李丹寧，徐 彥

(云南省地震局，云南昆明650224)

反投影遠(yuǎn)震P波記錄法在1996年麗江7.0級地震破裂過程中的運(yùn)用*

李丹寧，徐 彥

(云南省地震局，云南昆明650224)

選取1996年麗江7.0級地震27個臺站的地震記錄，運(yùn)用反投影遠(yuǎn)震P波記錄法對該次地震的破裂過程進(jìn)行研究。結(jié)果顯示麗江7.0級地震震源破裂主要沿北南向的玉龍雪山東麓斷裂發(fā)展，震源破裂時間約為30 s，空間破裂尺度約40 km。表明反投影遠(yuǎn)震P波記錄法能在震后較短時間內(nèi)得到震源破裂過程，可為地震速報工作提供重要補(bǔ)充，從而為震后應(yīng)急救援工作提供依據(jù)。

反投影遠(yuǎn)震P波;震源破裂;麗江地震

0 引言

1996年2月3日19時14分，云南麗江發(fā)生MS7.0地震，美國國家地震信息中心測定為MW6.5，震中位于麗江縣金沙江邊的大具鄉(xiāng)。這次地震是滇西北地區(qū)自1976年寧蒗6.7級地震以來20年間發(fā)生的最強(qiáng)烈的一次地震。地震有感范圍很廣:北起四川甘孜，南至云南思茅，東至昆明。受災(zāi)面積達(dá)18 720 km2，麗江地區(qū)、迪慶藏族自治州、大理白族自治州和怒江傈僳自治州境內(nèi)都遭到不同程度的震害，麗江縣城及附近地區(qū)約20%的房屋倒塌。受災(zāi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)51個，受災(zāi)人口達(dá)107.5萬，重災(zāi)民有30多萬。人員傷亡人數(shù)為17 221人，其中309人喪生，3 925人重傷。電力、交通、通訊以及水利等設(shè)施也遭到了嚴(yán)重破壞，全縣直接經(jīng)濟(jì)損失42.665 7億元人民幣。

此次地震為主震—余震型，截至1996年10月1日，共發(fā)生1.0級以上余震5 493次，其中6級1次，5.0～5.9級地震6次，4.0～4.9級地震39次，3.0～3.9級地震210次。余震活動主體沿麗江盆地西部呈近南北向展布，帶長約60 km，帶寬20 km，余震有由北向南遷移的趨勢 (皇甫崗，1997)。主震距麗江縣城40 km，最大余震南遷約30 km，位于縣城北北東方向10 km處。

大地震的震源破裂過程蘊(yùn)含了地震發(fā)生時能量釋放的強(qiáng)弱，有助于解釋地殼構(gòu)造學(xué)領(lǐng)域的研究結(jié)果，而且能使人們更直觀地理解斷裂摩擦性質(zhì)和地震發(fā)生的過程。若能在大震發(fā)生后快速得出震源破裂模型，就能迅速掌握到震區(qū)受災(zāi)程度，從而清晰地指引震后應(yīng)急救援工作有序展開。

得到震源破裂模型的方法有很多:(1)通過近場GPS和InSar觀測，這一方法可提供較高的空間分辨率解，但往往需要較長時間，且大多數(shù)情況下缺乏此類資料;(2)用遠(yuǎn)震波形開展有限元破裂過程反演，該方法能得到破裂過程中比較詳細(xì)的細(xì)節(jié)，但受很多基于破裂過程中的動力學(xué)參數(shù)的限制;(3)近年來發(fā)展起來的反投影遠(yuǎn)震P波法 (XU et al，2009;徐彥等，2011;Ishii et al，2005;D'Amico et al，2010)，該方法可以對在破裂過程中的動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行最小限度約束的基礎(chǔ)之上得到震源破裂的時空變化，并為有限元法提供動力學(xué)參數(shù)的約束范圍。與傳統(tǒng)的有限元反演方法相比，反投影遠(yuǎn)震P波法更快更直接，因為該方法只需要很少的信息:一維速度模型和震中信息。其中全球范圍內(nèi)一維速度模型是現(xiàn)有的，如PREM(Dziewonski，Andeeson，1981)，AK135 和IASP91(Kennett，Engdahl，1991，1995); 目前地震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力已經(jīng)能夠在震后10 min內(nèi)給出震中信息。本文運(yùn)用反投影遠(yuǎn)震P波方法研究1996年2月3日的麗江地震，得到該地震的震源破裂過程。

1 研究區(qū)域概況

麗江盆地為狹長形斷陷盆地，南北長40 km，東西寬3～11 km，可分為南北兩部分，其中北部的斷陷深度在中海一帶可達(dá)1 200 m，南部的第四紀(jì)斷陷深度在連汪—麗江城區(qū)之間最深處可達(dá)700 m(韓竹軍等，2004)。由于印度板塊與歐亞板塊的碰撞作用，青藏高原東部地區(qū)地塊整體強(qiáng)烈隆起，在此背景上一些斷裂出現(xiàn)差異性抬升，形成有明顯反差的高山峽谷與斷陷盆地地貌。麗江地震震區(qū)地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，南北、北西、北東走向的斷裂縱橫交錯 (圖1)。這些斷裂控制著規(guī)模不等的第四紀(jì)斷陷盆地的發(fā)育，位于本次地震震中附近的大具鄉(xiāng)是北西和北東兩條斷裂的交匯點;位于極震區(qū)的麗江盆地東西側(cè)均受到南北向斷裂的控制，其東北和南緣均有斷裂通過。該區(qū)及其附近地區(qū)歷史上也曾發(fā)生過強(qiáng)烈地震。1966年9月28日曾在大具鄉(xiāng)西北約20 km處發(fā)生MS6.4地震。

圖1 研究區(qū)域及1976年以來M≥4.0地震震源機(jī)制解(F1:怒江斷裂;F2:瀾滄江斷裂;F3:維西—巍山斷裂;F4:金沙江斷裂;F5:龍蟠—喬后斷裂;F6:洪門口斷裂;F7:大具斷裂;F8:玉龍雪山東麓斷裂;F9:鶴慶—洱源斷裂;F10:小金河斷裂;F11:博科—木里斷裂;F12:金河—箐河斷裂)Fig.1 Map of the study area with focal mechanisms of M＞4 earthquake since 1976(F1:Nujiang River Fault;F2:Lancangjiang Fault;F3:Weixi-Weishan Fault;F4:Jinshajiang River Fault;F5:Longpan-Qiaohou Fault;F6:Hongmenkou Fault;F7:Daju Fault;F8:Eastern Piedmont Fault of Yulong Snow Mountain;F9:Heqing-Eryuan Fault;F10:Xiaojin River Fault;F11:Boke-Muli Fault;F12:Jinhe-Jinghe Fault)

1996年麗江7.0級地震地表破裂帶、余震基本上都是沿著南北走向的玉龍雪山東麓斷裂分布。該斷裂是麗江第四紀(jì)斷陷盆地與玉龍—哈巴雪山之間的邊界斷裂，與地表地質(zhì)特征相對應(yīng)，麗江地震震源破裂也表現(xiàn)出較大的傾滑分量，這與滇西地區(qū)以走滑為主的震源破裂方式存在明顯差異(秦嘉政等，1997)。張建國等 (1997)實際調(diào)查，表明此次地震地表破裂帶的規(guī)模及其位錯幅度都明顯偏小，地震地表破裂帶在黑水?dāng)鄬庸葨|西兩側(cè)的正斷層附近都有所反映 (韓竹軍等，2004)，地震斷層的平面展布及其力學(xué)性質(zhì)與玉龍雪山東麓斷裂十分吻合。

2 數(shù)據(jù)選取與處理

筆者首先通過IRIS①http://www.iris.edu.網(wǎng)站選取并下載了麗江7.0級地震的75條寬頻帶垂直向記錄，其震中距范圍在30°～95°，因為在此范圍內(nèi)的地震波主要是在介質(zhì)相對均勻的下地幔中傳播，避免了地震波在上地幔和核幔邊界傳播時因介質(zhì)的非均勻性導(dǎo)致波的復(fù)雜性，從而使由傳播路徑所造成的波的復(fù)雜性達(dá)到最小化。然后使用SAC軟件逐條查看波形進(jìn)行篩選，留下42條P波初動清晰的波形記錄用于本次研究。

臺站的分布情況對反投影結(jié)果的影響可通過臺站響應(yīng)函數(shù) (ARF)(Yan et al，2009)來體現(xiàn)，ARF能反映出由于臺站分布不均而導(dǎo)致慢度域上地震波能量的擴(kuò)散和泄露。若臺站分布是均勻的，在發(fā)震時刻最大能量應(yīng)在震中位置呈現(xiàn)二維Delta函數(shù)狀分布，也就是最大能量應(yīng)位于震中位置，并且向四周逐漸衰減。ARF的表達(dá)式為

式中，Δt(θ，φ，h)j=t(θ，φ，h)j－ t(hypocenter); θ是經(jīng)度;φ是緯度;h是深度;f是頻率;N是臺站數(shù);t(θ，φ，h)j是從震中附近一點 (θ，φ，h) 到第j個臺站的傳播時間;ωj是最大值為1的正數(shù)，代表各臺站的權(quán)重。臺站響應(yīng)函數(shù)是一個正實數(shù)，理論上最大值位于震中。

由于目前全球地震臺網(wǎng)分布不均勻，在麗江地震震中距30°～95°范圍內(nèi)大部分的地震臺站集中在歐洲、北美和澳大利亞。筆者選取遠(yuǎn)震P波較敏感的頻率 (1 Hz)作為中心頻率，計算由42個臺站所組成的全球地震臺網(wǎng)的ARF，結(jié)果顯示出由于臺站分布的間斷和非均勻造成了能量的泄露。計算得出的ARF最大能量位于震中位置，但在圖示區(qū)域范圍內(nèi)還有很多局域最大值位于震中位置之外。這些局域最大值會很大程度地影響到反投影遠(yuǎn)震P波的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱為旁瓣效應(yīng)。可通過對臺站進(jìn)行重新選取來減小旁瓣效應(yīng)的影響，通過對臺站賦予不同的權(quán)重來對臺站進(jìn)行重新選取。為了找到最近似于Delta函數(shù)狀A(yù)RF的臺站組合，本文采用了類似于重采樣的方式來改善ARF。經(jīng)過選擇，最后采用的賦值方法是把地球表面平均地分成700 km×700 km的塊，從每個塊中隨機(jī)選取1個臺站，把該臺站的權(quán)重值賦為1，而塊內(nèi)其余臺站的權(quán)重值均賦為0。經(jīng)過重新選取，筆者得到27個臺站，由27個臺站所得到的ARF有了明顯改善，局域最大值明顯減少，旁瓣效應(yīng)明顯減弱 (圖2)。

圖2 選取的42個 (a)和27個 (b)全球地震臺網(wǎng)的臺站記錄所得到的臺站響應(yīng)函數(shù)Fig.2 ARF of waveform recorded by the selected 42(a)and 27(b)stations in Global Seismic Network

用反投影遠(yuǎn)震P波研究震源破裂過程是基于波形相關(guān)性的方法。在本文中我們運(yùn)用MCCC法(Multichannel cross correlation)(VanDecar，Crosson，1990)計算了所選的27個臺站記錄的P波波形相似度。根據(jù)MCCC方法，一個臺站記錄到的P波波形相似度值為該臺站與其余臺站形成的臺站對的波形相似度的平均值。圖3a為27個臺站的P波相似度值，由圖可見，有26個臺站的P波相似度在0.6以上。我們把這27個臺站的未經(jīng)濾波的原始P波記錄畫在一起 (圖3b)，同樣可以直觀地看到這27個臺的P波記錄包含有這相同的信息，即27條寬頻帶垂直向記錄承載了相同的震源信號。

圖3 所選用的27個臺站的P波相似度值 (a)和未濾波的P波記錄 (b)Fig.3 Similarity values of P wave(a)and unfiltered P records(b)of the selected 27 stations

除了臺站的選取，反投影方法還有一個重要技術(shù)點在于準(zhǔn)確地得到從震中附近一點到遠(yuǎn)震距離上的地震臺站的P波傳播時間。徑向地球速度模型因為三維地球結(jié)構(gòu)的變化會造成傳播時間的差異，為了減少這一差異的影響，對所有臺站記錄到的P波的前10 s記錄進(jìn)行校準(zhǔn)，允許每一臺站的P波前后移動，從而使所有臺站的P波在同一時刻到達(dá)。假設(shè)P波移動時間變化很小，并且到時校正值被用于震源區(qū)域的所有網(wǎng)格點。反投影研究中重要的參數(shù)是振幅，在測量P波到時校正值的同時，我們得到了P波振幅的歸一化參數(shù)，歸一化參數(shù)可有效地去除臺站場地、波的幾何擴(kuò)散、儀器放大值不同以及地震波輻射方向的影響。

反投影方法是在某一特定時間，通過對與某一可能的震源位置所對應(yīng)的波形進(jìn)行疊加來抵消噪音和傳播路徑中次生波的影響，從而突出從震源傳出的信號，然后把疊加所得到的能量投影到與之相對應(yīng)的震源位置。在對可能震源區(qū)域所有可能位置都進(jìn)行了能量反投影后，得到該時間的震源圖像。之后把這一處理過程運(yùn)用到從震前到震后的一個連續(xù)時間段上，從而得到該地震全時間段的震源破裂過程。在進(jìn)行反投影時，考慮一個均勻的四維空間 (即經(jīng)度、緯度、深度、時間)圍繞在震源和發(fā)震時刻周圍。對每一網(wǎng)格點都計算它與每一臺站相對應(yīng)的理論到時，然后對用帶寬0.5～1.5 Hz的Buterworth濾波器濾波后的波形運(yùn)用4階方根疊加算法 (XU et al，2009;徐彥等，2011)進(jìn)行疊加:

其中，B(t)是最終的疊加值;B'(t)是疊加中間值，b'(t)是第j條記錄的振幅;M是波形總數(shù)。當(dāng)N=1時，為線性疊加。由于線性疊加雖運(yùn)算速度較快，但卻不能很好地提高信號能量并抑制噪音的干擾，本文選用N=4時的4階方根疊加算法是而運(yùn)用高階方根疊加則能很好地達(dá)到這個目的。筆者采用20 s的窗長，1 s的滑動窗來對總長100 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，疊加值的能量被反投影到與之相對應(yīng)的網(wǎng)格點上，最大能量值所在的時間和空間區(qū)域為破裂區(qū)域。

3 結(jié)果與討論

筆者通過ARF和MCCC對所下載的75條寬頻帶垂直向記錄進(jìn)行篩選后，最終運(yùn)用P波波形相關(guān)性較高且所組成的ARF在震中位置能量最大，旁瓣效應(yīng)較少的27個臺站構(gòu)成的全球子臺網(wǎng)記錄，使用4階方根疊加，對麗江地震時間總長100 s(發(fā)震時刻前20 s到震后80 s的時間段)的波形進(jìn)行反投影，以得到該地震的震源破裂過程。

圖4 歸一化的時間能量變化圖Fig.4 Normalized variation graph of beam power as a function of time

圖4為麗江地震能量隨時間變化曲線。在圖中可以看到能量值在0即發(fā)震時刻之前就有逐漸上升的現(xiàn)象，這是由于所采用的滑動時間窗窗長為20 s，可以使時間窗中心點在發(fā)震時刻之前的時間窗就包含有后面的能量，導(dǎo)致能量的明顯上升發(fā)生在0時刻之前。能量最大值隨時間的變化曲線上顯示出，在震后30 s能量值穩(wěn)定于0.05附近波動。雖然這一能量波動范圍高于震前的能量水平，但這一現(xiàn)象來自于大震后尾波能量的干擾，通常大地震后背景噪音至少需要30 min才能恢復(fù)到震前的水平 (Kaema，Ringdal，1999)，因此，本文得到麗江地震震源破裂時間總長度約為30 s。麗江地震震源破裂包含了兩個主要能量釋放點 (圖5)，一個是在震中位置附近，震后約5 s的時間 (圖5b)，該點也是整個破裂過程中能量釋放最大的;另一個在震后約15 s處 (圖5c)。從時間上看(圖4)，兩次主要能量釋放的時間差約為10 s;從空間上看 (圖5)，此次地震能量的釋放有自北向南傳播的特征，第二個主要能量釋放點位于震中位置以南約20 km。許力生等 (1997)用經(jīng)驗格林函數(shù)反卷積的辦法估計了麗江主震的震源時間過程，得到兩源的時間差約為 10 s，馬淑田等(1998)運(yùn)用同時反演兩個點源震源機(jī)制的原理，得到麗江主震由兩次主破裂構(gòu)成，兩次破裂時間差約為12 s，相距約26 km。本文得到的兩次破裂時間差為10s，空間相距20 km;本文結(jié)果與許力生等 (1997)的結(jié)果對比，反投影遠(yuǎn)震P波法得到的麗江地震震源破裂過程在時間上是一致的，兩次破裂時間差都是10 s;與馬淑田等 (1998)的反演結(jié)果進(jìn)行對比，兩種研究震源破裂過程的地震學(xué)方法得到的麗江地震震源破裂過程基本一致，但也存在一些細(xì)節(jié)上的差異，造成這些差異的原因可能是兩種方法所研究的頻率范圍不同。XU等 (2009)對2008年汶川地震的研究表明，破裂過程的一些細(xì)節(jié)與所研究的頻率范圍有著直接聯(lián)系，研究選取的頻率不同時，所得到的震源破裂過程主要特征雖不受影響，但在某些細(xì)節(jié)上會有所不同。

圖5(a)發(fā)震時刻，(b)震后5 s，(c)震后15 s和 (d)震后28 s的震源破裂過程截圖Fig.5 Snapshots of source rupture process at the origin time(a)，5s(b)，15s(c)，28s(d)after the origin time

圖6為運(yùn)用反投影P波得到的麗江地震能量釋放積累圖，包含了所選取的100 s的時間長度的結(jié)果。由圖中可以看到，在空間上，麗江地震的主要能量釋放呈近乎北南向分布，沿玉龍雪山東麓斷裂發(fā)展，破裂長度約為40 km，在中段10 km左右只有很少的能量釋放，而南北兩端存在著很強(qiáng)的能量釋放點。這與張建國等 (1997)考察得出的麗江地區(qū)地表破裂特征相符。值得注意的是，第二次能量釋放過程中，除了震中以南這一能量釋放點之外，在震中的西南方 (主破裂點以西約15 km處)也幾乎同時出現(xiàn)一個相對弱的能量釋放點(最大釋放能量只相當(dāng)于最大能量釋放的40%)，由于這一能量釋放區(qū)域正好位于龍蟠—喬后斷裂，筆者認(rèn)為，麗江地震在時間上有兩個主要的能量釋放點，而在空間上則有3個主要的能量釋放，最大能量釋放時空點位于震后5秒的震中位置，而震后15 s時，有兩個主要的能量釋放點在同時進(jìn)行，位于玉龍雪山東麓的能量釋放點所釋放的能量約為龍蟠—喬后斷裂上能量釋放的2倍。

圖6 麗江地震能量積累圖Fig.6 Cumulative beam power of Lijiang M7.0 earthquake

4 結(jié)論

通過反投影遠(yuǎn)震P波，筆者得到發(fā)生在1996年2月3日的麗江地震震源破裂時間約為30 s，破裂長度約40 km，破裂主要沿玉龍雪山東麓斷裂發(fā)展。此次地震的能量釋放過程主要體現(xiàn)在兩個時間點上，第一個能量釋放點是在震后5 s，另一個能量釋放點是在震后15 s。而在空間上，麗江地震有3個能量釋放點，最大能量釋放點為震中附近，次大能量釋放點位于震中以南約20 km的玉龍雪山東麓斷裂處，第3個能量釋放點在時間上與次大能量釋放同步，而位置位于震中西南的龍蟠—喬后斷裂上。

反投影遠(yuǎn)震P波技術(shù)多被用于7.5級以上的大震，然而D'Amico等 (2010)運(yùn)用此方法研究了2009年4月6日的意大利MW6.3地震，得到了較好的結(jié)果，表明反投影P波法除了能運(yùn)用于有著上百公里破裂尺度的大震外，對有重要破裂特征，破裂尺度在數(shù)十公里范圍的中強(qiáng)地震也同樣適用。本文對于麗江地震的研究也同樣體現(xiàn)出反投影P波法能夠較好地得到破裂尺度在數(shù)十公里范圍的中強(qiáng)地震的破裂過程。

目前由軟件自動定位生成的震動圖不能充分反映出地面運(yùn)動的信息，因而反投影P波法得到的震源破裂模型可以作為震動圖一個補(bǔ)充。雖然此方法不能像反演方法那樣得到很詳細(xì)的破裂圖像，但由于反投影遠(yuǎn)震P波法對破裂過程中的動力學(xué)參數(shù)限制很少，運(yùn)算快，因此能在震后較短時間內(nèi)得到震源破裂過程，從而能為一般速報只提供震中位置的監(jiān)測手段作重要補(bǔ)充，繼而為震后應(yīng)急救援工作提供依據(jù)。

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Back-projection of Teleseismic P-waves Applied to the Source Rupture Process of the Lijiang M7.0 Earthquake in 1996

LI Dan-ning，XU Yan
(Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，Yunnan，China)

Selecting waveforms recorded by 27 stations and using back-projection of teleseismic P-waves method，we study the source rupture process of the Lijiang M7.0 earthquake in 1996.The results show that the energy of source rupture of Lijiang M7.0 earthquake mainly releases along north-westward Eastern Piedmont Fault of Yulong Snow Mountain.The total rupture time is about 30 sec，and the rupture length is about 40 km.This method can obtain the source rupture process in short time after the earthquake occurred，it can be an important addition to earthquake rapid report and provides basis for the earthquake rapid response and rescue.

back-projection of teleseismic P-waves;source rupture;Lijiang M7.0 earthquake

P315.6

A

1000－0666(2012)02－0177－07

2011－09－07.

國家自然科學(xué)基金 (41004022)、云南省科技計劃面上項目 (2010CD129)和中國地震局星火計劃 (XH1023)聯(lián)合資助.