺(tái)有偏差,但 4個(gè)臺(tái)站的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向與圖 2給出的震源機(jī)制解主壓應(yīng)力方向還是相符的。可見,偏振方向除了受到區(qū)域主應(yīng)力的影響外,還與局部地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。

圖5 快波偏振方向玫瑰圖(a)同心臺(tái);(b)寧洱臺(tái);(c)德化臺(tái);(d)小黑江臺(tái)Fig.5 Rose diagrams of the polarization direction of fast shearwave(a)Tongxin station;(b)Ning'er station;(c)Dehua station;(d)Xiaoheijiang station

3.2 延遲時(shí)間分析

慢波延遲時(shí)間是地震前后應(yīng)力積累和釋放的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。圖 6展示了同心臺(tái)和寧洱臺(tái)歸一化慢波延遲時(shí)間和震級(jí)隨時(shí)間的變化情況。所謂歸一化延遲時(shí)間是指將慢波延遲時(shí)間換算成單位長(zhǎng)度路徑上的延遲時(shí)間,傳播距離以 S-P為 8.2 km/s來(lái)計(jì)算。橫坐標(biāo)以 6月 3日MS6.4主震為時(shí)間原點(diǎn),給出了主震后 1～2個(gè)月內(nèi)延遲時(shí)間的變化情況。同心臺(tái)和寧洱臺(tái)歸一化延遲時(shí)間的算術(shù)平均值分別是 24.4 ms/km和 14.5 ms/km,在這里假設(shè)整條路徑是各向異性的。從圖 6可見,震級(jí)隨時(shí)間的變化曲線和歸一化延遲時(shí)間隨時(shí)間的變化曲線具有相似的特征,且發(fā)生較大余震之前,延遲時(shí)間出現(xiàn)大幅度的增長(zhǎng),在延遲時(shí)間達(dá)到異常高值或由高值下降恢復(fù)過(guò)程中,發(fā)生較大余震。例如同心臺(tái)(圖 6a)的記錄顯示,6月 19日 1時(shí) 5分和 15時(shí) 27分分別發(fā)生 3.1、3.0級(jí)地震,之后延遲時(shí)間出現(xiàn)明顯的下降,并在低值上持續(xù)活動(dòng)一段時(shí)間后,又于 6月 24日 16時(shí) 31分、17點(diǎn) 47分的 3.7級(jí)和 3.8級(jí)地震之前出現(xiàn)大幅度的上升,7月 1日13時(shí) 9分 3.0級(jí)、7月 10日 23分 3.2級(jí)地震前也出現(xiàn)大幅度的上升。寧洱臺(tái)(圖 6b)的記錄也顯示了 7月 7日 21時(shí) 42分 2.9級(jí)地震前,延遲時(shí)間由低值向高值迅速上升的情況。究其原因,二者存在一定的物理相關(guān)性,因?yàn)槁ㄑ舆t時(shí)間受地下應(yīng)力場(chǎng)的控制,應(yīng)力場(chǎng)增大,介質(zhì)的縱橫比和密度增大,與密度成正比的延遲時(shí)間也隨之增大。而應(yīng)力場(chǎng)增大的同時(shí),也是地震孕育能量增大的過(guò)程,因此慢波延遲時(shí)間的分析研究對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)有一定的指示意義。當(dāng)然地震的孕育與發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,我們還需要借助更多的手段和方法來(lái)更好地完成地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作。

圖6 同心臺(tái)(a)和寧洱臺(tái)(b)慢波延遲時(shí)間、震級(jí)隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Change of time delay and earthquake sequence with time(a)Tongxin station;(b)Ning'er station

4 討論和結(jié)論

根據(jù) 4個(gè)臺(tái)站記錄到的波形資料分析結(jié)果,快波偏振方向主要集中在 140°～150°范圍內(nèi),這與該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力方向是一致的,并且和穿過(guò)寧洱境內(nèi)走向?yàn)镹W向的無(wú)量山斷裂帶的方向也是一致的,這說(shuō)明了寧洱地震的 S波分裂是由應(yīng)力作用下的裂隙引起的。歸一化延遲時(shí)間主要集中在 13～25 ms/km之間,從 4個(gè)臺(tái)站的橫波分裂延遲時(shí)間與震級(jí)的變化關(guān)系來(lái)看,震級(jí)隨時(shí)間的變化曲線和慢波延遲時(shí)間的變化曲線具有相似的起伏變化特征,較大余震發(fā)生之前,延遲時(shí)間出現(xiàn)明顯的大幅度上升,達(dá)到高值后在下降、恢復(fù)過(guò)程中發(fā)震。因此對(duì)慢波延遲時(shí)間進(jìn)行分析對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有一定的意義。

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Study on the Shear-wave Splitting of the 2007 Ning'er,Yunnan,MS6.4 Earthquake Sequence

MAO Hui-ling,Q IN Jia-zheng
(Earthquake Adm inistration of Yunnan Province,Kunm ing650224,Yunnan,China)

In this paper,the result of the study about the aftershock-sw arm of theMS6.4earthquake occurred on June 3,2007in N ing'er,Yunnan Province w as given and the existence of both shear-w ave splitting and the extensive dilatancy anisotropy in the upper crust of N ing'er region w ere recognized.The fast shearw ave has tw o preponderant polarization-directions—NW140°and NW150°,w hich agree w ith the regional principal compressive stress.The delay t im e of the shearw ave dynam ically responds to the variation of stress field and increases before strong aftershocks.

shear-w ave splitting; extensive dilatancy anisotropy; delay t im e;N ing'er earthquake

P315.3+1

A

1000-0666(2011)01-0042-05

2010-01-04.

云南省十項(xiàng)措施“云南強(qiáng)震活動(dòng)與板緣動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究(JCYB-20080601-4)”與“地球物理場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化與強(qiáng)震活動(dòng)關(guān)系研究(JCYB-20080601-5)”聯(lián)合資助 .震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有重要意義。