沙成寧，張曉清，袁伏全

(青海省地震局，青海西寧810001)

0 引言

開展強震孕震環(huán)境研究，揭示地下介質(zhì)受力作用的過程，分析強震前震源體的空間分布情況，了解震源體周圍受力狀態(tài)對準確判斷強震震情具有重要的意義。過去10多年來，青海省及其周邊先后發(fā)生了1997年11月8日瑪尼7.5級、2001年11月14日昆侖山口西8.1級、2008年3月21日于田7.3級、2008年5月12日汶川8.0級、2010年4月14日玉樹7.1級、2014年2月12日于田7.3級地震。針對這些強震孕震環(huán)境及前兆特征，很多學者運用不同方法和不同的數(shù)據(jù)進行研究分析，開展了大量的卓有成效的研究工作，從不同的側(cè)重點給出強震孕育發(fā)生特征。祝意青等(2008)運用重力觀測資料對汶川8.0級地震孕震環(huán)境進行了分析研究，結(jié)果表明其孕震區(qū)域位于重力正負分區(qū)的梯度帶內(nèi)。程佳等 (2011)運用應(yīng)力觸發(fā)方法研究了瑪尼、昆侖山口西、汶川地震所形成的同震和震后形變場的變化過程與特征，研究結(jié)果表明先后發(fā)生的強震是有關(guān)聯(lián)的。陳祖安等 (2011)運用 (DDA+FEM)理論和形變資料，研究了2001年昆侖山8.1級地震對2008年汶川8.0級地震孕育產(chǎn)生的影響。鄭現(xiàn)等 (2011)運用寬頻帶數(shù)字地震臺網(wǎng)資料，開展中國大陸中東部地區(qū)背景噪聲的瑞利波群速度層析成像，給出了該區(qū)域地殼厚度的差異、空間分布以及中強地震的空間分布特征。

在數(shù)字地震波形資料分析處理方面，一些學者開展了震源矩張量反演、震源破裂過程等方面的研究。近年來，中長周期 (20～40 s)資料也逐步得到開發(fā)利用，李文軍等 (2006)使用SSA(Source Scanning Algorithm)方法進行地震定位，研究結(jié)果表明該方法在不用精確讀取到時和計算理論地震圖的情況下達到比較理想的定位效果。丁寧霞和張曉清 (2013)運用SSA方法結(jié)合青海區(qū)域地震臺網(wǎng)觀測資料確定2008年11月10日大柴旦MS6.3地震震源破裂面。楊海波 (2010)開展了基于SSA算法的震源破裂過程反演方法系統(tǒng)整理研究。陳長云和任金衛(wèi) (2013)研究巴顏喀拉塊體東部活動塊體的劃分、形變特征及構(gòu)造，從構(gòu)造本和形變的方面給出了巴顏喀拉塊體的東向運動存在自西向東的差異性。鄧津 (2012)通過對低頻事件的全球分布及汶川震前實例分析，其研究得出低頻滑移事件在各大板塊周圍普遍存在。張曉清 (2000)在青海東部及其鄰近地區(qū)的地震層析成像工作中給出了研究區(qū)域的P波速度結(jié)構(gòu)。杜海林 (2007)將聚束能量分析方法和遷移疊加方法應(yīng)用于寬頻帶臺陣，分析了2004年12月26日蘇門答臘—安達曼地震的能量輻射源，得到了震源破裂長度、方向、持續(xù)時間和破裂速度。本文在上述工作的基礎(chǔ)上，使用青海及周邊省份地震臺網(wǎng)記錄的連續(xù)數(shù)字地震波形資料中的中長周期成份進行亮度函數(shù)掃描輻射源研究，探索SSA方法確定中長周期輻射源的空間位置，為確定強震孕震區(qū)提供技術(shù)支持。

1 SSA方法和原理

亮度函數(shù)SSA掃描算法年由 Kao和 Shan(2004)在北Cascadia俯沖帶的慢地震研究中提出，他們通過SSA方法，根據(jù)相應(yīng)的“亮度”函數(shù)掃描，找出慢地震的震源位置和發(fā)生時間。SSA掃描算法是在整個時空尋找可能輻射源的方法，其基本原理如圖1所示。圖中，空間上的點η在τ時刻的“亮度”可以由相應(yīng)臺站的理論到時 (即τ加上相應(yīng)的走時 taη，tbη，tcη)計算而來，如果某處“亮度”大 (圖中空心五角星)表明這里有事件發(fā)生，如果“亮度”小 (實心五角星)表示這里沒有事件發(fā)生。

圖1 SSA掃描法原理示意圖Fig.1 Sketch map of principle of SSA scanning algorithm

假設(shè)一個事件由N個臺站記錄到 (圖1中的A、B、C點)，首先分別歸一化每個數(shù)字地震臺站的記錄un，然后計算某個點 (η)某個時刻 (τ)的“亮度”函數(shù)為

式中，un為歸一化地震記錄，tηn為從點η處到臺站n計算的某個最大震相的走時，整個時空中“亮度”函數(shù)取最大值時是震源發(fā)生的位置和事件發(fā)生的時刻。由于使用區(qū)域臺網(wǎng)的資料，對速度模型的精度要求較高，目前對速度模型認識程度還達不到要求，造成走時計算有一些系統(tǒng)偏差，可以通過平滑的方法來預(yù)先處理記錄，得到每個臺站光滑的“亮度”函數(shù)序列為

smooth表示一種平滑方法。對于某一空間點 (η)某個時刻 (τ)的“亮度”函數(shù)可以表示為

2 選取資料處理

使用青海及其周邊的甘肅、新疆、西藏數(shù)字地震臺網(wǎng)共65個臺站的數(shù)據(jù)，青海臺網(wǎng)地震臺站空間分布如圖2所示。選取2010年4月14日玉樹7.1級地震前，2010年1月1日至4月11日青海省數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的信噪比較高的連續(xù)波形，并挑選出每天0～2時連續(xù)無地震記錄波形、無高頻干擾、無突跳點，儀器工作正常的垂直分量波形進行研究。并對地震記錄儀幅頻特性進行了核實，所使用資料的地震記錄儀大部分為BBVS-60和JCZ-1，帶寬分別為40 Hz～60 s和50 Hz～360 s，幅頻特性曲線如圖3所示。

圖2 青海臺網(wǎng)地震臺站空間分布Fig.2 Spatial distribution of stations in Qinghai Seismic Network

圖3 大柴旦BBVS-60(a)和格爾木JZC-1(b)儀器幅頻特性曲線Fig.3 Amplitude-frequency characteristic of BBVS-60 instrument at Dachaidan Station(a)and JZC-1 instrument at Golmud Station(b)

圖4 垂直分量連續(xù)波形資料FFT頻譜Fig.4 FFT frequency spectrum of continuous seismic waveform in vertical component

3 結(jié)果及分析

運用亮度函數(shù)SSA掃描連續(xù)波形資料方法，確定玉樹7.1級地震前30 s輻射源的空間位置變化和隨時間推移的演化過程。

首先，通過對所選取資料做FFT頻譜分析發(fā)現(xiàn) (圖4)，在無地震發(fā)生時，大部分地震臺站連續(xù)波形資料均存在0.03 Hz附近的優(yōu)勢頻率。再對連續(xù)波形進行濾波，將其中的對應(yīng)信號提取出來，并通過亮度函數(shù)SSA進行掃描計算，確定相應(yīng)周期的輻射源的空間分布。由于SSA方法是在所給定時空范圍內(nèi)，以亮度函數(shù)達到最大作為判據(jù)確定輻射源的空間位置，因此，只需要給定所要掃描的的空間范圍 (經(jīng)度、緯度、深度)、相應(yīng)頻段波的波速值、地震臺站的空間坐標以及空間掃描的步長，即可由亮度函數(shù)的最大值確定輻射源的空間位置。本文給出的初始空間范圍為 (88.5°～108°E，30°～50°N)，地殼深度為0 ～70 km。參考余大新等 (2014)利用Rayleigh相速度和群速度聯(lián)合反演青藏高原東北緣速度結(jié)構(gòu)，和鄭現(xiàn)等(2012)給出的中國大陸中東部地區(qū)基于背景噪聲的瑞利波層析成像等研究結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)有計算設(shè)備的計算能力，為了確保研究區(qū)內(nèi)計算結(jié)果的空間分辨率達到最好，確定本文所采用的波速值范圍2.8～3.2 km/s;計算網(wǎng)格步長水平向為0.1°，垂直向為5 km。

運用Butterworth濾波器提取青海臺網(wǎng)連續(xù)波形中頻率為0.2～0.4 Hz的波形資料并進行濾波，如圖5所示。對提取的資料進行亮度函數(shù)掃描，亮度函數(shù)值的空間分布如圖6所示。從圖中可以看出，2010年1月10日亮度函數(shù)最高的區(qū)域分布在柴達木盆地的西部及西南部，位于東昆侖斷裂帶的西段 (圖6a)，最高亮度值達到0.74，深度15 km;2月10日和3月10日亮度函數(shù)高值區(qū)域的主體仍然在東昆侖斷裂帶的西段，明顯向東昆侖斷裂帶以東擴展，亮度函數(shù)最高值分別為0.69和0.68(圖6b、c)，深度分別為15 km和17 km;4月10日 (玉樹地震前4天)亮度函數(shù)高值區(qū)移至東昆侖斷裂帶的東段，并且明顯向南擴散，亮度函數(shù)最高值達到0.81，深度為19 km;4月14日玉樹7.1級地震發(fā)生在亮度函數(shù)高值區(qū)附近 (圖6d)。

圖5 垂直分量連續(xù)波形和濾波后的波形Fig.5 Continuous waveform and waveform after filtering in vertical component

本文計算的亮度函數(shù)結(jié)果的時空分布特征呈現(xiàn)出最高亮度函數(shù)的中心位置基本處于東昆侖斷裂帶內(nèi)，在玉樹7.1級地震前沿東昆侖斷裂逐步由西向東移的現(xiàn)象。陳祖安等 (2011)對青藏高原及其東側(cè)四川盆地鄂爾多斯塊體地區(qū)構(gòu)造塊體的研究表明，2001年11月14日昆侖山口西8.1級地震，最大水平錯距4.5 m，地表最大位移為6 m左右;楊國華等 (2008)根據(jù)GPS觀測資料，震源區(qū)附近的青藏高原向北運動的量級在南端超過了20 mm/a，面應(yīng)變以壓性為主的方式積累應(yīng)變能，最大絕對值位于玉樹地震和汶川地震震中的周圍地區(qū)，上述研究結(jié)果表明在昆侖山口西8.1級地震之后，玉樹7.1級地震之前東昆侖斷裂帶東部及其周圍區(qū)域存在較高水平應(yīng)變，從構(gòu)造和形變方面給出孕震證據(jù)。此外，從巖石力學實驗角度，根據(jù)鄧志輝等 (1995)孤立型大事件常發(fā)生于高能量向低能量的突變帶或高能量背景區(qū)內(nèi)的相對低能量區(qū)，高能量不是發(fā)震的充分條件，能量空間分布的差異也是發(fā)震的重要條件，失穩(wěn)可能從弱的地方開始;馬瑾等 (2008)對斷層變形過程中熱場與應(yīng)變場的關(guān)系巖石力學實驗研究結(jié)果表明，巖石斷層破裂前存在熱紅外輻射的亮度溫度場和溫度場的變化。給出的亮度函數(shù)結(jié)果的時空分布特征為，空間上表現(xiàn)為最高亮度函數(shù)值與玉樹7.1級地震震中不重合，玉樹地震震中位于輻射源中心的南部，亮度函數(shù)最高值的邊緣;時間上表現(xiàn)為隨時間推移輻射源逐步向震中移動。本文給出的結(jié)果與近幾年對2008年5月12日汶川8.0級地震、2010年4月14日玉樹7.1級地震及昆侖山口西8.1級地震的研究結(jié)果相一致，玉樹地震之前確實存在30 s左右的輻射源。

圖6 亮度函數(shù)值的空間分布Fig.6 Spatial distribution of brightness function value

4 結(jié)論及討論

本文使用SSA掃描方法計算了2010年4月14日玉樹7.1級地震前青海區(qū)域臺網(wǎng)連續(xù)波形資料，發(fā)現(xiàn)在青海東昆侖斷裂帶及其附近存在30 s周期的輻射源，輻射源隨空間和時間的變化對未來的中強地震發(fā)震地點有一定指示意義，期望為今后的孕震區(qū)的判定提供一種定量判定方法。

由于本文僅對輻射源掃描開展了二維掃描計算，輻射源的大小與地震震級的關(guān)系、輻射源時空特征隨輻射周期的變化、未來中強地震的發(fā)震地點位于輻射源的方位等問題有待于做更進一步的研究。此外，進行頻譜分析時，注意對資料的挑選，盡量不使用有地震波形記錄的資料，減少提取相應(yīng)頻率的難度。

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